一种采用串行磁流馈电的基片集成腔体辐射天线

1.本发明属于微波天线技术领域，涉及一种采用新型磁流串馈方式在对腔体馈电的同时进行辐射的新型天线结构，具体为一种采用串行磁流馈电的基片集成腔体辐射天线。


背景技术：

2.随着无线通信技术与需求的迅猛发展人们对通信速度更快、稳定度更高、通信带宽更宽的无线通信系统更加关注，天线作为决定无线系统性能的关键元件，发挥着举足轻重的作用；为了满足频率越发升高和带宽越发增大的需求，采用传统半开放式微带结构设计的天线面临的介质损耗及导体损耗愈发严重。因此，在高频天线设计中，人们大多数采用腔体结构辐射来降低损耗；于此同时，大多数高频天线需要采用阵列天线来实现高增益，从而可以实现远距离通讯；但是，由于天线阵列需要考虑馈电问题，而常用的并行馈电结构存在结构复杂及占用空间较大的问题，从而并不适用于对集成波导腔体进行馈电；而传统的串行馈电结构需要保证相位一致性，从而导致天线带宽很窄，无法满足宽带的通信需求。针对以上的应用需求，急需一种结构简单的宽带串行馈电结构来实现对腔体阵列馈电从而实现宽带辐射。
3.对于常见的串行馈电腔体辐射天线来说，通常整个天线的阻抗带宽仅为腔体辐射引入的单一谐振点构成的，因此常见的串行馈电腔体辐射天线带宽较窄，通常相对带宽仅为1％；在日益增长的宽带通信服务领域需求中，如何尽可能在不改变现有的天线尺寸情况下进一步提高天线阻抗带宽具有十分重要的意义和价值。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于针对现有串行馈电腔体辐射天线带宽较窄的问题、提出了一种采用串行磁流馈电的基片集成腔体辐射天线；本发明在实现串行馈电的磁流天线阵辐射的同时，将后向辐射的能量耦合到辐射贴片背部，激励起下方的基片集成腔体，基片集成腔体同时作为辐射体向空间辐射电磁波；该磁流串行馈电结构引入新的辐射谐振点，该辐射谐振点拓展了基片集成腔体辐射带宽，为宽带串行馈电腔体天线阵列设计提供了一种新颖的思路。
5.为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
6.一种采用串行磁流馈电的基片集成腔体辐射天线，包括：从下往上依次层叠设置的下层介质下表面金属层7、下层介质层6、下层介质上表面金属层5、中层介质层4、上层介质下表面金属层3、上层介质层2与上层介质上表面金属层1；其中，
7.所述中间介质层4中开设有若干个相同结构的矩形空气腔8；
8.所述上层介质上表面金属层1为串行磁流天线阵列、其辐射单元与空气腔一一对应，所述上层介质下表面金属层3上开设若干个矩形耦合缝隙9，矩形耦合缝隙与空气腔一一对应，耦合缝隙位于串行磁流天线阵开路端正下方、且位于空气腔中心轴线上，串行磁流天线阵列的辐射单元分别通过贯穿上层介质层2的上层介质短路通孔10与上层介质下表面
金属层3导通、实现辐射单元在介质短路通孔10所在的一侧交替短路，从而使辐射单元产生有效辐射；
9.所述下层介质下表面金属层7与下层介质上表面金属层5通过贯穿下层介质层6的下层介质短路通孔11导通、共同作为金属地板；
10.所述基片集成腔体辐射天线采用同轴馈电，同轴馈电探针12从下往上贯穿天线馈电至串行磁流天线阵列的中心处、其外导体连接下层介质下表面金属层7、内导体连接串行磁流天线阵列。
11.进一步的，所述基片集成腔体辐射天线中，电磁能量通过同轴馈电探针到串行磁流天线阵列形成磁流辐射、同时通过耦合缝隙激励起基片集成空气谐振腔，电磁能量在基片集成空气谐振腔的开放边界中形成等效磁流，形成的等效磁流与串行磁流天线阵列的磁流辐射方向一致，二者叠加形成天线的有效辐射。
12.本发明的有益效果在于：
13.本发明提供一种采用串行磁流馈电的基片集成腔体辐射天线，电磁能量通过上层介质上表面金属层1形成等效磁流天线阵，在向金属辐射贴片的外法向方向辐射的同时、将电磁能量通过上层介质下表面金属层3的耦合缝隙耦合到中间介质层4的基片集成腔体(空气腔)中，耦合电场作为馈源激励起基片集成腔体，由于基片集成腔体具有两面无金属覆盖部分的开放边界(其他四面均为金属覆盖)，因此电磁能量在两边的开放边界中形成等效磁流，形成的等效磁流与磁流天线阵列的磁流方向一致，因此，上下两个辐射体的辐射能量在远场进行叠加，共同构成整个天线的辐射。相较于传统的腔体辐射天线的单谐振模式，本发明引入了磁流天线阵结构所带来的新的辐射模式，两个模式的叠加实现了阻抗带宽的拓展。综上，本发明能够显著提高串馈阵列腔体辐射天线的阻抗带宽，同时不增大天线口径尺寸，且结构简单、易于实现工业化生产。
附图说明
14.图1为本发明中采用串行磁流馈电的基片集成腔体辐射天线的分层结构示意图；
15.图2为本发明中采用串行磁流馈电的基片集成腔体辐射天线的俯视结构示意图；
16.其中，1为上层介质上表面金属层(串行磁流天线阵列)，2为上层介质层，3为上层介质下表面金属层，4为中层介质层，5为下层介质上表面金属层，6为下层介质层，7为下层介质下表面金属层，8为矩形空气腔，9为耦合缝隙，10为上层介质短路通孔，11为下层介质短路通孔，12为同轴馈电探针，13为金属电壁。
17.图3为本发明实施例中基片集成腔体辐射天线在13ghz频点处的方向图，其中，(a)为h面方向图，(b)为e面方向图。
18.图4为本发明实施例中基片集成腔体辐射天线的端口s
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以及天线增益曲线。
具体实施方式
19.为使本发明的发明目的、技术方案、技术效果更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
20.本实施例提供一种采用串行磁流馈电的基片集成腔体辐射天线，其结构如图1、图2所示，包括：从下往上依次层叠设置的下层介质下表面金属层7、下层介质层6、下层介质上
表面金属层5、中层介质层4、上层介质下表面金属层3、上层介质层2与上层介质上表面金属层1；其中，
21.所述中间介质层4中开设有若干个相同结构的矩形空气腔8；
22.所述上层介质上表面金属层1为串行磁流天线阵列、其辐射单元与空气腔一一对应，所述上层介质下表面金属层3上开设若干个耦合缝隙9，耦合缝隙与空气腔一一对应，耦合缝隙位于串行磁流天线阵开路端正下方、且位于空气腔中心轴线上，串行磁流天线阵列的辐射单元分别通过贯穿上层介质层2的上层介质短路通孔10与上层介质下表面金属层3导通、实现辐射单元在介质短路通孔10所在的一侧交替短路，从而使辐射单元产生有效辐射；
23.所述下层介质下表面金属层7与下层介质上表面金属层5通过贯穿下层介质层6的下层介质短路通孔11导通、共同作为金属地板；
24.所述基片集成腔体辐射天线采用同轴馈电，同轴馈电探针12从下往上贯穿天线馈电至串行磁流天线阵列的中心处、其外导体连接下层介质下表面金属层7、内导体连接串行磁流天线阵列。
25.本实施例中，下层介质层6采用厚度为0.6mm的fr4板材(介电常数为4.4)，中间介质层4采用厚度为2mm的fr4板材，上层介质层2采用厚度为0.508mm的f4b板材(介电常数为2.2)；串行磁流天线阵列中辐射单元(矩形贴片)的宽度为4.2mm、长度为11mm，串行磁流天线阵列中馈线的宽度为0.6mm、长为81mm，共设置6个辐射单元，如图2所示；所述馈电槽9长度为10.8mm，宽度为0.5mm；所述矩形空气腔的长度为22mm、宽度为11.5mm、高度为2mm，上层介质下表面金属层3长度为84mm、宽度为14.4mm，下层介质上表面金属层5长度为84mm、宽度为24mm；以天线的辐射方向为上方，金属层3与金属层5分别作为空气腔的上侧与下侧的电壁，以整个天线的长边方向为左右两侧，则矩形空气腔的左侧与右侧还分别设置有宽度为14.4mm、高度为2mm的金属电壁13，从而使通过馈电槽9馈入的电磁能量进行有效辐射。
26.对上述基片集成腔体辐射天线进行仿真测试，如图3所示为天线在13ghz频点处的h面和e面方向图，从方向图中可以看出，通过天线组阵及增强辐射，最终实现在13ghz频点处的增益为15db。如图4所示为天线的s
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曲线和增益曲线，曲线表现出了良好的反射系数，从图中能够明显看出天线具有两个谐振频点，相较于传统的基片集成腔体辐射带宽大大改善，相对带宽达到7.8％；从增益曲线也能够看出，天线的3db增益带宽为15.6％，表明本发明基片集成腔体辐射天线具有良好的宽带和高增益特性。
27.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。