CN206849996U - 波导结构及天线装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了波导结构及天线装置。该波导结构包括：第一介质基板，具有相对的第一表面和第二表面、以及相对的第一侧壁和第二侧壁；第一金属层和第二金属层，分别位于所述第一表面和所述第二表面上；以及第一超材料结构和第二超材料结构，分别位于所述第一侧壁和所述第二侧壁上，其中，所述第一超材料结构和所述第二超材料结构在工作频率下的电磁波反射相位小于等于90度。该波导结构减小了耦合损耗，从而提高了传输效率。

Description

波导结构及天线装置

技术领域

本实用新型涉及射频技术，特别是用于传输电磁波的波导结构及包含波导结构的天线装置。

背景技术

天线装置用于电磁波的发射和接收，在民用和军用领域有着广泛的应用前景。在高增益聚焦天线中，馈源位于抛物面天线的中心，作为初级辐射器。在发射电磁波时，馈源向抛物面天线的反射面辐射电磁波，使得电磁波经由抛物面天线向外发射。在接收电磁波时，抛物面天线从外界收集电磁波，并且经由抛物面天线的反射面将电磁波辐射至馈源。

天线装置还包括与馈源相连接的收发信机，利用馈电线在二者之间传送电信号。该馈电线可以是同轴电缆或波导。对于高频的射频信号，由于集肤效率，采用中空的波导传输信号的损耗小于同轴电缆，因此波导对高频电信号的传输效率高且功率容量大。

在天线装置中，波导结构不仅可以作为馈电线，而且可以用于构成天线本身。例如，平行板波导天线采用平行板传输电磁波以及金属片作为辐射元件，连续横向枝节(CTS)天线采用平行板波导传输电磁波，以及在平行板上开横向缝以及在横向缝上附加枝节以实现辐射。基于平行板波导的天线采用的馈电方式为TEM模。

根据平行板波导的特性，为了在平行板波导中维持准TEM波的传输，波导宽度得远远大于波导的高度，使得边缘场的变化与宽度延伸的方向一致。该宽度要求导致波导的尺寸增加，因此不利于天线装置的小型化，在使用安装上也造成不便。

在现有的技术中，大多采用边壁开路、四分之一波长的短路棒或者四分之一波长的扼流槽来满足边缘场的要求，以减小平行板波导的宽度。然而，在平行板波导边壁上的电磁波反射相位还是为180度，对平行板波导中传输的电磁场产生干扰，难以在边缘附近维持TEM波的传输。

实用新型内容

有鉴于些，本实用新型的目的是提供一种波导结构及其天线装置，其中采用高阻超材料结构实现传输电磁波和反射电磁波的同相叠加，实现装置准TEM波的传输，以提高传输效率。

根据本实用新型的一方面，提供一种波导结构，其特征在于，包括：第一介质基板，具有相对的第一表面和第二表面、以及相对的第一侧壁和第二侧壁；第一金属层和第二金属层，分别位于所述第一表面和所述第二表面上；以及第一超材料结构和第二超材料结构，分别位于所述第一侧壁和所述第二侧壁上，其中，所述第一超材料结构和所述第二超材料结构在工作频率下的电磁波反射相位小于等于90度。

优选地，所述第一超材料结构和所述第二超材料结构在工作频率下的电磁波反射相位为-10度至10度。

优选的，所述所述第一超材料结构和所述第二超材料结构在工作频率下的电磁波反射相位为0度。

优选地，所述第一超材料结构和所述第二超材料结构分别包括：第二介质基板，具有相对的第三表面和第四表面；反射板，位于所述第三表面上；多个贴片，位于所述第四表面上，按行列排列且彼此隔开，从而形成贴片阵列；以及多个导电柱，穿过所述第二介质基板，分别将所述多个贴片连接至所述反射板，其中，所述多个贴片形成所述第一超材料结构和所述第二超材料结构的高阻表面，用于反射电磁波。

优选地，所述第一超材料结构的高阻表面与所述第一介质基板的第一表面邻接，所述第二超材料结构的高阻表面与所述第一介质基板的第二表面邻接。

优选地，所述多个导电柱还穿过所述多个贴片和所述反射板中的至少一个。

优选地，根据所述波导结构的工作频率设置所述多个贴片的形状、尺寸和/或间距，从而获得预定的电磁波反射相位。

优选地，所述多个贴片的形状为梅花形，包括一体设置的中心片和四个瓣片。

优选地，在每个贴片中，所述四个瓣片分成各自两片的两组，第一组瓣片相对于第一轴形成轴对称图案，第二组瓣片相对于第二轴形成轴对称图案，第一轴和第二轴彼此垂直。

优选地，所述中心片为矩形，所述瓣片为半圆形。

优选地，所述第一超材料结构采用粘接剂贴在所述第一介质基板的第一侧壁上，所述第二超材料结构采用粘接剂贴在所述第一介质基板的第二侧壁上。

根据本实用新型的另一方面，提供一种天线装置，其特征在于，包括：上述的波导结构，所述波导结构用于传输电磁波；以及辐射元件，与所述波导结构相连接，用于辐射电磁波。

优选地，所述辐射元件为所述波导结构中的所述第一金属层的至少一部分。

优选地，所述波导结构中的所述第一金属层开横向缝以及在横向缝上附加枝节作为所述辐射元件。

根据本实用新型实施例的波导结构和天线装置，超材料结构的高阻表面反射电磁波的相位小于90度，从而可以形成近似的封闭磁壁。该超材料结构可以减小侧壁反射对平行板波导中传输的电磁场产生的干扰，从而既减小波导结构的尺寸，又能提高传输效率。

在优选的实施例中，如果根据平行板波导的工作频率设计超材料结构中的贴片形状、尺寸和/或间距，则可以实现在工作频率下电磁波的反射相位大致为0，从而维持准TEM波的传输。

附图说明

通过以下参照附图对本实用新型实施例的描述，本实用新型的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示出根据本实用新型实施例的超材料结构的分解透视图。

图2示出根据本实用新型实施例的波导结构的透视图。

图3示出根据本实用新型实施例的超材料结构的S11反射相位仿真结构。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本实用新型的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。

图1示出根据本实用新型实施例的超材料结构的分解透视图。该超材料结构110为叠层结构。在图中为了便于观察，将超材料结构110中的导电柱115沿着箭头所示的方向分离示出，在实际的波导结构中的位置如下文所述。

如图1所示，超材料结构110包括介质基板111、覆盖于介质基板111第一表面的反射板112、覆盖于介质基板111第二表面的多个贴片113、在介质基板111中形成的多个通孔114、以及填充所述多个通孔114的导电柱115。超材料结构110的第一表面和第二表面彼此相对。

介质基板111可以由介电常数大于1的材料组成，例如聚四氟乙烯、环氧树脂、FR4材料等。由于介电常数越高、损耗角正切越小的材料更有利于电磁谐振并降低谐振频率，优选陶瓷材料，例如氧化铝，也可以是微波介质。反射板112和贴片113由导电材料组成，例如金、银、铜之类的金属材料。在一个实例中，超材料结构110可以采用双面印刷电路板(PCT)形成，其中采用一个表面的金属层形成反射板112，采用另一个表面的金属层图案化形成贴片113。

采用蚀刻或钻孔，在介质基板中形成多个通孔114，所述多个通孔114的两端开口的分别暴露于介质基板111的相对表面上。采用铜之类的导体材料填充所述多个通孔114，从而形成多个导电柱115。在图1所示的实施例中，导电柱115从介质基板111的一侧表面到达另一侧表面，从而穿过介质基板111。在替代的实施例中，导电柱115从反射面112的表面上经由介质基板延伸至贴片113的表面，从而穿过介质基板111、反射面112和贴片113三者。

贴片113的形状为梅花形，包括中心片113-1和四个瓣片113-2，二者形成为一体。在每个贴片113中，四个瓣片113-2分成各自两片的两组，第一组瓣片相对于第一轴形成轴对称图案，第二组瓣片相对于第二轴形成轴对称图案，第一轴和第二轴彼此垂直。在优选的实施例中，所述中心片113-1为矩形，所述瓣片113-2为半圆形。多个贴片113按行列排列形成贴片阵列。在贴片阵列中，每个阵列单元包括一个贴片113，相邻贴片113隔开预定距离。每个贴片113经由相应的导电柱115连接至反射板112。该超材料结构110中，多个贴片113构成高阻表面。

在该实施例中，根据模拟计算确定贴片阵列中的贴片尺寸和间距，使得超材料结构110的高阻表面反射电磁波的相位为0，从而形成封闭磁壁。该超材料结构110可以实现传输电磁波和反射电磁波的同相叠加。

图2示出根据本实用新型实施例的波导结构的透视图。该波导结构100为平行板波导，包括介质基板121、位于介质基板的相对表面上的金属层122和123、以及位于介质基板121的相对侧壁上的超材料结构110。所述金属层122和123以及超材料结构110共同限定电磁波传输的腔体。

介质基板121可以由任意介电常数大于1的材料组成，例如聚四氟乙烯、环氧树脂、FR4材料等。由于介电常数越高、损耗角正切越小的材料更有利于电磁谐振并降低谐振频率，优选陶瓷材料，例如氧化铝，也可以是微波介质。金属层122和123由导电材料组成，例如金、银、铜之类的金属材料。在一个实例中，可以采用双面印刷电路板(PCT)形成平行板波导的主体结构，即利用双面印刷电路板的两个金属层形成平行板波导的两个金属层。

超材料结构110的叠层结构如图1所示，在此不再详述。平行板波导100的主体结构包括介质基板121以及金属层122和123。例如，采用粘接剂将两个超材料板110贴附在介质基板121的侧壁上。超材料板110的贴片阵列与介质基板121的侧壁邻接。

在该实施例中，采用超材料结构限定平行板波导的侧壁，使得平行板波导的金属层与超材料结构共同限定电磁波传播的腔体。如上所述，根据模拟计算确定贴片阵列中的贴片尺寸和间距，使得超材料结构110的高阻表面反射电磁波的相位为0，从而形成封闭磁壁。在平行板波导100中传输的电磁波经由超结构结构110的高阻表面反射之后，反射电磁波与传输电磁波同相叠加，从而避免了电磁场在侧壁的反相消减，实现准TEM波传输。该波导结构可以减小宽度尺寸并且提高电磁波传输效率。

进一步地，本实用新型还可以提供基于平行板波导的天线。所述天线包括如图2所述的平行板波导和辐射元件。在一个实施例中，采用平行板波导传输电磁波，平行板波导的金属层作为辐射元件。在另一个实施例中，采用平行板波导传输电磁波，以及在平行板上开横向缝以及在横向缝上附加枝节作为辐射元件。由于波导结构中引入了超材料结构作为侧壁，因此该天线可以减小尺寸并且提高天线辐射效率。

图3示出根据本实用新型实施例的超材料结构的S11反射相位仿真结构。如图3所示，在10GHz至20GHz的波长范围内，超材料结构110的反射相位从+110度转变为-110度。在14.4GHz的工作频率下，电磁波的反射相位为0。与现在技术中电磁波反射相位为180度的情形相比，超材料结构可以减小侧壁反射对平行板波导中传输的电磁场产生的干扰。如果根据平行板波导的工作频率设计超材料结构中的贴片形状、尺寸和/或间距，则可以实现在工作频率下电磁波的反射相位大致为0，例如-10度至10度，从而维持准TEM波的传输。

应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之中。

Claims (13)

1.一种波导结构，其特征在于，包括：

第一介质基板，具有相对的第一表面和第二表面、以及相对的第一侧壁和第二侧壁；

第一金属层和第二金属层，分别位于所述第一表面和所述第二表面上；以及

第一超材料结构和第二超材料结构，分别位于所述第一侧壁和所述第二侧壁上，

其中，所述第一超材料结构和所述第二超材料结构在工作频率下的电磁波反射相位小于等于90度。

2.根据权利要求1所述的波导结构，其特征在于，所述第一超材料结构和所述第二超材料结构在工作频率下的电磁波反射相位为-10度至10度。

3.根据权利要求2所述的波导结构，其特征在于，所述第一超材料结构和所述第二超材料结构在工作频率下的电磁波反射相位为0。

4.根据权利要求1所述的波导结构，其特征在于，所述第一超材料结构和所述第二超材料结构分别包括：

第二介质基板，具有相对的第三表面和第四表面；

反射板，位于所述第三表面上；

多个贴片，位于所述第四表面上，按行列排列且彼此隔开，从而形成贴片阵列；以及

多个导电柱，穿过所述第二介质基板，分别将所述多个贴片连接至所述反射板，

其中，所述多个贴片形成所述第一超材料结构和所述第二超材料结构的高阻表面，用于反射电磁波。

5.根据权利要求2所述的波导结构，其特征在于，所述第一超材料结构的高阻表面与所述第一介质基板的第一表面邻接，所述第二超材料结构的高阻表面与所述第一介质基板的第二表面邻接。

6.根据权利要求4所述的波导结构，其特征在于，所述多个导电柱 还穿过所述多个贴片和所述反射板中的至少一个。

7.根据权利要求6所述的波导结构，其特征在于，所述多个贴片的形状为梅花形，包括一体设置的中心片和四个瓣片。

8.根据权利要求7所述的波导结构，其特征在于，在每个贴片中，所述四个瓣片分成各自两片的两组，第一组瓣片相对于第一轴形成轴对称图案，第二组瓣片相对于第二轴形成轴对称图案，第一轴和第二轴彼此垂直。

9.根据权利要求8所述的波导结构，其特征在于，所述中心片为矩形，所述瓣片为半圆形。

10.根据权利要求3所述的波导结构，其特征在于，所述第一超材料结构采用粘接剂贴在所述第一介质基板的第一侧壁上，所述第二超材料结构采用粘接剂贴在所述第一介质基板的第二侧壁上。

11.一种天线装置，其特征在于，包括：

根据权利要求1至10中任一项所述的波导结构，所述波导结构用于传输电磁波；以及

辐射元件，与所述波导结构相连接，用于辐射电磁波。

12.根据权利要求11所述的天线装置，其特征在于，所述辐射元件为所述波导结构中的所述第一金属层的至少一部分。

13.根据权利要求11所述的天线装置，其特征在于，所述波导结构中的所述第一金属层开横向缝以及在横向缝上附加枝节作为所述辐射元件。