CN109560388B - 基于基片集成波导喇叭的毫米波宽带圆极化天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于基片集成波导喇叭的毫米波宽带圆极化天线，用于解决现有基片集成波导喇叭天线难以实现宽带圆极化工作的问题。其包括介质板(1)、上金属层(3)、下金属层(4)、上介质块(5)、下介质块(6)、极化转换器(7)和极化转换器支撑结构(8)；上、下金属层分别位于介质板的上下表面；介质板上设置有间距渐变的金属化通孔阵列(2)以构成馈电及喇叭结构；上、下介质块分别设置于喇叭辐射口径的上下方，以实现宽带阻抗匹配；极化转换器及其支撑结构位于喇叭辐射口径的边缘处，以实现稳定的宽带圆极化辐射。本发明具有毫米波频段下宽带稳定圆极化辐射的优点，适用于宽带毫米波无线通讯系统中。

Description

基于基片集成波导喇叭的毫米波宽带圆极化天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，特别涉及一种毫米波宽带圆极化天线，可应用于移动卫星通讯以及5G无线通讯系统。

背景技术

圆极化天线在卫星通讯、遥感以及深空探测等应用中，由于可避免多径效应、极化失配以及法拉第旋转效应的特点，因而被广泛应用。而宽带天线由于可以降低系统复杂度并提升通讯容量而被广泛研究与应用。然而，传统的宽带圆极化天线往往具有较大的尺寸以及非平面的结构，难以与平面电路集成；这就限制了其在诸多高集成度无线通讯系统中的应用。为了解决这一问题，基片集成波导技术被广泛应用于高集成度电路与系统的设计中。

基片集成波导是由加拿大蒙特利尔大学的吴柯教授于2001年正式提出。基片集成波导可以满足于微波系统和微波器件集成化和小型化的需求，同时具有传统矩形波导相似的传输特性。利用基片集成波导技术馈电的天线可克服传统矩形波导的缺点，具有低剖面易于与平面电路集成的优点，并且可以利用传统PCB设计工艺将天线与微波电路集成于同一块介质基片中，设计与生产成本低廉。

基片集成波导喇叭天线因其低剖面设计加工简单的特点而广泛适用于毫米波通讯系统中。但是传统的集成波导喇叭天线匹配带宽较窄，并且为线极化辐射。若要拓宽其匹配带宽可以引入渐变或加载结构，但这些结构往往比较复杂不利于低成本与大批量加工，并且也不利于实现宽带圆极化辐射。通过组阵、多馈以及多层厚介质板结构可以实现基片集成波导天线的圆极化辐射，但所实现的圆极化工作带宽往往较窄、结构较复杂，且大部分均为边射天线，限制了其在宽带无线通信中的应用。所以，如何在保证基片集成波导喇叭天线宽带匹配的前提下，实现其宽带端射圆极化辐射对毫米波无线通讯系统有着重要意义。

发明内容

本发明的目的在于针对上述传统集成波导喇叭天线难以实现宽带圆极化辐射的不足，提出一种基于基片集成波导喇叭的毫米波宽带圆极化天线，以在实现宽带匹配的前提下提高端射圆极化辐射带宽。

为实现上述的目的，本发明包括：包括介质板1、上金属层3和下金属层4，该上金属层3和下金属层4分别位于介质板1的上下表面，介质板1上设置有渐变的金属化通孔阵列2；该金属化通孔阵列2贯穿于介质板1、上金属层3、下金属层4之间，并与它们共同构成基片集成波导馈电与喇叭结构，其特征在于：

上金属层3的辐射边缘上方放置有上介质块5；

下金属层4的辐射边缘下方放置有下介质块6；

介质板1的辐射边缘外侧设有交错周期排列的极化转换器7和极化转换器支撑结构8。

作为优选，上金属层3和下金属层4的形状和尺寸相同。

作为优选，间距渐变的金属化通孔阵列2,其间距自馈电端口处向辐射口径处逐渐增大，以获得良好的阻抗匹配。

作为优选，上介质块5的左半部分与介质板1相接触，右半部分与上金属层3相接触。

作为优选，下介质块6的左半部分与介质板1相接触，右半部分与下金属层4相接触。

作为优选，极化转换器7由介电常数高于空气的介质条组成，厚度h3为0.1-20mm。

作为优选，极化转换器支撑结构8由介电常数与空气相近的硬质泡沫组成，厚度h4为0.1-20mm。

作为优选，极化转换器7和极化转换器支撑结构8与介质板1所在的水平面呈45°±30°倾斜角度。

作为优选，极化转换器7的上半部分与上介质块5相接触，下半部分与下介质块6相接触，中心部分与介质板1辐射口径边缘相接触，

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1)本发明由于采用了基片集成波导馈电结构，使天线在毫米波频段具有更小的损耗，并且易于加工以及与其他平面电路集成。

2)本发明由于采用了在介质板边缘上下方放置介质块以改善天线辐射口径处的阻抗渐变，使得天线的阻抗匹配带宽得到了显著的提升。

3)本发明由于采用了高介电常数的介质条作为极化转换器，使该天线可以实现稳定的宽带圆极化辐射，并且天线整体结构简单、紧凑。

4)本发明由于采用了介电常数与空气相接近的泡沫材料作为极化转换器的支撑结构，使得天线整体结构紧凑并且性能稳定。

5)本发明由于采用了纯介质结构来实现天线的带宽匹配和圆极化辐射，使得该天线可以在不影响其宽带匹配的前提下同时实现稳定的宽带圆极化辐射。

附图说明

图1是本发明的整体结构透视示意图；

图2是本发明的侧视示意图；

图3是图1的俯视示意图；

图4是本发明的VSWR参数仿真曲线图；

图5是本发明的轴比参数仿真曲线图；

图6是本发明的x-z面和y-z面仿真增益方向图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的结构及效果做进一步详细描述。

本实例以工作在22-31GHz频段，即5G毫米波频段的天线为例

参照图1，本实例包括介质板1，金属化通孔阵列2，上金属层3、下金属层4、上介质块5、下介质块6、极化转换器7和极化转换器支撑结构8。其中：

上金属层3和下金属层4分别设置在介质板1的上、下表面上，并且具有相同的结构和形状。本实例采用但不限于上金属层3和下金属层4的形状为矩形。该上金属层3和下金属层4在馈电端口一侧与介质板1相重合。介质板1在辐射口径端伸出于金属层3和下金属层4。

金属化通孔阵列2，渐变的贯穿于上金属层3、介质板1和下金属层4之间，并与它们共同构成基片集成波导馈电和喇叭结构。该金属化通孔阵列2在馈电端具有均匀的阵列间距以实现基片集成波导馈电。该金属化通孔阵列2的间距自馈电端口处向辐射口径处逐步增大，以形成喇叭状辐射结构。

上介质块5和下介质块6，分别位于上金属层3和下金属层4辐射口径边缘处的上方和下方，以实现天线的宽带匹配。该上介质块5和下介质块6具有相同的结构和形状，且左边一部分和介质板1相接触。该上介质块5右边一部分与上金属层3相接触；下介质块6右边一部分与下金属层4相接触，本实例采用但不限于上介质块5和下介质块6的形状为矩形。

极化转换器7以及极化转换器支撑结构8，周期交错排列，位于介质板1的辐射口径边缘处，以实现宽带圆极化辐射。该极化转换器7及极化转换器支撑结构8在辐射口径边缘处与介质板1、上介质块5和下介质块6相接触。该极化转换器7及极化转换器支撑结构8与介质板1所在水平面呈45°±30°倾斜角度，本实例采用但不限于倾斜角为45°。该极化转换器7和极化转换器支撑结构8所组成的复合结构应保证足够覆盖喇叭天线的辐射口径以实现良好的圆极化辐射。

参照图2和图3，所述介质板1的长边为L1短边为W1，本实施例中采用但不限于L1＝54mm，W1＝38mm。介质板1采用但不限于介电常数为3的F4B材料，厚度为h，本实施例采用但不限于，h＝2mm。所述上金属层3和下金属层4长边为L2短边为W1，本实施例中采用但不限于L2＝51mm。

所述金属通孔阵列2，包含但不限于56个圆孔和2个过渡通孔，该过渡通孔靠近介质板1馈电端口一侧，由一个半圆通孔和一个矩形通孔连接而成，其中半圆通孔的直径与圆孔直径相同，均为d1，矩形通孔的长边为W4，短边为d1，通孔之间的距离为d2；该金属通孔阵列2在馈电端口处具有均匀的两侧通孔阵列间距W2，均匀部分长度为L5；该金属通孔阵列2在辐射口径处两侧通孔阵列间距为W3，即金属通孔阵列2两侧通孔阵列的间距自馈电端口处向辐射口径处，由W2逐步增大到W3，且该渐变部分长度为L4。根据基片集成波导的实现公式可以得到d2/d1<2，本实施例采用但不限于d1＝1.1mm，d2＝1.8mm；所述矩形通孔的长边W4取值范围为1～5mm，本实施例中采用但不限于W4＝1.2mm；所述金属通孔阵列均匀部分间距W2应保证基片集成波导工作在TE₁₀模式，本实施例中采用但不限于W2＝5.5mm。为获得最大的天线增益，根据公式

中的关系，来确定基片集成波导喇叭的相应尺寸关系，其中λ为所计算频率自由空间中的波长，本实施例中采用但不限于W3＝31mm，L4＝44mm。

所述上介质块5和下介质块6的短边均为L3，长边均为W1，其采用但不限于介电常数为3的F4B材料，厚度均为h1。L3的取值范围为0.5～100mm，本实施例取L3＝5mm；h1的取值范围为0.5～10mm，本实施例取h1＝2mm。

所述极化转换器7由宽度为W5，介电常数大于空气的介质条组成，本实施例采用但不限于采用介电常数为9.2，厚度为h3＝0.8mm的介质条；极化转换器支撑结构8由宽度为W5，介电常数接近于空气的硬质泡沫条组成，本实例采用但不限于使用介电常数为1.1，厚度为h4＝0.8mm硬质泡沫条。所述极化转换器7的长度为L6，极化转换器支撑结构8的长度为L7。所述极化转换器支撑结构的长度应保证其足以连接并支撑间隔排列的极化转换器介质条，本实施例中采用但不限于L7＝4mm。所述极化转换器7与极化转换器支撑结构8构成的复合结构长为L8，宽为W6，厚度为W5。L6、L8与W6应保证足够覆盖天线辐射口径，以实现良好的圆极化转换功能，本实施例中采用但不限于L6＝25mm，L8＝50mm，W6＝18mm。W5由不同极化入射情况下极化转换器等效介电常数以及所需要的相位差计算得到。在本实例中，为实现圆极化辐射，该所需要的相位差应为90°，因此本实例采用但不限于W5＝3mm。

本发明的优点可通过以下仿真进一步说明：

仿真1：利用商业仿真软件ANSYS HFSS v15.0对上述实例在20-32GHz范围内的电压驻波比VSWR参数进行仿真计算，结果如图4所示。

从图4可见，本发明天线可以工作在22-32GHz范围，在该范围内其VSWR均小于2，且相对工作带宽为37％。

仿真2：利用商业仿真软件ANSYS HFSS v15.0对上述实例在20-32GHz范围内的轴比参数进行仿真计算，结果如图5所示。

从图5可见，本发明天线在22-31GHz范围内轴比均小于3dB,可以实现良好的圆极化辐射，圆极化相对工作带宽为34％。

仿真3：利用商业仿真软件ANSYS HFSS v15.0对上述实施例天线在24GHz，27GHz和30GHz处的辐射方向图进行仿真计算，结果如图6，其中：

图6(a)是本实施例在24GHz时的x-z面和y-z面的辐射方向图

图6(b)是本实施例在27GHz时的x-z面和y-z面的辐射方向图

图6(c)是本实施例在30GHz时的x-z面和y-z面的辐射方向图

从图6可见，本发明天线最大辐射方向在宽带内保持在z轴方向，且与介质板所在平面平行，属于端射天线。从图6还可看出，本实例的最大辐射方向增益为8dB，x-z面和y-z面辐射方向图对称，且具有稳定的波束宽度和方向图形状。

以上仿真结果说明，本发明天线可以在保证宽带匹配的前提下，实现宽带稳定端射方向圆极化辐射。

以上描述仅为本发明的一个优选实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和设计原理后，都可能在基于本发明的原理和结构的情况下，进行形式上和细节上的各种修正和改变，例如对天线结构的各种参数的改变。但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于基片集成波导喇叭的毫米波宽带圆极化天线，包括介质板(1)、上金属层(3)和下金属层(4)，该上金属层(3)和下金属层(4)分别位于介质板(1)的上下表面，介质板(1)上设置有渐变的金属化通孔阵列(2)；该金属化通孔阵列(2)贯穿于介质板(1)、上金属层(3)、下金属层(4)之间，并与它们共同构成基片集成波导馈电与喇叭结构，其特征在于：

上金属层(3)的辐射边缘上方放置有上介质块(5)；

下金属层(4)的辐射边缘下方放置有下介质块(6)；

介质板(1)的辐射边缘外侧设有交错周期排列的极化转换器(7)和极化转换器支撑结构(8)，且极化转换器(7)和极化转换器支撑结构(8)整体的轮廓外形为切角矩形；该极化转换器(7)的上半部分与上介质块(5)相接触，下半部分与下介质块(6)相接触，中心部分与介质板(1)辐射口径边缘相接触；极化转换器(7)和极化转换器支撑结构(8)与介质板(1)所在的水平面呈45°±30°倾斜角度；所述极化转换器7由宽度为W5，介电常数大于空气的介质条组成，极化转换器支撑结构8由宽度为W5，介电常数为1.1的硬质泡沫条组成，所述极化转换器支撑结构的长度应保证其足以连接并支撑间隔排列的极化转换器介质条。

2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，上金属层(3)和下金属层(4)的形状和尺寸相同。

3.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，间距渐变的金属化通孔阵列(2),其间距自馈电端口处向辐射口径处逐渐增大，以获得良好的阻抗匹配。

4.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，上介质块(5)的左半部分与介质板(1)相接触，右半部分与上金属层(3)相接触。

5.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，下介质块(6)的左半部分与介质板(1)相接触，右半部分与下金属层(4)相接触。

6.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，极化转换器(7)由介电常数高于空气的介质条组成，厚度h3为0.1-20mm。

7.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，极化转换器支撑结构(8)由介电常数为1.1的硬质泡沫组成，厚度h4为0.1-20mm。

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