一种基于高阶模的慢波基片集成波导双工天线

1.本发明属于双工天线设计技术领域，具体涉及一种基于高阶模的慢波基片集成波导双工天线。


背景技术：

2.随着通信技术的快速发展，通信系统越来越复杂，同时系统小型化和集成化要求也越来越高。天线作为通信系统中不可缺少的重要组成部分，它的小型化一直受到国内外广泛关注，小型化、轻重量和多功能是通信系统天线的发展趋势。
3.双工天线是一种特殊的天线常被应用在小型化、高集成和多功能的通信系统中。这种天线同时完成信号的发射与接收，有助于实现通信系统小型化和多功能。此外，慢波结构也是实现无源滤波器件小型化的一种常用结构，慢波结构通过改变传输波导的介电常数和磁导率等参数，从而降低电磁波的相速度和截止频率，从而可以通过慢波结构来实现无源微波器件的小型化。另一方面，在感兴趣的频率范围内，电磁波的工作波长也随之降低，从而根据微波无源器件尺寸与工作波长关系可知，器件尺寸也随之减小，即实现小型化。
4.传统的天线通过加载多个天线的方式实现同时接收和发射功能，但该方式会引起天线提交较大、难以集成等问题。


技术实现要素：

5.针对现有技术中的上述不足，本发明提供的高阶模的慢波基片集成波导双工天线解决了现有的双工天线体积大、难以集成的问题。
6.为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种基于高阶模的慢波基片集成波导双工天线，包括从上至下依次设置的金属贴片、介质基板以及金属底板；
7.所述金属贴片包括缺陷同心异形耦合结构和共面波导形式馈电的微带线；所述金属底板上刻蚀有十字慢波阻抗网络。
8.进一步地，所述缺陷同心异形耦合结构为通过在金属贴片上刻蚀口字形槽和缺陷圆形成的耦合结构；
9.所述口字形槽和缺陷圆的几何结构同心，且所述缺陷圆在所述口字形槽内部，所述金属贴片上设置的金属通孔在所述口字形槽的外围。
10.进一步地，所述金属底板上刻蚀的十字慢波阻抗网络的尺寸与口字形槽对应的几何形状尺寸满足达到最佳慢波效应的尺寸关系。
11.进一步地，所述十字慢波阻抗网络包括若干个尺寸相同且成网格排列的十字阻抗单元。
12.进一步地，所述口字形槽的对边槽线线宽相同，邻边槽线线宽不同。
13.进一步地，所述金属贴片相互垂直的两侧边缘均开设有两条线槽，两条所述线槽之间无金属通孔；两条所述线槽之间设置有微带线与金属贴片连接，并延伸至所述介质基板边缘，进而形成共面波导形式馈电的微带线。
14.进一步地，两条所述微带线延伸至介质边缘的端口作为所述双工天线的馈电口；
15.每个所述馈电口的工作频率根据其对应的口字形槽的线宽确定，所述馈电口的每个工作频率均有对应口字形槽的线宽取值。
16.进一步地，所述金属贴片和金属底板上的金属地通过金属通孔连接，进而形成基片集成波导谐振腔体的侧壁；
17.所述基片集成波导谐振腔体的侧壁在微带线馈电入口处留有出馈口；
18.所述金属通孔、金属贴片及介质基板形成的空间为基片集成波导谐振腔体。
19.本发明的有益效果为：
20.(1)本发明提供的双工天线相比于传统天线，它能同时完成两个不同频率信号的发射与接收，有助于实现通信系统小型化多过功能，进而大大降低了通信系统的集成难度；
21.(2)本发明在双工天线的金属底板上加载慢波结构，这样的结构可以形成慢波效应，有助于提升基片集成波导谐振腔的等效磁导率和介电常数乘积，从而降低谐振腔的谐振频率，实现谐振腔尺寸小型化。
附图说明
22.图1为本发明提供的基于高阶模的慢波集成波导双工天线立体示意图。
23.图2为本发明提供的金属贴片示意图。
24.图3为本发明提供的金属底板示意图。
25.图4为本发明提供的工作频率(11.9ghz)天线从端口1馈入方向横截面的电场和磁场分布示意图。
26.图5为本发明提供的全频段仿真两端口的隔离度及回波损耗示意图。
27.图6为本发明提供的两端口最大增益图。
28.其中：1、金属贴片；2、金属通孔；3、口字形槽；4、第一正方形环槽槽线宽；5、第二正方形环槽槽线宽；6、缺陷圆；7、介质基板；8、线槽；9、微带线；10、金属底板。
具体实施方式
29.下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
30.实施例1：
31.如图1所示，一种基于高阶模的慢波基片集成波导双工天线，包括从上至下依次设置的金属贴片1、介质基板7以及金属底板10；
32.金属贴片1包括缺陷同心异形耦合结构和共面波导形式馈电的微带线9；金属底板10上刻蚀有十字慢波阻抗网络。
33.在本实施例中，金属贴片1和金属底板10上的金属地通过金属通孔2连接，进而形成基片集成波导谐振腔体的侧壁；基片集成波导谐振腔体的侧壁在微带线9馈电入口处留有出馈口；金属通孔2、金属贴片1及介质基板7形成的空间为基片集成波导谐振腔体。
34.在本实施例中，如图2所示，上述双工天线中金属贴片1由基片集成波导腔体上加
载的缺陷同心异形耦合结构的正方形金属基片，以及与其相连的两条垂直的共面波导形式馈电的微带线9组成；其中，缺陷同心异形耦合结构为通过在金属贴片1上刻蚀口字形槽3和缺陷圆6形成的耦合结构，将馈入能量辐射出去形成电磁波；
35.本实施例中的口字形槽3和缺陷圆6的几何结构同心，且缺陷圆6在口字形槽3内部，金属贴片1上设置的金属通孔2在口字形槽3的外围；本实施例中的口字形槽3的对边槽线线宽相同，邻边槽线线宽不同，不同的槽线线宽可以分别调节两个馈电口各自的工作频率，而缺陷圆6能增加天线表面电流的有效路径，从而增加天线电长度，使谐振频率降低，实现天线的小型化，同时能够增大两个垂直微带线9端口的隔离度，降低两个端口信号的相互干扰，提高天线的性能。
36.本实施例中的金属贴片1相互垂直的两侧边缘均开设有两条线槽8，两条线槽8之间无金属通孔2；两条线槽8之间设置有微带线9与金属贴片1连接，并延伸至介质基板7边缘，这样的结构形成共面波导形式馈电的微带线，两条垂直共面波导形式馈电的微带线9能使天线具有良好隔离度；两条微带线9延伸至介质边缘的端口作为双工天线的馈电口；每个馈电口的工作频率根据其对应的口字形槽3的线宽确定，馈电口的每个工作频率均有对应口字形槽3的线宽取值；相互垂直的馈电口可以提供良好的端口隔离度和明显的正交极化特性，同时端口采用共面波导形式馈入，有利于天线阻抗匹配以及高次模的激励。
37.在本实施例中，金属贴片1下方加载固定介电常数的介质基板7，介质基板7的边长等于正方形金属贴片1的边长与微带线9的长度之和，介质基板7的基片集成波导结构通过金属通孔2在正方形金属贴片1内形成基片集成波导谐振腔，基片集成波导谐振腔的高阶模态通过使用外部口字环形槽的不对称线宽看宽度来激发，从而有助于双频工作时获得高增益，同时确保两个端口之间具有良好的隔离度。
38.本实施例中金属底板10上刻蚀的十字慢波阻抗网络的尺寸与口字形槽3对应的几何形状尺寸满足达到最佳慢波效应的尺寸关系，十字慢波阻抗网络包括若干个尺寸相同且成网格排列的十字阻抗单元；该结构可以使馈入端口的电磁波产生慢波效应，有效提升基片集成波导谐振腔的等效磁导率和介电常数乘积，从而降低谐振腔的谐振频率，实现谐振腔尺寸小型化，因此，可以利用慢波结构来实现微波无源器件的小型化设计。
39.实施例2：
40.本实施例中提供了上述双工天线的具体实例：
41.介质基板采用rogers rt5880，厚度为1.575mm，介质基板的介电常数为2.2，损耗正切角为0.0009；金属贴片的为正方形结构，其边长为29.2mm，口字形线槽的边长为23mm，口字形槽的第一正方形环槽槽线宽4和第二正方形环槽槽线宽5分别为0.9mm和0.4mm，缺陷圆直径为5mm，槽线宽度为0.8mm；十字慢波阻抗网络中的十字阻抗单元的宽度为0.2mm，长度为1mm。
42.基于上述双工天线结构，如图4所示，端口1在工作频率(11.9ghz)下，天线从端口1馈入方向横截面的电场和磁场分布，可以看出电磁波在共面波导形式馈电的微带部分传播，电场和磁场没有实现有效分离，但当电磁波进入十字慢波阻抗网络区域内传播时，可以实现电场和磁场的有效分离，以获得慢波效应，从而进一步实现天线设计的小型化。
43.如图5所示，横轴表示频率(ghz)，纵轴表示s参数(db)，本发明天线频带内有良好的隔离度，在工作频带内，两端口隔离度优于29db，且在工作频带内，端口1与端口2工作带
宽分别是240mhz和180mhz，在工作带宽内两端口的回波损耗优于12db。
44.如图6所示，在工作频带内，端口1的增益在9.35～9.63db，端口2的增益在9.61～9.92db，且增益抖动范围小于0.35dbi，因此有良好的辐射特性。
45.由此可见，本发明基于高阶模的慢波基片集成波导双工天线，两端口具有良好的隔离度以及回波损耗，且该天线具有高增益，高效率，而且又能实现信号的同时接受和发射功能以及产生慢波效应，因此实现了天线的多功能以及小型化，有望在通信系统小型化和集成化应用。
46.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“厚度”、“上”、“下”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“径向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明的技术特征的数量。因此，限定由“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或隐含地包括一个或者更多个该特征。