CN104901004A - 一种高增益端射毫米波天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高增益的端射毫米波天线。该端射毫米波天线采用微带线转渐变双线馈电给辐射单元进行辐射，多个反射单元排列形成一条抛物线可以起到反射电磁波提高天线增益、抑制副瓣的作用，其工作原理类似于抛物面天线的原理，反射枝节用于弥补多个反射单元组成的抛物线阵列在馈线处的缺口，具有抑制后瓣和提高增益的作用，“II”形谐振单元依次设置在微带馈线的延长线上，即位于端射方向，具有聚焦波束和提高增益的作用，反射单元、反射枝节、“II”形谐振单元改变了偶极天线的辐射方向图，使原本应该呈“8”字形辐射的偶极天线变成端向辐射，提高了天线增益。适合在天线技术领域推广应用。

Description

一种高增益端射毫米波天线

技术领域

本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种高增益端射毫米波天线。

背景技术

无线个人局域网(WPAN)是一种采用无线连接的个人局域网。它被用在手机、计算机、附属设备以及小范围内的数字设备之间进行通讯，目前已经非常成熟的技术包括蓝牙、WiFi、ZigBee、WiMax等。WPAN所覆盖的范围一般在半径10米以内、必须于许可的频段，它具有价格便宜、机体小、易操作和功耗低等特点。

但是近年来，人们对短距离无线宽带多媒体高速传输的需求日益增高，传统的WPAN技术面临严峻考验，亟待需要超高速的无线通信技术。为解决此问题，各个国家，如美国、日本、欧洲、澳大利亚、加拿大、韩国等纷纷制定并发布了自己的毫米波通信技术标准IEEE802.11ad，其主要集中于60GHz频段。中国同时也发布了自己的毫米波通信技术标准IEEE802.11aj，包括40.5-47GHz和59-64GHz两个频段。毫米波通信技术由其宽频谱，通信速率可达1Gb/s以上，相对于传统wifi、蓝牙技术处于绝对优势，是未来无线移动通信技术发展的关键技术。

天线作为无线通信系统的关键部件之一，历来是人们研究的热点。目前对于毫米波频带单天线(区别于阵列天线)研究报道比较多，但是普遍存在增益不高等缺点，对于高增益天线的研究也集中于采用阵列天线的方式实现，天线采用阵列方式增加了馈电系统的复杂度，增加了许多不确定性。因此采用毫米波频段高增益单天线，可以大大减小电路设计的复杂度，减小无线设备的尺寸，增加信号的传输距离。因此，如何提高毫米波频带单天线的增益是一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高增益的端射毫米波天线。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：该高增益端射毫米波天线，包括介质基板、两条馈线、辐射单元，两条馈线分别设置在介质基板的上表面和下表面且上下对应，馈线包括渐变双线与非渐变微带线，渐变双线的宽度逐渐变小，非渐变微带线的宽度相同，所述辐射单元包括第一辐射贴片与第二辐射贴片，第一辐射贴片设置在介质基板的下表面，第二辐射贴片设置在介质基板的上表面，第一辐射贴片与第二辐射贴片的结构相同且关于馈线的轴线对称设置，第一辐射贴片设置在位于介质基板下表面的渐变双线末端，第二辐射贴片设置在位于介质基板上表面的渐变双线末端，所述第一辐射贴片包括一个等腰梯形贴片和一个半圆形贴片，等腰梯形贴片的的小径端与位于介质基板下表面的渐变双线末端相连，等腰梯形贴片的大径端与半圆形贴片的直边连接成一个整体，所述介质基板的上表面设置有反射枝节、多个“II”形谐振单元与多个反射单元，反射枝节设置在馈线靠近辐射单元的位置，所述反射枝节包括第一矩形枝节与第二矩形枝节，所述第一矩形枝节与第二矩形枝节的结构相同且以馈线为轴线对称的设置在馈线两侧，多个“II”形谐振单元依次设置在馈线的延长线上，多个反射单元排列形成一条抛物线，所述反射枝节、辐射单元、多个“II”形谐振单元均位于抛物线内凹的一侧。

进一步的是，所述“II”形谐振单元包括第一矩形贴片、第二矩形贴片、第三矩形贴片、第四矩形贴片、第五矩形贴片、第六矩形贴片，第一矩形贴片、第二矩形贴片、第三矩形贴片、第四矩形贴片依次首尾相连组成一个矩形，所述第一矩形贴片的长度方向与馈线互相垂直，所述第五矩形贴片、第六矩形贴片设置在第一矩形贴片与第三矩形贴片之间，第五矩形贴片的两端分别与第一矩形贴片、第三矩形贴片相连接，第六矩形贴片的两端分别与第一矩形贴片、第三矩形贴片相连接，第五矩形贴片、第六矩形贴片均与第二矩形贴片互相平行，所述第二矩形贴片与第四矩形贴片上均设置有开口。

进一步的是，所述反射单元包括四个结构相同的反射贴片，所述反射贴片包括一个直角梯形贴片和一个条形贴片，所述条形贴片与直角梯形贴片的大径端相连，四个直角梯形贴片的小径端互相连接在一起形成反射单元的中心点，所述四个反射贴片围绕反射单元的中心点均布设置。

进一步的是，所述微带线为50Ω微带线。

进一步的是，所述第一矩形枝节和与其相邻的等腰梯形贴片的侧边互相平行。

本发明的有益效果：该端射毫米波天线采用微带线转换渐变双线馈线结构馈电给辐射单元进行辐射，微带线是用于测试和与常规微波电路系统中50Ω阻抗相匹配，渐变双线是用于微带线到辐射贴片的阻抗匹配，多个反射单元排列形成一条抛物线可以起到反射电磁波提高天线增益、抑制副瓣的作用，其工作原理类似于抛物面天线的原理，反射枝节用于弥补多个反射单元组成的抛物线阵列在中心馈线处的缺口，具有抑制后瓣和提高增益的作用，“II”形谐振单元依次设置在微带馈线的延长线上，即位于端射方向，具有聚焦波束和提高增益的作用，反射单元、反射枝节、“II”形谐振单元改变了偶极天线的辐射方向图，使原本应该呈“8”字形辐射的偶极天线变成端向辐射天线，提高了天线增益，由第一辐射贴片与第二辐射贴片组成的辐射单元本身具有很宽的带宽(远远大于7GHz)，但是由于反射单元和“II”形谐振单元具有一定工作带宽，于是减小了整个天线的工作带宽，使得最终天线具有7-8GHz的带宽，能够满足毫米波频段通信的需求，另外，该端射毫米波天线可以采用目前最成熟PCB板材工艺进行加工，单层PCB加工，天线结构形式紧凑，尺寸较小，易于集成，可以直接集成到毫米波无线收发设备当中，天线增益较高，可以增加毫米波无线信号的传输距离。天线整体结构形式简单，结构对称紧凑，保证了其辐射性能的稳定性，结果证明，天线具有7-8GHz的工作带宽，最大增益大于10dB，天线辐射方向图呈端向辐射，且方向图稳定，能够应用在毫米波无线通信技术IEEE802.11aj和IEEE802.11ad协议相关设备中。

附图说明

图1是本发明端射毫米波天线的结构示意图；

图2是本发明端射毫米波天线的辐射单元结构示意图；

图3是本发明端射毫米波天线的“II”形谐振单元结构示意图；

图4是本发明端射毫米波天线的反射单元结构示意图；

图5是本发明端射毫米波天线的几何尺寸示意图；

图6为本发明端射毫米波天线的辐射单元几何尺寸示意图；

图7为本发明端射毫米波天线的“II”形谐振单元几何尺寸示意图；

图8为本发明端射毫米波天线的反射单元几何尺寸示意图；

图9为端射毫米波天线的输入S11参数图；

图10为端射毫米波天线60GHz时XY平面辐射方向图；

图11为端射毫米波天线60GHz时YZ平面辐射方向图；

图12为端射毫米波天线60GHz时3D辐射方向图；

图13为端射毫米波天线的增益图；

图14为端射毫米波天线的辐射效率图；

图中标记说明：介质基板1、馈线2、渐变双线21、非渐变微带线22、辐射单元3、第一辐射贴片31、等腰梯形贴片311、半圆形贴片312、第二辐射贴片32、反射枝节4、第一矩形枝节41、第二矩形枝节42、“II”形谐振单元5、第一矩形贴片51、第二矩形贴片52、第三矩形贴片53、第四矩形贴片54、第五矩形贴片55、第六矩形贴片56、开口57、反射单元6、反射贴片61、直角梯形贴片611、条形贴片612。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1至4所述，该端射毫米波天线，包括介质基板1、两条馈线2、辐射单元3，其特征在于：两条馈线2分别设置在介质基板1的上表面和下表面且上下对应，馈线2包括渐变双线21与非渐变微带线22，渐变双线21的宽度逐渐变小，非渐变微带线22的宽度相同，所述辐射单元3包括第一辐射贴片31与第二辐射贴片32，第一辐射贴片31设置在介质基板1的下表面，第二辐射贴片32设置在介质基板1的上表面，第一辐射贴片31与第二辐射贴片32的结构相同且关于馈线2的轴线对称设置，第一辐射贴片31设置在位于介质基板1下表面的渐变双线21末端，第二辐射贴片32设置在位于介质基板1上表面的渐变双线21末端，所述第一辐射贴片31包括一个等腰梯形贴片311和一个半圆形贴片312，等腰梯形贴片311的小径端与位于介质基板1下表面的渐变双线21末端相连，等腰梯形贴片311的大径端与半圆形贴片312的直边连接成一个整体，所述介质基板1的上表面设置有反射枝节4、多个“II”形谐振单元5与多个反射单元6，反射枝节4设置在馈线2靠近辐射单元3的位置，所述反射枝节4包括第一矩形枝节41与第二矩形枝节42，所述第一矩形枝节41与第二矩形枝节42的结构相同且以馈线2为轴线对称的设置在馈线2两侧，多个“II”形谐振单元5依次设置在馈线2的延长线上，多个反射单元6排列形成一条抛物线，所述反射枝节4、辐射单元3、多个“II”形谐振单元5均位于抛物线内凹的一侧。该端射毫米波天线采用馈线2馈电给辐射单元3进行辐射，馈线2包括渐变双线21与非渐变微带线22，非渐变微带线22是用于测试和与常规微波电路系统中50Ω阻抗相匹配，渐变双线21是用于微带线到辐射单元3的阻抗匹配，多个反射单元6排列形成一条抛物线可以起到反射电磁波提高天线增益、抑制副瓣的作用，其工作原理类似于抛物面天线的原理，反射枝节4用于弥补多个反射单元6组成的抛物线阵列在中心馈线处的缺口，具有抑制后瓣和提高增益的作用，“II”形谐振单元5依次设置在微带馈线2的延长线上，即位于端射方向，具有聚焦波束和提高增益的作用，反射单元6、反射枝节4、“II”形谐振单元5改变了偶极天线的辐射方向图，使原本应该呈“8”字形辐射的偶极天线变成端向辐射，提高了天线增益，由第一辐射贴片31与第二辐射贴片32组成的辐射单元3本身具有很宽的带宽远远大于7GHz，但是由于反射单元6和“II”形谐振单元5具有一定工作带宽，于是减小了整个天线的工作带宽，使得最终天线具有7-8GHz的带宽，能够满足毫米波频段通信的需求，另外，该端射毫米波天线可以采用目前最成熟PCB板材工艺进行加工，单层PCB加工，天线结构形式紧凑，尺寸较小，易于集成，可以直接集成到毫米波无线收发设备当中，天线增益较高，可以增加毫米波无线信号的传输距离。天线整体结构形式简单，结构对称紧凑，保证了其辐射性能的稳定性，结果证明，天线具有7-8GHz的工作带宽，最大增益大于10dB，天线辐射方向图呈端向辐射，且方向图稳定，能够应用在毫米波无线通信技术IEEE802.11aj和IEEE802.11ad协议相关设备中。

在上述实施方式中，所述“II”形谐振单元5的结构优选为如下方式：所述“II”形谐振单元5包括第一矩形贴片51、第二矩形贴片52、第三矩形贴片53、第四矩形贴片54、第五矩形贴片55、第六矩形贴片56，第一矩形贴片51、第二矩形贴片52、第三矩形贴片53、第四矩形贴片54依次首尾相连组成一个矩形，所述第一矩形贴片51的长度方向与馈线2互相垂直，所述第五矩形贴片55、第六矩形贴片56设置在第一矩形贴片51与第三矩形贴片53之间，第五矩形贴片55的两端分别与第一矩形贴片51、第三矩形贴片53相连接，第六矩形贴片56的两端分别与第一矩形贴片51、第三矩形贴片53相连接，第五矩形贴片55、第六矩形贴片56均与第二矩形贴片52互相平行，所述第二矩形贴片52与第四矩形贴片54上均设置有开口57。“II”形谐振单元5直线阵列设置在辐射方向，其对于57-64GHz电磁波的反射特性S11在57-64GHz内满足S11<-10dB，其对于电磁波没有阻挡作用，其设置在辐射方向上具有聚集电磁波能量，提高增益，从而降低副瓣的作用。

另外，所述反射单元6的结构优选为如下方式：所述反射单元6包括四个结构相同的反射贴片61，所述反射贴片61包括一个直角梯形贴片611和一个条形贴片612，所述条形贴片612与直角梯形贴片611的大径端相连，四个直角梯形贴片611的小径端互相连接在一起形成反射单元6的中心点，所述四个反射贴片61围绕反射单元6的中心点均布设置。这种结够单元对电磁波的传输特性S21在57-64GHz内满足S21<-10dB，能够有效阻挡电磁波传输，具有很好的反射特性，从而抑制副瓣，提高天线增益。

为了保证馈电效果，所述馈线2的非渐变微带线22优选为50Ω微带线。

为了使反射枝节4起到更好的反射作用，所述第一矩形枝节41和与其相邻的等腰梯形贴片311的侧边互相平行。

实施例

本实施例中端射毫米波天线的介质基板选择Rogers RO4350，介电常数3.66，介质厚度为0.254mm，天线馈电采用50Ω微带线馈电，天线的尺寸如图5至图8所示，图5是本发明端射毫米波天线的几何尺寸示意图；图6为本发明端射毫米波天线的辐射单元几何尺寸示意图；图7为本发明端射毫米波天线的“II”形谐振单元几何尺寸示意图；图8为本发明端射毫米波天线的反射单元几何尺寸示意图；50欧姆微带线长度E＝4mm，W3＝0.5mm，D＝6.5mm，W2＝0.8mm，W7＝0.1mm，天线整体尺寸宽度A＝16mm，B＝20mm。辐射单元尺寸W4＝0.65mm，R1＝0.36mm，结构完全能够满足57GHz-64GHz需求。枝节宽度W1＝0.15mm，单枝节长度0.9mm，且倾斜一定角度，加强了与反射枝节耦合强度，其具有降低副瓣，提高增益作用。反射单元尺寸为K1＝1.1mm，K2＝0.5mm，K3＝0.45mm，K5＝0.1mm，谐振结构带宽满足57-64GHz频带需求。反射单元排成对称抛物线阵列，抛物线焦点位置F＝7.8mm，G＝5.0mm，焦距为长度5.0mm，其分布位置与天线馈线夹角分别为ct1＝11deg，ct2＝26deg，ct3＝40deg，ct4＝53deg，ct5＝63deg，ct6＝72deg。其抛物线阵列具有抑制副瓣，提高增益作用。“II”形谐振单元尺寸分别L1＝0.2mm，L2＝0.9mm，L3＝0.2mm，L4＝0.15mm，L5＝0.1m，H1＝0.254mm，满足57-64GHz频段谐振特性。直线“II”结构阵列分布在I＝5.35mm，单元间距J＝0.1mm。直线阵列具有聚焦波束提高增益的作用。

图9为端射毫米波天线的输入S11参数，天线输入具有很宽的匹配带宽，S11基本位于-15dB以下。

图10为端射毫米波天线60GHz时XY平面辐射方向图；图11为端射毫米波天线60GHz时YZ平面辐射方向图；图12为端射毫米波天线60GHz时3D辐射方向图；由图10、图11、图12可以看出本天线辐射特性很稳定，天线具有很好的端射性能，主副瓣增益比大于15dB。

图13为端射毫米波天线的增益图，由图13可以看出在60GHz附近7GHz带宽范围内增益稳定，维持在10dB左右。

图14为端射毫米波天线的辐射效率图，由图14可以看出，天线的辐射效率很高，基本维持90％的辐射效率。

因此，该天线工作带宽宽，辐射特性稳定，增益高，辐射效率高，结构紧凑，平面结构易于加工，非常适用于毫米波通讯设备当中。

Claims (5)

1.一种高增益端射毫米波天线，包括介质基板(1)、两条馈线(2)、辐射单元(3)，其特征在于：两条馈线(2)分别设置在介质基板(1)的上表面和下表面且上下对应，馈线(2)包括渐变双线(21)与非渐变微带线(22)，渐变双线(21)的宽度逐渐变小，非渐变微带线(22)的宽度相同，所述辐射单元(3)包括第一辐射贴片(31)与第二辐射贴片(32)，第一辐射贴片(31)设置在介质基板(1)的下表面，第二辐射贴片(32)设置在介质基板(1)的上表面，第一辐射贴片(31)与第二辐射贴片(32)的结构相同且关于馈线(2)的轴线对称设置，第一辐射贴片(31)设置在位于介质基板(1)下表面的渐变双线(21)末端，第二辐射贴片(32)设置在位于介质基板(1)上表面的渐变双线(21)末端，所述第一辐射贴片(31)包括一个等腰梯形贴片(311)和一个半圆形贴片(312)，等腰梯形贴片(311)的小径端与位于介质基板(1)下表面的渐变双线(21)末端相连，等腰梯形贴片(311)的大径端与半圆形贴片(312)的直边连接成一个整体，所述介质基板(1)的上表面设置有反射枝节(4)、多个“II”形谐振单元(5)与多个反射单元(6)，反射枝节(4)设置在馈线(2)靠近辐射单元(3)的位置，所述反射枝节(4)包括第一矩形枝节(41)与第二矩形枝节(42)，所述第一矩形枝节(41)与第二矩形枝节(42)的结构相同且以馈线(2)为轴线对称的设置在馈线(2)两侧，多个“II”形谐振单元(5)依次设置在馈线(2)的延长线上，多个反射单元(6)排列形成一条抛物线，所述反射枝节(4)、辐射单元(3)、多个“II”形谐振单元(5)均位于抛物线内凹的一侧。

2.如权利要求1所述的高增益端射毫米波天线，其特征在于：所述“II”形谐振单元(5)包括第一矩形贴片(51)、第二矩形贴片(52)、第三矩形贴片(53)、第四矩形贴片(54)、第五矩形贴片(55)、第六矩形贴片(56)，第一矩形贴片(51)、第二矩形贴片(52)、第三矩形贴片(53)、第四矩形贴片(54)依次首尾相连组成一个矩形，所述第一矩形贴片(51)的长度方向与馈线(2)互相垂直，所述第五矩形贴片(55)、第六矩形贴片(56)设置在第一矩形贴片(51)与第三矩形贴片(53)之间，第五矩形贴片(55)的两端分别与第一矩形贴片(51)、第三矩形贴片(53)相连接，第六矩形贴片(56)的两端分别与第一矩形贴片(51)、第三矩形贴片(53)相连接，第五矩形贴片(55)、第六矩形贴片(56)均与第二矩形贴片(52)互相平行，所述第二矩形贴片(52)与第四矩形贴片(54)上均设置有开口(57)。

3.如权利要求2所述的高增益端射毫米波天线，其特征在于：所述反射单元(6)包括四个结构相同的反射贴片(61)，所述反射贴片(61)包括一个直角梯形贴片(611)和一个条形贴片(612)，所述条形贴片(612)与直角梯形贴片(611)的大径端相连，四个直角梯形贴片(611)的小径端互相连接在一起形成反射单元(6)的中心点，所述四个反射贴片(61)围绕反射单元(6)的中心点均布设置。

4.如权利要求1所述的高增益端射毫米波天线，其特征在于：所述馈线(2)为50Ω微带线。

5.如权利要求1所述的高增益端射毫米波天线，其特征在于：所述第一矩形枝节(41)和与其相邻的等腰梯形贴片(311)的侧边互相平行。