一種介質(zhì)加載的siw棱錐喇叭天線及其設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于微波無(wú)源器件領(lǐng)域，涉及微波，傳輸線技術(shù)，尤其涉及一種介質(zhì)加載的SIW棱錐喇叭天線。該介質(zhì)加載的SIW棱錐喇叭天線，包括SIW傳輸線、SIW棱錐和加載介質(zhì)三部分。SIW棱錐基于SIW且沿E面和H面張口，SIW棱錐的喉部與SIW傳輸線相適應(yīng)連接，完成信號(hào)的饋入；SIW棱錐的口徑與加載介質(zhì)相適應(yīng)連接。SIW棱錐型喇叭天線的加載介質(zhì)為柱狀菲涅爾透鏡。本發(fā)明引入基于SIW的棱錐型喇叭天線，與此同時(shí)，喇叭口通過(guò)介質(zhì)加載進(jìn)一步提高本喇叭天線的增益，降低了半功率波束寬度，從而增大方向性以及作用距離，增強(qiáng)抗干擾能力；實(shí)現(xiàn)體積小，半功率波束寬度窄，較大增益的積極效果。
【專利說(shuō)明】
-種介質(zhì)加載的SIW棱錐剛趴天線及其設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于微波無(wú)源器件領(lǐng)域，設(shè)及微波，傳輸線技術(shù)。尤其設(shè)及一種介質(zhì)加載的 SIW棱錐卿趴天線。
【背景技術(shù)】
[0002] 基片集成波導(dǎo)（Substrate Integrated Waveguide. SIW)是一種可W集成于介質(zhì) 基片中的新型傳輸線結(jié)構(gòu)。SIW通常是在介質(zhì)基板上打兩排金屬通孔，基板兩面覆W金屬。 SIW結(jié)構(gòu)具有傳統(tǒng)波導(dǎo)和微帶型結(jié)構(gòu)傳輸線的優(yōu)勢(shì)。即具有低福射、低插損、較高Q值、高功 率容量、小型化、易于連接等優(yōu)點(diǎn)。
[0003] 棱錐型卿趴天線在微波通信領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，它的主要功能是在比波導(dǎo)更大 的口徑上產(chǎn)生均勻的相位波前，從而獲得更好的定向性。它具有高增益，寬帶寬，易于加工 的優(yōu)點(diǎn)。但是它的缺點(diǎn)也比較明顯，體積較大，應(yīng)用中需要轉(zhuǎn)接互連結(jié)構(gòu)，難于與平面電路 集成。
[0004] SIW的提出和發(fā)展在一定程度上解決了運(yùn)個(gè)問(wèn)題。到目前為止，對(duì)于SIW天線的研 究都是對(duì)H面扇形卿趴天線和介質(zhì)加載H面透鏡天線的研究。H面扇形卿趴天線優(yōu)勢(shì)在于易 于集成、體積小。但是，H面扇形卿趴天線帶寬窄，有高的背向福射。介質(zhì)加載H面透鏡天線中 的加載介質(zhì)都是為矩形介質(zhì)塊或者楠圓介質(zhì)塊，優(yōu)勢(shì)在于提高了天線的增益。但是，增益受 介質(zhì)塊長(zhǎng)度的限制，且旁瓣較多。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)上述存在問(wèn)題或不足，為實(shí)現(xiàn)體積小，半功率波束寬度窄，較大增益，本發(fā)明 提供了一種介質(zhì)加載的SIW棱錐卿趴天線及其設(shè)計(jì)方法。
[0006] 該介質(zhì)加載的SIW棱錐卿趴天線，包括SIW傳輸線、SIW棱錐和加載介質(zhì)S部分。
[0007] 所述SIW棱錐基于SIW且沿E面和H面張口，SIW棱錐的喉部與SIW傳輸線相適應(yīng)連 接，完成信號(hào)的饋入;SIW棱錐的口徑與加載介質(zhì)相適應(yīng)連接。
[000引所述SIW棱錐天線的傳輸線和棱錐部分用同種介電常數(shù)基板構(gòu)成。
[0009] 所述加載介質(zhì)為柱狀菲涅爾透鏡，具體是指:各介質(zhì)柱柱高相同且至少一個(gè)側(cè)面 為平面，將各介質(zhì)柱平面的側(cè)面連續(xù)排列連接于棱錐的口徑面形成一個(gè)與其相適宜的排列 面，即排列面一邊為介質(zhì)柱的柱高與SE相等，另一邊與aH相等。
[0010] 其設(shè)計(jì)方法為：
[0011] 步驟1、選定板材，根據(jù)SIW傳輸線與矩形波導(dǎo)的尺寸等效公式，得出SIW的各個(gè)參 數(shù):通孔尺寸d，同行相鄰?fù)组g距p，SIW傳輸線兩行金屬通孔之間距離W，并通過(guò)HFSS優(yōu)化， 其中通孔為方孔時(shí)d為邊長(zhǎng)，圓孔時(shí)d為直徑；
[0012] 步驟2、確定SIW棱錐型卿趴天線的棱錐長(zhǎng)度W及福射口徑面的尺寸；
[0013] 根據(jù)棱錐天線的設(shè)計(jì)原理，首先確定SIW棱錐的長(zhǎng)度L，然后確定E面口徑ae，H面口 徑aH，并通過(guò)HFSS優(yōu)化；
[0014] 步驟3、確定加載的柱狀菲涅爾透鏡介質(zhì)的尺寸;根據(jù)菲涅透鏡的基本設(shè)計(jì)方法， 確定柱狀介質(zhì)的底面尺寸；
[0015] 步驟4、對(duì)天線口徑及柱狀菲涅爾透鏡介質(zhì)的尺寸通過(guò)HFSS進(jìn)行綜合優(yōu)化，得到最 終優(yōu)化結(jié)果。
[0016] 本發(fā)明是基于SIW的棱錐型卿趴天線，與此同時(shí)，卿趴口即棱錐的口徑通過(guò)介質(zhì)加 載進(jìn)一步提高天線的增益，降低了半功率波束寬度，從而增大方向性W及作用距離，增強(qiáng)抗 干擾能力。
【附圖說(shuō)明】
[0017] 圖1是本發(fā)明無(wú)介質(zhì)加載的SIW棱錐型卿趴天線立體示意圖；
[0018] 圖2是本發(fā)明介質(zhì)加載的SIW棱錐型卿趴天線的H面俯視示意圖；
[0019] 圖3是本發(fā)明介質(zhì)加載的SIW棱錐型卿趴天線的立體示意圖；
[0020] 圖4是本發(fā)明無(wú)介質(zhì)加載的SIW棱錐型卿趴天線的E面和H面增益圖；
[0021] 圖5是本發(fā)明無(wú)介質(zhì)加載的SIW棱錐型卿趴天線的E面和H面福射天線圖；
[0022] 圖6是本發(fā)明介質(zhì)加載的SIW棱錐型卿趴天線的回波損耗圖；
[0023] 圖7是本發(fā)明介質(zhì)加載的SIW棱錐型卿趴天線的駐波比；
[0024] 圖8是本發(fā)明介質(zhì)加載的SIW棱錐型卿趴天線的E面和H面增益圖；
[0025] 圖9是本發(fā)明介質(zhì)加載的SIW棱錐型卿趴天線的E面和H面福射天線圖；
[0026] 附圖標(biāo)記：1-半楠圓形的短軸，2-半楠圓形的半長(zhǎng)軸，3-柱狀菲涅爾透鏡介質(zhì)的柱 高，al-與aH連接的直角S角形底邊，tl-直角S角形高。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 本實(shí)施例在電磁仿真軟件HFSS中進(jìn)行，介質(zhì)均采用Teflon(介電常數(shù)為2.1)，且 SIW的金屬通孔采用方孔設(shè)計(jì)，每個(gè)方孔的邊長(zhǎng)用圓孔的直徑代替。SIW中的金屬通孔為方 孔或圓孔時(shí)性能一致。
[0028] 該介質(zhì)加載的SIW棱錐卿趴天線工作波段為X波段，中屯、頻率為IOGHz，端口的阻抗 為50歐姆。
[0029] 步驟1、根顆破段SIW傳輸線與矩形波導(dǎo)的尺寸等效公式：

得出X波段基本SIW的各個(gè)參數(shù):通孔邊長(zhǎng)d，相鄰金屬通孔孔間距P，SIW 傳輸線兩排金屬通孔之間距離W。
[0030] 介質(zhì)基板的參數(shù)為:相對(duì)介電常數(shù)為2.1，損耗正切為0.001，厚度t = 0.16mm。通過(guò) 計(jì)算和優(yōu)化得到SIW的相關(guān)參數(shù)值:d = 0.8mm，P = 1.4mm，W = 14mm。
[0031] 步驟2、SIW棱錐的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，根據(jù)棱錐天線的設(shè)計(jì)原理，計(jì)算出ae和aH，然后微調(diào)ae 和祉的值，得到最優(yōu)值，L = 45.54mm，祉=25mm，aH = 52mm。
[0032] 步驟3、在卿趴天線端口加載柱狀菲涅爾透鏡介質(zhì)，加載介質(zhì)的底面為六個(gè)直角= 角形和一個(gè)半楠圓形。六個(gè)直角=角形相同，其與3H連接邊是直角邊為底邊al，tl為直角= 角形另一條直角邊即高。半楠圓形短軸1為2Xal且與aH中屯、重合，半長(zhǎng)軸2 = tl;六個(gè)直角 =角形W半楠圓形長(zhǎng)軸為中屯、呈鏡像分布，每側(cè)=個(gè)直角=角形順序連接，其中直角=角 形高邊緊鄰半楠圓的一側(cè)，al在口徑面上。介質(zhì)柱的高與E面口徑等高。根據(jù)菲涅透鏡的基 本設(shè)計(jì)方法，確定柱狀菲涅爾透鏡介質(zhì)的尺寸，a 1 = 6.5mm，11 = 14mm，8 X a 1 = aH。
[0033] 步驟4、用HFSS對(duì)天線口徑及柱狀菲涅爾透鏡介質(zhì)的尺寸進(jìn)行優(yōu)化，得到最終優(yōu)化 結(jié)果：BE= 18mm，aH = 53mm，al = 6.625mm，tl = 15mm。
[0034] 如圖4-圖5所示，無(wú)介質(zhì)加載的SIW棱錐型卿趴天線E面增益和H面增益為10， SdBisE面的半功率波束寬度為82°，主瓣與第一旁瓣的增益差為10地i;H面的半功率波束寬 度為38%主瓣與第一旁瓣的增益差為18地i。如圖6-圖7所示，在整個(gè)X波段回波損耗小于- 1 OdB，駐波小于1.8。如圖8-圖9所示，該介質(zhì)加載的SIW棱錐型卿趴天線的E面增益和H面增 益為11地IdE面的半功率波束寬度為52°，主瓣與第一旁瓣的增益差為15地i;H面的半功率 波束寬度為33°，主瓣與第一旁瓣的增益差為20地i。對(duì)比圖4-圖5可知，由于介質(zhì)的加載，E 面的半功率波束寬度壓窄了 30%主瓣與第一旁瓣的增益差增大5地i;H面的半功率波束寬 度壓窄了 5%主瓣與第一旁瓣的增益差增大2地i。說(shuō)明介質(zhì)加載的SIW棱錐型卿趴天線提高 了該天線的增益，壓窄了該天線的半功率波束寬度，增加了主瓣與第一旁瓣的增益差。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種介質(zhì)加載的SIW棱錐喇叭天線，其特征在于:包括SIW傳輸線、SIW棱錐和加載介 質(zhì)三部分； 所述SIW棱錐基于SIW且沿E面和Η面張口，SIW棱錐的喉部與SIW傳輸線相適應(yīng)連接，完 成信號(hào)的饋入;SIW棱錐的口徑與加載介質(zhì)相適應(yīng)連接； 所述SIW棱錐天線的傳輸線和棱錐部分用同種介電常數(shù)基板構(gòu)成； 所述加載介質(zhì)為柱狀菲涅爾透鏡，具體是指：各介質(zhì)柱柱高相同且至少一個(gè)側(cè)面為平 面，將各介質(zhì)柱平面的側(cè)面連續(xù)排列連接于棱錐的口徑面形成一個(gè)與其相適宜的排列面， 即排列面一邊為介質(zhì)柱的柱高與aE相等，另一邊與a H相等。2. 如權(quán)利要求1所述介質(zhì)加載的SIW棱錐喇叭天線，其特征在于： 所述柱狀菲涅爾透鏡為六個(gè)直角三角形和一個(gè)半橢圓形;六個(gè)直角三角形相同，其與aH 連接邊是直角邊即底邊al，tl為直角三角形另一條直角邊即高，半橢圓形短軸1為2Xal且 與aH中心重合，半長(zhǎng)軸2 = tl;六個(gè)直角三角形以半橢圓形長(zhǎng)軸為中心呈鏡像分布，每側(cè)三 個(gè)直角三角形順序連接，其中直角三角形的tl緊鄰半橢圓的一側(cè)，al在口徑面上，介質(zhì)柱的 高與E面口徑等高，8 Xal =aH。3. 如權(quán)利要求2所述介質(zhì)加載的SIW棱錐喇叭天線，其特征在于:具體參數(shù)為d = 0.8mm， p = 1.4mm, w= 14mm，al = 6 · 625mm，tl = 15mm，aE = 18mm，aH=53mm，L = 45 · 54mm;其中d為方通 孔邊長(zhǎng)，P為同行相鄰?fù)组g距，w為SIW傳輸線兩行金屬通孔之間距離，L為SIW棱錐的長(zhǎng)度。4. 如權(quán)利要求1所述介質(zhì)加載的SIW棱錐喇叭天線，其設(shè)計(jì)方法為： 步驟1、選定板材，根據(jù)SIW傳輸線與矩形波導(dǎo)的尺寸等效公式，得出SIW的各個(gè)參數(shù):通 孔尺寸d，同行相鄰?fù)组g距p，SIW傳輸線兩行金屬通孔之間距離w，并通過(guò)HFSS優(yōu)化，其中 通孔為方孔時(shí)d為邊長(zhǎng)，圓孔時(shí)d為直徑； 步驟2、確定SIW棱錐型喇叭天線的棱錐長(zhǎng)度以及輻射口徑面的尺寸； 根據(jù)棱錐天線的設(shè)計(jì)原理，首先確定SIW棱錐的長(zhǎng)度L，然后確定E面口徑aE，H面口徑aH， 并通過(guò)HFSS優(yōu)化； 步驟3、確定加載的柱狀菲涅爾透鏡介質(zhì)的尺寸； 根據(jù)菲涅透鏡的基本設(shè)計(jì)方法，確定柱狀介質(zhì)的底面尺寸； 步驟4、對(duì)天線口徑及柱狀菲涅爾透鏡介質(zhì)的尺寸通過(guò)HFSS優(yōu)化，得到最終優(yōu)化結(jié)果。
【文檔編號(hào)】H01Q13/02GK106099374SQ201610412920
【公開日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年6月13日 公開號(hào)201610412920.3, CN 106099374 A, CN 106099374A, CN 201610412920, CN-A-106099374, CN106099374 A, CN106099374A, CN201610412920, CN201610412920.3
【發(fā)明人】陳良, 董師伶, 鄭向聞, 鄧龍江, 汪曉光, 梁迪飛, 李麗華, 梁新鵬
【申請(qǐng)人】電子科技大學(xué)