CN106129600B - 一种高增益毫米波网格阵列天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高增益毫米波网格阵列天线，包括第一介质基片、第二介质基片和地板，所述第一介质基片、第二介质基片和地板从顶部到底部依次设置，所述第一介质基片的顶部设有辐射贴片，且第一介质基片和辐射贴片均呈网格状，所述辐射贴片上设有馈电点。本发明结构简单，易于加工制造，减少了介质材料的使用，降低了成本，具有高增益、体积小、辐射效率高、辐射特性好、可与电路集成的特点，克服了现有网格阵列天线通过增加网格数目牺牲天线尺寸来提高天线增益的缺点。

Description

一种高增益毫米波网格阵列天线
技术领域
本发明涉及一种网格阵列天线，尤其是一种高增益毫米波网格阵列天线，属于无线移动通信技术领域。
背景技术
第五代移动通信技术(5G)将WLAN技术与4G、3G技术融合，能满足个人手持设备与电脑之间的海量数据交互、无线高清图像传输和显示等。目前最受瞩目的高速无线传输技术是60GHz毫米波无线传输技术。随着WiGig联盟与WiFi联盟达成合作，5G时代的WLAN将采用60GHz毫米波。网格阵列天线可以通过调节其网格数目，同时提高天线的阻抗带宽和增益，且结构简单。结合毫米波和网格阵列天线的优点，毫米波网格阵列天线无疑具有很大的研究价值。
目前毫米波网格阵列天线仍处于研究阶段。中心频率在60GHz频率附近的毫米波天线，可与高集成度的无线电收发装置互连，有望应用于超高速短距离无线通信，例如：无线个人局域网、无线高清多媒体接口等。这已经引起了许多从事天线和射频器件公司的极大兴趣。
在之前许多网格阵列天线研究中，一般采用通过增加网格数目提高天线的增益，但是这种提高增益的方法会导致天线尺寸增大，而且网格数目增加大一定数量后，尤其是在毫米波段，由于损耗的成倍增加，天线增益的提高受到限制。
据调查与了解，目前公开的现有技术如下：
1)2011年，Mei Sun，YuePing Zhang和Duixian Liu等人，在“IEEE TRANSACTIONSON ANTENNAS AND PROPAGATION”上发表的一篇名为“A Ball Grid Array Package With aMicrostrip Grid Array Antenna for a Single-Chip 60-GHz Receiver”的文章中，基于LTCC(低温共烧陶瓷)技术，设计了一款中心频率为60GHz的微带网格阵列天线，在57GHz～64GHz频段内，其|S11|≤-10dB，天线的最大增益在60GHz处为14.5dB。
之后对于该类型的网格阵列天线的研究基本是通过增加网格的数目或者子网格的组合阵列提高天线的增益，但这种方法增加了天线的尺寸，不利于系统集成设计。
2)2012年，Tu Zhihong,Zhang Yue Ping在“Proceedings of APMC 2012”会议上的发表的一篇名为“Three Types of Array Antennas for 60-GHz Radios”的文章中，提出将网格短边设置为不同长度，这种改进方法不仅增加天线的阻抗带宽，其-10dB阻抗带宽为13.3％(56.6GHz-64.6GHz)，同时也提高天线的增益，最高增益达到15.1dBi，但3dB增益带宽不到5％。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供了一种高增益毫米波网格阵列天线，该天线结构简单，易于加工制造，减少了介质材料的使用，降低了成本，具有在57GHz～64GHz频段范围内阻抗匹配良好，高天线增益，较宽的3dB增益带宽和尺寸小的优点，能够满足高增益，小型化，易与系统集成等要求。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种高增益毫米波网格阵列天线，包括第一介质基片、第二介质基片和地板，所述第一介质基片、第二介质基片和地板从顶部到底部依次设置，所述第一介质基片的顶部设有辐射贴片，且第一介质基片和辐射贴片均呈网格状，所述辐射贴片上设有馈电点。
作为一种优选方案，所述第一介质基片为一层介质基片，所述第二介质基片为三层介质基片，每层介质基片的厚度为0.08mm～0.1mm。
作为一种优选方案，每层介质基片采用Ferro公司的A6M介质基片。
作为一种优选方案，所述第一介质基片和辐射贴片的网格由十四个矩形围成；所述十四个矩形中的十个矩形分为五个矩形组，五个矩形组从左到右依次排列，每个矩形组由上下排列的两个矩形组成；所述十四个矩形中的其余四个矩形，每个矩形位于相邻的两个矩形组之间。
作为一种优选方案，所述十四个矩形中，每个矩形的四条边的宽度均为0.1mm～0.2mm，两条长边的长度为3mm～3.2mm；所述五个矩形组中，对于左边的矩形组和右边的矩形组，每个矩形的两条短边的长度为1.2mm～1.4mm，对于中间的三个矩形组，每个矩形的两条短边的长度为1.1mm～1.3mm。
作为一种优选方案，所述第二介质基片的长度为14mm～16mm，宽度为6mm～10mm。
作为一种优选方案，所述辐射贴片上的馈电点与同轴线相连，由同轴线进行馈电。
作为一种优选方案，所述同轴线的内芯直径为0.1mm～0.14mm，外芯直径为0.2～0.24mm。
作为一种优选方案，所述地板和辐射贴片均采用金属材料制成。
本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：
1、本发明将第一介质基片和辐射贴片都设计成网格状，而第二介质基片则位于第一介质基片的下方，因此辐射贴片的周围是没有介质的，与现有的60GH毫米波网格阵列天线相比，去掉了网格辐射贴片周围的一层介质，隔断了表面波，降低了表面波带来的损耗，从而提高天线的增益。
2、本发明能够满足57GHz～64.5GHz频率带宽内，|S11|≤-10dB，即-10dB阻抗带宽为12.5％，与现有的60GHz毫米波网格阵列天线相比，在不增加天线尺寸的条件下，具有更高的增益，在57GHz～64GHz工作频段内最大增益可达15.81dBi，更宽阻抗带宽与较宽的3dB增益带宽，3dB增益带宽为7.17％，同时在整个仿真频段(50GHz～70GHz)范围内，辐射效率均大于90％。
3、本发明结构简单，易于加工制造，减少了介质材料的使用，降低了成本，具有高增益、体积小、辐射效率高、辐射特性好、可与电路集成的特点，克服了现有网格阵列天线通过增加网格数目牺牲天线尺寸来提高天线增益的缺点。
附图说明
图1为本发明实施例1的毫米波网格阵列天线的立体结构示意图。
图2为本发明实施例1的毫米波网格阵列天线的正面结构示意图。
图3为本发明实施例1的毫米波网格阵列天线的S参数曲线图。
图4为本发明实施例1的毫米波网格阵列天线的增益曲线图。
图5为本发明实施例1的毫米波网格阵列天线的辐射效率曲线图。
其中，1-第一介质基片，2-第二介质基片，3-辐射贴片，4-馈电点。
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，本实施例提供了一种高增益毫米波网格阵列天线，该天线包括第一介质基片1、第二介质基片2和地板(图中未示出)，所述第一介质基片1、第二介质基片2和地板从顶部到底部依次设置，所述第一介质基片1的顶部设有辐射贴片3，且第一介质基片1和辐射贴片3均呈网格状，所述辐射贴片3上设有馈电点4，该馈电点4与同轴线相连，由同轴线进行馈电，同轴线的内芯直径为0.12mm，外芯直径为0.22mm。
所述第一介质基片1为一层介质基片，所述第二介质基片2为三层介质基片，，每层介质基片采用Ferro公司的A6M介质基片，其厚度h为0.095mm，即四层介质基片的高度H＝4h＝0.38mm。
所述第一介质基片1和辐射贴片3的网格由十四个矩形围成，每个矩形的四条边的宽度w均为0.16mm，两条长边的长度l为3.15mm；所述十四个矩形中的十个矩形分为五个矩形组，五个矩形组从左到右依次排列，每个矩形组由上下排列的两个矩形组成，对于左边的矩形组和右边的矩形组，每个矩形的两条短边ss的长度为1.33mm，对于中间的三个矩形组，每个矩形的两条短边的长度s为1.23mm；所述十四个矩形中的其余四个矩形，每个矩形位于相邻的两个矩形组之间；所述第二介质基片2的长度a为15mm，宽度b为8mm。
本实施例的天线中的第一介质基片1和辐射贴片3都设计成网格状，而第二介质基片2则位于第一介质基片1的下方，因此辐射贴片3的周围是没有介质的，上述背景技术中的第二篇文献是直接将网格状的辐射贴片3设置在介质基片上，也就是说本实施例的天线与该技术相比，去除了网格辐射贴片周围的一层介质，隔断了表面波，降低了表面波带来的损耗，从而提高了天线的增益。
本实施例的天线的各个尺寸参数都进行了优化，其反射系数如图3所示，从图中可以看到，在57GHz～64.5GHz频率带宽内，|S11|≤-10dB，即-10dB阻抗带宽为12.5％；天线的增益G如图4所示，在57GHz～64GHz工作频段内最大增益可达15.81dBi，较上述背景技术提到的两篇文献的增益分别提高1.31dBi和0.7dBi，3dB增益带宽为7.17％；天线的辐射效率如图5所示，在整个仿真频段(50GHz～70GHz)内其辐射效率均大于90％。
上述实施例中，所述地板和辐射贴片3均采用金属材料制成，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。
综上所述，本发明结构简单，易于加工制造，减少了介质材料的使用，降低了成本，具有高增益、体积小、辐射效率高、辐射特性好的特点，克服了现有网格阵列天线通过增加网格数目牺牲天线尺寸来提高天线增益的缺点。
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)

1.一种高增益毫米波网格阵列天线，其特征在于：包括第一介质基片、第二介质基片和地板，所述第一介质基片、第二介质基片和地板从顶部到底部依次设置，所述第一介质基片的顶部设有辐射贴片，且第一介质基片和辐射贴片均呈网格状，所述辐射贴片上设有馈电点；
所述第一介质基片的网格与辐射贴片的网格对应，第一介质基片和辐射贴片的网格均由十四个矩形围成；所述十四个矩形中的十个矩形分为五个矩形组，五个矩形组从左到右依次排列，每个矩形组由上下排列的两个矩形组成；所述十四个矩形中的其余四个矩形，每个矩形位于相邻的两个矩形组之间。
2.根据权利要求1所述的一种高增益毫米波网格阵列天线，其特征在于：所述第一介质基片为一层介质基片，所述第二介质基片为三层介质基片，每层介质基片的厚度为0.08mm～0.1mm。
3.根据权利要求2所述的一种高增益毫米波网格阵列天线，其特征在于：每层介质基片采用Ferro公司的A6M介质基片。
4.根据权利要求1所述的一种高增益毫米波网格阵列天线，其特征在于：所述十四个矩形中，每个矩形的四条边的宽度均为0.1mm～0.2mm，两条长边的长度为3mm～3.2mm；所述五个矩形组中，对于左边的矩形组和右边的矩形组，每个矩形的两条短边的长度为1.2mm～1.4mm，对于中间的三个矩形组，每个矩形的两条短边的长度为1.1mm～1.3mm。
5.根据权利要求1所述的一种高增益毫米波网格阵列天线，其特征在于：所述第二介质基片的长度为14mm～16mm，宽度为6mm～10mm。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种高增益毫米波网格阵列天线，其特征在于：所述辐射贴片上的馈电点与同轴线相连，由同轴线进行馈电。
7.根据权利要求6所述的一种高增益毫米波网格阵列天线，其特征在于：所述同轴线的内芯直径为0.1mm～0.14mm，外芯直径为0.2～0.24mm。
8.根据权利要求1-5任一项所述的一种高增益毫米波网格阵列天线，其特征在于：所述地板和辐射贴片均采用金属材料制成。
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