CN106229631B - 一种宽带毫米波天线 - Google Patents

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Abstract

一种宽带毫米波天线，包括上、下矩形金属块和中间的介质基片；上、下矩形金属块的一侧分别延伸出一条金属臂；两金属臂关于介质基片镜像对称；金属臂相背离的两个面之间的距离相等，相对的两个面之间的距离沿长度方向逐渐增大，形成一V形的辐射口，辐射口末端形成喇叭状的嘴部，嘴部大口径一端朝向辐射口外；介质基片的上、下表面为金属面，介质基片上沿长度方向设有微带线到基片集成波导的转接电路和基片集成波导；基片集成波导的输出端延伸出一段宽度沿长度方向由大到小渐变的介质板；所述介质板伸入辐射口。本发明兼具宽带宽、造价低、尺寸小、结构简单紧凑、易集成和组阵等优点。

Description

一种宽带毫米波天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种宽带毫米波天线，该天线工作于毫米波频段，具有低复杂度、易与平面电路集成的特点。
背景技术
天线是无线通信系统的关键组成部分之一。未来移动通信高容量、高传输速率的发展需求需要更多的频谱资源来支撑。毫米波频段移动通信是未来移动通信的主流发展趋势，在毫米波频段拥有丰富的频谱资源，可以满足未来移动通信的发展需求。然而，由于在毫米波频段，信号波长非常短，对天线的加工、互连、和大规模MIMO组阵应用提出了极大的挑战。微带贴片天线等平面印刷天线虽然易加工，但是带宽往往比较窄，且在毫米波频段辐射效率低。而喇叭天线在毫米波频段虽然性能优越，但是传统高频喇叭天线加工难度较大、造价高、尺寸大、馈电结构复杂、难以与平面电路集成或者进行紧凑的组阵应用。同时，新一代的毫米通信波系统往往使用半波长组阵实现自适应波束成形技术，获得较好的辐射波束特性和较高的天线增益，以对抗毫米波频段的发射功率较小和路径损耗等问题。因此，寻求一种低成本、高性能、易加工、易于集成和互连的适用于阵列应用的宽带毫米波天线的是新一代毫米波无线通信系统的迫切需求。
发明内容
发明目的：为解决上述技术问题，本发明提供一种宽带毫米波天线。它具有良好的宽带辐射特性，又能够以低损耗的方式与平面电路互连，同时又极易实现半波长组阵应用，兼具宽带宽、造价低、尺寸小、结构简单、易集成和组阵等优点。
技术方案：本发明提出的技术方案为：一种宽带毫米波天线，所述天线为三明治结构，包括上、下金属块和中间的介质基片4；其中
上、下金属块一端对齐，上、下金属块相互对齐一端分别延伸出一条金属臂7；两金属臂7关于介质基片4镜像对称；金属臂7相背离的两个面之间的距离相等，相对的两个面之间的距离沿长度方向逐渐增大，形成一V形的辐射口8，辐射口8末端形成喇叭状的嘴部9，嘴部9大口径一端朝向辐射口8外；
介质基片4的上、下表面为金属面，介质基片4上沿长度方向设有微带线到基片集成波导2的转接电路1和基片集成波导2；基片集成波导2的输出端5延伸出一段宽度沿长度方向由大到小渐变的表面无金属覆盖的介质板6；所述介质板6伸入辐射口8。
进一步的，所述基片集成波导2由两列沿介质基片4长度方向平行设置的金属化通孔3和两列金属化通孔3之间的金属面构成。
进一步的，所述金属臂7的长度方向中轴线与基片集成波导2的长度方向中轴线重合。
进一步的，所述金属臂7为等宽金属条，金属臂7的宽度小于等于所要传输的毫米波波长的四分之一。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优势：
1)整个天线结构简单，其基片集成波导由标准的PCB(印刷电路板)工艺实现，辐射金属臂部分采用线性渐变结构，加工难度小，造价低。
2)该天线使用各个部分可使用螺钉压合，组装简便，无需焊接，安装后不需要额外调试，使用基片集成波导和宽带转接电路易于与毫米波平面电路互连。
3)该天线的金属块结构可以独立加工，也可以将其一半与实际的收发机模块金属底座一体化，实现集成。
4)该天线可用于频率高于20GHz的毫米波无线通信系统，具有极宽的阻抗带宽(21GHz～34GHz)和良好的驻波特性，同时在整个工作频段内具有良好的辐射方向图。
5)该天线辐射振子水平尺寸较窄，多天线组阵时，相邻单元可共用基片集成波导金属化过孔，结构紧凑，尤其适合于毫米波频段的半波长间距组阵应用。
附图说明
图1为本发明一个实施例的组合结构图；
图2为实施例的拆分结构图；
图3为实施例的俯视图；
图4为实施例的主视图；
图5为实施例的端口驻波测试结果图；
图6为水平方向4天线单元半波长组阵示意图。
图中：1、转接电路，2、基片集成波导，3、金属化通孔，4、介质基片，5、基片集成波导的输出端,6、介质板，7、金属臂，8、辐射口，9、嘴部。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1至4所示为本实施例的结构图，它是一种宽带毫米波天线，包括上、下金属块和中间的介质基片4，金属臂7所带的金属块上可加工螺孔，可用螺钉将上、下金属块和中间的介质基片4紧密压合。上、下金属块可以设计为上短下长的结构，上、下金属块一端对齐，下金属块比上金属块长的部分可以在使用时与收发机底板机构件一体化，实现集成。
上、下金属块的一侧分别延伸出一条金属臂7；两金属臂7关于介质基片4镜像对称；金属臂7相背离的两个面之间的距离相等，相对的两个面之间的距离沿长度方向逐渐增大，形成一V形的辐射口8，辐射口8末端形成喇叭状的嘴部9，嘴部9大口径一端朝向辐射口8外；
介质基片4的上、下表面为金属面，介质基片4上沿长度方向设有微带线到基片集成波导2的转接电路1和基片集成波导2；基片集成波导2用于传输毫米波信号，在本实施例中，对介质基片4的上、下表面采用PCB(印刷电路板)工艺进行覆铜处理，并在介质基片4上加工出两列金属化通孔3，从而形成基片集成波导2。基片集成波导2的输入端可直接与相同尺寸的基片集成波导电路端口互连，也可通过微带到基片集成波导转接电路1与微带传输线或者同轴接头互连，从而与平面电路集成，在基片集成波导2的输出端5延拓有一段无金属覆盖的宽度沿长度方向由大到小渐变的介质板6，介质板6填充辐射口8，用以优化工作频带内的驻波特性。
在基片集成波导2主模式为TE10模式下，基片集成波导2上、下表面电流方向相反，在辐射口8形成宽带的平衡激励。金属臂7优选设计在基片集成波导2长度方向的中轴线上，可以有效抑制偶次模式，从而在极宽的宽带内实现良好的驻波和辐射波束，所述金属臂7宽度较窄，为所要传输的毫米波波长的四分之一左右，这样可以获得较宽的水平波束带宽，在MIMO系统应用中可以有效接收更多的多径信号，同时金属臂7较窄的水平宽度可以满足水平方向上半波长组阵应用的要求，如图6所示，为水平方向4天线单元半波长天线阵列实例结构示意图，相邻的天线单元共用组成基片集成波导的金属化通孔3,从而实现紧凑的阵列结构。
本实施例中的上、下金属块均为矩形，介质基板4为Rogers的RT/Duroid5880板材，其介电常数为2.2。
该宽带毫米波天线最低工作频率受限于基片集成波导的传输频率，即由两列金属化过孔的距离d确定，本实施例设计的宽度为d＝5.7mm，在此基础上通过合理调整辐射口8、嘴部9以及介质板6的尺寸，可以使得辐射口8电磁场模式与基片集成波导2内的电磁场模式相近，从而实现宽带匹配。
如图5所示为本实施例的端口驻波测试结果图，使用高频全波软件仿真和实物测试，在22.5GHz-32GHz频率范围内回波损耗优于15dB，在21GHz-34GHz的13GHz带宽内回波损耗特性优于10dB，天线阻抗带宽相对27.5GHz的中心频率接近47％。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种宽带毫米波天线，其特征在于，所述天线为三明治结构，包括上、下金属块和中间的介质基片(4)；其中，上、下金属块一端对齐，上、下金属块相互对齐一端分别延伸出一条金属臂（7）；两金属臂（7）关于介质基片(4)镜像对称；两个金属臂（7）相背离的两个面之间的距离相等，相对的两个面之间的距离沿长度方向逐渐增大，形成一V形的辐射口（8），辐射口（8）末端形成喇叭状的嘴部（9），嘴部（9）大口径一端朝向辐射口（8）外；
介质基片(4)的上、下表面为金属面，介质基片(4)上沿长度方向设有微带线到基片集成波导（2）的转接电路(1)和基片集成波导（2）；基片集成波导（2）的输出端（5）延伸出一段宽度沿长度方向由大到小渐变的表面无金属覆盖的介质板(6)；所述介质板(6)伸入辐射口（8）。
2.根据权利要求1所述的一种宽带毫米波天线，其特征在于，所述基片集成波导（2）由两列沿介质基片(4)长度方向平行设置的金属化通孔（3）和两列金属化通孔（3）之间的金属面构成。
3.根据权利要求1所述的一种宽带毫米波天线，其特征在于，所述金属臂（7）的长度方向中轴线与基片集成波导（2）的长度方向中轴线位置相对应。
4.根据权利要求1所述的一种宽带毫米波天线，其特征在于，所述金属臂（7）为等宽金属条，金属臂（7）的宽度小于等于所要传输的毫米波波长的四分之一。
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