基于基片集成波导馈电的宽带缝隙耦合多层微带天线制造技术

本发明专利技术公开了一种基于基片集成波导馈电的宽带缝隙耦合多层微带天线，主要解决现有微带天线带宽窄、增益稳定性差的问题。该天线包括寄生贴片(1)、第一介质基板(2)、主辐射贴片(3)、第二介质基板(4)、上层地板(5)、馈电结构(6)和下层地板(7)；寄生贴片(1)位于第一介质基板(2)的下表面，主辐射贴片(3)位于第二介质基板(4)的上表面，上层地板(5)位于馈电结构(6)的上表面，下层地板(7)位于馈电结构(6)的下表面；上层地板(5)上蚀刻有纵向缝隙(51)，用于从馈电结构(6)耦合能量；寄生贴片(1)与主辐射贴片(3)之间设置有空气层，用于展宽天线带宽。本发明专利技术提高了工作带宽和增益稳定性，可应用于5G通信及雷达系统。

Broadband slot-coupled Multilayer Microstrip Antenna Fed by substrate integrated waveguide

The invention discloses a broadband slot-coupled Multilayer Microstrip Antenna Fed by a substrate integrated waveguide, which mainly solves the problems of narrow bandwidth and poor gain stability of the existing microstrip antenna. The antenna comprises a parasitic patch (1), a first dielectric substrate (2), a main radiation patch (3), a second dielectric substrate (4), an upper floor (5), a feeding structure (6) and a lower floor (7); a parasitic patch (1) is located on the lower surface of the first dielectric substrate (2), a main radiation patch (3) is located on the upper surface of the second dielectric substrate (4), an upper floor (5) is located on the upper surface of the feeding structure (6), and a lower floor (7) is located on the feeding structure. The lower surface of the electrical structure (6); the upper floor (5) is etched with longitudinal slots (51) for coupling energy from the feed structure (6); and an air layer is arranged between the parasitic patch (1) and the main radiation patch (3) for widening the antenna bandwidth. The invention improves the working bandwidth and gain stability, and can be applied to 5G communication and radar system.

【技术实现步骤摘要】
基于基片集成波导馈电的宽带缝隙耦合多层微带天线
本专利技术属于天线
，更进一步涉及一种宽带多层微带天线，可用于5G通信及雷达系统。
技术介绍
基片集成波导采用印刷电路板PCB工艺或低温共烧陶瓷LTCC工艺等，在介质基片上形成紧密排列的两列平行的金属化通孔，由于通孔间距很小，从而可以将电磁波限制在一定范围内向前传播，就可形成类似介质填充波导的平面波导结构。其具有体积小、重量轻，便于PCB工艺加工，加工成本低，易于与微波毫米波集成电路集成的优点，目前已应用在天线领域。传统微带天线由于品质因数过高，限制了其频带的扩展，天线带宽只能达到1％-5％左右，阻抗带宽小，限制了微带天线的实际应用范围。现阶段5G通信频段向毫米波发展，要求天线具有较宽的带宽且带宽内增益稳定。因此，宽带且增益稳定的天线成为目前研究的热点。展宽天线频带主要有以下几种：增加介质的厚度；采用低介电常数的厚介质层；贴片表面开槽；附加阻抗匹配网络。这些方法虽然能够展宽天线带宽，但是可能会导致天线带宽内增益恶化，并对馈电带来一些问题。WaelM.Abdel-Wahab发表的论文“Wide-Bandwidth60-GHzAperture-CoupledMicrostripPatchAntennas(MPAs)FedbySubstrateIntegratedWaveguide(SIW)”中提出了一种基片集成波导馈电的宽带缝隙耦合贴片天线，通过利用基片集成波导馈电以及缝隙耦合增加天线的带宽，但天线的相对带宽仅为24.1％，且带宽内增益不够稳定。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述现有技术的不足，根据波导缝隙耦合理论，提出基片集成波导馈电的宽带缝隙耦合多层微带天线，以进一步增加工作带宽，提高带宽内增益的稳定性。为实现上述目的，本专利技术的基于基片集成波导馈电的宽带缝隙耦合多层微带天线，包括：寄生贴片1、第一介质基板2、主辐射贴片3、第二介质基板4、上层地板5、馈电结构6和下层地板7；寄生贴片1位于第一介质基板2的下表面，主辐射贴片3位于第二介质基板4的上表面，上层地板5位于馈电结构6的上表面，下层地板7位于馈电结构5的下表面，其特征在于：所述上层地板5上蚀刻有纵向缝隙51，用于从馈电结构6耦合能量；所述寄生贴片1与主辐射贴片3之间设置有空气层，用于展宽天线带宽。进一步，所述馈电结构6包括信号传输通道61、匹配金属柱62和第三介质基板63，匹配金属柱62设置在第三介质基板63的内部；信号传输通道61由上下左右四个边界构成，上下边界由两排平行且贯通第三介质基板63的金属通孔构成，左侧边界设置为信号的输入端口，右侧边界由垂直的一排金属通孔组成，并设置为短路端口。本专利技术与现有技术相比具有以下优点：第一，本专利技术由于寄生贴片与主辐射贴片之间设置有空气层，使得天线能工作在多个谐振模式，展宽了天线带宽；第二，本专利技术由于在上层地板上蚀刻有横向缝隙用于从馈电结构耦合能量给主辐射贴片，馈电结构简单，从而节约加工成本。附图说明图1为本专利技术的整体结构示意图；图2为本专利技术中的第一介质基板、第二介质基板以及贴片结构示意图；图3为本专利技术中的馈电结构示意图；图4为本专利技术实施例的回波损耗随频率变化曲线图；图5为本专利技术实施例的增益随频率变化曲线图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例，对本专利技术作进一步详细描述：参照图1，本实例包括寄生贴片1、第一介质基板2、主辐射贴片3、第二介质基板4、上层地板5、馈电结构6和下层地板7。寄生贴片1位于第一介质基板2的下表面，主辐射贴片3位于第二介质基板4的上表面，上层地板5位于馈电结构6的上表面，下层地板7位于馈电结构5的下表面，所述上层地板5上蚀刻有纵向缝隙51，用于从馈电结构6耦合能量；寄生贴片1与主辐射贴片3之间设置有空气层，用于展宽天线带宽。参照图2，所述第一介质基板2的长度L为：0.3×λ1≤L≤0.5×λ2，宽度W为：0.2×λ1≤W≤0.4×λ2，厚度H1为：0.02×λ1≤H1≤0.2×λ2；寄生贴片1的长度Lp为：0.15×λ0＜Lp≤0.6×λ0，宽度Wp为：0.1×λ0＜Wp≤0.5×λ0；主辐射贴片3的长度Lm为：0.15×λ0＜Lm≤0.6×λ0，宽度Wm为：0.1×λ0＜Wm≤0.5×λ0；第二介质基板4的横截面尺寸与第一介质基板2横截面尺寸相同，其厚度H2为：0.02×λ1≤H2≤0.2×λ2；寄生贴片1与主辐射贴片3之间设置的空气层的厚度Ha为：0＜Ha＜0.25×λ0；其中λ1为天线工作频带内最高频率对应的波长，λ2为天线工作频带内最低频率对应的波长，λ0为中心频率对应的自由空间的波长。本实例取但不限于第一介质基板2的介电常数εr1＝2.2，长度L＝9.2mm，宽度W＝7.2mm，厚度H1＝1.016mm；寄生贴片1的长度Lp＝3mm，宽度Wp＝2.3mm；主辐射贴片3的长度Lm＝2.4mm，宽度Wm＝1.8mm；第二介质基板4的介电常数εr2＝2.2，厚度H2＝0.762mm；寄生贴片1与主辐射贴片3之间设置的空气层的厚度Ha＝1mm。参照图3，所述上层地板5，其长度与第一介质基板2的横截面长度L相同，宽度与第一介质基板2的横截面宽度W相同；所述下层地板7的尺寸与上层地板5的尺寸相同；所述馈电结构6。包括信号传输通道61、匹配金属柱62和第三介质基板63，匹配金属柱62设置在第三介质基板63的内部；信号传输通道61由上下左右四个边界构成，上下边界由两排平行且贯通第三介质基板63的金属通孔构成，左侧边界设置为信号的输入端口，右侧边界由垂直的一排金属通孔组成，并设置为短路端口；每个金属通孔的直径均为D，相邻两个金属通孔中心的间距为S，其取值范围为：所述信号传输通道61的上下边界尺寸相同，其长度为：λg≤Lsiw≤0.9×L，所包含的金属通孔的数量右侧边界宽度Wsiw为：0.5×λg＜Wsiw＜λg，所包含的金属通孔的数量构成信号传输通道61的上边界的金属通孔的中心距离第三介质基板64的横截面长边的距离D1为：构成短路端口的金属通孔的中心距离第三介质基板64的横截面宽边的距离D2为：其中λg为介质波导对应的波导波，L为第一介质基板2的长度，W为第一介质基板2的宽度。第三介质基板63的横截面尺寸与第一介质基板2的横截面尺寸相同，其厚度H3为：0.02×λ1≤H1≤0.2×λ2，其中λ1为天线工作频带内最高频率对应的波长，λ2为天线工作频带内最低频率对应的波长。纵向缝隙51的形状为蝶形或矩形或H形，且几何中心距离信号传输通道61的短路端口的距离为：dy＝0.25×λg，距离信号传输通道61纵向中心线的偏置距离为：匹配金属柱63采用的金属材料为铜，其金属柱的中心距离信号传输通道61的短路端口的距离与纵向缝隙51的几何中心距离信号传输通道61的短路端口的距离相同，距离纵向缝隙51的几何中心的距离WS为：直径d为：0.2mm≤d≤1.2mm，其中WS1为纵向缝隙51的第一宽边的长度。本实例取但不限于信号传输通道61的长度为Lsiw＝8mm，宽度为Wsiw＝5.6mm；第三介质基板64的介电常数εr3＝2.2，厚度为H3＝0.762mm；金属通孔的直径D＝0.56mm，相邻两个金属通孔中心的间距S＝0.8mm，两个长边包含的金属通本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于基片集成波导馈电的宽带缝隙耦合多层微带天线，包括寄生贴片(1)、第一介质基板(2)、主辐射贴片(3)、第二介质基板(4)、上层地板(5)、馈电结构(6)和下层地板(7)；寄生贴片(1)位于第一介质基板(2)的下表面，主辐射贴片(3)位于第二介质基板(4)的上表面，上层地板(5)位于馈电结构(6)的上表面，下层地板(7)位于馈电结构(5)的下表面，其特征在于：所述上层地板(5)上蚀刻有纵向缝隙(51)，用于从馈电结构(6)耦合能量；所述寄生贴片(1)与主辐射贴片(3)之间设置有空气层，用于展宽天线带宽。

【技术特征摘要】
1.基于基片集成波导馈电的宽带缝隙耦合多层微带天线，包括寄生贴片(1)、第一介质基板(2)、主辐射贴片(3)、第二介质基板(4)、上层地板(5)、馈电结构(6)和下层地板(7)；寄生贴片(1)位于第一介质基板(2)的下表面，主辐射贴片(3)位于第二介质基板(4)的上表面，上层地板(5)位于馈电结构(6)的上表面，下层地板(7)位于馈电结构(5)的下表面，其特征在于：所述上层地板(5)上蚀刻有纵向缝隙(51)，用于从馈电结构(6)耦合能量；所述寄生贴片(1)与主辐射贴片(3)之间设置有空气层，用于展宽天线带宽。2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述馈电结构(6)包括信号传输通道(61)、匹配金属柱(62)和第三介质基板(63)，匹配金属柱(62)设置在第三介质基板(63)的内部；信号传输通道(61)由上下左右四个边界构成，上下边界由两排平行且贯通第三介质基板(63)的金属通孔构成，左侧边界设置为信号的输入端口，右侧边界由垂直的一排金属通孔组成，并设置为短路端口。3.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述纵向缝隙(51)的形状为蝶形或矩形或H形，且几何中心距离信号传输通道(61)的短路端口的距离为：dy＝0.25×λg，距离信号传输通道(61)的纵向中心线的偏置距离为：其中λg为介质波导对应的波导波长，Wsiw为信号传输通道(61)的宽度。4.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述第一介质基板(2)的长度L为：0.3×λ1≤L≤0.5×λ2，宽度W为：0.2×λ1≤W≤0....

【专利技术属性】
技术研发人员：李龙，李美灵，易浩，席瑞，赵琦，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61