CN103594779A - 用于毫米波频段的基片集成天线及其阵列天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种在高增益应用时能够实现宽频/多频特性的用于毫米波频段的基片集成天线及其阵列天线。该天线通过在第二金属覆铜层设置两条长度不同的缝隙，且第一缝隙与第一基片集成波导单元中心线之间的距离和第二缝隙距离第一基片集成波导单元中心线的距离不相同，可引入不同频率的谐振特性，当两个谐振频点落在工作频带内，分别位于该频段的高端和低端，相隔较近，可以耦合连通起来，从而改善整个频带内天线驻波特性，实现宽频带特性；当两个谐振频点相隔较远，耦合较弱，不能连通起来，就形成了两个单独谐振，形成双频特性，从而在高增益应用时能够实现宽频/多频特性。适合在微波毫米波天线技术领域推广应用。

Description

用于毫米波频段的基片集成天线及其阵列天线
技术领域
本发明涉及微波毫米波天线技术领域，具体涉及一种用于毫米波频段的基片集成天线及其阵列天线。
背景技术
在各种无线通信系统中，信息的发射与接收均依赖于天线。无线移动通信技术的发展，要求微波毫米波通信天线在保证电气性能的同时，尽可能实现平面化、高增益、宽频带或多频带等特性。
传统天线实现形式主要有两种：波导类立体结构天线和微带类平面结构天线。波导类天线具有损耗低等优良特性，但是体积大、重量重、成本高、不利于和平面电路集成。微带类天线具有易于加工、低剖面、易于和平面电路集成等优点，但是电磁辐射强、损耗大。这两类天线有各自优点，但是也有不可避免的缺点，在实际应用中，有很多局限性。
基片集成波导作为一种新的传输线，结合了波导类和微带类的优良特性，平面化、损耗小、易于加工和集成。由于这些优良特性，基片集成波导在天线设计中，有着广泛应用。由于传统基片集成波导天线的增益与带宽矛盾难以解决，近年来多层电路结构成为了毫米波基片集成阵列天线的高增益宽带应用的最佳选择之一。
例如，有文献提出了两种可适用于毫米波频段的基片集成阵列天线。第一种结构为包含三层介质层和三层金属覆铜层的阵列天线，下层金属覆铜层、中层金属覆铜层和下层介质层构成基片集成波导功分器和纵向缝隙耦合馈电网络，上层金属覆铜层为圆形贴片辐射单元，中层介质层为上层金属覆铜层中贴片辐射单元提供支撑，上层介质层为增大阵列增益的立体块状介质。第二种阵列天线与第一种阵列天线在功分器和馈电网络形式上相同，只是第一种阵列天线的上层介质层中的立体块状介质变化为包含圆环的类似八木天线的四层介质。上述结构中每一层介质材料均需采用昂贵的高频板以满足天线在毫米波频段高效率的要求；而介质层的厚度与工作波长相关，选择受到制约；采用了串联缝隙馈电，单元数目越多，缝隙数目越多，工作带宽越窄，从而导致该结构难以实现大阵列高增益应用时的宽带需求；馈电结构面积较大，不利于小型化，增加成本。
又如，还有文献提出了第三种可适用于毫米波频段的基片集成阵列天线。该结构包含三层金属覆铜层和两层介质层，下层金属覆铜层、中层金属覆铜层和下层介质层构成基片集成波导功分器和纵向缝隙耦合馈电网络，上层金属覆铜层为圆形贴片辐射单元，上层介质层为上层金属覆铜层中贴片辐射单元提供支撑。第三种可适用于毫米波频段的基片集成阵列天线采用与前两种可适用于毫米波频段的基片集成阵列天线类似的馈电网络，从而导致该结构难以实现大阵列高增益应用时的宽带需求。
因此，现有的用于毫米波频段的基片集成阵列天线没有很好的解决高增益和宽频带或多频带之间的矛盾，要同时实现阵列天线平面化、高增益、宽频带或多频带等特性，困难较大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种在高增益应用时能够实现宽频/多频特性的用于毫米波频段的基片集成天线。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：该用于毫米波频段的基片集成天线，包括从上往下依次层叠设置的第一金属覆铜层、第一介质层、第二金属覆铜层、第二介质层和第三金属覆铜层，所述第一介质层上设置有辐射单元，所述辐射单元包括设置在第一介质层上的辐射通孔并且所述辐射通孔贯穿第一金属覆铜层、第一介质层；所述第二介质层上设置有耦合馈电单元，所述耦合馈电单元包括第一基片集成波导单元和馈电单元，在第二介质层上设置U形金属化通孔阵列并且所述U形金属化通孔阵列贯穿第二金属覆铜层、第二介质层和第三金属覆铜层形成所述第一基片集成波导单元，所述U形金属化通孔阵列包括两排平行于第一基片集成波导单元中心线的金属化通孔和一排垂直于第一基片集成波导单元中心线的金属化通孔，所述馈电单元包括两条设置在第二金属覆铜层上并且平行于第一基片集成波导单元中心线的缝隙，分别为第一缝隙、第二缝隙，第一缝隙的长度小于第二缝隙的长度，第一缝隙、第二缝隙位于U形金属化通孔阵列围成的U形空间内并且位于辐射通孔下方，第一缝隙与第一基片集成波导单元中心线之间的距离和第二缝隙距离第一基片集成波导单元中心线的距离不相同。
进一步的是，所述辐射通孔的横截面为圆形。
本发明了还提供了一种在高增益应用时能够实现宽频/多频特性的用于毫米波频段的基片集成阵列天线。该用于毫米波频段的基片集成阵列天线，包括从上往下依次层叠设置的第一金属覆铜层、第一介质层、第二金属覆铜层、第二介质层和第三金属覆铜层，所述第一介质层上设置有多个辐射单元，所述每个辐射单元包括设置在第一介质层上的辐射通孔并且所述辐射通孔贯穿第一金属覆铜层、第一介质层；所述第二介质层上设置有多个耦合馈电单元，所述多个耦合馈电单元分别与多个辐射单元一一对应，所述每个耦合馈电单元包括第一基片集成波导单元和馈电单元，在第二介质层上设置U形金属化通孔阵列并且所述U形金属化通孔阵列贯穿第二金属覆铜层、第二介质层和第三金属覆铜层形成所述第一基片集成波导单元，所述U形金属化通孔阵列包括两排平行于第一基片集成波导单元中心线的金属化通孔和一排垂直于第一基片集成波导单元中心线的金属化通孔，所述馈电单元包括两条设置在第二金属覆铜层上并且平行于第一基片集成波导单元中心线的缝隙，分别为第一缝隙、第二缝隙，第一缝隙的长度小于第二缝隙的长度，第一缝隙、第二缝隙位于U形金属化通孔阵列围成的U形空间内并且位于辐射通孔下方，第一缝隙与第一基片集成波导单元中心线之间的距离和第二缝隙距离第一基片集成波导单元中心线的距离不相同；所述第二介质层上还设置有用于给每个耦合馈电单元馈电的功分器网络。
进一步的是，所述功分器网络由多级子网络构成，每一级子网络包括多个“T”形头，上一级子网络的“T”形头的两个输出端分别与下一级子网络的两个“T”形头的输入端连接，周期排列下去共同组成功分器网络，所述“T”形头由三个第二基片集成波导单元组成，在第二介质层上设置两排金属化通孔并且所述金属化通孔贯穿第二金属覆铜层、第二介质层和第三金属覆铜层形成所述第二基片集成波导单元。
进一步的是，所述辐射通孔的横截面为圆形。
本发明的有益效果：本发明所述的用于毫米波频段的基片集成天线及其阵列天线通过在第二金属覆铜层设置两条长度不同的缝隙，且第一缝隙与第一基片集成波导单元中心线之间的距离和第二缝隙距离第一基片集成波导单元中心线的距离不相同，可引入不同频率的谐振特性，通过调节两个谐振频率的相对位置，可以实现宽频带和双频带耦合馈电特性，当两个谐振频点落在工作频带内，分别位于该频段的高端和低端，相隔较近，可以耦合连通起来，从而改善整个频带内天线驻波特性，实现宽频带特性；当两个谐振频点相隔较远，耦合较弱，不能连通起来，就形成了两个单独谐振，形成双频特性，从而在高增益应用时能够实现宽频/多频特性，此外，由于电磁波无需在第一介质层中传输，减小了辐射过程中的介质损耗，同时可以采用低价介质基片实现，可大大降低成本。
附图说明
图1是本发明用于毫米波频段的基片集成天线及其阵列天线的三维结构示意图；
图2是本发明用于毫米波频段的基片集成天线的第一金属覆铜层的结构示意图；
图3是本发明用于毫米波频段的基片集成天线的第二金属覆铜层的结构示意图；
图4是本发明用于毫米波频段的基片集成阵列天线的第一金属覆铜层的结构示意图；
图5是本发明用于毫米波频段的基片集成阵列天线的第二金属覆铜层的结构示意图；
图中标记说明：第一金属覆铜层1、第一介质层2、第二金属覆铜层3、第二介质层4、第三金属覆铜层5、辐射通孔6、金属化通孔7、第一缝隙8、第二缝隙9。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
如图1、2、3所示，该用于毫米波频段的基片集成天线，包括从上往下依次层叠设置的第一金属覆铜层1、第一介质层2、第二金属覆铜层3、第二介质层4和第三金属覆铜层5，所述第一介质层2上设置有辐射单元，所述辐射单元包括设置在第一介质层2上的辐射通孔6并且所述辐射通孔6贯穿第一金属覆铜层1、第一介质层2；所述第二介质层4上设置有耦合馈电单元，所述耦合馈电单元包括第一基片集成波导单元和馈电单元，在第二介质层4上设置U形金属化通孔阵列并且所述U形金属化通孔阵列贯穿第二金属覆铜层3、第二介质层4和第三金属覆铜层5形成所述第一基片集成波导单元，所述U形金属化通孔阵列包括两排平行于第一基片集成波导单元中心线的金属化通孔7和一排垂直于第一基片集成波导单元中心线的金属化通孔7，所述馈电单元包括两条设置在第二金属覆铜层3上并且平行于第一基片集成波导单元中心线的缝隙，分别为第一缝隙8、第二缝隙9，第一缝隙8的长度小于第二缝隙9的长度，第一缝隙8、第二缝隙9位于U形金属化通孔阵列围成的U形空间内并且位于辐射通孔6下方，第一缝隙8与第一基片集成波导单元中心线之间的距离和第二缝隙9距离第一基片集成波导单元中心线的距离不相同。该用于毫米波频段的基片集成天线通过在第二金属覆铜层3设置两条长度不同的缝隙，且第一缝隙8与第一基片集成波导单元中心线之间的距离和第二缝隙9距离第一基片集成波导单元中心线的距离不相同，可引入不同频率的谐振特性，通过调节两个谐振频率的相对位置，可以实现宽频带和双频带耦合馈电特性，当两个谐振频点落在工作频带内，分别位于该频段的高端和低端，相隔较近，可以耦合连通起来，从而改善整个频带内天线驻波特性，实现宽频带特性；当两个谐振频点相隔较远，耦合较弱，不能连通起来，就形成了两个单独谐振，形成双频特性，从而在高增益应用时能够实现宽频/多频特性，此外，由于电磁波无需在第一介质层2中传输，减小了辐射过程中的介质损耗，同时可以采用低价介质基片实现，可大大降低成本。
天线宽频带工作时，中心频率为f0，工作带宽为BW，根据宽频带的要求，同时考虑第一缝隙8、第二缝隙9之间的耦合，第一缝隙8长度理论值大约为f0+0.25×BW频率对应工作波长的0.4～0.45倍，第二缝隙9长度理论值大约f0-0.25×BW频率对应工作波长的0.45～0.5倍；天线双频带工作时，设各频带中心频率由低到高分别为f1、f2，第一缝隙8长度理论值大约为f1频率对应工作波长的0.5～0.55，第二缝隙9长度理论值大约为f2频率对应工作波长的0.45～0.5倍。
所述辐射通孔6的横截面形状可以是矩形、菱形、椭圆形、三角形、六边形等类似结构，，作为优选的是：所述辐射通孔6的横截面优选为圆形，圆形通孔类似于开口圆波导，主模传输、辐射电磁能量，设辐射通孔6半径为a，根据圆波导单模传输条件，λ/3.41<a<λ/2.61，从而可以确定辐射通孔6的半径范围，由于开口圆波导有类似喇叭天线的辐射特性，大口径利于辐射能量，增益大，同时，由于两条长度不同的缝隙馈电导致天线辐射方向图不对称，调节辐射通孔6内径尺寸可以矫正辐射方向图。
实施例A
本实施例中用于毫米波频段的基片集成天线的中心频率为73.5GHz，对其在HFSS中进行电磁全波仿真。选用的第一介质层2为RF35，介电常数为3.5，厚度为1.52mm，损耗角正切为0.0018，辐射通孔6的直径为3mm，第二介质层4为Rogers5880，介电常数为2.2，厚度为0.508mm，损耗角正切为0.0009，金属化通孔7的直径为0.3mm，孔心距为0.6mm，第一基片集成波导单元宽度为1.86mm，第一缝隙8长度为1.7mm，宽度为0.2mm，第一缝隙8与第一基片集成波导单元中心线之间的距离为0.26mm，第二缝隙9长度为2mm，宽度为0.2mm，第二缝隙9与第一基片集成波导单元中心线之间的距离为0.1mm，此时天线在宽频带工作。HFSS仿真结果表明，在71～76GHz的范围内，端口a馈电时，反射系数S11小于–12dB，天线增益大于8.1dBi。
若要使上述用于毫米波频段的基片集成天线在双频带工作，其工作频带为71～73GHz和82～84GHz，只需调整辐射通孔6的直径为2.6mm，第一基片集成波导单元宽度为1.8mm，第一缝隙8长度为1.72mm，宽度为0.2mm，第一缝隙8与第一基片集成波导单元中心线之间的距离为0.24mm，第二缝隙9长度为2.2mm，宽度为0.2mm，第二缝隙9与第一基片集成波导单元中心线之间的距离为0.12mm，即可使天线在双频带工作，对调整后的天线在HFSS中进行电磁全波仿真。HFSS仿真结果表明，端口a馈电时，在71～73GHz的范围内，反射系数S11小于–11dB，天线增益大于7.3dBi；在82～84GHz的范围内，反射系数S11小于–10dB，天线增益大于7.5dBi。
本发明了还提供了一种在高增益应用时能够实现宽频/多频特性的用于毫米波频段的基片集成阵列天线。如图1、4、5所示，该用于毫米波频段的基片集成阵列天线，包括从上往下依次层叠设置的第一金属覆铜层1、第一介质层2、第二金属覆铜层3、第二介质层4和第三金属覆铜层5，所述第一介质层2上设置有多个辐射单元，所述每个辐射单元包括设置在第一介质层2上的辐射通孔6并且所述辐射通孔6贯穿第一金属覆铜层1、第一介质层2；所述第二介质层4上设置有多个耦合馈电单元，所述多个耦合馈电单元分别与多个辐射单元一一对应，所述每个耦合馈电单元包括第一基片集成波导单元和馈电单元，在第二介质层4上设置U形金属化通孔阵列并且所述U形金属化通孔阵列贯穿第二金属覆铜层3、第二介质层4和第三金属覆铜层5形成所述第一基片集成波导单元，所述U形金属化通孔阵列包括两排平行于第一基片集成波导单元中心线的金属化通孔7和一排垂直于第一基片集成波导单元中心线的金属化通孔7，所述馈电单元包括两条设置在第二金属覆铜层3上并且平行于第一基片集成波导单元中心线的缝隙，分别为第一缝隙8、第二缝隙9，第一缝隙8的长度小于第二缝隙9的长度，第一缝隙8、第二缝隙9位于U形金属化通孔阵列围成的U形空间内并且位于辐射通孔6下方，第一缝隙8与第一基片集成波导单元中心线之间的距离和第二缝隙9距离第一基片集成波导单元中心线的距离不相同；所述第二介质层4上还设置有用于给每个耦合馈电单元馈电的功分器网络。该用于毫米波频段的基片集成阵列天线通过在第二金属覆铜层3设置多个馈电单元，所述馈电单元包括两条长度不同的缝隙，且第一缝隙8与第一基片集成波导单元中心线之间的距离和第二缝隙9距离第一基片集成波导单元中心线的距离不相同，可引入不同频率的谐振特性，通过调节两个谐振频率的相对位置，可以实现宽频带和双频带耦合馈电特性，当两个谐振频点落在工作频带内，分别位于该频段的高端和低端，相隔较近，可以耦合连通起来，从而改善整个频带内天线驻波特性，实现宽频带特性；当两个谐振频点相隔较远，耦合较弱，不能连通起来，就形成了两个单独谐振，形成双频特性，从而在高增益应用时能够实现宽频/多频特性，此外，由于电磁波无需在第一介质层2中传输，减小了辐射过程中的介质损耗，同时可以采用低价介质基片实现，可大大降低成本，再者，阵列天线采用并馈的方式实现，不会改变天线单元的宽带或多频带特性，可解决宽带工作与高增益需求的矛盾。
进一步的是，所述功分器网络由多级子网络构成，每一级子网络包括多个“T”形头，上一级子网络的“T”形头的两个输出端分别与下一级子网络的两个“T”形头的输入端连接，周期排列下去共同组成功分器网络，所述“T”形头由三个第二基片集成波导单元组成，在第二介质层4上设置两排金属化通孔7并且所述金属化通孔7贯穿第二金属覆铜层3、第二介质层4和第三金属覆铜层5形成所述第二基片集成波导单元。这种结构的功分器网络，结构紧凑，可以整体位于辐射单元正下方，不会像传统功分器那样增加额外电路面积，有利于阵列小型化，降低成本。
所述辐射通孔6的横截面形状可以是矩形、菱形、椭圆形、三角形、六边形等类似结构，，作为优选的是：所述辐射通孔6的横截面优选为圆形，圆形通孔类似于开口圆波导，主模传输、辐射电磁能量，设辐射通孔6半径为a，根据圆波导单模传输条件，λ/3.41<a<λ/2.61，从而可以确定辐射通孔6的半径范围，由于开口圆波导有类似喇叭天线的辐射特性，大口径利于辐射能量，增益大，同时，由于两条长度不同的缝隙馈电导致天线辐射方向图不对称，调节辐射通孔6内径尺寸可以矫正辐射方向图。
实施例B
本实施例中用于毫米波频段的基片集成阵列天线的中心频率为73.5GHz，对其在HFSS中进行电磁全波仿真。选用的第一介质层2为RF35，介电常数为3.5，厚度为1.52mm，损耗角正切为0.0018，辐射通孔6的直径为3mm，间距为E面3.8mm，H面4.4mm，第二介质层4为Rogers5880，介电常数为2.2，厚度为0.508mm，损耗角正切为0.0009，金属化通孔7的直径为0.3mm，孔心距为0.6mm，第一基片集成波导单元宽度为1.9mm，第一缝隙8长度为1.7mm，宽度为0.2mm，第一缝隙8与第一基片集成波导单元中心线之间的距离为0.26mm，第二缝隙9长度为1.9mm，宽度为0.2mm，第二缝隙9与第一基片集成波导单元中心线之间的距离为0.1mm，此时天线在宽频带工作。HFSS仿真结果表明，在71～76GHz的范围内，端口a馈电时，反射系数S11小于–15dB，阵列增益大于26.5dBi。
若要使上述用于毫米波频段的基片集成阵列天线在双频带工作，其工作频带为71～72.25GHz和81-82.25GHz，只需调整辐射通孔6的直径为2.6mm，间距为E面3.6mm，H面4.6mm，第一基片集成波导单元宽度为1.8mm，第一缝隙8长度为1.76mm，宽度为0.2mm，第一缝隙8与第一基片集成波导单元中心线之间的距离为0.25mm，第二缝隙9长度为2.2mm，宽度为0.2mm，第二缝隙9与第一基片集成波导单元中心线之间的距离为0.12mm，即可使天线在双频带工作，对调整后的天线在HFSS中进行电磁全波仿真。HFSS仿真结果表明，端口a馈电时，在71～72.25GHz范围内，反射系数S11小于–13dB，阵列增益大于25.8dBi；在81～82.25GHz范围内，反射系数S11小于–15dB，阵列增益大于26.1dBi。

Claims (5)

1.用于毫米波频段的基片集成天线，包括从上往下依次层叠设置的第一金属覆铜层（1）、第一介质层（2）、第二金属覆铜层（3）、第二介质层（4）和第三金属覆铜层（5），其特征在于：所述第一介质层（2）上设置有辐射单元，所述辐射单元包括设置在第一介质层（2）上的辐射通孔（6）并且所述辐射通孔（6）贯穿第一金属覆铜层（1）、第一介质层（2）；所述第二介质层（4）上设置有耦合馈电单元，所述耦合馈电单元包括第一基片集成波导单元和馈电单元，在第二介质层（4）上设置U形金属化通孔阵列并且所述U形金属化通孔阵列贯穿第二金属覆铜层（3）、第二介质层（4）和第三金属覆铜层（5）形成所述第一基片集成波导单元，所述U形金属化通孔阵列包括两排平行于第一基片集成波导单元中心线的金属化通孔（7）和一排垂直于第一基片集成波导单元中心线的金属化通孔（7），所述馈电单元包括两条设置在第二金属覆铜层（3）上并且平行于第一基片集成波导单元中心线的缝隙，分别为第一缝隙（8）、第二缝隙（9），第一缝隙（8）的长度小于第二缝隙（9）的长度，第一缝隙（8）、第二缝隙（9）位于U形金属化通孔阵列围成的U形空间内并且位于辐射通孔（6）下方，第一缝隙（8）与第一基片集成波导单元中心线之间的距离和第二缝隙（9）距离第一基片集成波导单元中心线的距离不相同。
2.如权利要求1所述的用于毫米波频段的基片集成天线，其特征在于：所述辐射通孔（6）的横截面为圆形。
3.用于毫米波频段的基片集成阵列天线，包括从上往下依次层叠设置的第一金属覆铜层（1）、第一介质层（2）、第二金属覆铜层（3）、第二介质层（4）和第三金属覆铜层（5），其特征在于：所述第一介质层（2）上设置有多个辐射单元，所述每个辐射单元包括设置在第一介质层（2）上的辐射通孔（6）并且所述辐射通孔（6）贯穿第一金属覆铜层（1）、第一介质层（2）；所述第二介质层（4）上设置有多个耦合馈电单元，所述多个耦合馈电单元分别与多个辐射单元一一对应，所述每个耦合馈电单元包括第一基片集成波导单元和馈电单元，在第二介质层（4）上设置U形金属化通孔阵列并且所述U形金属化通孔阵列贯穿第二金属覆铜层（3）、第二介质层（4）和第三金属覆铜层（5）形成所述第一基片集成波导单元，所述U形金属化通孔阵列包括两排平行于第一基片集成波导单元中心线的金属化通孔（7）和一排垂直于第一基片集成波导单元中心线的金属化通孔（7），所述馈电单元包括两条设置在第二金属覆铜层（3）上并且平行于第一基片集成波导单元中心线的缝隙，分别为第一缝隙（8）、第二缝隙（9），第一缝隙（8）的长度小于第二缝隙（9）的长度，第一缝隙（8）、第二缝隙（9）位于U形金属化通孔阵列围成的U形空间内并且位于辐射通孔（6）下方，第一缝隙（8）与第一基片集成波导单元中心线之间的距离和第二缝隙（9）距离第一基片集成波导单元中心线的距离不相同；所述第二介质层（4）上还设置有用于给每个耦合馈电单元馈电的功分器网络。
4.如权利要求3所述的用于毫米波频段的基片集成阵列天线，其特征在于：所述功分器网络由多级子网络构成，每一级子网络包括多个“T”形头，上一级子网络的“T”形头的两个输出端分别与下一级子网络的两个“T”形头的输入端连接，周期排列下去共同组成功分器网络，所述“T”形头由三个第二基片集成波导单元组成，在第二介质层（4）上设置两排金属化通孔（7）并且所述金属化通孔（7）贯穿第二金属覆铜层（3）、第二介质层（4）和第三金属覆铜层（5）形成所述第二基片集成波导单元。
5.如权利要求4所述的用于毫米波频段的基片集成阵列天线，其特征在于：所述辐射通孔（6）的横截面为圆形。
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