CN101276957B - 基于半模基片集成波导腔体的多阻带超宽带天线 - Google Patents

Abstract

基于半模基片集成波导腔体的多阻带超宽带天线涉及一种可应用于短距离无线通信，数据传输的超宽带天线技术，包括两层介质基片，在下层介质基片(5)的下表面设有下层金属铜箔(10)，在下层介质基片与上层介质基片(4)之间设有中间金属层(7)和粘合层(6)，在上层介质基片的上表面敷设有上金属铜箔制成的圆盘天线(1)、微带馈线(2)、微带阻抗变换线(3)，圆盘天线(1)通过微带阻抗变换线(3)与微带馈线(2)相接，圆盘天线(1)的地由中间层金属层(7)构成；半模腔体(11)是由中间金属层(7)和下层金属铜箔、下层介质基片、以及连接中间金属层(7)和下层金属铜箔的金属化通孔(12)构成，半模腔体中还设有内金属化通孔(13)。

Description

基于半模基片集成波导腔体的多阻带超宽带天线

技术领域

本发明涉及一种可应用于短距离无线通信，数据传输的超宽带天线技术，该类天线可有效地解决宽带通信系统受其它现有窄带通信系统信号干扰的问题。它采用了半模基片集成波导(Half Mode Substrate Integrated Waveguide HMSIW)以及双层平面印刷电路技术，特别适合于需要抑制多个干扰或者工作于多频带的宽带通信系统中。

背景技术

超宽带通信系统在近五年的时间内取得了很大的进展，但是它的广泛应用仍然面临着许多需要解决的实际问题。其中一个重要的困难是如何处理来自其它通信或邻近射频系统的干扰，比如WLAN(无线局域网)工作在2.4GHz(2400-2484MHz)，5.2GHz(5150-5350MHz)，和5.8GHz(5725-5825MHz)处，WiMAX(微波存取全球互通)系统工作在2.5GHz(2500-2690MHz)，3.5GHz(3400-3690MHz)和5.8GHz(5250-5825MHz)处，其它还有蓝牙或全球定位系统等，它们都将对超宽带工作系统构成干扰。另一方面，很多系统都要求进行多频带工作。因此，设计一种具有多个阻带的宽带天线，用来滤除其它窄带信号的干扰，或者形成多个间隔的工作频带，是非常有必要的。较常用的方法在贴片上开槽，比如U形，V形和L形槽等。另一种方法是在贴片上加载圆形或者方形的开口谐振环，或者设计多个工作在不同频带的天线相互形成阻带。这三种方法存在固有的局限性，一方面所形成的阻带品质因素比较低，带宽过大，抑制较小。另一方面是较难形成多个阻带，天线性能也会在形成多阻带时恶化。因此，需要寻找其它更有效的方法。基片集成波导(SIW)相比于微带传输线等具有较高的品质因素，损耗低，功率容量大，并且能很好地实现与平面系统集成。半模基片集成波导(HMSIW)在此基础上进一步减小了腔体体积，它们可利用普通PCB工艺实现，便于加工。因此可以尝试利用基片集成波导技术实现高性能的多阻带超宽带天线。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提出一种基于半模基片集成波导腔体的多阻带超宽带天线，它使用了半模基片集成波导腔体技术，可以产生多个阻带，并且产生的阻带具有很高的品质因素，它可以很好的满足现代宽带通信系统需要很好地抑制多方干扰的要求，同时也适合应用于多频带通信系统中。

技术方案：本发明提供了一类高性能的多阻带超宽带天线，它是基于圆盘天线，渐变微带馈线，半模基片集成波导等技术之上设计而成的，它采用了双层PCB板工艺，天线馈线及辐射贴片设计在上层，腔体设计在下层，通过在中间金属层开缝隙进行耦合。该天线集成度高，阻带抑制效果好，在宽带通信系统中具有很好的应用前景。

本发明采用如下技术方案：

该天线包括两层介质基片，在下层介质基片的下表面设有下层金属铜箔，在下层介质基片与上层介质基片之间设有中间金属层和粘合层，在上层介质基片的上表面敷设有上金属铜箔制成的圆盘天线、微带馈线、微带阻抗变换线，圆盘天线通过微带阻抗变换线与微带馈线相接，圆盘天线的地由中间层金属层构成；半模腔体是由中间金属层和下层金属铜箔、下层介质基片、以及连接中间金属层和下层金属铜箔的金属化通孔构成的，半模腔体中还设有内金属化通孔，可以起到调整谐振频率，从而调整阻带位置的作用。在中间层金属上切除了一个准半圆形区域以改善天线的辐射性能并且减小天线的尺寸；在中间层金属上同时开了一个长矩形槽，它的作用是将能量在微带馈线与半模腔体间进行耦合。

长矩形槽长度和半模腔体的一边大小很接近，这样使下层的腔体构成了一个半模腔体，该腔体由于其开口边界而不能支持全模方式，只能形成半模，从而使腔体尺寸和阻带的间隔增大了。微带馈线处于开口缝隙的中间，即腔体的正中间。开口缝隙可以位于端口处或者靠近圆盘处，从而可以靠调整微带线的宽度控制耦合量，起到控制阻带带宽的作用。

腔体内的金属化通孔可以起到调整谐振频率，从而调整阻带位置的作用，它们并不是必须的，需要同时调整3个以上阻带时比较有用。由于微带位于腔体的正上方中心处，因此Y方向上的偶数模式，由于电场在中间最弱，也无法耦合出来，从而不会影响传输特性。能量由微带馈入，在非谐振点上，通过圆盘辐射出去，在谐振点上，能量通过槽耦合到腔体后，经过反射再由槽耦合到微带上，返回到输入端。腔体起短路的作用，因而能量无法到达圆盘处。

有益效果：

1.该类天线可以提供多个阻带，因此可以屏蔽来自多方面的信号干扰，而一般的阻带天线仅能提供一到两个阻带。天线提供的阻带带宽和位置均是可控的，能适用于各种具体的要求。阻带频率可以通过改变腔体尺寸和腔内金属孔进行调整，而带宽调整可以通过改变耦合槽和微带线宽度实现。

2.该类天线所产生的阻带具有极高的Q值，阻带比较陡，带宽较小，抑制比较充分，非常适合用于抵抗现有WLAN和WiMAX等系统的干扰。

3.该类天线使用了基片集成波导半模腔体技术，有效地减小了腔体尺寸，有利于天线的小型化和集成化。

4.该类天线可以使用PCB工艺加工实现，设计比较简单，平面结构适合与其它电路进行集成，下方的封闭腔体不会影响上方电路布线，也不会影响辐射单元的性能。

附图说明

图1是基于基片集成波导半模腔体的多阻带宽带天线结构示意图，其中图1

(a)为3-D整体效果图，图1(b)为侧视图。h₁为上层介质厚度，h₂为粘合层厚度，h₃为下层介质厚度。

图2是多阻带宽带天线俯视结构图(a)参数示意图，(b)各实施实例中的参数大小表(单位：MM)。gl为天线的整体长度，gw为天线的整体宽度，tw为微带馈入线的宽度，tl为微带馈入线的长度，d₁为微带渐变线的长度，w₂为圆盘馈入点的微带宽度，d₂为圆盘边缘与中间层半圆弧槽一边的距离，dl为圆盘的直径，l为半圆弧槽的直径，sw和sl为缝隙耦合槽的宽度和长度，sx为腔体的边与缝隙耦合槽的一边的距离，rx为腔体的一边和腔体内金属化通孔的距离，rl为腔体的另一边和深入腔体内部的金属化通孔的最大距离。cl和cw为腔体的长度和宽度。df为下层金属铜箔的长度，d₃为半圆弧槽中矩形的长度。

图3是天线回波损耗测试和仿真结果，虚线为仿真结果，实线为测试结果(a)双阻带，(b)三阻带，(c)四阻带。

图4是天线方向性图测试结果(a)双阻带，(b)三阻带，(c)四阻带。

具体实施方式

多阻带宽带天线(如图1-2所示)包括两层介质基片4和5，在5的上下表面均直接敷金属铜7和10，然后通过一层粘合剂6和上层介质4连接，在介质基片4的上表面同样敷金属铜。在上层介质基片4的上表面敷设有上金属铜箔制成的圆盘天线1、微带馈线2、微带阻抗变换线3，微带以及天线的地由中间层金属7构成，在天线的地7上切除了一个准半圆形区域8以改善天线的辐射性能并且减小天线的尺寸。在7上同时开了一个长矩形槽9，它的作用是将能量在微带和腔体间进行耦合。同时，槽和腔体的一边大小基本等长，可以使腔体构成一个半模腔体11，因为此时无法激励起全模，半模腔体的好处是尺寸几乎是全模腔体尺寸的一半，同时由于腔体无法在X方向上激励起偶次模式，因此产生的阻带之间的间隔拓展了，由此天线的工作带宽也可以展宽。半模腔体是由金属层7和10，基片5，以及四个边上的金属化通孔12构成的，槽9起开口边界的作用。

实施例1为半模腔体双阻带宽带天线，实施例2为半模腔体三阻带宽带天线，实施例3为半模腔体四阻带宽带天线。

天线设计所使用的上下两层基片材料均为Taconic TLY-5，介电常数为2.2，正切角损耗为0.0009，所使用的粘合剂材料为Taconic TPG-30，介电常数为3.0，正切角损耗为0.0038。基片厚度为0.508mm，粘合层厚度为0.12mm，如图1所示。所使用金属为0.018mm厚的铜。实施例1：对于双阻带天线，槽设计在腔体的右方，及靠近辐射圆盘的一边，所使用的两个模式为半TE₁₀₁模和半TE₃₀₁模，腔体较小，所设计的阻带频率位于3.5GHz和5.8GHz处，是WLAN和WiMAX的工作频率。实施例2：对于三阻带天线，槽设置在腔体左边靠近输入端口处，腔体内部使用了金属化通孔调整阻带位置，所设计的阻带位置位于2.4GHz，3.5GHz和5.2GHz处，同样是WLAN和WiMAX的工作频率，所用的模式类似为半TE₁₀₁模，半TE₁₀₃模，半TE₁₀₅模。实施例3：四阻带天线的耦合槽位于腔体的左边，靠近输入端口。所使用的模式为半TE₁₀₁模，半TE₁₀₃模，半TE₁₀₅模和半TE₁₀₇模。图2说明了所设计的三个天线各个参数的值。图3为天线的回波损耗测试结果，图4为测得的天线方向性图。

Claims (4)

1.一种基于半模基片集成波导腔体的多阻带超宽带天线，其特征在于该天线包括两层介质基片，在下层介质基片(5)的下表面直接敷有下层金属铜箔(10)，在下层介质基片(5)与上层介质基片(4)之间直接敷有中间金属层(7)和粘合层(6)，在上层介质基片(4)的上表面敷设有上金属铜箔制成的圆盘天线(1)、微带馈线(2)、微带阻抗变换线(3)，圆盘天线(1)通过微带阻抗变换线(3)与微带馈线(2)相接，圆盘天线(1)的地由中间层金属层(7)构成；半模腔体(11)是由中间金属层(7)和下层金属铜箔(10)、下层介质基片(5)、以及连接中间金属层(7)和下层金属铜箔(10)的金属化通孔(12)构成，半模腔体(11)中还设有内金属化通孔(13)，可以起到调整谐振频率，从而调整阻带位置的作用；在中间层金属(7)上同时开了一个长矩形槽(9)，对于双阻带天线，长矩形槽(9)设计在腔体的右方，即靠近辐射圆盘的一边；对于三阻带天线，长矩形槽(9)设置在腔体左边靠近输入端口处；对于四阻带天线的长矩形槽(9)位于腔体的左边，靠近输入端口；

长矩形槽(9)长度和半模腔体(11)的一边大小很接近，这样使下层的腔体(11)构成了一个半模腔体，该腔体由于其一边长矩形耦合槽而形成的开放边界条件而不能支持全模方式，只能形成半模，从而使腔体尺寸变小了，阻带之间的间隔增大了。

2.根据权利要求1所述的基于半模基片集成波导腔体的多阻带超宽带天线，其特征在于在中间层金属(7)上切除了一个准半圆形区域(8)以改善天线的辐射性能并且减小天线的尺寸。

3.根据权利要求1所述的基于半模基片集成波导腔体的多阻带超宽带天线，其特征在于微带馈线(2)处于长矩形槽(9)的中间，即腔体的正中间。

4.根据权利要求1所述的基于半模基片集成波导腔体的多阻带超宽带天线，其特征在于长矩形槽(9)可以位于端口处或者靠近圆盘处，从而可以靠调整微带线的宽度控制耦合量，起到控制阻带带宽的作用。

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