CN107134638B - 一种基片集成腔体毫米波天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基片集成腔体毫米波天线，包括基片集成腔体和寄生单元，基片集成腔体用于接收电磁波并让电磁波在腔体内产生高次模谐振；寄生单元用于调整高次模的场分布，使得腔体内中高次模的辐射方向变为沿着基片集成腔体法线方向。本发明中通过扩大腔体辐射面积引入高次模，高次模的方向不沿着基片集成腔体的法向，通过寄生单元调整高次模的场分布，使得基片集成腔毫米波天线正常工作，由于辐射面积被扩大，使得基片集成腔毫米波天线的增益得到提高。

Description

一种基片集成腔体毫米波天线

技术领域

本发明属于毫米波天线技术领域，具体涉及一种基片集成腔体毫米波天线。

背景技术

随着通信技术的不断发展，传统微波频段的频谱资源日益紧张。为了缓解这一问题，人们逐渐把目光移向了频段更高的毫米波频段。毫米波由于其具有的波长短、频带宽、传输速率快等特点而受到广泛的关注。在无线通信系统中，信号的发射与接收都要依靠天线。毫米波天线作为毫米波通信系统中的关键部件，对系统的最终性能有着至关重要的影响。然而由于毫米波在空气中传播时有着较大的衰减，这就要求毫米波天线具有更高的增益以适用于长距离的毫米波无线通信。

低温共烧陶瓷(LTCC)技术由于其特有的叠层工艺，使得天线结构设计更加的多样化，可使得天线的布局从二维平面空间向三维立体空间扩展，从而使得天线结构更加紧凑，为小型化毫米波天线的设计提供了必要的条件；LTCC技术可实现天线与馈电网络的一体化立体集成，为高增益毫米波天线的实现提供了便利的条件；LTCC技术还可以将天线与其它有源、无源毫米波器件集成在同一块LTCC基板中，实现整个系统的集成化与模块化；另外，LTCC技术是平行加工技术，基板的各层可以并行加工，加工效率高，并且LTCC工艺便于自动化大规模批量生产，降低天线产品成本。

然而在毫米波频段，LTCC相对大的介电常数将会导致表面波损耗变大，从而使得天线的增益降低；而表面波沿天线基板传播，会导致天线中阵元间的互耦增大，驻波特性恶化，天线带宽变窄，交叉极化特性变差，限制天线增益的提高。为此，有人提出了一种基片集成腔(SIC)天线，该天线在不增大天线体积的情况下能够有效抑制表面波，但是其增益一般只有6.7dBi，这在一定程度上制约了该天线在毫米波通信中的应用。

发明内容

针对上述缺陷，本发明的目的在于提供一种基片集成腔体毫米波天线，旨在解决现有的基片集成腔体毫米波天线增益低的技术问题。本发明提供的基片集成腔体毫米波天线通过扩大腔体辐射面积引入高次模，通过寄生单元改变高次模的辐射特性，使得基片集成腔天线的增益得到提高。

为了实现上述目的，本发明提供的一种基片集成腔体毫米波天线，包括：

基片集成腔体，用于接收电磁波并让电磁波在腔体内产生高次模谐振；

寄生单元，位于基片集成腔体上表面的中心，用于调整电磁波中高次模的场分布，使得电磁波中高次模的辐射方向变为沿着基片集成腔体法线方向。

电磁波进入基片集成腔体，在基片集成腔体中产生高次模谐振，高次模的辐射方向不沿腔体法线方向，通过寄生结构调整基片集成腔体内高次模的场分布，使得基片集成腔体内高次模的辐射方向变为向着谐振腔体法线方向，使得每个天线单元正常工作。通过扩大基片集成腔体的辐射口径引入高次模，使得毫米波天线增益得到提高。

近一步地，基片集成腔体下表面设置有用于传输电磁波的馈电缝。

进一步地，基片集成腔体的腔体截面尺寸从上到下依次减小。基片集成腔体呈现出类喇叭式的结构，采用该种结构可以提高天线的增益和改善阻抗匹配。

进一步地，寄生单元为金属片，金属片位于基片集成腔体的中心，且金属片长边方向与所述馈电缝长边方向相同。

进一步地，金属片呈中间窄两端宽的工字型，且金属片尺寸变化边与所述馈电缝长边垂直。可以增大金属贴片上感应电流的电长度从而使得天线的带宽得到进一步的提高。

进一步地，寄生单元为两个金属片，记为第一金属片和第二金属片，两个金属片沿馈电缝长边方向排列，且两个金属片关于基片集成腔体的中心线对称。

进一步地，第一金属片与第二金属片为呈中间窄两端宽的工字型，且第一金属片尺寸变化边的方向与馈电缝长边方向垂直，第二金属片尺寸变化边的方向与馈电缝长边方向垂直。

进一步地，基片集成腔体为由多层低温共烧陶瓷流延片层压制成或由多层印刷电路版制成。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

1、本发明中，通过扩大基片集成腔体的辐射面积，增大毫米波天线的增益，由于基片集成腔体的辐射面积扩大，会在电磁波中引入高次模，高次模的辐射方向不沿着腔体法线方向，使得毫米波天线无法正常工作，通过采用寄生单元，改变基片集成腔体内的场分布，使得基片集成腔体内高次模的辐射方向变为向着谐振腔体法线方向，使得毫米波天线能够正常工作。

2、本发明中，金属片呈工字型结构可以增大金属贴片上感应电流的电长度，从而使得天线的带宽得到进一步的提高。

附图说明

图1是本发明提供的基片集成腔体毫米波天线的第二实施例的结构示意图；

图2是本发明提供的基片集成腔体毫米波天线回波损耗和增益曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供的基片集成腔体毫米波天线的第一实施例。该毫米波天线包括基片集成腔体和寄生单元。基片集成腔体的表面开有馈电缝，寄生单元位于基片集成腔体上表面的中心。电磁波由馈电缝进入基片集成腔体中，并在基片集成腔体中产生高次模谐振。高次模的辐射方向垂直腔体法线方向，使得毫米波天线无法正常工作，寄生单元通过改变高次模的场分布，使得高次模的辐射方向沿着垂直于基片集成腔体方向，毫米波天线正常工作。由于基片集成腔体内的电磁波中存在高次模，其辐射口径必然大于现有的仅存在基模的基片集成腔体的口径，大的辐射口径能够提高毫米波天线的增益，因此本发明提出的毫米波天线具有高增益的优点。

本发明提供的基片集成腔体毫米波天线的第二实施例，毫米波天线包括基片集成腔体和金属片，基片集成腔下表面开有馈电缝，金属片位于基片集成腔体上表面的中心，且金属片的长边方向与馈电缝的长边方向一致，金属片呈工字型，即金属片的一边长度由两端至中间逐渐减少，且长度变化的边垂直于馈电缝长边方向。

本发明提供的第二实施例中，电磁波通过馈电缝进入基片集成腔体内，在基片集成腔体内产生高次模谐振，由金属片改变高次模的场分布，使高次模的辐射方向变为沿着垂直于基片集成腔体截面的方向，使得毫米波天线正常工作。金属片形状为工字型，可以增大金属贴片上感应电流的电长度从而使得天线的带宽得到进一步的提高。

图1为本发明提供的基片集成腔体毫米波天线的第三实施例，毫米波天线包括基片集成腔1、第一金属片101以及第二金属片102，基片集成腔1下表面开有馈电缝202。基片集成腔体毫米波天线采用四层厚度为0.096mm，相对介电常数为6的LTCC流延片层压制成，每层通过金属通孔柱围成一个矩形腔。金属通孔直径为0.1mm，相邻两个金属通孔中心距离为0.25mm。第一层流延片上矩形腔的尺寸为2.1mm×2.1mm，第二层流延片上矩形腔的尺寸为2.04mm×2.04mm，第三层流延片上矩形腔的尺寸为1.98mm×1.98mm，第四层流延片上矩形腔的尺寸为1.92mm×1.92mm。基片集成腔体1呈阶梯状，基片集成腔体内无金属电极，基片集成腔外铺满金属电极，阶梯状的基片集成腔体可以进一步的提高增益。

第一金属片101与第二金属片102位于基片集成腔体1的上表面，第一金属片101与第二金属片102沿馈电缝202长边方向排列，且第一金属片101与第二金属片102关于基片集成腔体1的中心线对称排列，第一金属片101与第二金属片102均呈工字型，且第一金属片尺寸变化的边的方向与馈电缝101长边方向垂直，第二金属片尺寸变化的边的方向与馈电缝101长边方向垂直。每个金属贴片沿垂直馈电缝长边方向的长度为0.55mm，沿平行馈电缝长边方向长度最大允许为0.7mm，沿平行馈电缝长度方向长度最小允许为0.46mm，两金属片中心间距为0.9mm。

图2为本发明提供的第三实施例的回波损耗和增益曲线图。从图中可以看出，毫米波天线的阻抗带宽为80.6GHz～99.16GHz，相对阻抗带宽为20.71％，在频段内，毫米波天线的增益都保持在8dBi以上，毫米波天线最大增益可达9.66dBi。

本发明提供的基片集成腔体毫米波天线不仅限于用LTCC流延片层压制成，也可通过多层印刷电路版制成。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基片集成腔体毫米波天线，其特征在于，包括：

基片集成腔体(1)，用于接收电磁波并通过扩大基片集成腔体的辐射口径让电磁波在基片集成腔内部产生高次模谐振，所述基片集成腔体(1)下表面设置有用于传输电磁波的馈电缝；所述基片集成腔体(1)的腔体截面尺寸从上到下依次减小；

寄生单元(2)，位于所述基片集成腔体上表面的中心，用于调整基片集成腔内部高次模的场分布，使得高次模的辐射方向变为沿着所述基片集成腔体(1)上表面的法线方向；

所述寄生单元(2)为金属片，金属片长边方向与所述馈电缝(202)长边方向相同；

所述金属片呈中间窄两端宽的工字型，金属片尺寸变化边的方向与所述馈电缝(202)长边方向垂直；

所述寄生单元(2)为两个金属片，记为第一金属片和第二金属片，两个金属片沿所述馈电缝(202)长边方向排列，且两个金属片关于所述基片集成腔体(1)的中心线对称。

2.如权利要求1所述基片集成腔体毫米波天线，其特征在于，所述基片集成腔体(1)为由多层低温共烧陶瓷流延片层压制成或由多层印刷电路板 制成。

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