基片集成波导馈电的宽带平面阵列天线制造技术

本发明专利技术公开了基片集成波导馈电的宽带平面阵列天线，主要解决现有天线带宽窄、结构不紧凑和损耗大的问题。该天线由横向分布的N个线型阵列天线和横向组阵的馈电网络组成，每个线型阵列天线均包含辐射体和线型馈电网络两部分，辐射体由顶部金属层1、上层介质基板2和金属连接器3组成，其顶部金属层位于上层介质基板的上表面；该线型馈电网络包括上层地板4、下层地板5和信号传输通道6，上层地板位于信号传输通道的上表面，且通过金属连接器与顶部金属层相连，下层地板位于信号传输通道的下表面。本发明专利技术采用类似磁电偶极子结构的辐射体和基片集成波导馈电方式，提高了工作带宽、降低了损耗，结构紧凑，可应用于5G通信及雷达系统。

Broadband planar array antenna fed by substrate integrated waveguide

The invention discloses a broadband planar array antenna fed by a substrate integrated waveguide, which mainly solves the problems of narrow bandwidth, compact structure and large loss of the existing antenna. The antenna consists of N linear array antennas and feeding network of lateral array. Each linear array antenna consists of radiator and feeding network. The radiator consists of top metal layer 1, upper dielectric substrate 2 and metal connector 3. The top metal layer is located on the upper surface of the upper dielectric substrate. The linear feeding network includes upper floor 4 and lower layer 4. Floor 5 and signal transmission channel 6. The upper floor is located on the upper surface of the signal transmission channel, and is connected with the top metal layer through a metal connector. The lower floor is located on the lower surface of the signal transmission channel. The invention adopts radiator and substrate integrated waveguide feeding mode similar to magnetoelectric dipole structure, improves working bandwidth, reduces loss and has compact structure, and can be applied to 5G communication and radar system.

【技术实现步骤摘要】
基片集成波导馈电的宽带平面阵列天线
本专利技术属于天线
，更进一步涉及一种宽带平面阵列天线，可用于5G通信及雷达系统。
技术介绍
随着社会的进步和技术的发展，对于实现天线系统高性能、小型化的需求日益迫切。阵列天线在通信、导航、雷达、探测等诸多领域的电子系统里面有着广泛的应用，能够实现高性能，小型化的阵列天线结构必然能带来良好的经济效益和社会效益。传统微带平面阵列天线虽然具有低剖面，高增益的优点，但是随着频率的升高，由于微带线本身的导体损耗，表面波损耗以及介质损耗增大，导致天线效率降低；波导阵列天线功率容量大，但是体积大，导致与外围电路的集成难度增加。基片集成波导作为一种新的传输线，结合了波导和微带两种传输线的优良特性，平面化、损耗小、易于加工和集成。基于这些优良特性，使得基片集成波导在阵列天线设计中，有着广泛应用。而传统的基片集成波导阵列天线的带宽较窄，尺寸较大，因此，宽带且小型化的基片集成波导阵列天线成为目前研究的热点。TomasMikulasek已发表的论文“2x2MicrostripPatchAntennaArrayFedbySubstrateIntegratedWaveguideforRadarApplications”中提出了一种基片集成波导馈电的2x2微带贴片平面阵列天线，该天线通过利用基片集成波导馈电以及缝隙耦合能量给辐射贴片，其存在不足是：相对带宽仅为10％，且体积较大，不利于与外围电路的集成。
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，提供一种基片集成波导馈电的宽带平面阵列天线，以增加天线的带宽，减小阵列的体积，从而利于实现与外围电路的集成。为实现上述目的，本专利技术的一种基片集成波导馈电的宽带平面阵列天线，是由沿横向分布的N个线型阵列天线和横向组阵的馈电网络组成，每个线型阵列天线均包含辐射体和线型馈电网络两个部分，每个线型馈电网络的输入端口均与横向组阵的馈电网络输出端口连接，该辐射体包括顶部金属层1、上层介质基板2和金属连接器3，顶部金属层1位于上层介质基板2的上表面；该线型馈电网络包括上层地板4、下层地板5和信号传输通道6，上层地板4位于信号传输通道6的上表面，上层地板4通过金属连接器3与顶部金属层1相连，下层地板5位于信号传输通道6的下表面，其特征在于：所述顶部金属层1，包括M个中间蚀刻有锯齿形槽的弧形电偶极子辐射贴片，M的取值为大于等于1的整数；所述金属连接器3由位于上层介质基板2内部的M对短路柱31构成，用于传输能量；所述上层地板4，其上蚀刻有沿其纵向中心线交替排列的M个纵向缝隙，用于从线型馈电网络耦合能量给辐射贴片。进一步，所述信号传输通道6包括下层介质基板61和通道62；通道62由上下左右四个边界构成，上下边界由两排平行且贯通下层介质基板61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。进一步，每个纵向缝隙的形状均为蝶形或矩形或H形，相邻两个纵向缝隙的几何中心间的距离为半个介质波导波长，离短路端口最近的一个纵向缝隙的几何中心与短路端口的距离为四分之一介质波导波长的整数倍。进一步，所述的M个辐射贴片尺寸均相同，其沿上层地板4的纵向中心线交替排列；每个辐射贴片偏离上层地板4的纵向中心线的距离与纵向缝隙偏离上层地板4的纵向中心线的距离相同。进一步，每个辐射贴片均通过一对短路柱31与上层地板4相连，且每对短路柱31均对称分布在所连接的辐射贴片的纵向中心线两侧。本专利技术与现有技术相比具有以下优点：第一，本专利技术由于采用中间蚀刻有锯齿形槽的弧形电偶极子辐射贴片，使得辐射体有与磁电偶极子类似的结构，天线的工作模式与磁电偶极子天线相似，具有与其类似的方向图特性，带宽较宽且增益稳定。第二，本专利技术由于采用在上层地板上蚀刻纵向缝隙耦合能量给辐射体的馈电方式，可以方便地根据实际应用所需的副瓣电平要求和主瓣波束要求综合出所需的激励幅度分布，使得阵列天线的结构更加紧凑，并且可以有效的将阵列规模进行横向扩展。第三，本专利技术由于馈电网络使用基片集成波导结构，降低了馈电网络引起的损耗，进而增加了天线的效率，并使得整个天线拥有更宽的阻抗带宽。附图说明图1为本专利技术的宽带平面阵列天线整体结构图；图2为本专利技术中的线型阵列天线结构示意图，其中图(a)为其侧视图，图(b)为其俯视图；图3为本专利技术中的辐射单元示意图；图4为本专利技术基片集成波导馈电的宽带阵列天线4×4单元实例结构示意图；图5为本专利技术实施例中心频率处的归一化E面和H面增益方向图；图6为本专利技术实施例回波损耗随频率变化的结果图；图7为本专利技术实施例增益随频率变化的结果图；图8为本专利技术实施例效率随频率变化的结果图。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，本专利技术的基片集成波导馈电的宽带平面阵列天线，由沿横向分布的N个线型阵列天线和横向组阵的馈电网络组成，横向组阵的馈电网络采用基片集成波导或接地共面波导GCPW或微带或其它平面功率分配结构的形式，每个线型阵列天线均包含辐射体和线型馈电网络两个部分，每个线型馈电网络的输入端口均与横向组阵的馈电网络输出端口连接，辐射体和线型馈电网络均采用多层印制电路板工艺实现。所述该辐射体，包括顶部金属层1、上层介质基板2和金属连接器3，顶部金属层1位于上层介质基板2的上表面；该顶部金属层1，包括M个中间蚀刻有锯齿形槽的弧形电偶极子辐射贴片，M的取值为大于等于1的整数；该金属连接器3由位于上层介质基板2内部的M对短路柱31构成，用于传输能量。所述线型馈电网络，包括上层地板4、下层地板5和信号传输通道6，上层地板4位于信号传输通道6的上表面，上层地板4通过金属连接器3与顶部金属层1相连，下层地板5位于信号传输通道6的下表面；该上述上层地板4上蚀刻有沿其纵向中心线交替排列的M个纵向缝隙，即这些缝隙沿着电磁波在信号传输通道6中的传播方向排列，用于从线型馈电网络耦合能量给辐射贴片。每个纵向缝隙的形状为蝶形或矩形或H形，每个纵向缝隙的尺寸以及其偏离上层地板4的纵向中心线的距离均相同，需根据每个辐射贴片需要获得的激励幅度确定，每个辐射贴片需要获得的激励幅度依据完成阵列设计目标而采用的幅度分布来确定。相邻两个纵向缝隙的几何中心间的距离为半个波导波长，离短路端口最近的一个纵向缝隙与短路端口的距离为四分之一波导波长的整数倍。参照图2(a)，该信号传输通道6包括下层介质基板61和通道62；通道62由上下左右四个边界构成，上下边界由两排平行且贯通下层介质基板61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。参照图2(b)，上述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：S≤2×D。所述的M个辐射贴片尺寸均相同，其沿上层地板4的纵向中心线交替排列；每个辐射贴片偏离上层地板4的纵向中心线的距离，与纵向缝隙偏离上层地板4的纵向中心线的距离相同。所述的M对短路柱31尺寸均相同，每个短路柱材料采用金属铜，其直径d为：d≥0.2mm；每个辐射贴片均通过一对短路柱31与上层地板4相连，且每对短路柱31均对称分布在所连接的辐射贴片的纵向中心线两侧。参照图3，所述中间开设有锯齿形本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基片集成波导馈电的宽带平面阵列天线，是由沿横向分布的N个线型阵列天线和横向组阵的馈电网络组成，每个线型阵列天线均包含辐射体和线型馈电网络两个部分，每个线型馈电网络的输入端口均与横向组阵的馈电网络输出端口连接，该辐射体包括顶部金属层(1)、上层介质基板(2)和金属连接器(3)，顶部金属层(1)位于上层介质基板(2)的上表面；该线型馈电网络包括上层地板(4)、下层地板(5)和信号传输通道(6)，上层地板(4)位于信号传输通道(6)的上表面，上层地板(4)通过金属连接器(3)与顶部金属层(1)相连，下层地板(5)位于信号传输通道(6)的下表面，其特征在于：所述顶部金属层(1)，包括M个中间蚀刻有锯齿形槽的弧形电偶极子辐射贴片，M的取值为大于等于1的整数；所述金属连接器(3)由位于上层介质基板(2)内部的M对短路柱(31)构成，用于传输能量；所述上层地板(4)，其上蚀刻有沿其纵向中心线交替排列的M个纵向缝隙，用于从线型馈电网络耦合能量给辐射贴片。

【技术特征摘要】
1.基片集成波导馈电的宽带平面阵列天线，是由沿横向分布的N个线型阵列天线和横向组阵的馈电网络组成，每个线型阵列天线均包含辐射体和线型馈电网络两个部分，每个线型馈电网络的输入端口均与横向组阵的馈电网络输出端口连接，该辐射体包括顶部金属层(1)、上层介质基板(2)和金属连接器(3)，顶部金属层(1)位于上层介质基板(2)的上表面；该线型馈电网络包括上层地板(4)、下层地板(5)和信号传输通道(6)，上层地板(4)位于信号传输通道(6)的上表面，上层地板(4)通过金属连接器(3)与顶部金属层(1)相连，下层地板(5)位于信号传输通道(6)的下表面，其特征在于：所述顶部金属层(1)，包括M个中间蚀刻有锯齿形槽的弧形电偶极子辐射贴片，M的取值为大于等于1的整数；所述金属连接器(3)由位于上层介质基板(2)内部的M对短路柱(31)构成，用于传输能量；所述上层地板(4)，其上蚀刻有沿其纵向中心线交替排列的M个纵向缝隙，用于从线型馈电网络耦合能量给辐射贴片。2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述信号传输通道(6)包括下层介质基板(61)和通道(62)；通道(62)由上下左右四个边界构成，上下边界由两排平行且贯通下层介质基板(61)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...

【专利技术属性】
技术研发人员：李龙，李美灵，方遥，易浩，
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