一种具有宽频带双波束的基片集成波导背腔缝隙天线
阅读说明：本技术 一种具有宽频带双波束的基片集成波导背腔缝隙天线 (Substrate integrated waveguide back cavity slot antenna with broadband dual-beam ) 是由 李霜 吴为军 温定娥 谭辉 赵逸夫 于 2021-06-24 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种具有宽频带双波束的基片集成波导背腔缝隙天线,该天线上层的金属表面包括：W型缝隙、接地功率共面馈电结构、微带馈电线；W型缝隙关于天线中心呈镜像对称,W型缝隙作为辐射单元,用于在一定宽度的频带范围内产生双波束辐射,且两个波束关于天线中心也呈镜像对称；接地功率共面馈电结构设置在W型缝隙的一侧,用于实现宽阻抗带宽特性；微带馈电线设置在接地功率共面馈电结构的一侧,且微带馈电线被加载在接地功率共面馈电结构内导体的末端；下层、中间层、上层的边缘还设置有一圈等间距排列的金属化通孔。本发明实现了宽频带双波束,具有较宽的带宽,且结构简单,大大提高了基片集成波导的实用性。(The invention discloses a substrate integrated waveguide back cavity slot antenna with broadband dual-beam, the metal surface of the upper layer of the antenna comprises: the device comprises a W-shaped gap, a grounding power coplanar feed structure and a microstrip feed line; the W-shaped slot is in mirror symmetry with respect to the center of the antenna, and serves as a radiation unit for generating dual-beam radiation in a frequency band range with a certain width, and the two beams are also in mirror symmetry with respect to the center of the antenna; the grounding power coplanar feed structure is arranged on one side of the W-shaped gap and used for realizing the wide impedance bandwidth characteristic; the microstrip feed line is arranged on one side of the grounding power coplanar feed structure and is loaded at the tail end of the conductor in the grounding power coplanar feed structure; the edges of the lower layer, the middle layer and the upper layer are also provided with a circle of metalized through holes which are arranged at equal intervals. The invention realizes broadband dual-beam, has wider bandwidth and simple structure, and greatly improves the practicability of the substrate integrated waveguide.)
技术领域
本发明涉及电磁兼容与天线
技术领域
，尤其涉及一种具有宽频带双波束的基片集成波导背腔缝隙天线。背景技术
在天线领域里面，已经成功的利用基片集成波导技术。具有主瓣宽度窄等优异特性是缝隙波导阵列天线的一个特点，所以是一种可广泛应用于通信以及雷达系统中的重要的微波天线。但是金属波导的缺点是，第一重量很重，第二造价昂贵，第三体积大，而且存在加工误差大以及大规模生产困难等问题，我们把传统的矩形波导缝隙天线的设计概念借用到基片集成波导上，这样做可以克服这些问题，缝隙天线阵列而且同样可以被设计出来，最终还可以获得传统矩形波导缝隙天线的优越性能。
双波束天线是指天线向空中辐射的电磁波是由两个波束组成，每个波束覆盖一定的空域，从而满足同时对两个方位的覆盖需求。通过双波束天线优秀的覆盖特性，在覆盖上做到精细控制，减少过覆盖、多重信号重叠造成的各种优化困难，提高容量。
本发明给出的一种具有宽频带双波束的基片集成波导背腔缝隙天线设计方法，同时实现了宽频带双波束和结构简单，该天线具有类似传统基片集成波导的特性，而且双波束、带宽宽，且结构简单，大大提高了基片集成波导的实用性。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种具有宽频带双波束的基片集成波导背腔缝隙天线。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明提供一种具有宽频带双波束的基片集成波导背腔缝隙天线，该天线基于基片集成波导结构，包括三层：下层为金属表面，作为接地板；中间层为介质板；上层为金属表面；其中：
上层的金属表面包括：W型缝隙、接地功率共面馈电结构、微带馈电线；W型缝隙关于天线中心呈镜像对称，W型缝隙作为辐射单元，用于在一定宽度的频带范围内产生双波束辐射，且两个波束关于天线中心也呈镜像对称；接地功率共面馈电结构设置在W型缝隙的一侧，用于实现宽阻抗带宽特性；微带馈电线设置在接地功率共面馈电结构的一侧，且微带馈电线被加载在接地功率共面馈电结构内导体的末端；下层、中间层、上层的边缘还设置有一圈等间距排列的金属化通孔。
进一步地，本发明的W型缝隙和接地功率共面馈电结构蚀刻在上层金属表面上，接地功率共面馈电结构为两个L型缝隙，且两个L型缝隙关于天线中心呈镜像对称。
进一步地，本发明的介质板采用Rogers5880板。
进一步地，本发明的采用介电常数为2.2，厚度为1.5mm的Rogers5880板作为介质板。
进一步地，本发明的接地功率共面馈电结构的两个L型缝隙之间的宽度和微带馈电线的宽度相同，
进一步地，本发明的微带馈电线为50欧姆。
进一步地，本发明的通过计算W形缝隙、接地功率共面馈电结构、微带馈电线的尺寸，使W形缝隙在一定频带范围内产生双波束辐射特性，其具体方法为：
w50为50欧姆微带馈电线的宽度，直接由理论公式计算得到，具体数值为4.6mm；
Linst的初始值为0.25倍的介质波长，对应的是中心频率14.2GHz，优化为4mm；
Linst1的长度优化后选取5mm；
dS的设置是取腔体的中心位置，设置为13mm；
winst和winst1是优化值，在尽量窄的情况下满足阻抗匹配特性，同时要满足加工精度需求，优化后选取0.5mm；
L1对应的是高频频点15GHz，其优化后选取6mm，L2对应的是低频频点13.5GHz，其优化后选取9mm。
本发明产生的有益效果是：本发明的具有宽频带双波束的基片集成波导背腔缝隙天线，基于基片集成波导结构，利用其结构的独特的表面电流分布，在上表面开W形缝隙，在较宽的频带范围内产生双波束辐射特性，两个波束关于天线中心完全镜像对称，最高增益达到7.8dBi。同时在腔体内引入了接地共面波导结构，利用两个横向槽激励腔体内的模式，实现展宽阻抗频带的效果；本发明的天线具有双波束辐射特性，且具有较好的宽带特性的基片集成波导背腔缝隙，很适合用于现代无线通信系统的射频前端。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例的三维结构示意图；
图2是本发明实施例的平面结构示意图；
图3是本发明实施例的天线仿真结果；
图4是本发明实施例的天线方向图；(a)为13.4GHz，(b)为13.7GHz，(c)为14.1GHz；
图5是本发明实施例的天线主波束方向增益结果图；
图6是本发明实施例的天线在13.6GHz处的电流分布图；
图7是本发明实施例的天线随参数变化时反射系数结果图；(a)为linst变化，(b)为ds变化，(c)为w1变化。
图8是本发明实施例的天线性能随参数变化时结果图，(a)为rot变化时天线的反射系数；(b)为rot1变化时天线的反射系数；(c)为rot变化时天线的方向图；(d)为rot1变化时天线的方向图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1-图2所示，本发明实施例的具有宽频带双波束的基片集成波导背腔缝隙天线，该天线基于基片集成波导结构，包括三层：下层为金属表面，作为接地板；中间层为介质板；上层为金属表面；其中：
上层的金属表面包括：W型缝隙、接地功率共面馈电结构、微带馈电线；W型缝隙关于天线中心呈镜像对称，W型缝隙作为辐射单元，用于在一定宽度的频带范围内产生双波束辐射，且两个波束关于天线中心也呈镜像对称；接地功率共面馈电结构设置在W型缝隙的一侧，用于实现宽阻抗带宽特性；微带馈电线设置在接地功率共面馈电结构的一侧，且微带馈电线被加载在接地功率共面馈电结构内导体的末端；下层、中间层、上层的边缘还设置有一圈等间距排列的金属化通孔。
W型缝隙和接地功率共面馈电结构蚀刻在上层金属表面上，接地功率共面馈电结构为两个L型缝隙，且两个L型缝隙关于天线中心呈镜像对称。
通过采用接地共面波导馈电技术，展宽了天线的带宽。同时，在基片集成波导结构的上表面开缝隙，在13.4GHz-14.1GHz的频带范围内产生双波束辐射特性。同时在天线的腔体内引入了接地共面波导结构，利用两个横向槽激励腔体内的模式，实现展宽阻抗频带的效果。
在本发明的另一个具体实施例中：
1、天线设计；
天线由三部分结构组成如图1-图2所示，下层金属表面作为接地板，中间的rogers5880的介质板，以及上层金属表面。上层金属表面包含构成辐射的W形缝隙、为实现宽阻抗带宽特性的接地功率共面波导馈电结构和为便于集成和测量的微带馈电线。
辐射单元和阻抗匹配结构被蚀刻在基片集成波导结构的上表面，采用介电常数为2.2，厚度为1.5mm的Rogers5880板子作为介质板，可计算出金属化通孔的半径和间距，确保最小的能量泄露。
此外，为了便于测量和易于与其余平面电路进行集成，一个50欧姆的微带馈电线被加载在接地共面波导馈电结构内导体的末端，为了实现平滑的过度，接地共面波导馈电结构的宽度与50欧姆的馈电线的宽度相同。而为了实现更好的阻抗匹配和更小的能量泄露，微带馈电线的宽度略小于理论计算值。
图3给出了所提到天线的反射系数，图4给出了天线在13.4GHz、13.7GHz和14.1GHz时的yoz面的方向图，图5给出了在主波束方向上天线的增益结果。从结果可以看到，天线的工作频带为13.4GHz-15GHz，相对带宽达到11.2％，在工作频带内，主波束的最大增益在4.94dBi-7.8dBi范围内波动，天线波束指向为phi＝90°，theta＝±42°。
为了更好地缝隙天线的双波束特性，本发明从缝隙结构和电流分布两方面给出了解释。W形缝隙位于腔体的中央，缝隙结构沿中心轴镜像对称，由于在腔体的上表面，电流由中心四周流动，W形缝隙的两条表切割不同方向的电流，导致了不同两个镜像波束的产生。在13.6GHz处的电流分布结果如图6所示，电流主要集中在W形缝隙的两个下顶点和两个短边缝隙内，天线流向了不同的方向，进而产生了两个方向的波束。
2、参数优化仿真及分析；
为了更好地理解W形缝隙的形状参数对双波束效果，以及W形缝隙的位置和接地共面波导馈电结构对天线阻抗带宽的影响，分析了一些主要参数，具体的分析结果如下所示。
从图7-图8中可以看出来，当馈电长度linst为3mm的时候，天线仅在高频处出现谐振点，随着长度的增加，低频的谐振点逐渐被完全地激励，当linst长度大于4.5mm的时候，天线的阻抗逐渐失配。当缝隙距离腔体的边沿距离ds较近的时候，天线未获得匹配，当ds＝13mm的时候，天线展现出良好的匹配特性。当w1变化的时候，天线的低频谐振点以及匹配情况基本不变，但是随着w1的增大，天线在高频处的谐振点逐渐升高，天线的带宽获得展宽。
随着rot和rot1的增大，天线的工作带宽逐渐向高频偏移，但是在rot及rot1等于60°的时候，天线获得了最好的阻抗匹配结果。同时，方向图的变化也证明了在60°时，天线具有更好的方向图以及增益结果。
W50为50欧姆微带馈电线的宽度，直接由理论公式计算得到，具体数值为4.6mm；
Linst的初始值为0.25倍的介质波长，对应的是中心频率14.2GHz，初始值为3.61mm。后续优化为4mm。
Linst1的设计是为了满足能够激励出TE110模式，因此，其长度要约等于3.61mm，但是一般是会比这个长度更长一点，所以在优化后选取了5mm。
dS的设置是取腔体的中心位置，所以被设置为13mm。
winst和winst1是优化值，没有明显的依据，在尽量窄的情况下满足阻抗匹配特性就可以了，但是也不能无限窄，也要满足加工精度需求，所以一般更偏向于为0.5mm为初始值，然后开始优化。
L1对应的是高频频点15GHz，其理论计算出来的初始值为7mm，L2对应的是低频频点13.5GHz，其理论计算出来的初始值为7.7mm。经过优化后，是现在的这个长度，分别为6mm和9mm。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。