CN109546348B - 一种新型小型化宽带sw-siw喇叭天线及其设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明过你公开了一种新型小型化宽带SW‑SIW喇叭天线及其设计方法。本发明在顶部金属板和底部金属板开相同的周期性槽，上下槽之间产生耦合电容，从而会影响介质基板的电性能参数，使介质层的传播常数和阻抗特性发生改变，进而影响电磁波的传播，形成慢波特性。而开槽形成的两种慢波结构使电磁波在喇叭天线的辐射端口由球面波转变成了平面波，减小了辐射波瓣宽度，有效提高了天线的辐射效率。和传统的喇叭天线相比，本发明方向性好，有较宽的频带，和较高的增益，大大提高了辐射效率，剖面低，尺寸小，和平面电路连接损耗较低，更容易实现集成化，结构简单，易于加工，工程应用成本较低。

Description

一种新型小型化宽带SW-SIW喇叭天线及其设计方法
技术领域
本发明属于微波天线工程技术领域，可以广泛应用于星际通信，5G(5th-generation)通信，毫米波通信中，尤其是一种小型化宽带慢波基片集成波导(SW-SIW，SlowWave-Substrate Integrated Waveguide)技术的H面喇叭天线。
背景技术
随着新一代无线通信技术的到来，整个国际社会都在加大力度建设新一代通信基础设施和研发新一代通信技术以及新型微波器件。新一代的通信***对微波器件的性能和集成度也提出了更高的要求。而天线是通信***中最为关键的组成部分，在日常生活以及航空航天，星际通信等领域都有着广泛的应用。实现天线宽频带通信和小型化就变得十分重要。
喇叭天线与传统的微带天线相比，具有更简单的结构，便捷的馈电方式。而且，喇叭天线能实现高频通信，有较宽频带，方向性强，高增益等优点。但是，喇叭天线相比较于传统的微带天线，它的尺寸比较大，所占空间比较大难以集成，而且喇叭天线用传统的同轴过渡的方式接到电路***中，往往会产生较大的插损。
基片集成波导(SIW，Substrate Integrated Waveguide)技术，SIW和传统的矩形金属波导具有类似的准封闭平面波导结构，具有良好的传输特性。而且，基片集成波导是利用标准的PCB工艺加工而成，具有高Q值，易加工和集成，重量轻，体积小等特点。基片集成波导也是一种波导结构，该波导的截止频率主要由带宽决定，和共面波导和微带电路相比，SIW的物理尺寸依旧很大。慢波(SW，Slow Wave)结构最早应用于行波管中，可以让在其慢波结构中传播的电磁波的速度降低，与之相对应的电磁波的波长也会随之变小。由于天线的尺寸也和电磁波的波长有关，SW结构可以让天线的物理尺寸进一步减小。因此，小型化宽带SW-SIW喇叭天线，在无线通信领域的应用中有长远的科学意义和实际应用价值。
发明内容
本发明的目的是：提供一种新型小型化宽带SW-SIW喇叭天线，它有较宽的频带和较高的增益，方向性好，大大提高了辐射效率，并减小了体积，更容易实现集成化，结构简单，应用成本较低。
本发明是这样实现的：小型化宽带SW-SIW喇叭天线，包括介质层，在介质层的顶面设有顶部金属层，在介质层的底面设有底部金属层，在顶部金属层的前端设有微带线结构及SIW转微带的过度结构；在顶部金属层及底部金属层的中部位置均设开设有位置及形状对应的槽，形成慢波结构A及慢波结构B,形成慢波结构A及慢波结构B的槽沿介质层的中轴线对称、且呈周期性分布；在介质层上设有沿中轴线对称的前端金属圆柱及导向金属圆柱，前端金属圆柱及导向金属圆柱均贯穿介质层，并与顶部金属层及底部金属层连接，使顶部金属层与底部金属层形成电气连接；前端金属圆柱在介质层的前端两侧平行设置，并形成等效矩形波导，导向金属圆柱处于前端金属圆柱末端，沿介质层两侧边缘的开口角度、呈阶梯型分布。导向金属圆柱主要是来实现天线更好的阻抗匹配，使喇叭天线保持较好的方向性，提高天线的增益和辐射效率，使天线的性能进一步提升。
所述的前端金属圆柱与导向金属圆柱中，相邻的金属圆柱之间的间距p满足λc/4>p>λc/20，金属圆柱的直径d1满足d1<p<2.5d1，其中，λc是SIW的主模传输的截止波长。
在顶部金属层及底部金属层的末端均设有矩形阵列，上下两组矩形阵列上下对称、共同形成偶极子阵列。通过加载偶极子阵列，使天线的增益提高，辐射能量更加集中，提高天线的方向性，使天线的辐射效率和性能有进一步的提升。
由于采用了上述技术方案，本发明的发明人发现，在顶部金属板和底部金属板开相同的周期性槽，上下槽之间产生耦合电容，从而会影响介质基板的电性能参数，使介质层的传播常数和阻抗特性发生改变，进而影响电磁波的传播，形成慢波特性。而开槽形成的两种慢波结构使电磁波在喇叭天线的辐射端口由球面波转变成了平面波，减小了辐射波瓣宽度，有效提高了天线的辐射效率。和传统的喇叭天线相比，本发明方向性好，有较宽的频带，和较高的增益，大大提高了辐射效率，剖面低，尺寸小，和平面电路连接损耗较低，更容易实现集成化，结构简单，易于加工，工程应用成本较低。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为图1的仰视结构图；
图3为图1的俯视结构图；
图4为图1的侧视结构图；
图5为图2的透视结构图；
图6为本发明小型化宽带SW-SIW喇叭天线S11的HFSS仿真结果图；
图7为本发明小型化宽带SW-SIW喇叭天线H面辐射方向图；
图8为本发明小型化宽带SW-SIW喇叭天线的电场分布图。
具体实施方式
实施例：小型化宽带SW-SIW喇叭天线，如图1-4所示，包括介质层2，在介质层2的顶面设有顶部金属层1，在介质层2的底面设有底部金属层4，在顶部金属层1的前端设有微带线结构8及SIW转微带的过度结构9；在顶部金属层1及底部金属层4的中部位置均设开设有位置及形状对应的槽，形成慢波结构A 6及慢波结构B 7,形成慢波结构A 6及慢波结构B 7的槽沿介质层2的中轴线对称、且呈周期性分布；在介质层2上设有沿中轴线对称的前端金属圆柱10及导向金属圆柱，前端金属圆柱10及导向金属圆柱均贯穿介质层2，并与顶部金属层1及底部金属层4连接，使顶部金属层1与底部金属层4形成电气连接；前端金属圆柱10在介质层2的前端两侧平行设置，并形成等效矩形波导，导向金属圆柱处于前端金属圆柱10末端，沿介质层2两侧边缘的开口角度、呈阶梯型分布。本实施例中，导向金属圆柱的结构如图5所示，分为8组，分别是附图中标记11-18，该分组设计符合形成一定的开口角度，呈阶梯型分布，来实现天线更好的阻抗匹配，使喇叭天线保持较好的方向性，提高天线的增益，进而提高天线的辐射效率，使天线的性能进一步提升。但是并不仅限于这样的方案。
所述的前端金属圆柱10与导向金属圆柱中，相邻的金属圆柱之间的间距p满足λc/4>p>λc/20，金属圆柱的直径d1满足d1<p<2.5d1，其中，λc是SIW的主模传输的截止波长。
在顶部金属层1及底部金属层4的末端均设有矩形阵列5，上下两组矩形阵列5上下对称、共同形成偶极子阵列19。
本实施例中，介质基板2的材料为Rogers Ro6002介质基板材料，相对介电常数为2.94，损耗角正切为0.0012。其具有较低的介质损耗，导带金属与基板截止黏附力好等特点。
本实施例中，形成慢波结构A 6及慢波结构B 7的槽可以为规则形状，也可以为非规则形状，其最终根据周期性排列形成的总体形状也是可以根据实际参数需要来进行调整的。
本实施例的ANSOFT HFSS仿真结果如图6所示。从喇叭天线的回波损耗曲线S11可以看出，发明的喇叭天线通带宽度为32.87GHz～35.08GHz，通信带宽为2.21GHz。图7中显示，本发明的SW-SIW喇叭天线具有较好的方向性，旁瓣得到了较好的抑制，最大辐射方向的增益为12.1dB。如图8所示，本发明的SW-SIW喇叭天线，其传播的电磁波在辐射端口，由球面波形成了平面波，减小了辐射波瓣宽度，提高了天线的辐射效率。

Claims (3)

1.一种小型化宽带SW-SIW喇叭天线，包括介质层（2），其特征在于:在介质层（2）的顶面设有顶部金属层（1），在介质层（2）的底面设有底部金属层（4），在顶部金属层（1）的前端设有微带线结构（8）及SIW转微带的过渡结构（9）；在顶部金属层（1）及底部金属层（4）的中部位置均设开设有位置及形状对应的槽，形成慢波结构A(6)及慢波结构B(7),形成慢波结构A(6)及慢波结构B(7)的槽沿介质层（2）的中轴线对称、且呈周期性分布；在介质层（2）上设有沿中轴线对称的前端金属圆柱（10）及导向金属圆柱，前端金属圆柱（10）及导向金属圆柱均贯穿介质层（2），并与顶部金属层（1）及底部金属层（4）连接，使顶部金属层（1）与底部金属层（4）形成电气连接；前端金属圆柱（10）在介质层（2）的前端两侧平行设置，并形成等效矩形波导，导向金属圆柱处于前端金属圆柱（10）末端，沿介质层（2）两侧边缘的开口角度、呈阶梯型分布；在前端金属圆柱（10）末端依次设有阶梯对称分布的第二金属柱（11）、第三金属柱（12）、第四金属柱（13）、第五金属柱（14）、第六金属柱（15）、第七金属柱（16）、第八金属柱（17）及第九金属柱（18）。
2.根据权利要求1所述的小型化宽带SW-SIW喇叭天线，其特征在于:所述的前端金属圆柱（10）与导向金属圆柱中，相邻的金属圆柱之间的间距p满足λ c /4>p>λ c /20，金属圆柱的直径d 1 满足d 1 <p<2.5d 1 ，其中，λ c 是SIW的主模传输的截止波长。
3.根据权利要求1所述的小型化宽带SW-SIW喇叭天线，其特征在于:在顶部金属层（1）及底部金属层（4）的末端均设有矩形阵列（5），上下两组矩形阵列（5）上下对称、共同形成偶极子阵列（19）。
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