CN110165401A - 集成基片间隙波导馈电缝隙耦合超表面圆极化天线 - Google Patents

集成基片间隙波导馈电缝隙耦合超表面圆极化天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了集成基片间隙波导馈电缝隙耦合超表面圆极化天线，采用四层介质板构成。第一介质板上表面有周期排列的切角贴片，形成辐射结构；第二介质板上表面有第一敷铜层，下表面印刷微带馈线，形成类波导结构传输能量，通过第一敷铜层上蚀刻的矩形缝隙，将能量耦合至切角贴片；第三介质板为空白介质板，用来分隔第二介质板和第四介质板；第四介质板上表面印刷有圆形贴片，其上打金属过孔，下表面为第二敷铜层，共同组成蘑菇状电磁带隙结构，增加电路的屏蔽性。本发明集成基片间隙波导馈电缝隙耦合超表面圆极化天线具有低剖面，宽带宽，高增益、易加工等特点，能用作5G毫米波天线。

Description

集成基片间隙波导馈电缝隙耦合超表面圆极化天线
技术领域
本发明涉及一种无线通信毫米波天线，特别是涉及集成基片间隙波导馈电缝隙耦合超表面圆极化天线。
背景技术
随着通信***的发展，人们对微波毫米波频段的器件频率要求不断提高，传统微带线结构应用于较高频率时，会产生较大的损耗和泄露。
集成基片间隙波导能够较好地解决上述问题。该结构基于多层PCB技术，将微带线封装在电磁带隙结构中，提高馈电网络屏蔽性。
近年来，超表面结构被用于天线设计，能够改善天线各方面的性能，如扩展带宽、提高增益、改善方向图等，具有良好的应用前景。
本发明首次结合集成基片间隙波导和超表面结构，设计了集成基片间隙波导馈电缝隙耦合超表面圆极化天线，以集成基片间隙波导客服传统微带线结构在毫米波频段的局限性，以超表面结构实现良好的天线性能。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供集成基片间隙波导馈电缝隙耦合超表面圆极化天线，解决了现有的毫米波天线带宽较窄、增益较低、泄漏严重等问题，并能将本天线应用于5G毫米波频段。
本发明采用的技术方案如下：
集成基片间隙波导馈电缝隙耦合超表面圆极化天线，包括天线辐射结构、集成基片间隙波导结构，所述天线辐射结构、集成基片间隙波导结构采用PCB 技术从上到下依次排列重叠形成；集成基片间隙波导结构包括电磁带隙结构和用于向天线辐射结构传输能量的类波导馈电结构；所述类波导馈电结构包括第二介质板，第二介质板的上表面敷设有第一敷铜层，所述第一敷铜层中部刻蚀有缝隙；所述第二介质板的下表面设置有微带馈线，所述微带馈线从第二介质板的一端向第二介质板的中部延伸并越过缝隙；所述天线辐射结构包括第一介质板，第一介质板的上表面设置有周期排列的切角贴片。
进一步地，本发明还公开了集成基片间隙波导馈电缝隙耦合超表面圆极化天线的优选结构，所述缝隙为矩形缝隙，矩形缝隙刻蚀在第一敷铜层中部；所述微带馈线完全越过矩形缝隙。
进一步地，所述第一介质板的下表面设置有第一敷铜层，所述第一介质板、切角贴片与第一敷铜层形成天线辐射结构。
进一步地，所述切角贴片是在正方形贴片的基础上，对称切去对角线上的两个角形成，所述切去的角为等腰三角形。
进一步地，所述第二介质板、第二介质板下表面的微带馈线、第二介质板上表面的第一敷铜层共同构成类波导馈电结构；所述微带馈线向整个天线辐射结构提供能量。
进一步地，所述类波导馈电结构与电磁带隙结构之间设置有第三介质板，所述第三介质板将类波导馈电结构与电磁带隙结构相隔离。
进一步地，所述电磁带隙结构包括第四介质板，所述第四介质板的下表面设置有第二敷铜层；所述第四介质板的上表面设置有印刷有周期排列的圆形贴片所述圆形贴片与第二敷铜层之间的第四介质板上开有通孔，通孔的轴线与圆形贴片的圆心在同一直线上。
进一步地，所述通孔的侧壁上设置有金属片并形成金属过孔，金属过孔将第二敷铜层与圆形贴片相连通。
进一步地，所述第四介质板上表面印刷的圆形贴片、周期排列的金属过孔和第四介质板下表面的第二敷铜层共同构成蘑菇状电磁带隙结构；第四介质板能防止由敷铜层和微带馈线输送的能量发生泄漏。
进一步地，所述第一介质板、第二介质板、第三介质板采用介电常数为2.2、损耗角正切为0.0009的材质制成；所述第四介质板采用介电常数为4.4、损耗角正切为0.02的材质制成；所述天线的总尺寸为12mm*12mm*0.1.362mm。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1.本发明集成基片间隙波导馈电缝隙耦合超表面线极化天线，通过引入集成基片间隙集成基片间隙波导结构，改善了毫米波频段的能量传输特性，通过引入超表面结构，改善了天线的辐射性能；
2.通过将天线集成在基片上，大大降低了天线的厚度，提高了天线的增益，提高了天线的宽带。
附图说明
图1是集成基片间隙波导馈电缝隙耦合超表面圆极化天线结构示意图；
图2是集成基片间隙波导馈电缝隙耦合超表面圆极化天线切角贴片示意图；
图3是集成基片间隙波导馈电缝隙耦合超表面圆极化天线的回波损耗、增益和轴比仿真结果；
图4是集成基片间隙波导馈电缝隙耦合超表面圆极化天线的方向图。
图中标记：1是第一介质板，2是第二介质板，3是第三介质板，4是第四介质板，5是切角贴片，6是矩形缝隙，7是第一敷铜层，8是微带馈线，9是圆形贴片，10是金属过孔，11是第二敷铜层。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：
如图1所示，本发明包括第一介质板1、第二介质板2、第三介质板3、第四介质板4；所述第一介质板1、第二介质板2、第三介质板3、第四介质板4 压合在一起，形成一个整体。ISGW基片集成间隙波导，是 (Substrate Integrated Gap Waveguide,SIGW)的缩写。
第一介质板1上表面有周期排列的切角贴片5，作为辐射结构，第二介质板2上表面有第一敷铜层7，作为天线的地。
如图2所示，所述切角贴片5是在正方形贴片的基础上，对称切去对角线上的两个角形成，所述切去的角为等腰三角形。切角贴片5通过在方形贴片对角上各切去相同的等腰直角三角形得到，通过改变等效阻抗，实现圆极化特性。
集成基片间隙波导结构由第二介质板2、第三介质板3、第四介质板4构成；第二介质板2上表面有第一敷铜层7，第二介质板2下表面印刷微带馈线 8；第一敷铜层7上蚀刻有矩形缝隙6；第三介质板3为空白介质板，用来分隔第二介质板2和第四介质板4；第四介质板4上表面印刷有周期排列的圆形贴片9，第四介质板4上开有周期排列的金属过孔10，下表面为第二敷铜层11。
第二介质板2上表面有第一敷铜层7，第二介质板2的下表面印刷微带馈线8，第二介质板2、第一敷铜层7、微带馈线8共同构成类波导结构，传输能量。
第四介质板4上表面印刷的周期圆形贴片9、第四介质板4上的周期金属过孔10和下表面第二敷铜层11共同构成蘑菇状电磁带隙结构，整块第四介质板4相当于理想磁导体，能够防止由第一敷铜层7和微带馈线8输送的能量发生泄漏。
第四介质板4上表面印刷有圆形贴片9，其上打金属过孔10，圆形贴片9 与金属过孔10一一对应且同心。
第一敷铜层7上蚀刻有矩形缝隙6，微带馈线8末端略微超过矩形缝隙6，通过矩形缝隙6馈电给第一介质板1上表面的切角贴片5。
集成基片间隙波导结构中，为了使蘑菇状电磁带隙结构工作在所需的频带，需要合适选取圆形贴片9和金属过孔10的尺寸以确定蘑菇状电磁带隙结构的阻带，使其与天线工作频带吻合。
本发明集成基片间隙波导馈电缝隙耦合超表面线极化天线，通过引入集成基片间隙波导结构，改善了毫米波频段的能量传输特性，通过引入超表面结构，改善了天线的辐射性能。
通过将天线集成在基片上，大大降低了天线的厚度，提高了天线的增益，提高了天线的宽带。
实施例2：
如上实施例1所述，第一介质板1、第二介质板2、第三介质板3采用介电常数为2.2、损耗角正切为0.0009的材质制成；第四介质板4采用介电常数为4.4、损耗角正切为0.02的材质制成。所述天线的总尺寸为 12mm*12mm*0.1.362mm。
附图3所示的回波损耗、增益和轴比仿真结果表明，本发明集成基片间隙波导馈电缝隙耦合超表面圆极化天线中心频率28.08GHz，-10dB阻抗带宽为25.34GHz-30.81GHz，绝对带宽5.47GHz，相对带宽19.5％，3dB轴比带宽为 28.15GHz-32.28GHz，绝对带宽4.13GHz，相对带宽14.7％，阻抗带宽带内增益达到8.9dBi-10.35dBi。
如附图4所示，由图可知，是天线的方向图，由方向图可知，垂直于第一介质板1、并与微带馈线8相平行的E面的电磁辐射强度在0°方向时，辐射强度达到了最大；垂直于第一介质板1、并与矩形缝隙6相平行的H面的电磁辐射强度在0°方向时，辐射强度达到了最大。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.集成基片间隙波导馈电缝隙耦合超表面圆极化天线，其特征在于：包括天线辐射结构、集成基片间隙波导结构，所述天线辐射结构、集成基片间隙波导结构采用PCB技术从上到下依次排列重叠形成；集成基片间隙波导结构包括电磁带隙结构和用于向天线辐射结构传输能量的类波导馈电结构；所述类波导馈电结构包括第二介质板(2)，第二介质板(2)的上表面敷设有第一敷铜层(7)，所述第一敷铜层(7)中部刻蚀有缝隙；所述第二介质板(2)的下表面设置有微带馈线(8)，所述微带馈线(8)从第二介质板(2)的一端向第二介质板(2)的中部延伸并越过缝隙；所述天线辐射结构包括第一介质板(1)，第一介质板(1)的上表面设置有周期排列的切角贴片(5)。
2.如权利要求1所述的集成基片间隙波导馈电缝隙耦合超表面圆极化天线，其特征在于：所述缝隙为矩形缝隙(6)，矩形缝隙(6)刻蚀在第一敷铜层(7)中部；所述微带馈线(8)完全越过矩形缝隙(6)。
3.如权利要求1或2所述的集成基片间隙波导馈电缝隙耦合超表面圆极化天线，其特征在于：所述第一介质板(1)的下表面设置有第一敷铜层(7)，所述第一介质板(1)、切角贴片(5)与第一敷铜层(7)形成天线辐射结构。
4.如权利要求3所述的集成基片间隙波导馈电缝隙耦合超表面圆极化天线，其特征在于：所述切角贴片(5)是在正方形贴片的基础上，对称切去对角线上的两个角形成，所述切去的角为等腰三角形。
5.如权利要求4所述的集成基片间隙波导馈电缝隙耦合超表面圆极化天线，其特征在于：所述第二介质板(2)、第二介质板(2)下表面的微带馈线(8)、第二介质板(2)上表面的第一敷铜层(7)共同构成类波导馈电结构；所述微带馈线(8)向整个天线辐射结构提供能量。
6.如权利要求3-4其中之所述的集成基片间隙波导馈电缝隙耦合超表面圆极化天线，其特征在于：所述类波导馈电结构与电磁带隙结构之间设置有第三介质板(3)，所述第三介质板(3)将类波导馈电结构与电磁带隙结构相隔离。
7.如权利要求6所述的集成基片间隙波导馈电缝隙耦合超表面圆极化天线，其特征在于：所述电磁带隙结构包括第四介质板(4)，所述第四介质板(4)的下表面设置有第二敷铜层(11)；所述第四介质板(4)的上表面设置有印刷有周期排列的圆形贴片(9)所述圆形贴片(9)与第二敷铜层(11)之间的第四介质板(4)上开有通孔，通孔的轴线与圆形贴片(9)的圆心在同一直线上。
8.如权利要求7所述的集成基片间隙波导馈电缝隙耦合超表面圆极化天线，其特征在于：所述通孔的侧壁上设置有金属片并形成金属过孔(10)，金属过孔(10)将第二敷铜层(11)与圆形贴片(9)相连通。
9.如权利要求8所述的集成基片间隙波导馈电缝隙耦合超表面圆极化天线，其特征在于：所述第四介质板(4)上表面印刷的圆形贴片(9)、周期排列的金属过孔(10)和第四介质板(4)下表面的第二敷铜层(11)共同构成蘑菇状电磁带隙结构；第四介质板(4)能防止由敷铜层(7)和微带馈线(8)输送的能量发生泄漏。
10.如权利要求7-9其中之所述的集成基片间隙波导馈电缝隙耦合超表面圆极化天线，其特征在于：所述第一介质板(1)、第二介质板(2)、第三介质板(3)采用介电常数为2.2、损耗角正切为0.0009的材质制成；所述第四介质板(4)采用介电常数为4.4、损耗角正切为0.02的材质制成；所述天线的总尺寸为12mm*12mm*0.1.362mm。
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