CN114628891B - 内嵌馈电线极化平面多层异质介质集成天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种内嵌馈电线极化平面多层异质介质集成天线，由上辐射介质基板（2）、馈电激励基板（1）和下辐射介质基板（3）三层基板依次上下叠合构成；上下两面的金属层（10）和两条金属化墙（11）在馈电激励基板（1）中形成介质填充波导（12）；介质填充波导（12）是天线的馈电波导，其一端是天线的馈电端（121），另一端是开路的输出端（122）；介质填充波导（12）宽壁在输出端（122）方向的输出边缘（123）的形状是内凹和对称的，输出边缘（123）的对称轴是介质填充波导（12）宽壁的中心线。本发明实现了辐射介质块的多层异质集成，且实现了内嵌的馈电激励单元与辐射介质块的平面异质集成，同时具有行波馈电激励线极化辐射的功能。
Description
技术领域
本发明涉及一种内嵌馈电线极化平面多层异质介质集成天线，属于集成天线的技术领域。
背景技术
提升集成度是高性能无线应用***的一个主要发展方向，天线的集成是全***集成的一个瓶颈，介质天线的集成有助于丰富完善集成天线的类型，以满足全***集成对集成天线的多样化需求。介质天线是以介质块作为辐射器的天线，具有电尺寸小、频带宽、损耗小、波束类型全面丰富等特性，因而得到广泛的应用。介质天线大致可以分为介质杆天线和介质谐振器天线两类。介质杆天线是行波天线，要求其馈电单元的工作模式是行波，产生端射波束或者前倾的频率扫描波束。线极化介质天线通常由喇叭天线馈电激励，馈电激励喇叭位于介质杆后端。介质杆天线是最早的介质天线，在上世纪七十年代以前，介质天线基本上都是介质杆天线，因此介质天线通常就是指介质杆天线。
线极化介质天线是平面集成难度较大的一种天线类型。其难度主要来源于两方面，首先是由于线极化介质天线的辐射器是单个介质块，用平面集成工艺不仅难以实现介质块，而且由于介质块的介电常数通常要求比较高，而天线的馈电激励单元的介质的介电常数不能太高，尤其是毫米波频段。这样两者的介电常数不同，使得介质块难以和天线的馈电激励单元集成在同一块基板上。其次，现有的线极化介质杆天线的辐射介质块与馈电激励喇叭是前后级联的结构，两者所使用的基板厚度不同，因此难以进行前后级联集成，形成全集成的线极化介质集成天线。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种内嵌馈电线极化平面多层异质介质集成天线，该天线可以采用多层基板混压工艺制作，并解决以下技术问题：（1）辐射介质块的多层异质集成 ；（2）馈电激励单元与辐射介质块的平面异质集成，同时馈电激励单元具有行波馈电激励线极化辐射的功能。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
内嵌馈电线极化平面多层异质介质集成天线，该天线由馈电激励基板、上辐射介质基板和下辐射介质基板三层基板构成，所述上辐射介质基板、馈电激励基板和下辐射介质基板三层基板依次上下叠合构成该天线的辐射介质块；所述馈电激励基板的上下两面均设置一个金属层；每个金属层的两边设有两条连续的金属化墙，以连接上下两面的金属层；上下两面的金属层和两条金属化墙在馈电激励基板中形成一个两端开路的内嵌的介质填充波导，金属层是介质填充波导的宽壁，金属化墙是介质填充波导的窄壁；所述介质填充波导是天线的馈电波导，其一端是天线的馈电端，另一端是开路的输出端；介质填充波导的宽壁在输出端方向的输出边缘的形状是内凹和对称的，输出边缘的对称轴是介质填充波导宽壁的中心线，输出边缘在其本身对称轴上的点是边缘凹点，边缘凹点是输出边缘离馈电端最近的点，输出边缘与介质填充波导的窄壁的四个交点是四个边缘端点；电磁波通过天线的馈电端进入介质填充波导，再经过输出端离开介质填充波导。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述上辐射介质基板和下辐射介质基板的形状及大小相同，且两者在馈电激励基板上垂直投影的位置相同且均位于馈电激励基板的内部。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述介质填充波导宽壁的中心线是上辐射介质基板和下辐射介质基板在馈电激励基板上垂直投影的对称轴，且边缘凹点位于上辐射介质基板和下辐射介质基板在馈电激励基板上垂直投影的内部。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述上辐射介质基板和下辐射介质基板的介电常数相同。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述上辐射介质基板的纵向的端面中，其远离馈电端的端面到同一宽壁上两个边缘端点之间连线的距离大于电磁波在辐射介质块的波长。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述上辐射介质基板和下辐射介质基板的横向尺寸要保证辐射介质块中，电磁波传输模的主极化方向垂直于馈电激励基板所在的平面，并且该传输模的截止频率低于天线的工作频率。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述每个金属层上边缘凹点到同金属层上两个边缘端点间连线的距离，大于电磁波在介质填充波导从边缘凹点开始到同金属层上两个边缘端点连线之间区域平均波导波长的四分之一。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：每条输出边缘中，边缘凹点到边缘端点间的形状是直线、分段直线、样条曲线或指数。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述馈电激励基板、上辐射介质基板和下辐射介质基板采用磁性介质基片。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述两条连续的金属化墙使用金属化过孔阵列代替。
本发明采用上述技术方案，能产生如下技术效果：
本发明所提出的内嵌馈电线极化平面多层异质介质集成天线，该天线可以采用多层基板混压工艺制作，不仅实现了辐射介质块的多层异质集成，而且还实现了内嵌的馈电激励单元与辐射介质块的平面异质集成，同时馈电激励单元具有行波馈电激励线极化辐射的功能，而且激励效率高。
附图说明
图1是本发明的内嵌馈电线极化平面多层异质介质集成天线的俯视图。
图2是本发明的内嵌馈电线极化平面多层异质介质集成天线的侧视图。
图3是本发明的内嵌馈电线极化平面多层异质介质集成天线中馈电激励基板的俯视图。
其中标号解释：馈电激励基板-1、上辐射介质基板-2、下辐射介质基板-3、金属层-10、金属化墙-11、介质填充波导-12、馈电端-121、输出端-122、输出边缘-123、边缘凹点-124、边缘端点-125和端面-21。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步说明。此处描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不能以具体实施例限定本发明。
如图1和图2所示，本发明涉及了一种内嵌馈电线极化平面多层异质介质集成天线，该天线由三层基板构成，该三层基板分别是馈电激励基板1、上辐射介质基板2和下辐射介质基板3；所述上辐射介质基板2、馈电激励基板1和下辐射介质基板3这三层基板依次上下叠合构成该天线的辐射介质块，馈电激励基板1位于上辐射介质基板2和下辐射介质基板3之间；如图3所示，在所述馈电激励基板1的上下两面均设置一个金属层10，上下两面的金属层10的形状、大小和位置完全一样；每个金属层10的两边设有两条连续的金属化墙11，以连接上下两面的金属层10；上下两面的金属层10和两条金属化墙11在馈电激励基板1中形成一个两端开路的内嵌的介质填充波导12，金属层10是介质填充波导12的宽壁，金属化墙11是介质填充波导12的窄壁；所述介质填充波导12是天线的馈电波导，其一端是天线的馈电端121，另一端是开路的输出端122，电磁波通过天线的馈电端121进入介质填充波导12，再经过输出端122离开介质填充波导12；介质填充波导12的宽壁在输出端122方向的输出边缘123的形状是内凹和对称的，输出边缘123的对称轴是介质填充波导12宽壁的中心线，输出边缘123在其本身对称轴上的点是边缘凹点124，边缘凹点124是输出边缘123离馈电端121最近的点，输出边缘123与介质填充波导12的窄壁的四个交点是四个边缘端点125。
其中，所述上辐射介质基板2和下辐射介质基板3的形状及大小可以相同，所述上辐射介质基板2和下辐射介质基板3形状可以均为但不限于长方体，也就是朝着天线波束方向，上辐射介质基板2和下辐射介质基板3的横截面保持一样；朝着天线波束方向，上辐射介质基板2和下辐射介质基板3的横截面也可以先保持一样，然后再都逐渐缩小。
所述上辐射介质基板2和下辐射介质基板3的形状也可以不一样，但会使得波束方向与上辐射介质基板2和下辐射介质基板3平面不平行。
所述上辐射介质基板2和下辐射介质基板3两者在馈电激励基板1上垂直投影的位置可以相同，进一步地，所述上辐射介质基板2和下辐射介质基板3在馈电激励基板1上垂直投影可以均位于馈电激励基板1的内部。优选地，所述上辐射介质基板2和下辐射介质基板3的介电常数也可以相同。
以及，所述上辐射介质基板2和下辐射介质基板3的横向尺寸要保证辐射介质块中，电磁波传输模的主极化方向垂直于馈电激励基板1所在的平面，并且该传输模的截止频率低于天线的工作频率。
本发明的天线中，所述两条连续的金属化墙11可以相互平行，也可以张开，形成朝辐射方向的一个喇叭形。所述介质填充波导12宽壁的中心线是上辐射介质基板2和下辐射介质基板3在馈电激励基板1上垂直投影的对称轴，且边缘凹点124位于上辐射介质基板2和下辐射介质基板3在馈电激励基板1上垂直投影的内部。
并且，所述上辐射介质基板2的纵向的端面中，其远离馈电端121的端面21到同一宽壁上两个边缘端点125之间连线的距离大于电磁波在辐射介质块的波长，这样有利于充分的激励其辐射模式。
本发明的天线中，所述每个金属层10上边缘凹点124到同金属层10上两个边缘端点125间连线的距离，大于电磁波在介质填充波导12从边缘凹点124开始到同金属层10上两个边缘端点125连线之间区域平均波导波长的四分之一。
以及，本发明的天线中，所述每条输出边缘123中，边缘凹点124到边缘端点125之间的形状可以是直线、分段直线、样条曲线或指数。
本发明天线的工作原理具体为：电磁波从馈电端121进入天线，经过介质填充波导12，到达输出端122区域，内凹的输出边缘123实际上是一个渐变的过渡结构，使得场型逐渐从TE10模过渡到辐射介质块传输模的场型，同时实现阻抗的变换过渡。在辐射介质块，根据工作频率的不同，天线可以有两种辐射模式。一种是漏波模式，波束是前倾的扇形频率扫描波束，另一种是端射的笔形波束，波束方向指向天线的正前方。
馈电激励基板1的宽度，可以和上辐射介质基板2和下辐射介质基板3的宽度一致，也可以比上辐射介质基板2和下辐射介质基板3略宽一些。这是因为在介质填充波导的窄壁，工作模式TE10模的电场为零，而上辐射介质基板2和下辐射介质基板3的侧边，电场不为零。馈电激励基板1的宽度比上辐射介质基板2和下辐射介质基板3略宽一些，可以更有效的进行场型过渡。
天线可以直接和射频子***连接。如果射频子***采用基片集成波导，不需要过渡可以直接连接。如果射频子***采用其它传输线，例如微带和共面波导，可以使用常见的微带或共面波导到基片集成波导的过渡。通常在多层板中，为了抑制高次模和减少辐射损耗，要求射频电流所在的基板比较薄，厚度一般不宜超过波长的百分之五，同时为了减小介质损耗，通常使用介电常数较小的基板，而为了减少天线的尺寸，通常辐射介质基板需要使用介电常数较高的基板。本发明天线的馈电激励基板1的介电常数，与上辐射介质基板2和下辐射介质基板3也可以不同，而且基板的厚度也可以不同。即使馈电激励基板1很薄，由于其被夹在上辐射介质基板2和下辐射介质基板3之间，这种内嵌式馈电激励方式，可以保证从介质填充波导12出来的电磁波功率全部用于激励天线的辐射，因此激励效率高。
根据应用需要，所述馈电激励基板1、上辐射介质基板2和下辐射介质基板3还可以采用磁性介质基片。
本发明的天线既可以用印刷电路板、低温共烧结陶瓷或厚膜工艺制作，也可以用芯片工艺制作。连续的金属化墙11可以使用金属化过孔阵列代替，就像在基片集成波导一样。
因此，根据以上所述实施例，便可实现本发明。
综上，本发明提供的内嵌馈电线极化平面多层异质介质集成天线，不仅可以使用平面印刷电路工艺，实现了辐射介质块的多层异质集成，而且还实现了内嵌的馈电激励单元与辐射介质块的平面异质集成，同时馈电激励单元具有行波馈电激励线极化辐射的功能。
以上所述仅为本发明的实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的设计方法和原则之内的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.内嵌馈电线极化平面多层异质介质集成天线，其特征在于，该天线由馈电激励基板（1）、上辐射介质基板（2）和下辐射介质基板（3）三层基板构成，所述上辐射介质基板（2）、馈电激励基板（1）和下辐射介质基板（3）三层基板依次上下叠合构成该天线的辐射介质块；所述馈电激励基板（1）的上下两面均设置一个金属层（10）；每个金属层（10）的两边设有两条连续的金属化墙（11），以连接上下两面的金属层（10）；上下两面的金属层（10）和两条金属化墙（11）在馈电激励基板（1）中形成一个两端开路的内嵌的介质填充波导（12），金属层（10）是介质填充波导（12）的宽壁，金属化墙（11）是介质填充波导（12）的窄壁；所述介质填充波导（12）是天线的馈电波导，其一端是天线的馈电端（121），另一端是开路的输出端（122）；介质填充波导（12）的宽壁在输出端（122）方向的输出边缘（123）的形状是内凹和对称的，输出边缘（123）的对称轴是介质填充波导（12）宽壁的中心线，输出边缘（123）在其本身对称轴上的点是边缘凹点（124），边缘凹点（124）是输出边缘（123）离馈电端（121）最近的点，输出边缘（123）与介质填充波导（12）的窄壁的四个交点是四个边缘端点（125）；电磁波通过天线的馈电端（121）进入介质填充波导（12），再经过输出端（122）离开介质填充波导（12）。
2.根据权利要求1所述内嵌馈电线极化平面多层异质介质集成天线，其特征在于：所述上辐射介质基板（2）和下辐射介质基板（3）的形状及大小相同，且两者在馈电激励基板（1）上垂直投影的位置相同且均位于馈电激励基板（1）的内部。
3.根据权利要求1所述内嵌馈电线极化平面多层异质介质集成天线，其特征在于：所述介质填充波导（12）宽壁的中心线是上辐射介质基板（2）和下辐射介质基板（3）在馈电激励基板（1）上垂直投影的对称轴，且边缘凹点（124）位于上辐射介质基板（2）和下辐射介质基板（3）在馈电激励基板（1）上垂直投影的内部。
4.根据权利要求1所述内嵌馈电线极化平面多层异质介质集成天线，其特征在于：所述上辐射介质基板（2）和下辐射介质基板（3）的介电常数相同。
5.根据权利要求1所述内嵌馈电线极化平面多层异质介质集成天线，其特征在于：所述上辐射介质基板（2）的纵向的端面中，其远离馈电端（121）的端面（21）到同一宽壁上两个边缘端点（125）之间连线的距离大于电磁波在辐射介质块的波长。
6.根据权利要求1所述内嵌馈电线极化平面多层异质介质集成天线，其特征在于：所述上辐射介质基板（2）和下辐射介质基板（3）的横向尺寸要保证辐射介质块中，电磁波传输模的主极化方向垂直于馈电激励基板（1）所在的平面，并且该传输模的截止频率低于天线的工作频率。
7.根据权利要求1所述内嵌馈电线极化平面多层异质介质集成天线，其特征在于：所述每个金属层（10）上边缘凹点（124）到同金属层（10）上两个边缘端点（125）间连线的距离，大于电磁波在介质填充波导（12）从边缘凹点（124）开始到同金属层（10）上两个边缘端点（125）连线之间区域平均波导波长的四分之一。
8.根据权利要求1所述内嵌馈电线极化平面多层异质介质集成天线，其特征在于：每条输出边缘（123）中，边缘凹点（124）到边缘端点（125）之间的形状是直线、分段直线、样条曲线或指数。
9.根据权利要求1所述内嵌馈电线极化平面多层异质介质集成天线，其特征在于：所述馈电激励基板（1）、上辐射介质基板（2）和下辐射介质基板（3）采用磁性介质基片。
10.根据权利要求1所述内嵌馈电线极化平面多层异质介质集成天线，其特征在于：所述两条连续的金属化墙（11）使用金属化过孔阵列代替。
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