一种多频段背腔式半模基片集成波导弯折缝隙天线的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种多频段背腔式半模基片集成波导弯折缝隙天线，包括宽度渐变的馈电微带线和背腔式半模基片集成波导，背腔式半模基片集成波导设两排正交的金属化通孔，背腔式半模基片集成波导的谐振腔内设置，1个“几”字形缝隙，或偶数个相连并左右对称的“几”字形缝隙，开口方向垂直于所述介质基片的长边。本发明的有益效果为：采用弯折缝隙起到改变天线电流和场分布，从而改善天线的阻抗匹配的作用，尤其是低频段的阻抗匹配；通过改变弯折个数来改变天线的工作频率；采用采用两排金属化通孔采用两排金属化通孔和介质基片上下表面的金属层代替背腔式天线中大的金属腔，减小了天线的尺寸。
【专利说明】一种多频段背腔式半模基片集成波导弯折缝隙天线
【技术领域】
[0001]本发明涉及无线通信【技术领域】中多频段背腔式半模基片集成波导缝隙天线，特别是工作在微波频段的多频段背腔式半模基片集成波导弯折缝隙天线。
【背景技术】
[0002]随着无线通信的快速发展，一个通信系统中常常集成了多个通信标准，通信设备往往需要支持多频段工作。为了减少电磁干扰、降低成本，在系统中采用支持多频段的天线是有必要的。近年来，出现了多种实现多频段天线的方法，如，变形的平面单极天线，改进的平面倒F (PIFA)天线，和其它采用各种各样缝隙形式的平面缝隙天线。在这些天线中，大部分是属于双向或全向辐射天线。
[0003]当双向或全向福射天线需要安装在某个金属平台上时,金属平台会改变天线福射特性，向着平台的辐射可能影响系统其它电路的性能，带来严重的电磁兼容问题。背腔式天线是一种采用金属腔或金属平面来抑制某一个方向的辐射、以实现单向辐射的天线。基于常规金属腔的背腔式天线剖面高度偏大，不能满足某些应用领域的要求。
[0004]半模基片集成波导是在基片集成波导(SIW)基础上提出的一种小型化结构，与基片集成波导相比，它能减少将近一半的尺寸而不恶化基片集成波导的性能。它的传播特性与矩形金属波导类似，所以由其构成的毫米波和亚毫米波部件及子系统具有高Q值、高功率容量、易和平面电路集成等优点。半模基片集成波导由介质基片正反面的金属贴片和基片一侧的金属化通孔阵列构成，金属化通孔和覆于介质基片正反面的金属贴片连通。为了消除向后辐射，基片集成波导(SIW)和半模基片集成波导(HMSIW)技术被应用于背腔式天线设计，从而获得高性能的定向辐射天线。从目前国内外公开文献来看，这些基于半模基片集成波导技术的背腔式天线多数属于单频段天线。
【发明内容】
[0005]本发明要实现的发明目的是:提供一种尺寸较小，能够改善阻抗匹配，并能够放置在金属平台上使用的多频段缝隙天线。
[0006]为解决上述技术问题，本发明的一种多频段背腔式半模基片集成波导弯折缝隙天线，包括宽度渐变的馈电微带线和背腔式半模基片集成波导，所述背腔式半模基片集成波导由矩形的介质基片、第一金属层和第二金属层组成，在所述介质基片及其表面的两金属层贯穿设置金属化通孔，所述金属化通孔包括相互垂直的第一列金属化通孔和第二列金属化通孔，所述两列金属化通孔分别沿所述第一金属层的两条边的边缘分布并围成一个半包围结构，所述半包围结构构成谐振腔，所述馈电微带线位于谐振腔开口的侧边，并与第一金属层相连，所述第一金属层上设弯折缝隙，所述弯折缝隙位于谐振腔内，为I个“几”字形缝隙，或偶数个依次连接并轴对称的“几”字形缝隙，“几”字形缝隙开口方向垂直于所述介质基片的长边。
[0007]本发明的工作原理为:本发明中，天线的谐振频率由半模基片集成波导谐振腔的尺寸和缝隙的总长度、位置等共同决定一半模基片集成波导谐振腔的尺寸越小，天线频率越高；通过改变几”字形缝隙的个数可改变缝隙的总长度，从而改变天线的工作频率，几”字形缝隙的个数越多缝隙的总长度越长，天线频率越低，反之，频率越高；本发明采用弯折缝隙起到改变天线电流和场分布，从而改善天线的阻抗匹配的作用，尤其是低频段的阻抗匹配；本发明采用两排金属化通孔和介质基片上下表面的金属层代替背腔式天线中大的金属腔，金属化通孔阵列相当于金属壁，减小了天线的尺寸。
[0008]所述偶数个“几”字形缝隙中间的两个“几”字形缝隙通过一直缝隙相连。
[0009]作为本发明的一种改进，所述弯折缝隙的宽度大于等于1/8小于等于7/8的第一金属层的宽度。这种改进可以满足不同情况下对天线不同谐振频率的要求，实现能量更好地通过缝隙向外辐射、调节谐振频率的需求。
[0010]本发明相对于现有技术的有益效果为:(I)采用弯折缝隙起到改变天线电流和场分布，从而改善天线的阻抗匹配的作用，尤其是低频段的阻抗匹配；(2)通过改变“几”字形缝隙的个数改变天线的工作频率；(3)采用两排金属化通孔和介质基片上下表面的金属层代替背腔式天线中大的金属腔，减小了天线的尺寸；(4)通过改进弯折缝隙的尺寸，实现满足不同情况下对天线不同谐振频率的要求，实现能量更好地通过缝隙向外辐射、调节谐振频率的需求。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1为本发明一种多频段背腔式半模基片集成波导弯折缝隙天线的结构示意图。
[0012]图2为本发明一种多频段背腔式半模基片集成波导弯折缝隙天线的剖视示意图。
[0013]图3为本发明的多频段背腔式半模基片集成波导弯折缝隙天线对比无缝隙和直缝隙时的反射系数S11随频率变化仿真图。
[0014]图4和图5为本发明的弯折缝隙长度和宽度变化时天线的反射系数S11随频率变化图。
[0015]图6为天线S11参数的测试结果。
[0016]图7为本发明一种多频段背腔式半模基片集成波导弯折缝隙天线在5.7GHz频段的归一化辐射方向图。
[0017]图8为本发明一种多频段背腔式半模基片集成波导弯折缝隙天线在10.7GHz频段的归一化辐射方向图。
[0018]图9为本发明一种多频段背腔式半模基片集成波导弯折缝隙天线在11.9GHz频段的归一化辐射方向图。
[0019]图10为本发明一种多频段背腔式半模基片集成波导弯折缝隙天线在12.5GHz频段的归一化福射方向图。
[0020]图11为本发明一种多频段背腔式半模基片集成波导弯折缝隙天线在13.1GHz频段的归一化辐射方向图。
【具体实施方式】
[0021]以下结合附图和【具体实施方式】做进一步描述。应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
[0022]图1和图2示出了本发明一种多频段背腔式半模基片集成波导弯折缝隙天线的一种【具体实施方式】。本发明的一种多频段背腔式半模基片集成波导弯折缝隙天线，包括宽度渐变的馈电微带线7和背腔式半模基片集成波导，所述背腔式半模基片集成波导由矩形的介质基片3、第一金属层4和第二金属层5组成，在所述介质基片3及其表面的两金属层贯穿设置金属化通孔，所述金属化通孔包括相互垂直的第一列金属化通孔I和第二列金属化通孔2，所述两列金属化通孔分别沿所述第一金属层4的两条边的边缘分布并围成一个半包围结构，所述半包围结构构成谐振腔，所述馈电微带线7位于谐振腔开口的侧边，并与第一金属层4相连，所述第一金属层4上设弯折缝隙6，所述弯折缝隙6位于谐振腔内，为4个依次连接并轴对称的“几”字形缝隙，“几”字形缝隙开口方向垂直于所述介质基片3的长边，中间的2个通过一直缝隙相连，所述弯折缝隙6的宽度大于等于1/8小于等于7/8的第一金属层4的宽度。
[0023]“几”字形缝隙的数量并不局限于4个，I个或偶数个“几”字形缝隙均可以实现本发明的发明目的，不再详述。
[0024]应用仿真软件HFSS对该天线结构尺寸进行优化设计后，天线的总长度和总宽度分别为38.0mm、18.4mm,图1中所标注的天线尺寸参数经优化设计后为(单位:mm):微带线7的长度Lt=6.0、中间直缝隙距离基片宽边的距离Lc=IS.0、中间直缝隙距离基片长边的距离Lx=5.9、通孔直径d=l.0、相邻两个通孔的间距dp=l.5、“几”字形缝隙单元的宽度Sx=7.0、“几”字形缝隙单元的长度Sy=3.0、微带线7的渐变后多出宽度St=2.0、中间直缝隙长度Sg=8.0、缝隙条宽度Sw=L O、微带线7的宽度Cw=3.5、第一金属层4宽边W=15.9、第一金属层4长边L=32.0。仿真模型中已经人为地加入58mmX75mm金属面用来模拟金属平台。
[0025]图3给出了在其它参数一样条件下，所设计多频段缝隙天线对比不加弯折缝隙和采用同样长度的直条缝隙时的反射系数S11参数随频率变化图，仿真结果显示有了弯折缝隙后，天线在低频段5.78GHz的S11参数由不加缝隙和采用直条缝隙时的负零点几分贝变到加弯折缝隙的-9.8dB，本设计的匹配性能更好。
[0026]图4和图5显示了当其它参数不变时，半模基片集成波导的下表面金属层所开弯折缝隙的宽度Sx和长度Sg对天线S11参数的影响。可见，当Sx和Sg增大(即弯折缝隙总的长度变长)时，天线的谐振频率向低频移动，反之向高频移动。由于改变Sx或Sg几乎有同等效果，故对天线总长度有限制时，可以通过只改变弯折缝隙的宽度Sx达到调节频率的目的。
[0027]采用厚度为Imm的国产F4BM基板(相对介电常数ε r=2.2，损耗角正切tan δ =0.001)制备了该多频段缝隙天线。图6为使用矢量网络分析仪ΡΝΑ8363测试了多频段背腔式HMSIW缝隙天线输入端的反射系数，表I列出了天线在各个频段的反射系数、天线效率、增益等参数。由表可见，天线能同时工作在5.7/10.7/11.9/12.5/13.1GHz这五个频段，天线在这五个频段满足反射系数Sn〈-10dB (对应VSWR ( 2)的带宽对应依次为 230/180/300/230/290MHz，各谐振点增益最小为 6.76dBi (11.98GHz)、最大为 9.41dBi(13.53GHz ),能满足常规C频段和X频段应用需求。
[0028]表I天线I的参数
【权利要求】
1.一种多频段背腔式半模基片集成波导弯折缝隙天线，包括宽度渐变的馈电微带线(7)和背腔式半模基片集成波导，所述背腔式半模基片集成波导由矩形的介质基片(3)、第一金属层(4)和第二金属层(5)组成，在所述介质基片(3)及其表面的两金属层贯穿设置金属化通孔，其特征在于:所述金属化通孔包括相互垂直的第一列金属化通孔(I)和第二列金属化通孔(2)，所述两列金属化通孔分别沿所述第一金属层(4)的两条边的边缘分布并围成一个半包围结构，所述半包围结构构成谐振腔，所述馈电微带线(7)位于谐振腔开口的侧边，并与第一金属层(4)相连，所述第一金属层(4)上设弯折缝隙(6)，所述弯折缝隙(6)位于谐振腔内，为I个“几”字形缝隙，或偶数个依次连接并轴对称的“几”字形缝隙，“几”字形缝隙开口方向垂直于所述介质基片(3)的长边。
2.根据权利要求1所述的多频段背腔式半模基片集成波导弯折缝隙天线，其特征在于:所述偶数个“几”字形缝隙中间的两个“几”字形缝隙通过一直缝隙相连。
3.根据权利要求1或2所述的多频段背腔式半模基片集成波导弯折缝隙天线，其特征在于:所述弯折缝隙(6)的宽度大于等于1/8小于等于7/8的第一金属层(4)的宽度。
【文档编号】H01Q5/10GK103840271SQ201410070025
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2014年2月27日 优先权日:2014年2月27日
【发明者】谭立容, 刘豫东, 张照锋, 王抗美 申请人:南京信息职业技术学院