CN112952372A - 基于基片集成波导馈电的毫米波段超宽带贴片天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于基片集成波导馈电的毫米波段超宽带贴片天线，通过以所述上层介质基板和所述下层介质基板为基本载体，贴合所述第一金属层、所述第二金属层和所述第三金属层，并在所述下层介质基板上设置所述SIW谐振腔，且在所述SIW谐振腔的上表面开设耦合缝隙，所述SIW腔体的下表面具有背地共面波导馈电，以过渡带连接所述SIW谐振腔和所述背地共面波导完成天线设计，具有缝隙天线低剖面、易集成和易加工的优点，更实现了低损耗、高效率、高功率容量、较高增益和超宽的工作频带的功能。解决了现有技术中的贴片天线在毫米波段采用传统平面传输线作为馈电时出现的频带窄，损耗大的技术问题。

Description

基于基片集成波导馈电的毫米波段超宽带贴片天线

技术领域

本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种基于基片集成波导馈电的毫米波段超宽带贴片天线。

背景技术

基片集成波导(substrate integrated waveguide,SIW)，是一类慢波型毫米波电子器件，它的电磁波传输特性类似于传统的矩形波导。因为在介质基板上下的金属面可看作相应传统矩形金属波导的上下波导壁，两排金属化通孔构成了矩形波导两个金属侧壁。当金属通孔间隔合适时，传导的电磁波能量绝大多数会被限制在金属通孔之间的介质中传播。基片集成波导平面传输线不仅具有传统矩形波导的损耗小、功率容量大、效率高的优点，还具有传统平面传输线低剖面、易集成、易加工的优点。

缝隙天线是在导体面上开缝切割表面电流从而向外辐射电磁能量而形成的天线，也称为开槽天线。通常可分为两种类型，一种是在平面金属板上开缝形成的平面缝隙天线，一种是在波导壁或腔体壁上开缝而形成的波导缝隙天线。缝隙的形状通常为长条形，长度约为半个波长。缝隙天线最大的特点是低剖面。

贴片天线是覆在介质板上的各种形状的贴片通过合适的馈电方式激励而形成的天线，典型的有微带贴片天线，还可采用同轴馈电，口径耦合馈电等。具有重量轻、体积小、低剖面、易加工的优点，它的缺点是频带窄，损耗较大，增益较低，可能存在表面波扰乱天线辐射，尤其在毫米波段，相应问题更为突出。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于基片集成波导馈电的毫米波段超宽带贴片天线，旨在解决现有技术中的贴片天线在毫米波段采用传统平面传输线作为馈电时出现的频带窄，损耗大的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的一种基于基片集成波导馈电的毫米波段超宽带贴片天线，包括上层介质基板、下层介质基板、第一金属层、第二金属层和第三金属层，所述第一金属层、所述上层介质基板、所述第二金属层、所述下层介质基板和所述第三金属层从上至下依次设置；

所述第一金属层为对称设置的矩形贴片阵列，所述矩形贴片阵列包括中心贴片组、第一附属贴片组和第二附属贴片组，共由14片贴片构成，所述中心贴片组包括6片贴片，6片所述贴片呈2×3阵列排布，所述第一附属贴片组设置在所述中心贴片组的两侧，所述第二附属贴片组设置在所述第一附属贴片组远离所述中心贴片组的侧方。

其中，相邻所述贴片长边之间的间隔距离相同，所述第一附属贴片组和所述第二附属贴片组中贴片的宽度相同，并小于所述中心贴片组贴片的宽度。

其中，所述上层介质基板与所述下层介质基板的宽度相同，所述上层介质基板的厚度小于所述下层介质基板的厚度，且所述上层介质基板的长度小于所述下层介质基板的长度。

其中，所述下层介质基板开设有若干个通孔，所述通孔在所述下层介质基板上圈出一个开路的类梯形区域，形成SIW谐振腔。

其中，所述SIW谐振腔的上表面设置有耦合缝隙，所述耦合缝隙呈长条形状，所述耦合缝隙靠近且平行于所述SIW谐振腔的短路长边。

其中，所述基于基片集成波导馈电的毫米波段超宽带贴片天线还包括背地共面波导，所述背地共面波导与所述SIW谐振腔固定连接，并位于所述SIW谐振腔的下表面，所述背地共面波导的一端延伸至所述下层介质基板的边缘。

其中，所述背地共面波导包括中心导带和两处缝隙，所述中心导带设置在所述下层介质基板的边缘中部，两处所述缝隙分别位于所述中心导带的侧方。

其中，所述基于基片集成波导馈电的毫米波段超宽带贴片天线还包括过渡带，所述过渡带连接所述SIW谐振腔和所述背地共面波导，并位于所述SIW谐振腔的下表面。

本发明的基于基片集成波导馈电的毫米波段超宽带贴片天线，通过以所述上层介质基板和所述下层介质基板为基本载体，贴合所述第一金属层、所述第二金属层和所述第三金属层，并在所述下层介质基板上设置所述SIW谐振腔，且在所述SIW谐振腔的上表面开设耦合缝隙，所述SIW腔体的下表面具有背地共面波导馈电，以过渡带连接所述SIW谐振腔和所述背地共面波导完成天线设计，具有缝隙天线低剖面、易集成和易加工的优点，更实现了低损耗、高效率、高功率容量、较高增益和超宽的工作频带的功能。解决了现有技术中的贴片天线在毫米波段采用传统平面传输线作为馈电时出现的频带窄，损耗大的技术问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的基于基片集成波导馈电的毫米波段超宽带贴片天线的结构示意图。

图2是本发明的基于基片集成波导馈电的毫米波段超宽带贴片天线的侧视图。

图3是本发明的基于基片集成波导馈电的毫米波段超宽带贴片天线的上层介质基板的俯视图。

图4是本发明的基于基片集成波导馈电的毫米波段超宽带贴片天线的下层介质基板的俯视图。

图5是本发明的基于基片集成波导馈电的毫米波段超宽带贴片天线的下层介质基板的仰视图。

图6是本发明的具体实施例的回波损耗随频率变化的示意图。

图7是本发明的具体实施例的增益曲线随频率变化的示意图。

图8是本发明的具体实施例在24GHz的E、H面辐射方向图。

图9是本发明的具体实施例在27GHz的E、H面辐射方向图。

图10是本发明的具体实施例在30GHz的E、H面辐射方向图。

1-上层介质基板、2-下层介质基板、3-第一金属层、31-中心贴片组、32-第一附属贴片组、33-第二附属贴片组、34-间隔距离、35-切割缝隙、4-第二金属层、5-第三金属层、6-SIW谐振腔、7-耦合缝隙、8-背地共面波导、81-中心导带、82-缝隙、9-过渡带、91-中部导体带、92-过渡带缝隙。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”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，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

请参阅图1至图5，本发明提供了一种基于基片集成波导馈电的毫米波段超宽带贴片天线，包括上层介质基板1、下层介质基板2、第一金属层3、第二金属层4和第三金属层5，所述第一金属层3、所述上层介质基板1、所述第二金属层4、所述下层介质基板2和所述第三金属层5从上至下依次设置；

所述第一金属层3为对称设置的矩形贴片阵列，所述矩形贴片阵列包括中心贴片组31、第一附属贴片组32和第二附属贴片组33，共由14片贴片构成，所述中心贴片组31包括6片贴片，6片所述贴片呈2×3阵列排布，所述第一附属贴片组32设置在所述中心贴片组31的两侧，所述第二附属贴片组33设置在所述第一附属贴片组32远离所述中心贴片组31的侧方。

相邻所述贴片长边之间的间隔距离34相同，所述第一附属贴片组32和所述第二附属贴片组33中贴片的宽度相同，并小于所述中心贴片组31贴片的宽度。

所述上层介质基板1与所述下层介质基板2的宽度相同，所述上层介质基板1的厚度小于所述下层介质基板2的厚度，且所述上层介质基板1的长度小于所述下层介质基板2的长度。

所述下层介质基板2开设有若干个通孔，所述通孔在所述下层介质基板2上圈出一个开路的类梯形区域，形成SIW谐振腔6。

所述SIW谐振腔6的上表面设置有耦合缝隙7，所述耦合缝隙7呈长条形状，所述耦合缝隙7靠近且平行于所述SIW谐振腔6的短路长边。

所述基于基片集成波导馈电的毫米波段超宽带贴片天线还包括背地共面波导8，所述背地共面波导8与所述SIW谐振腔6固定连接，并位于所述SIW谐振腔6的下表面，所述背地共面波导8的一端延伸至所述下层介质基板2的边缘。

所述背地共面波导8包括中心导带81和两处缝隙82，所述中心导带81设置在所述下层介质基板2的边缘中部，两处所述缝隙82分别位于所述中心导带81的侧方。

所述基于基片集成波导馈电的毫米波段超宽带贴片天线还包括过渡带9，所述过渡带9连接所述SIW谐振腔6和所述背地共面波导8，并位于所述SIW谐振腔6的下表面。

进一步地，所述中心贴片组31设置有与所述贴片短边平行的切割缝隙35，所述中心贴片组31的贴片以所述切割缝隙35为中线对称布置。

所述过渡带9由中部导体带91和两处过渡带缝隙92组成，所述中部导体带91和两处所述过渡带缝隙92合围呈类梯形形状设置，所述中部导体带91与所述中心导带81宽度相同。

在本实施方式中，所述的SIW谐振腔6位于所述下层介质基板2中，其开路端边缘为所述下层介质基板2的边缘，所述的SIW谐振腔6被调整为类梯型结构来降低***损耗，提高传输特性，同时获得需要的谐振主腔模，该谐振主腔模的谐振频率为24.25GHz，位于天线工作频带低频段，可明显改善天线低频段阻抗匹配。

所述SIW谐振腔6对应的传输线相对于传统平面传输线例如微带线、带状线等能大大提高天线功率容量和效率，同时具有很低的传输损耗。所述耦合缝隙7是长条状的，位于所述SIW谐振腔6的上表面，靠近且平行于所述SIW谐振腔6较宽的短路端。所述耦合缝隙7与所述SIW谐振腔6一起构成背腔缝隙天线，作为所提出的贴片天线的馈电方式。当进行耦合馈电时，所述耦合缝隙7的长度，宽度以及跟所述SIW谐振腔6较宽的短路端的偏移距离均会影响到天线的馈电端输入阻抗匹配，其中宽度的影响差些。

所述背地共面波导8位于所述SIW谐振腔6的下表面中心，且所述背地共面波导8的一端位于所述下层介质基板2的边缘。所述中心导带81的宽度和两侧缝隙82的宽度会影响天线的阻抗匹配，同时考虑到在与2.92mm射频同轴连接器连接时减少能量反射，避免短路，对所述中心导带81的宽度和两侧缝隙82的宽度都进行了仔细调整。

所述过渡带9的作用是实现能量从所述背地共面波导8到所述SIW谐振腔6的平稳过渡，较少反射。能量的过渡好坏对***损耗的影响比较大进而影响天线的性能。

请参阅图6至图10，本发明还提供了一个具体实施例，并以仿真软件进行无源特征模仿真，验证工作频段和功耗情况：

所述上层介质基板1和所述下层介质基板2均采用Rogers RT5880材料，其相对介电常数为2.2，相对介电损耗为0.0009。所述上层介质基板1的厚度为1mm，长度为8.48mm，宽度为8.48mm。所述下层介质基板2的厚度为1.575mm，长度为11.6mm，宽度为8.48mm。

所述第一金属层3是调整过的2×7平面矩形贴片阵列，其中部2×3贴片被拓宽，以拓展贴片辐射主特征模的带宽，并提高增益。所述第一金属层3的贴片宽度并非越宽越好，经过调整，每个大矩形贴片尺寸的长度设置为2.35mm，宽度设置为1.4mm，所述第一附属贴片组32和所述第二附属贴片组33的贴片宽度均为0.5mm，长度被适当缩短，以抑制高阶模，同时起到提高增益的作用，提高了大概0.4dBi。其中矩形贴片的长边间隔距离34的宽度均为0.1mm，位于中部的2ⅹ3矩形贴片的中心并平行于矩形贴片短边的切割缝隙35的宽度为0.31mm。该宽度会对天线贴片的馈电输入阻抗的匹配产生一些影响，0.31mm是一个合适的优化值。所述第一金属层3的辐射主特征模的谐振频率为28.98GHz，位于天线辐射带宽高频段，可明显改善天线工作带宽高频段阻抗匹配，使反射系数产生一个位于29.98GHz附近的相应的阻抗谐振点，并且它的一些可能被同时激励从而对天线辐射方向图造成干扰的高阶模已经被较好的抑制了。

所述SIW谐振腔6的通孔的直径调整为0.5mm，中心间距为0.75mm，中心间距数值也可以调整为稍微大些，这样可保证电磁波在基片集成波导中传输时几乎不会泄露出来。

所述耦合缝隙7的长度为4.5mm，宽度为0.31mm，且所述耦合缝隙7与所述SIW谐振腔6的短路端金属通孔中心的偏移量为0.55mm。

考虑到连接器的探针直径是0.3mm，调整所述背地共面波导8参数，所述中心导带81和两侧所述缝隙82的宽度分别为0.5mm和0.35mm。

请参阅图6和图7，该曲线具有两个谐振点，分别是24.4GHz和30.2GHz。第一个谐振点的产生归因于所述SIW谐振腔6的谐振在24.25GHz的主谐振腔模。当腔体谐振时，所述耦合缝隙7会产生最大的耦合电场作用于辐射贴片，即所述第一金属层3，使得它的辐射主特征模式在28.98GH的谐振点之外也被较强的激励起来，从而大大改善阻抗匹配，产生一个新的阻抗谐振点。第二个谐振点归因于所述第一金属层3谐振在28.98GHz的主特征模，可以发现它向高频移动了大概1GHz。而这可归因于所述耦合缝隙7对所述第一金属层3的容性加载作用。所述基于基片集成波导馈电的毫米波段超宽带贴片天线实现的绝对带宽为23.14GHz-31.2GHz，相对带宽为29.67％。由此可知，所述基于基片集成波导馈电的毫米波段超宽带贴片天线实现了超宽带，在阻抗带宽内实现的增益是6.27-7.9dBi，具有较高的增益。

图8至图10为本发明的具体实施例分别在24GHz，27GHz,29GHz的E和H面辐射方向图。可以发现，所述基于基片集成波导馈电的毫米波段超宽带贴片天线在这三个频点的增益分别为7.13dBi.7.82dBi,7.42dBi。所述基于基片集成波导馈电的毫米波段超宽带贴片天线在这三个频点的H面方向图都是对称的，而在这三个频点的E面方向图却发生了不同程度的倾斜，分别为-9°,-11°和-6°。E面的倾斜主要归因于天线的地板在E面的不对称。E面和H面后瓣随着频率的增加都略有增大。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (8)

1.一种基于基片集成波导馈电的毫米波段超宽带贴片天线，其特征在于，

包括上层介质基板、下层介质基板、第一金属层、第二金属层和第三金属层，所述第一金属层、所述上层介质基板、所述第二金属层、所述下层介质基板和所述第三金属层从上至下依次设置；

所述第一金属层为对称设置的矩形贴片阵列，所述矩形贴片阵列包括中心贴片组、第一附属贴片组和第二附属贴片组，共由14片贴片构成，所述中心贴片组包括6片贴片，6片所述贴片呈2×3阵列排布，所述第一附属贴片组设置在所述中心贴片组的两侧，所述第二附属贴片组设置在所述第一附属贴片组远离所述中心贴片组的侧方。

2.如权利要求1所述的基于基片集成波导馈电的毫米波段超宽带贴片天线，其特征在于，

相邻所述贴片长边之间的间隔距离相同，所述第一附属贴片组和所述第二附属贴片组中贴片的宽度相同，并小于所述中心贴片组贴片的宽度。

3.如权利要求2所述的基于基片集成波导馈电的毫米波段超宽带贴片天线，其特征在于，

所述上层介质基板与所述下层介质基板的宽度相同，所述上层介质基板的厚度小于所述下层介质基板的厚度，且所述上层介质基板的长度小于所述下层介质基板的长度。

4.如权利要求3所述的基于基片集成波导馈电的毫米波段超宽带贴片天线，其特征在于，

所述下层介质基板开设有若干个通孔，所述通孔在所述下层介质基板上圈出一个开路的类梯形区域，形成SIW谐振腔。

5.如权利要求4所述的基于基片集成波导馈电的毫米波段超宽带贴片天线，其特征在于，

所述SIW谐振腔的上表面设置有耦合缝隙，所述耦合缝隙呈长条形状，所述耦合缝隙靠近且平行于所述SIW谐振腔的短路长边。

6.如权利要求5所述的基于基片集成波导馈电的毫米波段超宽带贴片天线，其特征在于，

所述基于基片集成波导馈电的毫米波段超宽带贴片天线还包括背地共面波导，所述背地共面波导与所述SIW谐振腔固定连接，并位于所述SIW谐振腔的下表面，所述背地共面波导的一端延伸至所述下层介质基板的边缘。

7.如权利要求6所述的基于基片集成波导馈电的毫米波段超宽带贴片天线，其特征在于，

所述背地共面波导包括中心导带和两处缝隙，所述中心导带设置在所述下层介质基板的边缘中部，两处所述缝隙分别位于所述中心导带的侧方。

8.如权利要求7所述的基于基片集成波导馈电的毫米波段超宽带贴片天线，其特征在于，

所述基于基片集成波导馈电的毫米波段超宽带贴片天线还包括过渡带，所述过渡带连接所述SIW谐振腔和所述背地共面波导，并位于所述SIW谐振腔的下表面。

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