一种融合Vivaldi天线阵与散热片的一体化结构

一种融合vivaldi天线阵与散热片的一体化结构
技术领域
1.本发明涉及天线技术领域，尤其是涉及一种融合vivaldi天线阵与散热片的一体化结构。


背景技术：

2.在无线通信系统向着高度集成化和小型化的发展过程中，包括天线在内的各种有源与无源器件被集成在非常有限的空间内，除了引起系统内部的电磁兼容问题，还会导致系统的功率密度不断增加，散热问题变得愈发严重。因此，在无线通信系统的设计过程中，电磁特性和散热特性需要同时考虑。
3.改善系统散热性能的传统方法是采用具有良好导热性能的金属散热结构。虽然金属散热器等常用结构具有良好的散热能力，但是由于紧邻系统电路，可能产生有害的电磁耦合和寄生辐射，并影响系统内其他电子器件的正常工作，降低系统的电磁兼容性。另一方面，天线作为无线通信系统收发信号必不可少的关键器件，其工作特性将直接关系到无线通信系统的综合性能指标。而在天线附近的金属散热器，会对天线的阻抗，增益，方向图等性能参数产生干扰，在一定程度上影响无线通信系统高效稳定的工作。因此，天线和散热结构的和谐共存是迫切需要解决的关键问题。
4.为实现系统散热和通信性能的兼顾，现有的方案主要采用在微带贴片天线的顶部直接加装鳍状散热片的方式。此方案可以有效地改善系统散热，同时实现散热器与天线的一体化集成。但由于散热片的底座与贴片直接相连，其尺寸受到贴片尺寸的限制。当系统的工作频率升高至毫米频段时，贴片的尺寸较小，散热片难以实现与空气的有效热交换，导致散热性能下降。因此，需要通过电热协同的设计方法开发新型结构，实现天线和散热结构一体化，兼顾无线通信系统的电磁性能和散热需求。


技术实现要素：

5.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而采用金属vivaldi天线阵与散热片的一体化设计，将金属vivaldi天线阵作为散热结构的一部分，不但可以实现散热功能，同时具有较宽的工作带宽，并且天线两侧的鳍片式金属散热片还能有效增强天线的方向性，适用于宽带小型无线通信系统。
6.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
7.一种融合vivaldi天线阵与散热片的一体化结构，包括金属vivaldi天线阵6、鳍片式金属散热片7、散热片金属底座1，基板和微带馈线5；所述金属vivaldi天线阵6设于两个鳍片式金属散热片7中间；所述基板包括上下两层金属层，中间为介质层3，上层金属层2上设有与vivaldi天线阵相接触的矩形缝隙阵列9，下层金属层4上设有微带馈线5，介质层3中含有用于形成基片集成波导结构的金属化过孔阵列10。
8.所述金属vivaldi天线阵6沿e面组阵，相邻天线单元结构相连，所述天线单元结构外形轮廓满足指数曲线。
9.所述鳍片式金属散热片7与金属vivaldi天线阵6的间距大于半个波长。
10.所述鳍片式金属散热片7与金属vivaldi天线阵6的高度、厚度均相同。
11.所述散热片金属底座1上具有矩形开口阵列8。
12.所述矩形开口阵列8边缘与开口内的矩形缝隙阵列9边缘的距离为六分之一波长。
13.所述矩形缝隙阵列9将基片集成波导中的te
10
模式电磁波耦合到金属vivaldi天线阵6。
14.所述基板为高频印刷电路板。
15.所述介质层3中的金属化过孔阵列10构成的基片集成波导具有输入功率分配的功能。
16.所述微带馈线5包含微带线转基片集成波导结构。
17.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
18.(1)金属vivaldi天线阵不但具有散热功能，同时具有较宽的工作带宽；
19.(2)采用了金属vivaldi天线阵与散热片的一体化设计，避免了金属散热片结构引起的电磁兼容问题，天线两侧的鳍片式金属散热片还能有效增强天线的方向性；
20.(3)采用了基片集成波导结构作为天线馈电网络，其包含的大量金属化孔可同时作为导热通孔来降低散热通道的热阻，提升了结构的复用率，降低了系统的复杂度。
附图说明
21.图1为vivaldi天线阵与散热片一体化结构立体示意图；
22.图2为最顶层三维金属结构立体示意图；
23.图3为基片集成波导结构上表面示意图；
24.图4为基片集成波导结构下表面示意图；
25.图5为一体化结构增益随散热鳍片高度变化曲线；
26.图6为一体化结构增益随vivaldi天线阵与散热鳍片间距变化曲线；
27.图7为一体化结构温度随散热鳍片高度变化曲线；
28.图8为一体化结构反射系数曲线；
29.图9为一体化结构增益曲线；
30.图10为一体化结构e面辐射方向图；
31.图11为一体化结构h面辐射方向图。
32.图中：1、散热片金属底座，2、上层金属层，3、介质层，4、下层金属层，5、微带馈线，6、金属vivaldi天线阵，7、鳍片式金属散热片，8、矩形开口阵列，9、矩形缝隙阵列，10、金属化过孔阵列，11、调谐过孔。
具体实施方式
33.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
34.一种融合vivaldi天线阵与散热片的一体化结构，包括金属vivaldi天线阵6、鳍片式金属散热片7、散热片金属底座1，基板和微带馈线5；金属vivaldi天线阵6作为散热结构
的一部分，设于两个鳍片式金属散热片7中间；基板包括上下两层金属层，中间为介质层3，上层金属层2刻蚀了与vivaldi天线阵相接触的矩形缝隙阵列9用于馈电，在下层金属层4上设计了微带馈线5用于天线阵列的馈电，介质层3中含有用于形成基片集成波导结构的金属化过孔阵列10，作为天线阵列的馈电网络，同时降低散热通道的热阻。
35.金属vivaldi天线阵6沿e面组阵，单元之间的间距为半波长，相邻天线单元结构相连，天线阵总长度与散热鳍片长度相同。
36.金属vivaldi天线阵6的单元结构外形轮廓满足指数曲线，可根据实际工作频率确定曲线参数。
37.鳍片式金属散热片7位列金属vivaldi天线阵6的两侧，与天线阵的间距大于半个波长，共同构成一体化结构，可根据实际需求，增加散热片数量以提高散热效果。
38.鳍片式金属散热片7与金属vivaldi天线阵6的高度和厚度相同，可根据实际需求，增大鳍片式金属散热片7的厚度以提高散热效果。
39.矩形开口阵列8边缘与开口内的矩形缝隙阵列9边缘的距离至少为六分之一波长，可根据实际需求，增加间距。
40.矩形缝隙阵列9将基片集成波导中的te
10
模式电磁波耦合到金属vivaldi天线阵6。
41.介质层3中的金属化过孔阵列10构成的基片集成波导具有输入功率分配的功能，基片集成波导内含若干调谐过孔11，用于实现馈电网络的阻抗匹配。
42.微带馈线5包含微带线转基片集成波导结构，采用渐变式设计，将微带线中的准tem模电磁波转化为基片集成波导中的te
10
模式电磁波，可根据实际需求，采用其他模式转换结构来实现。
43.在具体实施过程中，本实施例提供了一种融合vivaldi天线阵与散热片的一体化结构，工作频率为25ghz，如图1所示。金属vivaldi天线阵6、鳍片式金属散热片7和散热片金属底座1采用3d打印技术加工实现。上层金属层2、介质层3、下层金属层4、金属化过孔阵列10和微带馈线5由pcb工艺加工而成。其中pcb介质板为rt/duroid 5880介质板，介电常数为2.2，损耗角正切为0.001，几何尺寸为40mm
×
55mm
×
0.508mm。散热片金属底座1尺寸为40mm
×
25mm
×
1mm。若工作频率改变，散热片和介质板的尺寸也相应改变。
44.如图2所示，金属vivaldi天线阵6的单元结构外形轮廓开口最大值为5mm，高度最大值为5mm，高度z和开口x满足指数曲线：z＝0.15exp[0.2ln(16.7x)]。
[0045]
如图2所示，金属vivaldi天线阵6与鳍片式金属散热片7的长度均为30mm，高度为4mm，厚度为1mm，间距为7.3mm。
[0046]
如图2所示，在散热片金属底座1上矩形开口阵列8的尺寸为9.6mm
×
4.3mm
×
1mm。
[0047]
如图3所示，矩形缝隙阵列9的尺寸为5.6mm
×
0.3mm。
[0048]
如图4所示，微带馈线5的尺寸为6mm
×
1.62mm。
[0049]
图5为所述一体化结构增益随散热鳍片高度变化曲线。可得，当散热鳍片高度为4mm时，可使增益达到最大值。
[0050]
图6为所述一体化结构增益随vivaldi天线阵与散热鳍片间距变化曲线。可得，当间距为7.3mm时，可使增益达到最大值。
[0051]
图7为所述一体化结构温度随散热鳍片高度变化曲线。可得，增加散热鳍片的高度可降低一体化结构温度。
[0052]
图8为所述一体化结构的反射系数，其-10db阻抗带宽为7.2ghz，相对带宽为28.8％。
[0053]
图9为所述一体化结构的增益曲线，其在工作频率25ghz处增益为14.3dbi，最大增益为15.5dbi，3db增益带宽为9.9ghz，相对带宽为39.6％。
[0054]
图10为所述一体化结构e面辐射方向图，3db主瓣波束宽度为20
°
。
[0055]
图11为所述一体化结构h面辐射方向图，3db主瓣波束宽度为40
°
。
[0056]
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。