CN215579070U

CN215579070U - 基于表面波激励的siw喇叭天线

Info

Publication number: CN215579070U
Application number: CN202121307637.7U
Authority: CN
Inventors: 蔡洋; 韩文婷; 李森; 曹玉凡; 吴涛; 焦义文; 张宝玲; 杨文革; 李冠霖
Original assignee: Peoples Liberation Army Strategic Support Force Aerospace Engineering University
Current assignee: Peoples Liberation Army Strategic Support Force Aerospace Engineering University
Priority date: 2021-06-11
Filing date: 2021-06-11
Publication date: 2022-01-18
Anticipated expiration: 2031-06-11

Abstract

本实用新型公开了基于表面波激励的SIW喇叭天线，包括介质基板、SIW喇叭天线和超材料表面；SIW喇叭天线的张口朝向超材料表面；超材料表面包括顶层贴片阵列平面和底层贴片阵列平面；顶层贴片阵列平面包括呈n*m阵列排布的顶层贴片单元，每个顶层贴片单元均包括四个π形槽缝隙，其布设在顶层贴片单元的四条侧边上；底层贴片阵列平面包括呈N*M阵列排布的底层贴片单元，每个底层贴片单元均包括四个T形缝隙槽，其均包括长槽和短槽；四个长槽首位相接形成底层贴片单元的四条侧边，四个短槽垂直布设在长槽中心。本实用新型通过在SIW喇叭天线张口后，加载周期排列的顶层和底层结构，构成超材料表面，实现阻抗匹配，从而同时实现高增益和宽频带。

Description

基于表面波激励的SIW喇叭天线

技术领域

本实用新型涉及一种SIW喇叭天线，特别是一种基于表面波激励的SIW喇叭天线。

背景技术

近年来，超宽带技术越来越受到人们的重视，具有成本低、体积小、结构简单、数据速率高等优点。利用电磁带隙(EBG)结构实现超宽带性能的方法有很多，如增加衬底厚度、在贴片和地面刻蚀槽等。超材料作为一种人工材料，因其独特的负折射、超透镜等特性而引起了人们极大的兴趣，如今超材料的出现是一种提高带宽的新方法，已有许多论文报道。同时，增益也是天线最重要的性能指标之一。只有一个天线具有宽频带和高增益，才能满足现代无线通信***的要求。

传统的喇叭天线到了毫米波频段，因其体积、尺寸等原因难以实现与平面电路一体化集成，限制了其在毫米波领域的应用。而SIW喇叭天线通过在印刷电路板上周期性地刻蚀金属化通孔，综合了微带和金属波导的优点，既可以实现传统矩形波导的传输特性，又具有低剖面、低插损、低成本、易加工以及易于平面集成等优势，而这些优势在毫米波乃至太赫兹波段尤为明显。但在性能方面，如阻抗带宽和增益等仍有很大的提升空间。

将基于表面波激励的周期排列的超材料结构加载到SIW喇叭上，由于图形化辐射贴片和接地面而产生的串联电容和分流电感,导致了超材料的左向行为，利用顶层和底层的相互耦合，形成L-C等效电路，形成负折射率超材料，同时达到高增益和宽频带的性能要求。这种高性能超材料，使得天线的工作模式是基于表面波模式，而不是传统的泄露波模式。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种基于表面波激励的SIW喇叭天线，该基于表面波激励的SIW喇叭天线通过在SIW喇叭天线张口后，加载周期排列的顶层和底层结构，构成超材料表面，实现阻抗匹配，从而同时实现高增益和宽频带。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：

一种基于表面波激励的SIW喇叭天线，包括介质基板、SIW喇叭天线和超材料表面。

介质基板为矩形板，具有平行于自身长边的对称轴X。

SIW喇叭天线和超材料表面沿X向从左至右加载在介质基板上，且均关于对称轴X对称；同时，SIW喇叭天线的张口朝向超材料表面。

超材料表面包括顶层贴片阵列平面和底层贴片阵列平面。

顶层贴片阵列平面包括呈n*m阵列排布的顶层贴片单元，每个顶层贴片单元均包括四个π形槽缝隙；四个π形槽缝隙布设在顶层贴片单元的四条侧边上，均包括长缝隙和两个并行的短缝隙；其中，两个短缝隙的一端均与长缝隙相连接，另一端均指向顶层贴片单元的中心。

底层贴片阵列平面包括呈N*M阵列排布的底层贴片单元，每个底层贴片单元均包括四个T形缝隙槽；四个T形缝隙槽均包括长槽和短槽；四个长槽首位相接形成底层贴片单元的四条侧边，四个短槽的一端与长槽垂直连接，另一端指向底层贴片单元的中心。

n、m、N和M均为自然数，且均大于2。

顶层贴片阵列平面的长度和底层贴片阵列平面的长度相等，但顶层贴片阵列平面的宽度小于底层贴片阵列平面的宽度。

n=5、m=6、N=5、M=8。

顶层贴片阵列平面的宽度小于SIW喇叭天线的张口宽度。

SIW喇叭天线的张角大小为a=28deg。

本实用新型具有如下有益效果：

1、本实用新型SIW喇叭后加载超材料表面，超材料表面为微带贴片天线，其具有低轮廓、共形结构、易与微波电路集成等优点，且具有良好的定向辐射特性。

2、本实用新型利用超材料的特殊电磁特性，电磁传播方向为表面波模式，而不是传统的泄露波模式。

3、上述超材料表面中，顶层贴片阵列平面为图形化辐射贴片，其和接地面而产生的串联电容和分流电感，导致了超材料的左向行为。故而本实用新型设计的SIW喇叭天线具有良好的带宽特性，工作频带为12.54-16.44GHz，高于传统喇叭天线。

4、本实用新型设计的SIW喇叭天线具有良好的高增益性能，工作频带增益均大于7.45GHz，高于传统微带天线，可作为现代无线电通信的候选天线。

附图说明

图1显示了本实用新型一种基于表面波激励的SIW喇叭天线的剖视图。

图2显示了本实用新型采用基于表面波激励SIW喇叭天线的俯视图。

图3显示了本实用新型采用基于表面波激励的SIW喇叭天线的仰视图。

图4显示了本实用新型采用基于表面波激励的SIW喇叭天线的主视图。

图5显示了本实用新型的反射系数图。

图6显示了本实用新型的增益曲线。

图7显示了本实用新型分别在12.5GHz、13.4GHz、14.8GHz、16.1GHz、16.5GHz的E面方向图。

图中有：

10.介质基板；

20.SIW上层金属壁；21.SIW下层金属壁；

41.平行金属通孔阵列；42.八字形金属通孔阵列；

51.顶层贴片阵列平面；52.底层贴片阵列平面。

具体实施方式

下面结合附图和具体较佳实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

本实用新型的描述中，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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本实用新型的保护范围。

如图1至图4所示，一种基于表面波激励的SIW喇叭天线，包括介质基板、SIW喇叭天线和超材料表面。

介质基板为矩形板，具有平行于自身长边的对称轴X。

SIW喇叭天线设置在矩形板上，包括SIW上层金属壁20、SIW下层金属壁21、喇叭形金属通孔阵列和馈源。

SIW上层金属壁和SIW下层金属壁分别印刷在矩形板的上表面和下表面；其中，SIW上层金属壁与SIW下层金属壁为对称结构。

喇叭形金属通孔阵列设置在矩形板中且关于对称轴X对称，包括相连接的平行金属通孔阵列41和八字形通孔阵列42。

SIW上层金属壁、SIW下层金属壁和喇叭形金属通孔阵列共同构成喇叭形SIW腔。

超材料表面包括顶层贴片阵列平面51和底层贴片阵列平面52。

顶层贴片阵列平面包括呈n*m阵列排布的顶层贴片单元，n和m均为自然数，且均大于2，在本实施例中，优选n=5、m=6。

每个顶层贴片单元均包括四个π形槽缝隙；四个π形槽缝隙布设在顶层贴片单元的四条侧边上，均包括长缝隙和两个并行的短缝隙；其中，两个短缝隙的一端均与长缝隙相连接，另一端均指向顶层贴片单元的中心。

在本实施例中，底层贴片阵列平面的三条侧边分别与介质基板的三个侧边相重合，顶层贴片阵列平面仅一条外侧边与介质基板的外侧边相重合。进一步，顶层贴片阵列平面的宽度优选小于SIW喇叭天线的张口宽度。

底层贴片阵列平面包括呈N*M阵列排布的底层贴片单元，N和M均为自然数，且均大于2。在本实施例中，优选N=5、M=8。

每个底层贴片单元均包括四个T形缝隙槽；四个T形缝隙槽均包括长槽和短槽；四个长槽首位相接形成底层贴片单元的四条侧边，四个短槽的一端与长槽垂直连接，另一端指向底层贴片单元的中心。

相邻两个底层贴片单元中相邻两个T形缝隙槽构成十字型交叉槽。

上述顶层贴片阵列平面和底层贴片阵列平面相互耦合，形成L-C等效电路，使得超材料表面变为左手材料，产生沿贴片阵列平面传播的表面波，因此，沿贴片方向辐射比普通贴片天线有明显增强，从而实现SIW喇叭天线的高增益和宽频带。另外，由于超材料结构，最大辐射发生在水平方向，而不是像简单的微带贴片天线那样在垂直方向。

通过调节底层贴片单元的大小（也即c7的大小）、短槽宽度（也即c8的大小、以及π形槽缝隙的宽度，使得顶层贴片阵列平面和底层贴片阵列平面达到最佳耦合，从而同时实现大于7.45GHz的高增益和工作频带为12.54-16.44GHz的宽频带。

在本实施例中，如图2和图3所示，一种基于平面波激励的SIW喇叭天线的优选尺寸为：平行金属通孔阵列的间距为wsiw=10 mm，平行金属通孔阵列的长度为l3=8.4mm,八字形金属通孔阵列的长度为l2=23.52mm,SIW喇叭的张角大小为a=28deg,金属通孔的直径为d=0.5mm, SIW上层金属壁的宽度为sub_w=32mm，SIW上层金属壁的长度为sub_l=25.33mm，顶层贴片单元中π形槽缝隙中长缝隙的长度为c3=2.5mm，顶层贴片单元中π形槽缝隙中长缝隙的宽度为0.3mm，顶层贴片单元中π形槽缝隙中短缝隙的宽度为0.3mm，顶层贴片单元中π形槽缝隙中短缝隙的长度为c5=0.9mm，顶层贴片单元的边长为p=4mm，底层贴片单元边长为c7=3.46mm，底层贴片单元中短槽宽度为c8=0.3mm，底层贴片单元中短槽长度为c6=0.8mm。

结合图4、图5、图6和图7，本实用新型的回波损耗在12.54-16.44GHz频段范围内小于-10 dB，相对阻抗带宽达到26.9%，在12.54-16.44GHz频段内的多个频点上增益均大于7.4GHz,表明该天线具有宽频带、高增益等良好的辐射性能，且结构简单，成本低，可应用于微波集成电路，可作为现代无线电通信的候选天线。

以上详细描述了本实用新型的优选实施方式，但是，本实用新型并不限于上述实施方式中的具体细节，在本实用新型的技术构思范围内，可以对本实用新型的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本实用新型的保护范围。

Claims

1.基于表面波激励的SIW喇叭天线，其特征在于：包括介质基板、SIW喇叭天线和超材料表面；

介质基板为矩形板，具有平行于自身长边的对称轴X；

SIW喇叭天线和超材料表面沿X向从左至右加载在介质基板上，且均关于对称轴X对称；同时，SIW喇叭天线的张口朝向超材料表面；

超材料表面包括顶层贴片阵列平面和底层贴片阵列平面；

顶层贴片阵列平面包括呈n*m阵列排布的顶层贴片单元，每个顶层贴片单元均包括四个π形槽缝隙；四个π形槽缝隙布设在顶层贴片单元的四条侧边上，均包括长缝隙和两个并行的短缝隙；其中，两个短缝隙的一端均与长缝隙相连接，另一端均指向顶层贴片单元的中心；

底层贴片阵列平面包括呈N*M阵列排布的底层贴片单元，每个底层贴片单元均包括四个T形缝隙槽；四个T形缝隙槽均包括长槽和短槽；四个长槽首位相接形成底层贴片单元的四条侧边，四个短槽的一端与长槽垂直连接，另一端指向底层贴片单元的中心；

n、m、N和M均为自然数，且均大于2。

2.根据权利要求1所述的基于表面波激励的SIW喇叭天线，其特征在于：顶层贴片阵列平面的长度和底层贴片阵列平面的长度相等，但顶层贴片阵列平面的宽度小于底层贴片阵列平面的宽度。

3.根据权利要求1所述的基于表面波激励的SIW喇叭天线，其特征在于：n=5、m=6、N=5、M=8。

4.根据权利要求1所述的基于表面波激励的SIW喇叭天线，其特征在于：顶层贴片阵列平面的宽度小于SIW喇叭天线的张口宽度。

5.根据权利要求1所述的基于表面波激励的SIW喇叭天线，其特征在于：SIW喇叭天线的张角大小为a=28deg。