CN111262025A - 集成基片间隙波导波束扫描漏波天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种集成基片间隙波导波束扫描漏波天线，采用四块介质板构成集成基片间隙波导漏波天线；ISGW由三层介质板构成：有电磁带隙的底层介质板，中间层介质板以及有金属覆层的上层介质板。在ISGW的上层介质板的金属层上蚀刻了2×N(N为正整数)个
形金属缝隙，当电磁波传输时，沿着在上层介质板底部和中间层介质板上表面中的微带线，通过两个星形缝隙向空间外辐射电磁波，形成ISGW漏波天线。本发明基于ISGW漏波天线具有增益高、抗干扰能力强、易集成、能够实现从后向到前向的扫描能力等优点，可应用于毫米波无线通信***。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信天线领域，尤其是一种基于PCB的集成基片间隙波导(ISGW)波束扫描漏波天线结构。
背景技术
漏波天线由于其具有良好的方向性、高增益、成本低等优点，并在空间中可以实现频率扫描的特点被广泛应用在高分辨雷达，导航天线、飞行器表面的共形天线等多个不同的场景中。截止到现在，工作在毫米波波段的漏波天线已有诸多的研究。这些天线可大致分为微带漏波天线、基片集成波导(SIW)漏波天线，基于复合左右手材料(CLRH)的漏波天线以及间隙波导(GW)漏波天线。但是，对于工作在毫米波波段的天线来说，传统的漏波天线存在一些问题，比如纯金属的结构在毫米波段难以制造，基片集成波导(SIW)的电磁屏蔽性能不强，间隙波导(GW)性能的不稳定等。此外，在信息大***的现代社会，随着无线通讯技术的迅猛发展，各类移动终端对无线信号的覆盖范围和无线信号的传输速率的要求越来越高，而可以用的频谱资源却越来越少，同时5G技术的提出也对通信设备提出了更严格的要求。漏波天线具有扫频特性、良好的方向性和易于和馈电网络集成的特点，能够有效的增加无线信号的覆盖范围，并提高频率空间的复用率，在毫米波通信***中有着广泛的研究潜力。
近年来，集成基片间隙波导(ISGW)传输线被提出，该传输线基于多层PCB介质板来实现,分为带脊的集成基片间隙波导(ISGW)和微带型集成基片间隙波导(ISGW)两种结构。带脊的ISGW一般由两层PCB介质板构成，上层PCB介质板外侧表面全敷铜构成理想电导体(PEC)，下层PCB介质板上印刷有微带线，微带线上带有一系列金属化过孔与下方金属地相连形成一种类似脊的的结构，微带线两侧是周期性的蘑菇结构以形成理想磁导体(PMC)。由于PEC与PMC间形成EBG，电磁波(准TEM波)只能沿着微带线传播。但是，由于带脊的集成基片间隙波导(ISGW)中，微带脊与蘑菇结构处于同一层PCB板上，所以其微带脊会受到蘑菇结构的制约而不方便走线影响整个结构的布局，在实际应用中存在局限性。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种集成基片间隙波导波束扫描漏波天线，以解决现有漏波天线结构复杂、电磁屏蔽性能不强、增益较低的缺点。
本发明采用的技术方案如下：
一种集成基片间隙波导波束扫描漏波天线，包括顶层介质板、上层介质板和下层介质板，上层介质板和下层介质板间存在间隙；其中：
顶层介质板作为天线的辐射单元，用于提高天线增益；
上层介质板的上表面设置有第一敷铜层；第一敷铜层上开设有N个缝隙单元，N为正整数，每个缝隙单元均包括两个
形金属缝隙；上层介质板的下表面设置有馈电微带线，馈电微带线贯穿整个上层介质板；每对缝隙单元的两个
形金属缝隙均排布在馈电微带线两侧；馈电微带线两端的端口中，一端用于连接激励源，另一端用于连接匹配负载；
下层介质板的下表面设置有第二敷铜层，下层介质板上设置有电磁带隙结构阵列，该电磁带隙结构阵列中的每一电磁带隙结构均与第二敷铜层连接；
上层介质板和下层介质板形成一个整体，顶层介质板设置于上层介质板上表面。
进一步的，上层介质板和下层介质板之间，设置有绝缘的中层介质板，中层介质板的两个表面分别连接上层介质板和下层介质板。
进一步的，EBG结构阵列为蘑菇型EBG结构阵列。
进一步的，蘑菇型EBG结构阵列的结构为：在下层介质板上表面阵列排布有若干圆形金属贴片，在各圆形金属贴片的中心，贯穿圆形贴片、下层介质板和第二敷铜层，设置有金属过孔，金属过孔和对应的圆形贴片构成EBG结构，阵列式排布的圆形金属贴片和对应的金属过孔则构成蘑菇型EBG结构阵列。
进一步的，每个缝隙单元中两个缝隙9的间距为7.7mm，每个缝隙单元中的两个缝隙的物理中点在馈电微带线上的投影相距3.85mm，每个缝隙单元中的两个缝隙物理中点偏离馈电微带线中心线的距离均为3.85mm，每个缝隙单元间的间距为7.3mm，馈电微带线两端的中心与距其最近的缝隙单元的物理中心的距离均为13.7mm。
进一步的，顶层介质板采用Rogers3003板材，上层介质板、中层介质板和下层介质板均采用RogersRT/duroid5880板材。
进一步的，顶层介质板板厚0.762mm，上层介质板、中层介质板和下层介质板的板厚分别为0.508mm、0.254mm和0.813mm。
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、本发明的漏波天线采用多层结构设计，结构简单，天线与EBG结构之间可以灵活的设计。
2、本发明的漏波天线经试验证明，具备高增益、宽带宽、电磁屏蔽性能强的特点，可实现后向到前向的频率扫描。
3、本发明的漏波天线层级结构设计巧妙，使得整体结构小巧，易于与其他平面电路集成。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1为本发明集成基片间隙波导(ISGW)波束扫描漏波天线结构示意图。
图2为本发明集成基片间隙波导(ISGW)波束扫描漏波天线上层介质板(6)上表面示意图。
图3为本发明集成基片间隙波导(ISGW)波束扫描漏波天线上层介质板(6)下表面示意图。
图4为本发明集成基片间隙波导(ISGW)波束扫描漏波天线下层介质板(1)上表面示意图。
图5为本发明集成基片间隙波导(ISGW)波束扫描漏波天线下层介质板(1)下表面示意图。
图6为本发明集成基片间隙波导(ISGW)波束扫描漏波天线的回波损耗和反向传输系数。
图7为本发明集成基片间隙波导(ISGW)波束扫描漏波天线的总增益。
图8为本发明集成基片间隙波导(ISGW)波束扫描漏波天线的扫描角度。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书(包括任何附加权利要求、摘要)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
实施例一
参见附图1，本实施例公开了一种集成基片间隙波导波束扫描漏波天线，包括顶层介质板10、上层介质板6和下层介质板1，上层介质板6和下层介质板1之间存在间隙；其中：
顶层介质板10是一层放置在上层介质板6的上面的空白板，作为天线的必要辐射单元。其采用厚度为0.762mm的Rogers3003板材，除用于提高天线增益外，还用来改善天线的匹配效果；
如图2、3所示，上层介质板6的上表面设置有第一敷铜层8；该第一敷铜层8上开设有N(N为正整数)个缝隙单元，每个缝隙单元均包括两个
形金属缝隙9；上层介质板6的下表面设置有馈电微带线11，贯穿上层介质板6，且与第一敷铜层8通过上层介质板6隔开。每对缝隙单元的两个
形金属缝隙9均排布在馈电微带线11两侧，以此使更多的电磁能量泄漏辐射到空间外。对于所述馈电微带线11的两端7、12而言，一端用于连接激励源，另一端用于连接匹配负载。例如端口一连接激励源，端口二连接50欧姆匹配负载，或端口一连接50欧姆匹配负载，端口二连接激励源。
下层介质板1下表面设置有第二敷铜层2，下层介质板1上设置有电磁带隙(EBG)结构阵列，该EBG结构阵列中的每一EBG结构均与第二敷铜层2连接。
上层介质板6和下层介质板1形成一个整体，顶层介质板10设置于上层介质板6上表面。
上层介质板6、下层介质板1、设置在上层介质板6上的第一敷铜层8和馈电微带线11、设置在下层介质板1上的EBG结构阵列，以及印刷在下层介质板1上的第二敷铜层2构成微带型集成基片间隙波导(ISGW)结构。上层介质板6上的第一敷铜层8为理想电导体(PEC)，下层介质板1相当于理想磁导体(PMC)。
在一个实施例中，上层介质板6和下层介质板1之间的间隙，可通过设置中层介质板5来实现。中层介质板5分隔上层介质板6和下层介质板1，使上层介质板6和下层介质板1之间形成间隙。
实施例二
本实施例公开了下层介质板1上的EBG结构阵列的结构。如图4、5所示，在下层介质板1的上表面，阵列式排布有若干圆形金属贴片4，在各圆形金属贴片4的中心，依次贯穿圆形金属贴片4、上层介质板6和第二敷铜层2设置有金属过孔3，各圆形贴片和对应的金属过孔3则构成蘑菇形EBG结构，若干EBG结构阵列排布则构成EBG结构阵列。
实施例三
本实施例公开了
形金属缝隙9的布置结构。在集成基片间隙波导的上层介质板6的第一敷铜层8上开设N(N为正整数)个缝隙单元，每个缝隙单元均包括两个
形金属缝隙9，馈电微带线11贯穿整个上层介质板6，且所有的
形缝隙9整体上均与馈电微带线11平行，每个缝隙单元中两个缝隙9的间距为7.7mm，每个缝隙单元中的两个缝隙9的物理中点在馈电微带线11上的投影相距3.85mm，每个缝隙单元中的两个缝隙9物理中点偏离馈电微带线11中心线的距离均为3.85mm，每个缝隙单元间的间距为7.3mm，馈电微带线两端的中心与距其最近的缝隙单元的物理中心的距离均为13.7mm，端口7、12距其最近的缝隙单元的物理中心的距离均为20.4mm。
实施例四
基于实施例一，本实施例公开了一种集成基片间隙波导波束扫描漏波天线。在该实施例中，N＝5，上层介质板6上表面上的2×5个
形缝隙均分布在馈电微带线11的两侧；下层介质板1上的EBG结构为18×6阵列。在一个实施例中，顶层介质板10采用Rogers3003板材，厚度为0.762mm。上层介质板6、中层介质板5和下层介质板1均采用RogersRT/duroid5880板材，厚度分别为0.508mm、0.254mm和0.813mm。
上述结构的集成基片间隙波导波束扫描漏波天线的测试结果如图6～8所示。测试结果表明，天线的-10dB阻抗带宽24-30GHz(相对带宽为22.2％)；可以实现从后向，通过宽边到向前的频率扫描，即从-11.8°到7.2°；在28GHz时达到最大增益为15.5dB，在工作频率27GHz时，其增益是15dB。该试验证明，本发明的漏波天线可应用于5G毫米波通信***的工作频段。
实施例五
本实施例公开了一种集成基片间隙波导波束扫描漏波天线。
对于上述任一实施例，当
形缝隙固定，加长或缩短馈电微带线11长度时，回波损耗变化显著。
基于上述实施例二的EBG结构阵列，在实际应用中，为了获得所需的工作频带，需要合适地选取蘑菇状EBG结构中圆形贴片和金属过孔3的尺寸以及蘑菇状EBG结构的周期，使EBG结构的阻带与集成基片间隙波导(ISGW)所传播的电磁波频带相适应。
对于上述任一实施例，当其他参数固定，每个缝隙单元间的间距增大时，天线阻抗带宽保持不变，最高增益向匹配端偏移，副瓣电平升高，扫描角度向匹配端偏移，当其他参数固定，每个缝隙单元间的间距减小时，天线阻抗带宽保持不变，最高增益向馈电端偏移，副瓣电平升高；当其他参数固定，端口一与距其最近的缝隙的物理中心的距离增大时，阻抗带宽保持不变，最高增益向匹配端偏移且逐渐减小，当其他参数固定，端口一与距其最近的缝隙的物理中心的距离减小时，阻抗带宽保持不变，最高增益向馈电端偏移且逐渐减小。当其他参数固定，缝隙数(2×N)增多时，天线阻抗带宽保持不变，增益升高，主波束宽度减小，扫描角度增加；当其他参数固定，缝隙数(2×N)减小时，天线阻抗带宽保持不变，增益降低，主波束宽度增大，扫描角度减小。可根据实际的增益要求来选择所需的缝隙数(2×N)。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
Claims (7)
1.一种集成基片间隙波导波束扫描漏波天线，其特征在于，包括顶层介质板(10)、上层介质板(6)和下层介质板(1)，所述上层介质板(6)和下层介质板(1)间存在间隙；其中：
所述顶层介质板(10)作为天线的辐射单元，用于提高天线增益；
所述上层介质板(6)的上表面设置有第一敷铜层(8)；所述第一敷铜层(8)上开设有N个缝隙单元，N为正整数，每个缝隙单元均包括两个
形金属缝隙(9)；上层介质板(6)的下表面设置有馈电微带线(11)，所述馈电微带线(11)贯穿整个上层介质板(6)；每对缝隙单元的两个
形金属缝隙(9)均排布在馈电微带线(11)两侧；所述馈电微带线(11)两端的端口(7、12)中，一端用于连接激励源，另一端用于连接匹配负载；
所述下层介质板(1)的下表面设置有第二敷铜层(2)，下层介质板(1)上设置有电磁带隙结构阵列，该电磁带隙结构阵列中的每一电磁带隙结构均与第二敷铜层(2)连接；
所述上层介质板(6)和下层介质板(1)形成一个整体，所述顶层介质板(10)设置于上层介质板(6)的上表面。
2.如权利要求1所述的集成基片间隙波导波束扫描漏波天线，其特征在于，所述上层介质板(6)和下层介质板(1)之间，设置有绝缘的中层介质板(5)，所述中层介质板(5)的两个表面分别连接所述上层介质板(6)和所述下层介质板(1)。
3.如权利要求1所述的集成基片间隙波导波束扫描漏波天线，其特征在于，所述EBG结构阵列为蘑菇型EBG结构阵列。
4.如权利要求3所述的集成基片间隙波导波束扫描漏波天线，其特征在于，所述蘑菇型EBG结构阵列的结构为：在所述下层介质板(1)上表面阵列排布有若干圆形金属贴片(4)，在各圆形金属贴片(4)的中心，贯穿所述圆形金属贴片(4)、下层介质板(1)和第二敷铜层(2)，设置有金属过孔(3)，所述金属过孔(3)和对应的圆形贴片构成EBG结构，阵列式排布的圆形金属贴片(4)和对应的金属过孔(3)则构成蘑菇型EBG结构阵列。
5.如权利要求1所述的集成基片间隙波导波束扫描漏波天线，其特征在于，每个缝隙单元中两个缝隙9的间距为7.7mm，每个缝隙单元中的两个缝隙(9)的物理中点在馈电微带线(11)上的投影相距3.85mm，每个缝隙单元中的两个缝隙(9)物理中点偏离馈电微带线(11)中心线的距离均为3.85mm，每个缝隙单元间的间距为7.3mm，馈电微带线(11)两端的中心与距其最近的缝隙单元的物理中心的距离均为13.7mm。
6.如权利要求2所述的集成基片间隙波导波束扫描漏波天线，其特征在于，所述顶层介质板(10)采用Rogers3003板材，所述上层介质板(6)、中层介质板和下层介质板(1)均采用RogersRT/duroid5880板材。
7.如权利要求6所述的集成基片间隙波导波束扫描漏波天线，其特征在于，所述顶层介质板(10)板厚0.762mm，所述上层介质板(6)、中层介质板和下层介质板(1)的板厚分别为0.508mm、0.254mm和0.813mm。
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