一种基于折叠基片集成波导的毫米波分形漏波天线

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及折叠基片集成波导技术，具体提供一种应用于77GHZ毫米波频段的分形漏波天线。

背景技术

在第五代移动通信系统高速发展的今天，各种微波毫米波器件得到了广泛的应用，同时，也对通信系统的小型化提出了更高的要求。对于传统无源器件，如滤波器、天线等，在通信系统中占用了很大一部分的空间，因此，在保证性能的同时如何设计出尺寸更小的器件是实现通信系统小型化的关键。

基片集成波导是二十一世纪初提出的一种集成在介质基片中的类波导结构的平面传输线，通过两排金属化通孔阵列以及介质基板上下两层金属板实现传统金属波导的功能，可有效地实现无源和有源器件集成。基片集成波导有高功率容量、低插损的优点，还有平面电路的体积小、易集成的优点，是一种非常理想的高频段微波传输线；随着微波器件向着太赫兹频段进发，基片集成波导具有非常广阔的应用前景。折叠基片集成波导通过进一步的将基片沿中间对折，可将面积缩减为原来的一半左右，并且不影响其激发模式及相关特性，通过折叠有效地实现了天线小型化。随着天线小型化要求越来越高，折叠基片集成波导有着广阔的应用前景；因此，本发明提供一种基于折叠基片集成波导的毫米波分形漏波天线。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于折叠基片集成波导的毫米波分形漏波天线，用以满足77GHz频段车载毫米波雷达天线的小尺寸、低成本、高增益等需求。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于折叠基片集成波导的毫米波分形漏波天线，包括：从下往上依次层叠的接地板1、下介质层2、中间金属层3、上介质层4与上金属层5，以及馈电结构；其特征在于：

下介质层与上介质层中沿边缘设置有呈U形排布的第三金属通孔9，第三金属通孔贯穿下介质层与上介质层，并连接上金属层与接地板，构成U形金属电壁；下介质层与上介质层中沿U形金属电壁中线设置有呈直线排布的第二金属通孔8，第二金属通孔贯穿下介质层与上介质层，并连接上金属层、中间金属层与接地板，接地板、下介质层、中间金属层、上介质层与上金属层通过第三金属通孔、第二金属通孔共同构成U形折叠基片集成波导结构；

中间金属层由传输辐射结构与半圆形匹配传输线构成，传输辐射结构一端连接馈电结构、另一端连接半圆形匹配传输线，半圆形匹配传输线位于U形折叠基片集成波导结构的弯折处；传输辐射结构为沿两侧边缘对称刻蚀有分形结构的金属层，分形结构由若干个分形单元10周期排列构成，分形单元由Koch分形曲线与其外边沿设置的等腰三角形包络构成；

上金属层上开设有直线槽11，直线槽11位于分形单元的上方、且一一对应设置，形成漏波结构。

进一步的，馈电结构包括：微带馈线6，微带馈线设置于下介质层的上表面、且对称设置，微带馈线两侧设置第一金属通孔7，构成馈电结构；微带馈线由50欧姆微带线与梯形过渡微带线级联构成，第一金属通孔连接接地板。

进一步的，分形结构中，当分形单元的单元周期小于分形单元的单元尺寸时，相邻分形单元交叠设置。

本发明的有益效果在于：

本发明提供一种基于折叠基片集成波导的毫米波分形漏波天线，具有如下优点：

1、本发明为平面型多层结构：谐振腔采用折叠基片集成波导结构，实现了小型化；

2、本发明在直线型折叠基片集成波导的基础上进行二次折叠，在性能没有显著变化的情况下进一步缩小了天线面积；

3、本发明采用分形结构与正弦调制电抗表面相结合的方法，并根据模态展开的方法增加耦合结构，拓宽了工作带宽；

4、本发明为行波天线，在较小的尺寸下增加了辐射单元数，并且单元排列合理，具有较高的增益。

附图说明

图1为本发明中基于折叠基片集成波导的毫米波分形漏波天线的三维结构示意图。

图2为本发明中基于折叠基片集成波导的毫米波分形漏波天线的侧视结构示意图。

图3为本发明中基于折叠基片集成波导的毫米波分形漏波天线的正视结构示意图。

图4为本发明中毫米波分形漏波天线的中间层金属示意图。

图5为本发明中毫米波分形漏波天线的顶层金属示意图。

图6为本发明中毫米波分形漏波天线的分形结构示意图。

图7为本发明实施例中毫米波分形漏波天线的回波损耗曲线。

图8为本发明实施例中毫米波分形漏波天线的增益曲线。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案与技术效果更加清楚明白，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本实施例提供一种基于FSIW结构的应用于77GHz毫米波频段的分形漏波天线，其结构如图1所示，具体包括：从下往上依次层叠的接地板1、下介质层2、中间金属层3、上介质层4与上金属层5，以及馈电结构；其中：

如图2、图3所示，下介质层与上介质层中沿边缘设置有呈U形排布的第三金属通孔9，第三金属通孔9贯穿下介质层与上介质层，并连接上金属层5与接地板1，构成U形金属电壁；下介质层与上介质层中沿U形金属电壁中线设置有呈直线排布的第二金属通孔8，第二金属通孔8贯穿下介质层与上介质层，并连接上金属层5、中间金属层3与接地板1，接地板1、下介质层2、中间金属层3、上介质层4与上金属层5通过第三金属通孔9、第二金属通孔8共同构成U形折叠基片集成波导结构；

如图4所示，中间金属层由传输辐射结构与半圆形匹配传输线构成，传输辐射结构一端连接馈电结构、另一端连接半圆形匹配传输线，半圆形匹配传输线位于U形折叠基片集成波导结构的弯折处；传输辐射结构为沿两侧边缘对称刻蚀有分形结构的金属层，分形结构由若干个分形单元10周期排列构成，相邻分形单元10交叠设置以满足单元周期；分形单元10由Koch分形曲线与其外边沿设置的等腰三角形包络构成，等腰三角形包络的底边与Koch分形曲线重合，如图6所示；

如图5所示，上金属层上开设有直线槽11，直线槽11位于分形单元的上方、且一一对应设置，形成漏波结构；

馈电结构包括：微带馈线6，微带馈线设置于下介质层的上表面、且对称设置，微带馈线两侧设置第一金属通孔7，构成馈电结构；微带馈线由50欧姆微带线与梯形过渡微带线级联构成，第一金属通孔7连接接地板1。

从工作原理上讲：

所述馈电结构包含微带线及其周围的金属通孔，微带线6采用50欧姆微带线与梯形的过渡结构微带线级联，采用此结构可有效地用于双层FSIW的馈电及匹配；周围的金属通孔7沿微带线周期排列且与微带线的距离保持一致，金属通孔7的添加可有效减少因非理想匹配造成的电磁波在传输线上的杂散辐射，进一步反映在天线增益的提高；

所述分形结构的中间金属层如图4所示，中间金属层3两端级联馈电及匹配，天线为行波结构，通过在中间金属层、顶部金属层刻蚀槽，使得天线为漏波天线；分形结构由图6所示的分形单元周期排列后优化得到，分形单元在Koch分形曲线的基础上，通过在其外边沿继续添加等腰三角形包络得到新的结构。分形结构的添加有效增加了工作频段的谐振点，进一步拓宽了工作频带；与通过在中间金属层刻蚀正弦直线槽的正弦调制阻抗相比，采用分形结构的槽可以缩小所需占地面积，且工作频带更宽，易于集成；位于馈电远端的半圆形传输线有效的抑制了因传输线突变导致电磁波的反射，使得电流仍然按照行波结构的方向进行传输，并且具有较好的鲁棒性。

所述刻蚀直线槽的顶部金属层如图5所示，直线槽可以有效地将基片集成波导中传输的功率漏逸到外部空间而形成漏波天线，在发明中，直线槽位于分形结构的上方，其长度、宽度及摆放位置进行优化调节，保证天线的带宽、增益等性能。

更为具体的讲，本实施例中，上、下介质层均采用型号为Rogers5880的介质基板，其介电常数为2.2、损耗角正切为0.0009，其中，下介质基板的几何尺寸为5.6×17.1mm、厚度为0.254mm，上介质基板的几何尺寸为5.6×14.1mm、厚度为0.254mm；所述金属通孔直径均为0.4mm，金属通孔圆心与圆心之间的距离均为0.6mm，其在介质中位于介质基板两侧，构成基片集成波导结构；所述馈电结构中50欧姆微带线宽为0.3mm，长1.1mm，所述梯形过渡结构的下底长0.8mm，高1.9mm；所述分形结构中，各参数为：ks1＝0.46mm、ks2＝0.28mm、kh1＝0.1mm、kh2＝0.14mm；所述顶层直线槽的参数为：ws＝0.14mm、ls＝1.68mm、ox＝1.42mm、0y＝1.1mm；周期性结构之间的距离为1.9mm，约为四分之一波长。

采用电磁场仿真软件HFSS对本实施例中基于FSIW结构的应用于77GHz毫米波频段的分形漏波天线进行仿真，如图7所示为漏波天线的回波损耗，由图可见，天线在72.58GHz～81.41GHz的S11参数均小于-10dB，覆盖75-80GHz车载毫米波频段，77GHz处的S11参数为-26.8dB，天线的带宽为8.83GHz，相对带宽可达11.5％；如图8所示为分形漏波天线在回波损耗小于-10dB内的增益曲线，77GHz的最大增益为9.5dBi，工作频段内最大增益位于78GHz处，能够达到10.7dBi，频带内最小增益为5.6dBi，位于82.1GHz处；整个工作频段平均增益为8.98dBi。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。