专利名称：相位阻抗校准的平面喇叭天线的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种平面喇叭天线，尤其是一种相位阻抗校准的平面喇叭天线。
背景技术：
喇叭天线在卫星通信、地面微波链路及射电望远镜等系统中有着广泛的应用。但是，三维喇叭天线的较大的几何尺寸和与平面电路工艺的不兼容使得它的成本较高，从而限制了其应用的发展。近年来，基片集成波导技术的提出和发展很好的促进了平面喇叭天线的发展。基片集成波导有尺寸小、重量轻、易于平面集成和加工制作简单等优点。基于基片集成波导的基片集成波导平面喇叭天线除了具有喇叭天线的特点外，还很好的实现了喇叭天线的小型化、轻型化，而且易于集成在微波毫米波平面电路中，但传统的基片集成波导平面喇叭天线的增益相对比较低，其原因在于由于喇叭口不断的张开，不仅导致电磁波传播到喇叭口径面时出现相位不同步，而且口径面上电磁波的波阻抗不同于自由空间的波阻 抗，在介质与喇叭分界面上引起了电磁波反射、影响了天线的回波损耗和辐射性能。目前已有采用介质加载、介质棱镜等方法，矫正喇叭口径场相位的不同步，但是这些方法都只能改善相位分布的一致性，不能改善口径面上喇叭天线与自由空间波阻抗的不一致，而且这些相位校准结构增加了天线的整体结构尺寸。
发明内容
技术问题本发明的目的是提出一种相位阻抗校准的平面喇叭天线，该平面喇叭天线内部嵌有金属化过孔阵列用以矫正天线口径面上电磁波的相位不一致及天线与自由空间波阻抗的不一致，增加天线的口径效率和增益，减少天线的反射。技术方案本发明的相位阻抗校准的平面喇叭天线包括设置在介质基板上的微带馈线、基片集成波导喇叭天线和内嵌金属化过孔；所述微带馈线的一端是天线的输入输出端口，微带馈线的另一端与基片集成波导喇叭天线的窄端口相接；基片集成波导喇叭天线由位于介质基板一面的第一金属平面、位于介质基板另一面的第二金属平面和穿过介质基板连接第一金属平面和第二金属平面的两排金属化过孔喇叭侧壁组成；基片集成波导喇叭天线中内嵌的金属化过孔连接第一金属平面和第二金属平面，并构成多个金属化过孔阵列；金属化过孔阵列，在喇叭天线中形成多个介质填充波导，介质填充波导的一个端口离天线窄端口较近，其另一个端口在天线口径面上。金属化过孔阵列由头端直线段、多边形和尾端直线段三段相连构成；金属化过孔阵列中的头端直线段的形状可以是直线、折线或指数线等，其长度可以是零或者是有限长度；金属化过孔阵列中的尾端直线段的形状可以是直线、折线或指数线等；金属化过孔阵列的头端靠近基片集成波导喇叭天线的窄端口，金属化过孔阵列的尾端天线口径面上。金属化过孔阵列中的多边形可以是三角形、四边形、五边形或其它多边形，多边形的一条边或者多条边的形状可以是直线、弧线或其它曲线。介质填充波导的宽度要保证其主模可以这些介质填充波导中传输而不被截止；介质填充波导在天线口径面上的端口的宽度均相等。介质填充波导靠近天线口径面的一段是直线段，其宽度要使介质填充波导在端口的波阻抗等于自由空间的波阻抗。改变金属化过孔阵列中多边形中一个或数个顶点在天线中的位置，可以改变电磁波在介质填充波导中传输的相速。、改变金属化过孔阵列中头端和多边形中一个或数个顶点在天线中的位置，可以使通过各个介质填充波导的路电磁波同相到达天线口径面。两排金属化过孔喇叭侧壁，由一段窄平行段接一段逐渐张开成喇叭形然后再接一段宽平行段构成。 金属化过孔喇叭侧壁中，相邻的两个金属化过孔的间距要小于或等于工作波长的十分之一，使得构成的金属化过孔喇叭侧壁能够等效为电壁；相邻的两个金属化过孔的间距要等于或者小于工作波长的十分之一，使得构成的中间金属化过孔阵列、左边金属化过孔阵列和右边金属化过孔阵列可以等效为电壁。在介质填充波导中，电磁波主模(TE10模)的传播相速和波阻抗都与介质填充波导的宽度有关，介质填充波导的宽度越宽，主模传播的相速及波阻抗就越低；反之，介质填充波导的宽度越窄，主模传播的相速及波阻抗就越高。电磁波从微带馈线的一端输入，经过微带馈线的另一端进入基片集成波导喇叭天线，传播一段距离后，遇到金属化过孔阵列，分成多路分别进入多个介质填充波导传输，再经过这些介质填充波导到达天线的口径面。调整金属化过孔阵列头端离天线窄端口的距离，可以改变介质填充波导的长度；调整金属化过孔阵列中多边形顶点的位置可以改变由该金属化过孔阵列隔开的相邻两个介质填充波导中电磁波传输的相对相速；这样调整金属化过孔阵列头端和多边形顶点的位置，可以使得天线中的电磁波通过介质填充波导可以同相到达天线的口径面，这样天线的口径效率和天线的增益就高；而且由于电磁波在介质填充波导中的波阻抗等于自由空间的波阻抗，即介质填充波导的端口宽度a都满足条件a = λ/(2ν^Ι)，也就是端口宽度a等于自由空间波长λ除于介质相对介电常数ε减I的平方根的两倍，因此这样天线口径面的反射就小。有益效果本发明相位阻抗校准的平面喇叭天线的有益效果是，矫正了天线口径面上电磁波的相位不一致、同时又使得口径面上天线电磁波的波阻抗等于自由空间的波阻抗，从而增加了天线的增益和减小了天线的回波损耗。
图1为相位阻抗校准的平面喇叭天线正面结构示意图。图2为相位阻抗校准的平面喇叭天线反面结构示意图。图中有微带馈线1、基片集成波导喇叭天线2、内嵌金属化过孔3、介质基板4、天线的输入输出端口 5，天线2的窄端口 6、导带7、第一金属平面8、接地面9、第二金属平面10、金属化过孔喇叭侧壁11、天线的窄平行段12、天线的宽平行段13、金属化过孔阵列14、金属化过孔阵列的头端直线段15、金属化过孔阵列的多边形16、金属化过孔阵列的尾端直线段17、金属化过孔阵列的头端18、金属化过孔阵列的尾端19、天线的口径面20、介质填充波导21和介质填充波导的端口 22。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。本发明所采用的实施方案是相位阻抗校准的平面喇叭天线包括微带馈线1、基片集成波导喇叭天线2和内嵌金属化过孔3，这三部分都集成在同一块介质基板4上，微带馈线I的一端是天线的输入输出端口 5，微带馈线I的另一端与基片集成波导喇叭天线2的窄端口 6相接，微带馈线I的导带7与基片集成波导喇叭天线的第一金属平面8相接，微带馈线I的接地面9与基片集成波导喇叭天线的第二金属平面10相接；基片集成波导喇叭天线2由两个金属平面8和10及两排金属化过孔喇叭侧壁11组成，两个金属平面8和10分别位于介质基板4的两面，连接两个金属平面8和10的两排金属化过孔侧壁11，先是构成一段窄平行段12、再逐渐张开成喇叭形、然后再变成一段宽平行段13 ;在基片集成波导喇叭天线2中内嵌的金属化过孔3连接两个金属平面8和10，这些内嵌的金属化过孔3构成 多个金属化过孔阵列14 ;金属化过孔阵列14的形状是一段头端直线段15接多边形16再接一段尾端直线段17，这些金属化过孔阵列14的头端18靠近喇叭天线2的窄端口 6的方向、金属化过孔阵列14的尾端19在喇叭天线2的口径面20上；这些金属化过孔阵列14把天线分成多个介质填充波导21，并且在天线口径面20上形成多个宽度相等的端口 22，而且这些端口 22宽度均使得介质填充波导21的波阻抗等于自由空间的波阻抗。在介质填充波导21中，电磁波主模(TE10模)的传播相速和波阻抗都与介质填充波导21的宽度有关，介质填充波导21的宽度越宽，主模传播的相速及波阻抗就越低；反之，介质填充波导21的宽度越窄，主模传播的相速及波阻抗就越高。电磁波从天线的端口 5进入微带馈线I的一端，经过微带馈线I进入基片集成波导喇叭天线2的窄端口 6，传播一段距离后，遇到金属化过孔阵列14，分成多路分别进入多个介质填充波导21传输，再经过这些介质填充波导21到达天线的口径面20。调整金属化过孔阵列头端18离天线窄端口 6的距离，可以改变介质填充波导21的长度；调整金属化过孔阵列14中多边形16顶点的位置可以改变由该金属化过孔阵列14隔开的相邻两个介质填充波导21中电磁波传输的相对相速；这样调整金属化过孔阵列头端18和多边形16顶点的位置，可以使得天线中的电磁波通过介质填充波导21可以同相到达天线的口径面20，这样天线的口径效率和天线的增益就高；而且由于介质填充波导21的端口 22宽度a都满足条件a = λ/(2ν^Τ)，即端口 22宽度a等于自由空间波长λ除于介质相对介电常数ε减I的平方根的两倍，因此电磁波在介质填充波导21中的波阻抗等于自由空间的波阻抗，这样天线口径面20的反射就小。在工艺上，相位阻抗校准的平面喇叭天线既可以采用普通的印刷电路板(PCB)工艺，也可以采用低温共烧陶瓷(LTCC)工艺或者CM0S、Si基片等集成电路工艺实现。其中金属化过孔3、11可以是空心金属通孔也可以是实心金属孔，也可以是连续的金属化壁，金属通孔的形状可以是圆形，也可以是方形或者其他形状的。在结构上，由于要满足波阻抗相等条件，介质填充波导的端口 22宽度是一定的，因而天线口径面20的宽度就不能任意设定，因为要保持介质填充波导21在端口 22的波阻抗等于自由空间的波阻抗，介质基板4的介电常数一定，则介质填充波导端口 22的宽度也一定，因此天线口径面20处的介质填充波导数量增加，天线的口径面20宽度也要增加。依据同样的思路，可以再增加金属化过孔阵列14的数量和增加介质填充波导21的数量，并使得通过这些介质填充波导到达天线口径面15上的电磁波的相位一样且端口波阻抗都等于自由空间的波阻抗，这样这样不仅天线的反射小，同时口径面20上的相位分布更为均匀。由于越靠近天线的金属化过孔侧壁11，电磁波到达天线口径面20的路程越远，因此相对于离金属化过孔侧壁11较远的介质填充波导，离金属化过孔侧壁11较近的介质填充波导的宽度相对较窄以得到较高的电磁波传输相速。金属化过孔阵列14中的多边形16可以是三角形、四边形、五边形或其它多边形，这些多边形16的一条边或者多条边的形状可以是直 线、弧线或其它曲线；金属化过孔阵列14中的头端直线段15和尾端直线段17的形状可以是直线、折线、指数线等。根据以上所述，便可实现本发明。
权利要求
1.一种相位阻抗校准的平面喇叭天线，其特征在于该天线包括设置在介质基板(4)上的微带馈线(I)、基片集成波导喇叭天线(2)和内嵌金属化过孔(3);所述微带馈线(I)的一端是天线的输入输出端口(5)，微带馈线(I)的另一端与基片集成波导喇叭天线(2)的窄端口(6)相接；基片集成波导喇叭天线(2)由位于介质基板(4) 一面的第一金属平面(8)、位于介质基板(4)另一面的第二金属平面(10)和穿过介质基板(4)连接第一金属平面(8)和第二金属平面(10)的两排金属化过孔喇叭侧壁(11)组成；基片集成波导喇叭天线(2)中内嵌的金属化过孔(3)连接第一金属平面(8)和第二金属平面(10)，并构成多个金属化过孔阵列(14);金属化过孔阵列(14)，在喇叭天线(2)中形成多个介质填充波导(21 )，介质填充波导(21)的一个端口离天线窄端口(6)较近，其另一个端口(22)在天线口径面(20)上。
2.根据权利要求1所述的一种相位阻抗校准的平面喇叭天线，其特征在于所述的金属化过孔阵列(14)由头端直线段(15)、多边形(16)和尾端直线段(17)三段相连构成；金属化过孔阵列(14)中的头端直线段(15)的形状可以是直线、折线或指数线等，其长度可以是零或者是有限长度；金属化过孔阵列(14)中的尾端直线段(17)的形状可以是直线、折线或指数线等；金属化过孔阵列(14)的头端(18)靠近基片集成波导喇叭天线(2)的窄端口(6)，金属化过孔阵列(14)的尾端(19)天线口径面(20)上。
3.根据权利要求1或2所述的一种相位阻抗校准的平面喇叭天线，其特征在于所述的金属化过孔阵列(14)中的多边形(15)可以是三角形、四边形、五边形或其它多边形，多边形的一条边或者多条边的形状可以是直线、弧线或其它曲线。
4.根据权利要求1所述的一种相位阻抗校准的平面喇叭天线，其特征在于所述的介质填充波导(21)的宽度要保证其主模可以这些介质填充波导(21)中传输而不被截止。
5.根据权利要求1所述的一种相位阻抗校准的平面喇叭天线，其特征在于所述的介质填充波导(21)在天线口径面(20)上的端口(22)的宽度均相等。
6.根据权利要求1、4或5所述的一种相位阻抗校准的平面喇叭天线，其特征在于所述的介质填充波导(21)靠近天线口径面(20)的一段是直线段，其宽度要使介质填充波导(21)在端口( 22 )的波阻抗等于自由空间的波阻抗。
7.根据权利要求1所述的一种相位阻抗校准的平面喇叭天线，其特征在于改变金属化过孔阵列(14)中多边形(16)中一个或数个顶点在天线(2)中的位置，可以改变电磁波在介质填充波导(21)中传输的相速。
8.根据权利要求1所述的一种相位阻抗校准的平面喇叭天线，其特征在于改变金属化过孔阵列(14)中头端(18)和多边形(16)中一个或数个顶点在天线(2)中的位置，可以使通过各个介质填充波导(21)的路电磁波同相到达天线口径面(20)。
9.根据权利要求1所述的一种相位阻抗校准的平面喇叭天线，其特征在于所述的两排金属化过孔喇叭侧壁(11)，由一段窄平行段(12)接一段逐渐张开成喇叭形然后再接一段宽平行段(13)构成。
全文摘要
相位阻抗校准的平面喇叭天线涉及一种平面喇叭天线。该天线包括集成在一块介质基板(4)上的微带馈线(1)、基片集成波导喇叭天线(2)和内嵌金属化过孔(3)，微带馈线(1)连接天线端口(5)和天线窄端口(6)，喇叭天线(2)由第一金属平面(8)、第二金属平面(10)和两排金属化过孔喇叭侧壁(11)组成，由金属化过孔(3)构成的金属化过孔阵列(14)，在喇叭天线(2)中形成多个介质填充波导(21)，介质填充波导(21)的一端离天线窄端口(6)较近，其另一端(22)在天线口径面(20)上，且其宽度使介质填充波导(21)的波阻抗等于自由空间波阻抗。该天线可以提高天线的增益和减少天线的回波损耗。
文档编号H01Q1/38GK103022669SQ20121056307
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月21日 优先权日2012年12月21日
发明者殷晓星, 赵洪新, 王磊 申请人:东南大学