CN107768819A - 一种辐射方向可控的端射毫米波天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种辐射方向可控的端射毫米波天线，所述天线为轴对称结构，包括T形介质基板，所述T形介质基板上设有耦合器、两个激励端口和两个辐射体；所述耦合器设置在两个激励端口与两个辐射体之间，耦合器采用基板集成波导构成，基板集成波导的两排过孔之间设有一耦合窗口，所述耦合窗口与两排过孔之间分别设有耦合相位控制单元。本发明的辐射方向可控，且方向性好、增益高、前后比高、结构简单、易加工、体积小、成本低，可以应用于毫米波短距离无线通讯系统之中。

Description

一种辐射方向可控的端射毫米波天线

技术领域

本发明涉及一种端射毫米波天线，尤其是一种辐射方向可控的端射毫米波天线，属于无线移动通信技术领域。

背景技术

随着低频电磁波频谱资源日益趋于枯竭，毫米波频段的频谱资源的利用越来越引起学术界的关注。端射天线相较于边射天线更适合运用于终端设备中，因为端射天线的辐射不易受到手的影响而边射天线的辐射可能会受到手的阻挡，从而影响通讯质量。高前后比的天线能够有效抑制背向辐射，同时能够避免接收到来自天线背端的信号。一般的波束可控天线都是通过利用二极管的单向导电性来实现的，但是目前二极管最高的工作频率只能达到15GHz左右，因此毫米波天线实现波束可控不能采用加载二极管的方法。目前毫米波实现波束可控一般通过使用巴特勒矩形的方法，但是巴特勒矩阵的结构过于复杂，并且体积十分的庞大。零折射率超材料由于能够有效提高天线的辐射增益并且具有结构简单便于与天线集成设计等优点，被广泛的应用在各种天线设计中。为了提高天线覆盖距离距离减小天线的体积同时提高终端设备的通讯质量，设计一款可实现波束可控的端射毫米波天线是十分必要的。

据调查与了解，已经公开的现有技术如下：

2016年，Hao-Tao Hu,Fu-Chang Chen,等人在“IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNASAND PROPAGATION”发表题为“A Compact Directional Slot Antenna and ItsApplication in MIMO Array”的文章中，设计了一款高前后比的端射缝隙天线，通过使用两个已经具有一定方向性的缝隙天线组成一个间距相隔1/4波导波长馈电相位相差90度的二元阵，实现了高前后比的特性，最高的前后比达到了19.2dBi。但是该天线只能实现一个方向的定向辐射，并且最高增益只能达到5.5dBi左右。

2016年，Yujian Li,Kwai-Man Luk,等人在“IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNASAND PROPAGATION”发表题为“A Multibeam End-Fire Magnetoelectric Dipole AntennaArray for Millimeter-Wave Applications”的文章中，设计了一种八波束的端射毫米波天线阵列，该天线的波束可控是采用8*8的巴特勒矩形实现的，并且天线单元采用了宽带的端射电磁偶极子天线，使整个天线阵列具有很宽的工作带宽。但是巴特勒矩形的结构十分的复杂，需要移相器、3dB耦合器、交叉结等器件，造成整个天线的结构十分的复杂，并且体积庞大。整个天线需要使用三层介质板，加工难度较大。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术的不足之处，提供了一种辐射方向可控的端射毫米波天线，该天线的辐射方向可控，且方向性好、增益高、前后比高、结构简单、易加工、体积小、成本低，可以应用于毫米波短距离无线通讯系统之中。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种辐射方向可控的端射毫米波天线，所述天线为轴对称结构，包括T形介质基板，所述T形介质基板上设有耦合器、两个激励端口和两个辐射体；

所述耦合器设置在两个激励端口与两个辐射体之间，耦合器采用基板集成波导构成，基板集成波导的两排过孔之间设有一耦合窗口，所述耦合窗口与两排过孔之间分别设有耦合相位控制单元。

进一步的，所述两个激励端口均采用接地共面波导构成，两个激励端口的前端连接微波接头，末端呈喇叭状扩张。

进一步的，所述两个辐射体均为电偶极子，两个电偶极子之间的间距为1/4波导波长。

进一步的，每个电偶极子包括四条金属臂，其中两条金属臂位于T形介质基板的上表面，另外两条金属臂位于T形介质基板的下表面，所述T形介质基板上表面的两条金属臂通过金属过孔与T形介质基板下表面的两条金属臂一一对应相连。

进一步的，所述T形介质基板上还设有四条下底宽上底细的等腰梯形金属带线；

其中两条等腰梯形金属带线分别位于T形介质基板的上、下表面，构成宽带阶梯型平面耦合双线，该宽带阶梯型平面耦合双线与其中一个辐射体相连。

另外两条等腰梯形金属带线也分别位于T形介质基板的上、下表面，也构成宽带阶梯型平面耦合双线，该宽带阶梯型平面耦合双线与另一个辐射体相连。

进一步的，所述T形介质基板上表面的等腰梯形金属带线下底宽度大于T形介质基板下表面的等腰梯形金属带线下底宽度。

进一步的，所述T形介质基板上还设有两组ZIM，每组ZIM包括多个ZIM单元，每两个相邻的ZIM单元之间的间距相同。

进一步的，每组ZIM的ZIM单元为三个。

进一步的，每个ZIM单元包括两条平行且相同的矩形金属带线和两条相同的“几”形金属弯折线，两条“几”形金属弯折线分别位于左、右两侧，且相连在一起，两条矩形金属带线与两条“几”形金属弯折线一一对应相连。

进一步的，所述T形介质基板上还设有与耦合器末端相连的三条矩形金属枝节，其中一条矩形金属枝节位于另外两条矩形金属枝节之间，且长度大于另外两条矩形金属枝节的长度，另外两条矩形金属枝节的长度相同。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本发明的端射毫米波天线设计了T形介质基板，T形介质基板上设置耦合器、两个激励端口和两个辐射体，耦合器采用基板集成波导构成，基板集成波导的两排过孔之间设有一耦合窗口，耦合窗口与两排过孔之间分别设有耦合相位控制单元，通过耦合相位控制单元可以控制耦合相位，实现了功率的等分输出并且相位相差90度，使得电磁信号从两个激励端口馈入形成的天线辐射方向图形状大致相同，但是方向完全反向，说明具有波束可控的特性；此外，只需要采用一层介质板，大大降低了天线的加工难度，不使用巴特勒矩形，只需要使用一个耦合器用于控制相位，大大减小了天线的体积与复杂程度，同时成本低，成品率高，制作过程简单，可以满足毫米波天线对低造价的要求。

2、本发明的端射毫米波天线的两个激励端口末端呈喇叭状扩张，以实现接地共面波导与基板集成波导之间的阻抗匹配，从而实现接地共面波导与基板集成波导之间平滑过渡。

3、本发明的端射毫米波天线的两个辐射体均采用电偶极子，两个电偶极子之间的间距为1/4波导波长，经由耦合器等幅90度相位差馈电后，能够实现辐射方向图的高前后比特性。

4、本发明的端射毫米波天线的T形介质基板上还可以设置四条下底宽上底细的等腰梯形金属带线，其中两条等腰梯形金属带线构成宽带阶梯型平面耦合双线，另外两条等腰梯形金属带线也构成宽带阶梯型平面耦合双线，通过宽带阶梯型平面耦合双线实现辐射体与基板集成波导的阻抗匹配。

5、本发明的端射毫米波天线的T形介质基板上还可以设置两组ZIM，每组ZIM包括多个ZIM单元，通过加载ZIM结构实现了天线增益的提高，使天线的最高增益达到了7.5dBi并且频带范围内的增益均高于5dBi。

6、本发明的端射毫米波天线的T形介质基板上还可以设置三条矩形金属枝节，三条矩形金属枝节均与耦合器的末端相连，且其中一条矩形金属枝节的长度大于另外两条矩形金属枝节的长度，另外两条矩形金属枝节的长度相同，通过引入这三条矩形金属枝节，天线的前后比得到了较大的提高。

附图说明

图1为本发明实施例1的辐射方向可控的端射毫米波天线的立体图。

图2为本发明实施例1的辐射方向可控的端射毫米波天线的上表面结构图。

图3为本发明实施例1的辐射方向可控的端射毫米波天线的下表面结构图。

图4为本发明实施例1的辐射方向可控的端射毫米波天线的辐射体结构图。

图5为本发明实施例1的辐射方向可控的端射毫米波天线ZIM单元的结构图。

图6为本发明实施例1的辐射方向可控的端射毫米波天线ZIM单元的电磁仿真曲线。

图7为本发明实施例1的辐射方向可控的端射毫米波天线的增益随频率变化的曲线。

图8为本发明实施例1的辐射方向可控的端射毫米波天线的回波损耗曲线。

图9为本发明实施例1的辐射方向可控的端射毫米波天线的H面方向图(46GHz)。

图10为本发明实施例1的辐射方向可控的端射毫米波天线的E面方向图(46GHz)。

图11为本发明实施例1的辐射方向可控的端射毫米波天线的H面方向图(49GHz)。

图12为本发明实施例1的辐射方向可控的端射毫米波天线的E面方向图(49GHz)。

图13为本发明实施例1的辐射方向可控的端射毫米波天线的第一激励端口激励时天线的三维方向图。

图14为本发明实施例1的辐射方向可控的端射毫米波天线的第二激励端口激励时天线的三维方向图。

其中，1-T形介质基板，2-耦合器，3-第一激励端口，4-第二激励端口，5-第一电偶极子，501-第一金属臂，502-第二金属臂，503-第三金属臂，504-第四金属臂，505-第一金属过孔，506-第二金属过孔，6-第二电偶极子，7-第一矩形金属微带线，8-第二矩形金属枝节，9-第三矩形金属枝节，10-第一宽带阶梯型平面耦合双线，11-第二宽带阶梯型平面耦合双线，12-第一组ZIM，1201-第一矩形金属带线，1202-第二矩形金属带线，1203-第一“几”形金属弯折线，1204-第二“几”形金属弯折线，13-第二组ZIM。

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～图3所示，本实施例提供了一种辐射方向可控的端射毫米波天线，该天线为轴对称结构，其包括T形介质基板1，T形介质基板1上设有耦合器2、两个激励端口和两个辐射体。

所述T形介质基板1是一块PCB板切割成T形的介质基板，T形介质基板1的中心轴即为天线的对称轴。

所述耦合器2为3dB定向耦合器，其采用基板集成波导(substrate integratedwaveguide，简称SIW)构成，由于天线为轴对称结构，基板集成波导的两排金属过孔关于T形介质基板1的中心轴对称，两排金属过孔作为两条基板集成波导馈线，且基板集成波导馈线的两端延伸，前端延伸到两个激励端口处，两条基板集成波导馈线之间具有一排共用金属过孔，共用金属过孔位于T形介质基板1的中心轴上，且将共用金属过孔的一部分去除，形成耦合窗口，该耦合窗口与两条基板集成波导馈线之间分别设有耦合相位控制单元，耦合相位控制单元也为一排金属过孔结构，可以控制耦合相位，实现了功率的等分输出并且相位相差90度。

所述两个激励端口分别为第一激励端口3和第二激励端口4，由于天线为轴对称结构，第一激励端口3和第二激励端口4关于T形介质基板1的中心轴对称，均采用接地共面波导(grounded coplanar waveguide，GCPW)构成，前端连接微波接头，末端呈喇叭状扩张，以实现接地共面波导与基板集成波导之间的阻抗匹配，从而实现接地共面波导与基板集成波导之间平滑过渡。

所述两个辐射体分别为第一电偶极子5和第二电偶极子6，由于天线为轴对称结构，两个电偶极子关于T形介质基板1的中心轴对称，它们之间的间距近似于1/4波导波长，经耦合器2等幅90度相位差馈电后，能够实现辐射方向图的高前后比特性。

进一步地，第一电偶极子5和第二电偶极子的结构相同，如图1～图4所示，以第一电偶极子5为例，包括第一金属臂501、第二金属臂502、第三金属臂503和第四金属臂504，第一金属臂501和第二金属臂502位于T形介质基板1的上表面，第三金属臂503和第四金属臂504位于T形介质基板1的下表面，第一金属臂501与第三金属臂503相对应，并通过第一金属过孔505相连在一起，第二金属臂502与第四金属臂504相对应，并通过第二金属过孔506相连在一起；本领域技术人员可以理解，第二电偶极子6也包括第一金属臂、第二金属臂、第三金属臂和第四金属臂。

如图1～图3所示，所述T形介质基板1上还设有第一矩形金属枝节7、第二矩形金属枝节8和第三矩形金属枝节9，第一矩形金属枝节7、第二矩形金属枝节8和第三矩形金属枝节9均为金属微带线，且位于T形介质基板1的上表面，并与耦合器2的末端相连，第一矩形金属枝节7和第三矩形金属枝节9关于T形介质基板1的中心轴对称，第二矩形金属枝节8位于T形介质基板1的中心轴上，第一矩形金属枝节7、第二矩形金属枝节8和第三矩形金属枝节9的宽度相同，且第二矩形金属枝节8的长度大于第一矩形金属枝节7和第三矩形金属枝节9，通过引入这三条矩形金属枝节，天线的前后比得到了较大的提高。

如图1～图4所示，所述T形介质基板1上还设有四条下底宽上底细的等腰梯形金属带线，其中两条等腰梯形金属带线分别位于T形介质基板的上、下表面，构成第一宽带阶梯型平面耦合双线10，另外两条等腰梯形金属带线也分别位于T形介质基板的上、下表面，构成第二宽带阶梯型平面耦合双线11，由于天线为轴对称结构，第一宽带阶梯型平面耦合双线10和第二宽带阶梯型平面耦合双线11关于T形介质基板1的中心轴对称。

进一步地，第一宽带阶梯型平面耦合双线10与第一电偶极子5相连，具体为第一宽带阶梯型平面耦合双线10在T形介质基板1上表面的等腰梯形金属带线与第一电偶极子5的第一金属臂501相连，在T形介质基板1下表面的等腰梯形金属带线与第四金属臂504相连；

第二宽带阶梯型平面耦合双线11与第二电偶极子6相连，具体为第二宽带阶梯型平面耦合双线11在T形介质基板1上表面的等腰梯形金属带线与第二电偶极子6的第一金属臂相连，在T形介质基板1下表面的等腰梯形金属带线与第二电偶极子6的第四金属臂相连。

通过引入第一宽带阶梯型平面耦合双线10和第二宽带阶梯型平面耦合双线11，能够实现偶极子与基板集成波导之间的阻抗匹配，优选地，第一宽带阶梯型平面耦合双线10、第二宽带阶梯型平面耦合双线11在T形介质基板上表面的等腰梯形金属带线下底宽度大于在T形介质基板下表面的等腰梯形金属带线下底宽度，而上底的宽度一致。

如图1～图5所示，所述T形介质基板1上还设有两组ZIM(Zero-IndexMetamaterial，零折射率超材料)，两组ZIM分别为第一组ZIM 12和第二组ZIM 13，由于天线为轴对称结构，两组ZIM关于T形介质基板1的中心轴对称，第一组ZIM 12和第二组ZIM 13均包括三个ZIM单元，以第一组ZIM 12为例，每个ZIM单元包括第一矩形金属带线1201、第二矩形金属带线1202、第一“几”形金属弯折线1203和第二“几”形金属弯折线1204，第一矩形金属带线1201、第一“几”形金属弯折线1203、第二“几”形金属弯折线1204和第二矩形金属带线1202依次相连，第一“几”形金属弯折线1203和第二“几”形金属弯折线1204有公共部分，且分别位于图5中所示虚线的左、右两侧，图6展示的是这种ZIM结构的电磁仿真特性曲线，从图6可以看出，该结构能够在阻抗带宽范围内实现一个近零折射率特性，图7展示的是加载了ZIM结构的天线增益与未加载ZIM结构天线的增益的比较，通过对比可以看出加载ZIM结构能够有效提高天线的增益。

调整本实施例的端射毫米波天线各部分的尺寸参数后，通过计算和电磁场仿真，对本实施例的端射毫米波天线进行了验证仿真，如图8所示，给出了该天线在40～50GHz频率范围内的|S11|参数(输入端口回波损耗)仿真结果的曲线；可以看到，在45.7GHz～49.6GHz频段范围内，|S11|曲线的值都小于-10dB。如图9和图10所示，给出了该天线在46GHz这个频点的H面方向图和E面的方向图，如图11和图12所示，给出了该天线在49GHz这个频点的H面方向图和E面的方向图，可以看到，在46GHz天线的前后比达到了13.4dBi，在49GHz天线的前后比达到了16.3dBi，仿真结果表明本实施例的辐射方向可控的端射毫米波天线具有很好的方向性。如图13和图14所示，给出了该天线的三维方向图，可以看到，激励第一激励端口3第二激励端口4接匹配负载时，天线的辐射方向是+X轴方向。激励第二激励端口4第一激励端口3接匹配负载时，天线的辐射方向是-X轴方向。说明该天线实现了辐射方向可控的特性，通过激励不同的激励端口，能够实现两个180度反向的辐射方向图。

实施例2：

本实施例的端射毫米波天线中，所述第一组ZIM 12和第二组ZIM 13还可以包括四个或四个以上的ZIM单元。其余同实施例1。

上述实施例中，所述PCB板采用FR-4、聚酰亚胺、聚四氟乙烯玻璃布和共烧陶瓷中任意两种种材料构成；所述金属的材质可以为铝、铁、锡、铜、银、金和铂的任意一种，或为铝、铁、锡、铜、银、金和铂任意一种的合金。

综上所述，本发明的端射毫米波天线设计了T形介质基板，T形介质基板上设置耦合器、两个激励端口和两个辐射体，耦合器采用基板集成波导构成，基板集成波导的两排过孔之间设有一耦合窗口，耦合窗口与两排过孔之间分别设有耦合相位控制单元，通过耦合相位控制单元可以控制耦合相位，实现了功率的等分输出并且相位相差90度，使得电磁信号从两个激励端口馈入形成的天线辐射方向图形状大致相同，但是方向完全反向，说明具有波束可控的特性；此外，只需要采用一层介质板，大大降低了天线的加工难度，不使用巴特勒矩形，只需要使用一个耦合器用于控制相位，大大减小了天线的体积与复杂程度，同时成本低，成品率高，制作过程简单，可以满足毫米波天线对低造价的要求。

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 (10)

1.一种辐射方向可控的端射毫米波天线，其特征在于：所述天线为轴对称结构，包括T形介质基板，所述T形介质基板上设有耦合器、两个激励端口和两个辐射体；

所述耦合器设置在两个激励端口与两个辐射体之间，耦合器采用基板集成波导构成，基板集成波导的两排过孔之间设有一耦合窗口，所述耦合窗口与两排过孔之间分别设有耦合相位控制单元。

2.根据权利要求1所述的一种辐射方向可控的端射毫米波天线，其特征在于：所述两个激励端口均采用接地共面波导构成，两个激励端口的前端连接微波接头，末端呈喇叭状扩张。

3.根据权利要求1所述的一种辐射方向可控的端射毫米波天线，其特征在于：所述两个辐射体均为电偶极子，两个电偶极子之间的间距为1/4波导波长。

4.根据权利要求3所述的一种辐射方向可控的端射毫米波天线，其特征在于：每个电偶极子包括四条金属臂，其中两条金属臂位于T形介质基板的上表面，另外两条金属臂位于T形介质基板的下表面，所述T形介质基板上表面的两条金属臂通过金属过孔与T形介质基板下表面的两条金属臂一一对应相连。

5.根据权利要求1所述的一种辐射方向可控的端射毫米波天线，其特征在于：所述T形介质基板上还设有四条下底宽上底细的等腰梯形金属带线；

其中两条等腰梯形金属带线分别位于T形介质基板的上、下表面，构成宽带阶梯型平面耦合双线，该宽带阶梯型平面耦合双线与其中一个辐射体相连。

另外两条等腰梯形金属带线也分别位于T形介质基板的上、下表面，也构成宽带阶梯型平面耦合双线，该宽带阶梯型平面耦合双线与另一个辐射体相连。

6.根据权利要求5所述的一种辐射方向可控的端射毫米波天线，其特征在于：所述T形介质基板上表面的等腰梯形金属带线下底宽度大于T形介质基板下表面的等腰梯形金属带线下底宽度。

7.根据权利要求1所述的一种辐射方向可控的端射毫米波天线，其特征在于：所述T形介质基板上还设有两组ZIM，每组ZIM包括多个ZIM单元，每两个相邻的ZIM单元之间的间距相同。

8.根据权利要求7所述的一种辐射方向可控的端射毫米波天线，其特征在于：每组ZIM的ZIM单元为三个。

9.根据权利要求7或8所述的一种辐射方向可控的端射毫米波天线，其特征在于：每个ZIM单元包括两条平行且相同的矩形金属带线和两条相同的“几”形金属弯折线，两条“几”形金属弯折线分别位于左、右两侧，且相连在一起，两条矩形金属带线与两条“几”形金属弯折线一一对应相连。

10.根据权利要求1所述的一种辐射方向可控的端射毫米波天线，其特征在于：所述T形介质基板上还设有与耦合器末端相连的三条矩形金属枝节，其中一条矩形金属枝节位于另外两条矩形金属枝节之间，且长度大于另外两条矩形金属枝节的长度，另外两条矩形金属枝节的长度相同。