CN106058451A - 一种高增益的t形探针馈电的毫米波贴片天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高增益的T形探针馈电的毫米波贴片天线，包括第一介质基板，第一介质基板上设有T形探针、第一辐射贴片、第二辐射贴片、第一共面波导传输线和第二共面波导传输线，T形探针由水平贴片和垂直金属过孔组成，水平贴片、第一辐射贴片和第二辐射贴片设置在第一介质基板的正面，且水平贴片与第一辐射贴片、第二辐射贴片之间具有相同的间距，第一共面波导传输线和第二共面波导传输线设置在第一介质基板的背面，垂直金属过孔位于水平贴片的中心，并依次穿过水平贴片、第一介质基板和第一共面波导传输线。本发明实现了很好的辐射方向图，在整个工作频段内具有稳定的且较高的增益，具有设计简单，体积小，成本低，特性好的优点。

Description

一种高增益的T形探针馈电的毫米波贴片天线
技术领域
本发明涉及一种毫米波贴片天线，尤其是一种高增益的T形探针馈电的毫米波贴片天线，属于无线移动通信技术领域。
背景技术
随着移动通讯技术的发展，目前人类已经整体步入了4G(the 4th generation)时代，4G通讯为通讯技术的进一步发展打下了坚实的基础。自从美国联邦通讯委员会(FCC)将57-64GHz这7GHz的频段开放为免费使用频段后，人们围绕60-GHz频段做出了大量的工作。5G(the fifth generation)通讯是在4G通讯的基础上发展起来的，目前尚在研究阶段，距离其正式投入使用还需要较长的一段时间。由于毫米波频段的信号非常适合高速数据传输，故将毫米波技术应用于未来的5G通讯是一个必然的选择。但由于57-64GHz频段的信号具有较高的自由空间传输衰减和很强的大气吸收效应，因此设计一款高增益的天线是十分有必要的。
毫米波贴片天线受其本身的尺寸限制，其增益不可能达到很高的水平，一般单个天线单元的增益在工作频段内只能达到6dBi左右，有效地提高天线单元的增益是个十分值得探索的工作。
据调查与了解，目前公开的现有技术如下：
1)2014年，Mingjian Li,Kwai-Man Luk,等人在“IEEE TRANSACTIONS ONANTENNAS AND PROPAGATION”发表题为“Low-Cost Wideband Microstrip Antenna Arrayfor 60-GHz Applications”的文章中，使用L形探针馈电结构，对贴片天线进行馈电。实现了很宽的阻抗带宽和较高的增益，并且具有很低的交叉极化和很好的方向图。整个天线构建在单层PCB板上，具有廉价和易于加工的特性。天线结构分为上下两层，上层为辐射贴片，下层为cpw(Coplanar waveguide)馈线。
2)2013年，Mei Sun,Zhi Ning Chen,Xianming Qing等人在“IEEE TRANSACTIONSON ANTENNAS AND PROPAGATION”发表题为“Gain Enhancement of 60-GHz AntipodalTapered Slot Antenna Using Zero-Index Metamaterial”的文章中，加载了一种ZIM结构于ATSA(Antipodal Tapered Slot Antenna)前端，实现了在工作频段内天线的整体增益提高了0.2-2.6dBi。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供了一种高增益的T形探针馈电的毫米波贴片天线，该天线实现了很好的辐射方向图，在整个工作频段内具有稳定的且较高的增益，具有设计简单，体积小，成本低，特性好的优点。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种高增益的T形探针馈电的毫米波贴片天线，包括第一介质基板，所述第一介质基板上设有T形探针、第一辐射贴片、第二辐射贴片、第一共面波导传输线和第二共面波导传输线，所述T形探针由水平贴片和垂直金属过孔组成，所述水平贴片、第一辐射贴片和第二辐射贴片设置在第一介质基板的正面，且水平贴片与第一辐射贴片、第二辐射贴片之间具有相同的间距，所述第一共面波导传输线和第二共面波导传输线设置在第一介质基板的背面，所述垂直金属过孔位于水平贴片的中心，并依次穿过水平贴片、第一介质基板和第一共面波导传输线。
作为一种优选方案，还包括两块第二介质基板，两块第二介质基板上、下对称，每块第二介质基板设置在第一介质基板的上端，且每块第二介质基板的正面加载有一个或多个ZIM单元，每个ZIM单元包括第一竖直段、第二竖直段和弯折段，所述第一竖直段与第二竖直段左、右对称，所述弯折段的两端分别与第一竖直段、第二竖直段相连，该弯折段由一个“几”形结构和一个倒“几”形结构组成。
作为一种优选方案，所述每块第二介质基板加载多个ZIM单元时，多个ZIM单元在水平方向上依次排布。
作为一种优选方案，所述每块第二介质基板的介电常数为5.9。
作为一种优选方案，所述第一辐射贴片为矩形结构，所述第二辐射贴片为倒凹形结构；所述第一辐射贴片设置在第二辐射贴片中间凹进去的位置上，且第一辐射贴片与第二辐射贴片之间具有缝隙。
作为一种优选方案，所述第一共面波导传输线为矩形结构，所述第二共面波导传输线为凹形结构；所述第一共面波导传输线设置在第二共面波导传输线中间凹进去的位置上，且第一共面波导传输线与第二共面波导传输线之间具有缝隙。
作为一种优选方案，所述第一介质基板的介电常数为2.2。
作为一种优选方案，所述水平贴片为矩形铜片，所述垂直金属过孔的圆心位于矩形铜片的几何中心。
本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：
1、本发明的毫米波贴片天线采用了T形探针对第一辐射贴片(产生的是高频的谐振模式)、第二辐射贴片(产生的是低频的谐振模式)进行馈电，与传统同轴探针馈电的贴片天线相比，具有较宽的阻抗带宽，根据电磁仿真的结果来看，阻抗带宽大约为30％。
2、本发明的毫米波贴片天线在第一介质基板的上端还设置两块第二介质基板，在每块第二介质基板的正面加载一个或多个ZIM(zero-index metamaterial，零折射率超材料)单元，每个ZIM单元包括第一竖直段、第二竖直段和弯折段，其中弯折段由一个“几”形结构和一个倒“几”形结构组成，利用ZIM单元加载在第一辐射贴片和第二辐射贴片的上端，提高了天线的增益，并且有效地抑制了旁瓣。
3、本发明的毫米波贴片天线采用T形探针馈电，使得天线主体能够直接基于PCB工艺加工出来，明显的降低了天线的成本，移动通讯系统对成本有很高的要求，低成本对于天线的大规模应用于移动通讯有明显的优势。
4、本发明的毫米波贴片天线结构简单、体积小，而且成本低，具有良好的辐射特性，交叉极化比很低，方向图稳定，在整个工作频段内都具有很低的交叉极化和很好的辐射方向图，并且天线的增益能够稳定在6dBi以上，最高增益可达到8dBi左右。
附图说明
图1为本发明的毫米波贴片天线中第一介质基板正面结构示意图。
图2为本发明的毫米波贴片天线中第一介质基板背面结构示意图。
图3为本发明的毫米波贴片天线中第二介质基板背面加载一个ZIM单元时的结构示意图。
图4为本发明的毫米波贴片天线中第二介质基板背面加载三个ZIM单元时的结构示意图。
图5为加载ZIM单元与不加载ZIM单元的毫米波贴片天线电磁仿真所得的S参数曲线比较图。
图6为加载ZIM单元与不加载ZIM单元的毫米波贴片天线电磁仿真所得的增益随频率变化的曲线比较图。
其中，1-第一介质基板，2-第一辐射贴片，3-第二辐射贴片，4-第一共面波导传输线，5-第二共面波导传输线，6-水平贴片，7-垂直金属过孔，8-第二介质基板，9-ZIM单元。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1：
如图1和图2所示，本实施例的毫米波贴片天线包括第一介质基板1，所述第一介质基板1上设有T形探针、第一辐射贴片2、第二辐射贴片3、第一共面波导传输线4和第二共面波导传输线5。
本实施例的毫米波贴片天线采用了T形探针对第一辐射贴片2、第二辐射贴片3进行馈电，产生了两个谐振模式，其中第一辐射贴片2产生的是高频的谐振模式，第二辐射贴片3产生的是低频的谐振模式，保证了天线拥有较宽的阻抗带宽；所述T形探针由水平贴片6和垂直金属过孔7组成，所述水平贴片6、第一辐射贴片2和第二辐射贴片3设置在第一介质基板1的正面，且水平贴片6与第一辐射贴片2、第二辐射贴片3之间具有相同的间距(图1中虚线2L处是水平贴片6与第一辐射贴片2、第二辐射贴片3之间形成的缝隙)；从图1中可以看到，所述第一辐射贴片2为矩形结构，所述第二辐射贴片3为倒凹形结构，所述第一辐射贴片2设置在第二辐射贴片3中间凹进去的位置上，且第一辐射贴片2与第二辐射贴片3之间具有缝隙。
本实施例的毫米波贴片天线是由不带地的共面波导来进行馈电的，将作为馈线的第一共面波导传输线4和第二共面波导传输线5设置在第一介质基板1的背面，从图2中可以看到，所述第一共面波导传输线4为矩形结构，所述第二共面波导传输线5为凹形结构，所述第一共面波导传输线4设置在第二共面波导传输线5中间凹进去的位置上，且第一共面波导传输线4与第二共面波导传输线5之间具有缝隙，制作时，将一块贴片覆盖在第一介质基板1的背面，然后在第一介质基板1的背面上边缘中心位置挖出一U形缝隙，形成第一共面波导传输线4和第二共面波导传输线5；所述垂直金属过孔7是电镀的，其位于水平贴片6的中心，并依次穿过水平贴片6、第一介质基板1和第一共面波导传输线4。
实施例2：
如图1～图4所示，本实施例的毫米波贴片天线还包括两块第二介质基板8，两块第二介质基板8上、下对称，每块第二介质基8板设置在第一介质基板1的上端，且每块第二介质基板8的正面加载有一个或多个ZIM单元9，以下分别对第二介质基板8加载一个ZIM单元9和三个ZIM单元9进行说明：
1)每块第二介质基板8的正面加载一个ZIM单元9时，如图3所示，ZIM单元9包括第一竖直段、第二竖直段和弯折段，所述第一竖直段与第二竖直段左、右对称，所述弯折段的两端分别与第一竖直段、第二竖直段相连，弯折段由一个“几”形结构和一个倒“几”形结构组成。
2)每块第二介质基板8的正面加载三个ZIM单元9时，如图4所示，每个ZIM单元9的结构如以上所述，三个ZIM单元9在水平方向上依次排布。
两块第二介质基板8的ZIM单元9加载在图1中的两条虚线(1L、2L)处，由于ZIM单元能够有效抑制天线方向图E面的旁瓣并提高主瓣增益，故在工作频段内天线的增益明显提高，在57-64GHz频段内增益提高了0.5-1.5dBi。
上述实施例1和2中，第一辐射贴片2、第二辐射贴片3、第一共面波导传输线4、第二共面波导传输线5、水平贴片6和ZIM单元9均采用金属材料构成，例如可以为铝、铁、锡、铜、银、金和铂的任意一种，或可以为铝、铁、锡、铜、银、金和铂任意一种的合金。
实施例3：
本实施例的毫米波贴片天线中，第一介质基板1的介电常数为2.2，两块第二介质基板2的介电常数为5.9，整个毫米波贴片天线利用T形探针对大辐射贴片(第二辐射贴片3)、小辐射贴片(第一辐射贴片2)进行馈电，使天线实现了较宽的阻抗带宽，T形探针由水平贴片6和垂直金属过孔7组成，其中水平贴片6为矩形铜片，所述垂直金属过孔7的圆心位于矩形铜片的几何中心，将水平贴片6、第一辐射贴片2和第二辐射贴片3印制在第一介质基板1的正面；整个毫米波贴片天线通过共面波导进行馈电，将第一共面波导传输线4和第二共面波导传输线5印制在第一介质基板1的背面，垂直金属过孔7依次穿过水平贴片6、第一介质基板1和第一共面波导传输线4；每块第二介质基板8的正面加载有三个ZIM单元9，加载ZIM单元的结构，实现了在整个工作频段内的天线增益的整体提升，并且有效地抑制了旁瓣；如图5和图6所示，可以看到，加载ZIM单元的毫米波贴片天线与不加载ZIM单元的毫米波贴片天线相比，具有很好的辐射特性和很宽的阻抗带宽(大约为30％)，由于ZIM单元能够有效抑制天线方向图E面的旁瓣并提高主瓣增益，故在工作频段内天线的增益明显提高，在57-64GHz频段内增益提高了0.5-1.5dBi。
综上所述，本发明的毫米波贴片天线采用T形探针对辐射贴片进行馈电，保证了天线拥有较宽的阻抗带宽，并且还可以加载一种新型的ZIM单元结构于辐射贴片之上，有效地提高了天线的增益，在整个工作频段内都具有很低的交叉极化和很好的辐射方向图，并且天线的增益能够稳定在6dBi以上，最高增益可达到8dBi左右。
以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (8)

1.一种高增益的T形探针馈电的毫米波贴片天线，包括第一介质基板，其特征在于：所述第一介质基板上设有T形探针、第一辐射贴片、第二辐射贴片、第一共面波导传输线和第二共面波导传输线，所述T形探针由水平贴片和垂直金属过孔组成，所述水平贴片、第一辐射贴片和第二辐射贴片设置在第一介质基板的正面，且水平贴片与第一辐射贴片、第二辐射贴片之间具有相同的间距，所述第一共面波导传输线和第二共面波导传输线设置在第一介质基板的背面，所述垂直金属过孔位于水平贴片的中心，并依次穿过水平贴片、第一介质基板和第一共面波导传输线。
2.根据权利要求1所述的一种高增益的T形探针馈电的毫米波贴片天线，其特征在于：还包括两块第二介质基板，两块第二介质基板上、下对称，每块第二介质基板设置在第一介质基板的上端，且每块第二介质基板的正面加载有一个或多个ZIM单元，每个ZIM单元包括第一竖直段、第二竖直段和弯折段，所述第一竖直段与第二竖直段左、右对称，所述弯折段的两端分别与第一竖直段、第二竖直段相连，该弯折段由一个“几”形结构和一个倒“几”形结构组成。
3.根据权利要求2所述的一种高增益的T形探针馈电的毫米波贴片天线，其特征在于：所述每块第二介质基板加载多个ZIM单元时，多个ZIM单元在水平方向上依次排布。
4.根据权利要求2或3所述的一种高增益的T形探针馈电的毫米波贴片天线，其特征在于：所述每块第二介质基板的介电常数为5.9。
5.根据权利要求1-3任一项所述的一种高增益的T形探针馈电的毫米波贴片天线，其特征在于：所述第一辐射贴片为矩形结构，所述第二辐射贴片为倒凹形结构；所述第一辐射贴片设置在第二辐射贴片中间凹进去的位置上，且第一辐射贴片与第二辐射贴片之间具有缝隙。
6.根据权利要求1-3任一项所述的一种高增益的T形探针馈电的毫米波贴片天线，其特征在于：所述第一共面波导传输线为矩形结构，所述第二共面波导传输线为凹形结构；所述第一共面波导传输线设置在第二共面波导传输线中间凹进去的位置上，且第一共面波导传输线与第二共面波导传输线之间具有缝隙。
7.根据权利要求1-3任一项所述的一种高增益的T形探针馈电的毫米波贴片天线，其特征在于：所述第一介质基板的介电常数为2.2。
8.根据权利要求1-3任一项所述的一种高增益的T形探针馈电的毫米波贴片天线，其特征在于：所述水平贴片为矩形铜片，所述垂直金属过孔的圆心位于矩形铜片的几何中心。
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