CN110890628B - 一种基于siw结构的差分端射天线 - Google Patents

一种基于siw结构的差分端射天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于SIW结构的差分端射天线，包括介质基板和印刷在介质基板上的SIW传输线、斜槽天线和差分馈电模块；SIW传输线具有短路端和开路端，斜槽天线与SIW传输线的开路端相连，形成基于SIW的端射天线；差分馈电模块用于向基于SIW的端射天线进行差分馈电。斜槽天线包括两个直角梯形金属面；每个直角梯形金属面内具有四个矩形缝隙。SIW传输线包括设置在介质基板A中呈U型的三排金属通孔。差分馈电模块包括两根馈电微带线和探针。本发明的馈电方式从差分微带转换到差分SIW，能够实现比较宽的匹配带宽。另外，还具有良好的共模抑制效果，宽匹配带宽，高增益，低旁瓣，低交叉极化等特点；同时具有低剖面的优势，易与平面电路集成设计。

Description

一种基于SIW结构的差分端射天线
技术领域
本发明涉及无线通信领域，特别是一种基于SIW结构的差分端射天线。
背景技术
在现代无线通信***中，基片集成波导具有低剖面、低***损耗和易与平面电路集成等优点，被广泛地应用于设计微波器件。平衡电路技术可以抑制外部噪声和***内部噪声等共模信号的传输，因此越来越多的被应用于微波电路的设计中。天线是无线通信***中必不可少的收发器件。差分天线可以直接和平衡电路相连，免去了巴伦以及带来的损耗和占用的空间。端射天线具有高增益，低驻波比和宽匹配带宽等优点，而且在工作带宽内具有稳定的辐射效果。为了满足无线通信设备体积小和抗干扰能力强等要求，基于SIW结构的差分端射天线对于无线通信***的发展具有重要意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种基于SIW结构的差分端射天线，该基于SIW结构的差分端射天线具有良好的共模抑制效果，宽匹配带宽，高增益，低旁瓣，低交叉极化等特点；同时具有低剖面的优势，易与平面电路集成设计。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种基于SIW结构的差分端射天线，包括介质基板和印刷在介质基板上的SIW传输线、斜槽天线和差分馈电模块。
SIW传输线具有短路端和开路端，斜槽天线与SIW传输线的开路端相连，形成基于SIW的端射天线。差分馈电模块用于向基于SIW的端射天线进行差分馈电。
介质基板分为三层，从上至下依次为上层介质基板、中间层介质基板和下层介质基板。中间层介质基板包括并列设置的介质基板A和介质基板B。介质基板A分别与上层介质基板和下层介质基板尺寸相同，且具有上共用金属面和下共用金属面。
SIW传输线设置在介质基板A中，斜槽天线位于介质基板B上。
三层介质基板具有与长度方向相平行的对称轴N-N＇。斜槽天线包括两个直角梯形金属面。两个直角梯形金属面分别设置在介质基板B的上表面和下表面，且关于对称轴N-N＇对称。每个直角梯形金属面内具有至少一个垂直与其高度方向的矩形缝隙。
每个直角梯形金属面的上底边、下底边和直角侧边分别与介质基板B中相邻的三条侧边所在直线相重合。其中，直角梯形金属面的下底边与上共用金属面或下共用金属面相连接。
每个直角梯形金属面内间隔均匀布设有四个矩形缝隙。从下底边至上底边，四个矩形缝隙的缝隙长度逐渐减小。
每个直角梯形金属面中下底边的长度均大于介质基板B宽度的二分之一。
SIW传输线包括设置在介质基板A中的三排金属通孔，三排金属通孔围合形成关于对称轴N-N＇对称的U型腔。U型腔的开口端，即为SIW传输线的开路端。
差分馈电模块包括两根馈电微带线和探针。两根馈电微带线分别布设在上层介质基板的上表面和下层介质基板的下表面。探针位于对称轴N-N＇所在竖向平面上，且依次贯穿上层介质基板、上共用金属面、介质基板A、下共用金属面和下层介质基板，并与两根馈电微带线相连接。
每根馈电微带线均为直线型，且均垂直于对称轴N-N＇。
差分馈电模块还包括两根弧形微带线和若干金属化过孔。两根弧形微带线分别布设在上层介质基板的上表面和下层介质基板的下表面，且关于对称轴N-N＇对称。每根弧形微带线均以探针作为圆心。馈电微带线从对应弧形微带线的开口端穿过。位于弧形微带线下方的上层介质基板以及位于弧形微带线上方的下层介质基板均沿弧形方向开设有若干所述的金属化过孔。
本发明具有如下有益效果：
1、差分馈电模块完成了差分微带到差分SIW的转换，使结构具有低剖面的优势，能够集成在平面电路中。
2、差分馈电的方式能够直接和平衡电路相连，省去了单端到差分转换结构（巴伦）带来的损耗和占用的空间。
3、差分馈电方式抑制的共模信号的传输，且具有比较宽的匹配带宽，能匹配的绝对带宽为11-17GHz，相对带宽为43%，为超宽带范畴；差分宽带天线可以在一个很宽的范围内实现共模抑制效果，且可以覆盖多个实际应用频段，虽然带宽很宽，但是在整个宽带内具有十分好的性能稳定性。
4、线性斜槽天线在工作带宽内方向图稳定，且具有低交叉极化和低旁瓣的特性。低交叉极化和低旁瓣是传统的天线指标，其会影响天线信号传输质量，低交叉极化有利于排除噪声的影响，低旁瓣会尽可能减少主瓣方向其他的干扰。
5、整体结构垂直于端射方向比较窄，天线整体尺寸小、占用空间小，降低介质基板使用、成本低。
附图说明
图1显示了本发明一种基于SIW结构的差分端射天线所使用的印刷电路板的纵剖面图。
图2显示了本发明一种基于SIW结构的差分端射天线的三维图。
图3显示了本发明一种基于SIW结构的差分端射天线的俯视图。
图4显示了本发明中斜槽天线与SIW传输线的布设示意图。
图5显示了本发明中SIW传输线中金属通孔的布设位置示意图。
图6显示了本发明中斜槽天线的优选布设尺寸示意图。
图7显示了本发明中探针孔的优选布设尺寸示意图。
图8显示了本发明中散射参数仿真和测试结果示意图。
图9显示了本发明中频率增益曲线图。
图10（a）显示了13GHz的E面方向图。
图10（b）显示了13GHz的H面方向图。
图10（c）显示了14GHz的E面方向图。
图10（d）显示了14GHz的H面方向图。
其中有：
C1.第一层金属面；C2. 第二层金属面；C3. 第三层金属面；C4. 第四层金属面；
S1.上层介质基板；S2.中间层介质基板；S21.介质基板A；S22.介质基板B；S3.下层介质基板；
11.第一排金属通孔；12.第二排金属通孔；13.第三排金属通孔；14.上共用金属面；
21.直角梯形金属面；22.矩形缝隙；
31.馈电微带线；32.弧形微带线；33.金属化过孔；34.探针过孔；35.探针。
具体实施方式
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
如图1、图2和图3所示，一种基于SIW结构的差分端射天线，包括介质基板和印刷在介质基板上的SIW传输线、斜槽天线和差分馈电模块。
介质基板分为三层，从上至下依次为上层介质基板S1、中间层介质基板S2和下层介质基板S3。中间层介质基板包括并列设置的介质基板A S21和介质基板B S22。
三层介质基板具有与长度方向相平行的对称轴N-N＇。
上层介质基板和下层介质基板均优选为厚度0.508mm，介电常数为3.55的PCB板。中间层介质基板优选为厚度1.5mm，介电常数为3.55的PCB板。也可采用其他规格的PCB板作为介质基板。
介质基板A分别与上层介质基板和下层介质基板尺寸相同，且具有上共用金属面14和下共用金属面。
金属面具有四层，从上至下依次为第一金属面C1、第二金属面C2、第三金属面C3和第四金属面C4。其中，第一金属面C1印刷在上层介质基板的上表面，第二金属面C2印刷在中间层介质基板的上表面，第三金属面C3印刷在中间层介质基板的下表面，第四金属面C4印刷在下层介质基板的下表面。
SIW传输线具有短路端和开路端。SIW传输线设置在介质基板A中，如图5和图7所示，SIW传输线包括设置在介质基板A中的三排金属通孔，分别为第一排金属通孔11、第二排金属通孔12和第三排金属通孔13，三排金属通孔围合形成关于对称轴N-N＇对称的U型腔。U型腔的开口端，即为SIW传输线的开路端。
第一排金属通孔垂直于对称轴N-N＇，第二排金属通孔和第三排金属通孔分别垂直连接在第一排金属通孔的两端并延伸到介质基板A的边缘，且二者关于对称轴N-N＇对称分布。三排金属通孔构成一端短路，一端开路的SIW传输线。
斜槽天线与SIW传输线的开路端相连，形成基于SIW的端射天线。因而，能够满足比较宽的带宽，同时能够引导产生低旁瓣、低交叉极化的方向图。
斜槽天线位于介质基板B上。
斜槽天线包括两个直角梯形金属面21。两个直角梯形金属面分别设置在介质基板B的上表面和下表面，且关于对称轴N-N＇对称。每个直角梯形金属面内具有至少一个垂直与其高度方向的矩形缝隙22。
每个直角梯形金属面的上底边、下底边和直角侧边分别与介质基板B中相邻的三条侧边所在直线相重合。其中，直角梯形金属面的下底边与上共用金属面或下共用金属面相连接，下底边的长度优选均大于介质基板B宽度的二分之一。
如图6所示，本申请中每个直角梯形金属面的下底边、上底边和高分别优选为L3=9.6mm，L2=0.9mm和L4=24mm。如图4所示，每个直角梯形金属面的外侧边距离对称轴N-N’距离优选为L1=8.5mm。
每个直角梯形金属面内间隔均匀布设有四个等宽不等长的矩形缝隙。从下底边至上底边，四个矩形缝隙的缝隙长度逐渐减小。
上述位于介质基板B上表面的直角梯形金属面和上共用金属面，构成第二层金属面；位于介质基板B下表面的直角梯形金属面和下共用金属面，构成第三层金属面。
差分馈电模块用于向基于SIW的端射天线进行差分馈电。
差分馈电模块包括两根馈电微带线31、两根弧形微带线32、若干金属化过孔33、探针过孔34和探针35。
两根馈电微带线分别布设在上层介质基板的上表面和下层介质基板的下表面。两根馈电微带线的一端和上层介质基板的一条长侧边对齐，构成特性阻抗为50Ω的微带端口，另一端略微超过对称轴N-N＇。
上层介质基板、上共用金属面、介质基板A、下共用金属面和下层介质基板上均开设有探针过孔34，探针过孔34位于对称轴N-N＇所在竖向平面上，优选半径为r=0.25mm；上共用金属面和下共用金属面上的探针过孔较大，为2.33*r；探针过孔均位于SIW传输线的U型腔内，且具短路端的距离优选为L5=4.12mm。
探针依次贯穿上层介质基板、上共用金属面、介质基板A、下共用金属面和下层介质基板上的探针过孔，并与两根馈电微带线相连接。差分馈电模块将差分微带信号通过探针馈入SIW传输线，完成了馈电方式由差分微带到差分SIW的转换，能够实现比较宽的匹配带宽。
每根馈电微带线均为直线型，且均垂直于对称轴N-N＇。两根馈电微带线优选等宽等长。
两根弧形微带线分别布设在上层介质基板的上表面和下层介质基板的下表面，且关于对称轴N-N＇对称。每根弧形微带线均以探针作为圆心。馈电微带线从对应弧形微带线的开口端穿过。位于弧形微带线下方的上层介质基板以及位于弧形微带线上方的下层介质基板均沿弧形方向开设有若干所述的金属化过孔。 弧形微带线的直径，需与微带馈线部分有一定距离，距离大小，视微带线场分布强弱来调节。
上述金属化过孔和金属通孔均优选为半径R=0.4mm，周期p=1.2mm的周期结构。
在差分馈电时，信号传输到探针两端是等幅反相的，能够有效激励起SIW传输线。上层的弧形微带线及呈弧形的金属化过孔起到了匹配的作用。
图8给出了差模和共模散射参数的仿真和测试结果，图9给出了频率增益曲线的仿真和测试结果。图10中的（a）图和（b）图给出了13GHz的E面和H面方向图；图10中的（c）图和（d）图给出了14GHz的E面和H面方向图。测试采用的是安捷伦5230C矢量网络分析仪。通过以上设计，基于SIW结构的差分端射天线的差模阻抗带宽为10.9GHz到16.1GHz；在差模工作带宽内，共模最大回波损耗小于1dB。差模工作带宽内频率增益曲线均大于7.1dBi。交叉极化小于-11dB；14GHZ和16GHz的E面半功率波瓣宽度为60度，低旁瓣水平为-13dBi。测试结果和仿真结果吻合良好。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于SIW结构的差分端射天线，其特征在于：包括介质基板和印刷在介质基板上的SIW传输线、斜槽天线和差分馈电模块；
SIW传输线具有短路端和开路端，斜槽天线与SIW传输线的开路端相连，形成基于SIW的端射天线；差分馈电模块用于向基于SIW的端射天线进行差分馈电；
介质基板分为三层，从上至下依次为上层介质基板、中间层介质基板和下层介质基板；中间层介质基板包括并列设置的介质基板A和介质基板B；介质基板A与上层介质基板和下层介质基板尺寸相同，且与上层介质基板具有上共用金属面，与下层介质基板具有下共用金属面；
SIW传输线设置在介质基板A中，斜槽天线位于介质基板B上；
三层介质基板具有与长度方向相平行的对称轴N-N＇；斜槽天线包括两个直角梯形金属面；两个直角梯形金属面分别设置在介质基板B的上表面和下表面，且关于对称轴N-N＇对称；每个直角梯形金属面内具有至少一个与其高度方向垂直的矩形缝隙；
SIW传输线包括设置在介质基板A中的三排金属通孔，三排金属通孔围合形成关于对称轴N-N＇对称的U型腔；U型腔的开口端，即为SIW传输线的开路端；
差分馈电模块包括两根馈电微带线和探针；两根馈电微带线分别布设在上层介质基板的上表面和下层介质基板的下表面；探针位于对称轴N-N＇所在竖向平面上，且依次贯穿上层介质基板、上共用金属面、介质基板A、下共用金属面和下层介质基板，并与两根馈电微带线相连接。
2.根据权利要求1所述的基于SIW结构的差分端射天线，其特征在于：每个直角梯形金属面的上底边、下底边和直角侧边分别与介质基板B中相邻的三条侧边所在直线相重合；其中，直角梯形金属面的下底边与上共用金属面或下共用金属面相连接。
3.根据权利要求2所述的基于SIW结构的差分端射天线，其特征在于：每个直角梯形金属面内间隔均匀布设有四个矩形缝隙；从下底边至上底边，四个矩形缝隙的缝隙长度逐渐减小。
4.根据权利要求3所述的基于SIW结构的差分端射天线，其特征在于：每个直角梯形金属面中下底边的长度均大于介质基板B宽度的二分之一。
5.根据权利要求4所述的基于SIW结构的差分端射天线，其特征在于：每根馈电微带线均为直线型，且均垂直于对称轴N-N＇。
6.根据权利要求4所述的基于SIW结构的差分端射天线，其特征在于：差分馈电模块还包括两根弧形微带线和若干金属化过孔；两根弧形微带线分别布设在上层介质基板的上表面和下层介质基板的下表面；每根弧形微带线均以探针作为圆心；馈电微带线从对应弧形微带线的开口端穿过；位于弧形微带线下方的上层介质基板以及位于弧形微带线上方的下层介质基板均沿弧形方向开设有若干所述的金属化过孔。
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