一种加载滑动对称结构的宽带基片集成波导喇叭天线

1.本实用新型涉及金属波导喇叭天线，特别是一种加载滑动对称结构的宽带基片集成波导喇叭天线。


背景技术：

2.采用基片集成波导技术设计的端射天线方向性好、剖面低、设计复杂度低、易于集成，能有效满足高频通信要求。因此随着无线通信技术的不断发展，研究基片集成波导端射天线具有很大的实用意义。
3.金属波导喇叭天线是应用最广泛的微波天线之一，具有方向性强、结构简单等优点。但由于平面siw喇叭天线口径很薄且内部有介质，导致平面喇叭天线阻抗失配严重，使得该类天线辐射效率较低。
4.因此，通过设计改善平面喇叭天线的阻抗失配问题极具实用意义。


技术实现要素：

5.本实用新型要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种加载滑动对称结构的宽带基片集成波导喇叭天线，该加载滑动对称结构的宽带基片集成波导喇叭天线采用三阶过渡的滑动对称结构实现平面喇叭天线与空气之间的阻抗匹配，从而能大幅提高天线辐射效率。
6.为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：
7.一种加载滑动对称结构的宽带基片集成波导喇叭天线，包括介质基板、siw喇叭天线和空气阻抗匹配单元。
8.介质基板为矩形板，具有平行于自身短边的对称轴x和平行于自身长边的对称轴y。
9.介质基板包括沿y向布设的矩形板一和矩形板二。
10.siw喇叭天线包括siw上层金属壁、siw下层金属壁、喇叭形金属通孔阵列和共面波导。
11.siw上层金属壁和siw下层金属壁分别印刷在矩形板一的上表面和下表面。
12.喇叭形金属通孔阵列沿y向内置在矩形板一中，且关于对称轴y对称。
13.siw上层金属壁、siw下层金属壁和喇叭形金属通孔阵列共同构成喇叭形siw腔。
14.共面波导用于向喇叭形siw腔馈电。
15.空气阻抗匹配单元包括上金属贴片、下金属贴片、一阶滑动对称结构、二阶滑动对称结构和三阶滑动对称结构。
16.上金属贴片和下金属贴片分别印刷在矩形板二的上表面和下表面。
17.一阶滑动对称结构、二阶滑动对称结构和三阶滑动对称结构沿y向布设在上金属贴片和下金属贴片中，一阶滑动对称结构、二阶滑动对称结构和三阶滑动对称结构均包括若干个均匀排列且呈正方形的圆孔阵列单元。
18.每个圆孔阵列单元均包括一个上圆孔和四个1/4圆孔。
19.每个上圆孔均开设在上金属贴片中，且圆心位于对应圆孔阵列单元的中心，直径小于对应圆孔阵列单元的边长。
20.四个1/4圆孔均开设在下金属贴片中，且位于对应圆孔阵列单元的四个边角，四个1/4圆孔的圆心与对应圆孔阵列单元的四个角点相重合，四个1/4圆孔的半径均等于对应上圆孔的半径。
21.一阶滑动对称结构中上圆孔半径、二阶滑动对称结构中上圆孔半径和三阶滑动对称结构中上圆孔半径分别为rv、rv2和rv3，则rv》rv3》rv2。
22.siw上层金属壁和上金属贴片一体设置，共同构成上金属层；siw下层金属壁和下金属贴片一体设置，共同构成下金属层。
23.矩形板一和矩形板二一体设置，厚度均为2mm。
24.喇叭形金属通孔阵列包括八字形金属通孔阵列和设置在八字形金属通孔阵列收缩端的两排直线形金属通孔阵列；八字形金属通孔阵列的扩张端朝向空气阻抗匹配单元。
25.两排直线形金属通孔阵列的间距为w_s＝10.5mm，八字形金属通孔阵列扩放的角度为deg＝28
°
，喇叭形金属通孔阵列中圆形金属通孔的直径为d＝0.6mm；相邻两个圆形金属通孔的圆心间距为p0＝1.2mm。
26.rv＝1.45mm，rv2＝0.95mm，rv3＝1.1mm；一阶滑动对称结构中圆孔阵列单元边长、二阶滑动对称结构中圆孔阵列单元边长和三阶滑动对称结构中圆孔阵列单元边长分别为p＝3mm、p2＝2.9mm和p3＝2.45mm。
27.本实用新型具有如下有益效果：
28.1、本实用新型通过合理设计siw喇叭天线与空气之间的过渡，使得siw喇叭天线与空气之间获得较好的阻抗匹配，解决了平面喇叭天线的阻抗失配问题，提高了辐射效率。
29.2、本实用新型在同一介质基板上进行设计，方便加工制作，成本低，易于集成。
附图说明
30.图1显示了本实用新型一种加载滑动对称结构的宽带基片集成波导喇叭天线的俯视图。
31.图2显示了本实用新型采用滑动对称结构实现阻抗匹配的平面喇叭天线的侧视图。
32.图3显示了本实用新型中圆孔阵列单元的结构图。
33.图4显示了本实用新型采用不同阶数滑动对称结构时反射系数的比较图。
34.图5显示了本实用新型在16.5ghz时的e面方向图。
35.图6显示了本实用新型在17ghz时的e面方向图。
36.图7显示了本实用新型在17.5ghz时的e面方向图。
37.图8显示了本实用新型不同频率的增益图。
38.图中有：
39.1、介质基板；2、平行金属通孔阵列；3、八字形通孔阵列；4、一阶滑动对称结构；5、二阶滑动对称结构；6、三阶滑动对称结构；7、圆孔阵列单元；7-1、上圆孔；7-2、1/4圆孔。
具体实施方式
40.下面结合附图和具体较佳实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
41.本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”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实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本实用新型的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本实用新型的保护范围。
42.如图1和图2所示，一种加载滑动对称结构的宽带基片集成波导喇叭天线，包括介质基板1、siw喇叭天线和空气阻抗匹配单元。
43.介质基板为矩形板，具有平行于自身短边的对称轴x和平行于自身长边的对称轴y。
44.介质基板包括沿y向优选一体布设的矩形板一和矩形板二，且厚度均为2mm。
45.矩形板一的长度优选为l_sub＝38.56mm，宽度优选为w_sub＝32mm。
46.siw喇叭天线包括siw上层金属壁、siw下层金属壁、喇叭形金属通孔阵列和共面波导。
47.siw上层金属壁和siw下层金属壁分别印刷在矩形板一的上表面和下表面，且优选与矩形板一的尺寸相同。
48.喇叭形金属通孔阵列沿y向内置在矩形板一中，且关于对称轴y对称。
49.喇叭形金属通孔阵列包括八字形金属通孔阵列3和设置在八字形金属通孔阵列收缩端的两排直线形金属通孔阵列2；八字形金属通孔阵列的扩张端朝向空气阻抗匹配单元。
50.两排直线形金属通孔阵列的间距优选为w_s＝10.5mm，八字形金属通孔阵列扩放的角度优选为deg＝28
°
，也即八字形通孔阵列与平行金属通孔阵列夹角为deg＝28
°
。
51.每排直线形金属通孔阵列均优选由若干个圆形金属通孔等距排列形成，圆形金属通孔的直径优选为d＝0.6mm；相邻两个圆形金属通孔的圆心间距为p0＝1.2mm。
52.上述siw上层金属壁、siw下层金属壁和喇叭形金属通孔阵列共同构成喇叭形siw腔。
53.共面波导用于向喇叭形siw腔馈电。
54.空气阻抗匹配单元包括上金属贴片、下金属贴片、一阶滑动对称结构4、二阶滑动对称结构5和三阶滑动对称结构6。
55.上金属贴片和下金属贴片分别印刷在矩形板二的上表面和下表面，且与矩形板二的尺寸相同。进一步，siw上层金属壁和上金属贴片优选一体设置，共同构成上金属层；siw下层金属壁和下金属贴片优选一体设置，共同构成下金属层。从而使得siw喇叭天线和空气阻抗匹配单元高度相等。
56.一阶滑动对称结构、二阶滑动对称结构和三阶滑动对称结构沿y向布设在上金属贴片和下金属贴片中。一阶滑动对称结构、二阶滑动对称结构和三阶滑动对称结构沿y向长度优选分别为l_add_sub＝2
×
p＝6mm、l_add_sub_2＝3
×
p2＝8.7mm和l_add_sub_3＝3
×
p3＝7.35mm。
57.一阶滑动对称结构、二阶滑动对称结构和三阶滑动对称结构均包括若干个均匀排
列且呈正方形的圆孔阵列单元7，具体如图3所示。
58.每个圆孔阵列单元均包括一个上圆孔7-1和四个1/4圆孔7-2。
59.每个上圆孔均开设在上金属贴片中，且圆心位于对应圆孔阵列单元的中心，直径小于对应圆孔阵列单元的边长。
60.四个1/4圆孔均开设在下金属贴片中，且位于对应圆孔阵列单元的四个边角，四个1/4圆孔的圆心与对应圆孔阵列单元的四个角点相重合，四个1/4圆孔的半径均等于对应上圆孔的半径。
61.四个1/4圆孔分别为上圆孔在x轴和y轴平移一个排列周期得到，即四个1/4圆孔为上圆孔对应的滑动对称结构。
62.在本实用新型中，通过改变圆孔阵列单元的排列周期及上圆孔的半径，实现三阶渐变结构。采用三阶滑动对称结构实现介电常数的渐变，使siw喇叭天线与空气阻抗匹配。
63.假设一阶滑动对称结构中上圆孔半径为rv，排列周期为p；二阶滑动对称结构中上圆孔半径为rv2，排列周期为p2；三阶滑动对称结构中上圆孔半径为rv3，排列周期为p3，则rv》rv3》rv2，具体尺寸优选如下表所示。
64.半径(单位：mm)排列周期(单位：mm)rv＝1.45p＝3rv2＝0.95p2＝2.9rv3＝1.1p3＝2.45
65.结合图3，图3为采用不同阶数渐变结构反射系数对比示意图。当不加载阻抗匹配单元时，该天线在17.15-17.35ghz频段范围内反射系数低于-10db，相对带宽约为1.16％，加载一阶渐变时，天线中心频率左移，反射系数变大，带宽变窄；加载二阶渐变时，相对于一阶渐变，中心频率右移，反射系数和带宽变化不大；加载三阶渐变时，该天线在16.2-17.9ghz频段范围内反射系数低于-10db，相对带宽约为9.97％。
66.结合图4，本实用新型的回波损耗在16.2-17.9ghz频段范围内小于-10db，相对阻抗带宽达到9.97％。
67.结合图5、图6和图7，本实用新型的最大辐射方向在120
°
。
68.结合图8，工作在16-18ghz时，本实用新型增益在7.5dbi以上，工作在17ghz左右时，增益可达11dbi以上。
69.以上表明该天线具有宽频带、高增益等良好的辐射性能，并且更具小型化、平面化，易于在平面系统中集成。
70.以上详细描述了本实用新型的优选实施方式，但是，本实用新型并不限于上述实施方式中的具体细节，在本实用新型的技术构思范围内，可以对本实用新型的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本实用新型的保护范围。

技术特征：
1.一种加载滑动对称结构的宽带基片集成波导喇叭天线，其特征在于：包括介质基板、siw喇叭天线和空气阻抗匹配单元；介质基板为矩形板，具有平行于自身短边的对称轴x和平行于自身长边的对称轴y；介质基板包括沿y向布设的矩形板一和矩形板二；siw喇叭天线包括siw上层金属壁、siw下层金属壁、喇叭形金属通孔阵列和共面波导；siw上层金属壁和siw下层金属壁分别印刷在矩形板一的上表面和下表面；喇叭形金属通孔阵列沿y向内置在矩形板一中，且关于对称轴y对称；siw上层金属壁、siw下层金属壁和喇叭形金属通孔阵列共同构成喇叭形siw腔；共面波导用于向喇叭形siw腔馈电；空气阻抗匹配单元包括上金属贴片、下金属贴片、一阶滑动对称结构、二阶滑动对称结构和三阶滑动对称结构；上金属贴片和下金属贴片分别印刷在矩形板二的上表面和下表面；一阶滑动对称结构、二阶滑动对称结构和三阶滑动对称结构沿y向布设在上金属贴片和下金属贴片中，一阶滑动对称结构、二阶滑动对称结构和三阶滑动对称结构均包括若干个均匀排列且呈正方形的圆孔阵列单元；每个圆孔阵列单元均包括一个上圆孔和四个1/4圆孔；每个上圆孔均开设在上金属贴片中，且圆心位于对应圆孔阵列单元的中心，直径小于对应圆孔阵列单元的边长；四个1/4圆孔均开设在下金属贴片中，且位于对应圆孔阵列单元的四个边角，四个1/4圆孔的圆心与对应圆孔阵列单元的四个角点相重合，四个1/4圆孔的半径均等于对应上圆孔的半径；一阶滑动对称结构中上圆孔半径、二阶滑动对称结构中上圆孔半径和三阶滑动对称结构中上圆孔半径分别为rv、rv2和rv3，则rv>rv3>rv2。2.根据权利要求1所述的加载滑动对称结构的宽带基片集成波导喇叭天线，其特征在于：siw上层金属壁和上金属贴片一体设置，共同构成上金属层；siw下层金属壁和下金属贴片一体设置，共同构成下金属层。3.根据权利要求1所述的加载滑动对称结构的宽带基片集成波导喇叭天线，其特征在于：矩形板一和矩形板二一体设置，厚度均为2mm。4.根据权利要求1所述的加载滑动对称结构的宽带基片集成波导喇叭天线，其特征在于：喇叭形金属通孔阵列包括八字形金属通孔阵列和设置在八字形金属通孔阵列收缩端的两排直线形金属通孔阵列；八字形金属通孔阵列的扩张端朝向空气阻抗匹配单元。5.根据权利要求4所述的加载滑动对称结构的宽带基片集成波导喇叭天线，其特征在于：两排直线形金属通孔阵列的间距为w_s＝10.5mm，八字形金属通孔阵列扩放的角度为deg＝28
°
，喇叭形金属通孔阵列中圆形金属通孔的直径为d＝0.6mm；相邻两个圆形金属通孔的圆心间距为p0＝1.2mm。6.根据权利要求1所述的加载滑动对称结构的宽带基片集成波导喇叭天线，其特征在于：rv＝1.45mm，rv2＝0.95mm，rv3＝1.1mm；一阶滑动对称结构中圆孔阵列单元边长、二阶滑动对称结构中圆孔阵列单元边长和三阶滑动对称结构中圆孔阵列单元边长分别为p＝3mm、p2＝2.9mm和p3＝2.45mm。

技术总结
本实用新型公开了一种加载滑动对称结构的宽带基片集成波导喇叭天线，包括介质基板、SIW喇叭天线和空气阻抗匹配单元；介质基板包括矩形板一和矩形板二；SIW喇叭天线设在矩形板一上；空气阻抗匹配单元设在矩形板二中，包括上金属贴片、下金属贴片、一阶滑动对称结构、二阶滑动对称结构和三阶滑动对称结构；一阶、二阶和三阶滑动对称结构均包括若干个均匀排列且呈正方形的圆孔阵列单元；每个圆孔阵列单元均包括上圆孔和四个1/4圆孔；每个上圆孔均开设在上金属贴片中，且圆心位于对应圆孔阵列单元的中心；四个1/4圆孔为上圆孔对应的滑动对称结构。本申请通过改变圆孔阵列单元的排列周期及上圆孔的半径，实现三阶渐变，使SIW喇叭天线与空气阻抗匹配。天线与空气阻抗匹配。天线与空气阻抗匹配。


技术研发人员：司一童 李森 蔡洋 曹玉凡 卜立君 马宏 吴涛 常硕 唐帅 王世宾
受保护的技术使用者：中国人民解放军战略支援部队航天工程大学
技术研发日：2023.03.22
技术公布日：2023/7/14