CN107978853B - 一种端射圆极化毫米波天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种端射圆极化毫米波天线，包括基片集成波导、第一介质基片和电偶极子，所述基片集成波导具有第一开口端和第二开口端，第一开口端作为信号馈入点，第二开口端作为磁偶极子，所述磁偶极子与电偶极子相连，所述电偶极子设置在第一介质基片上，所述第一介质基片设置在基片集成波导的第二开口端上。本发明具有端射圆极化性能，工作于毫米波频段，中心工作频率为47GHz，且具有低剖面、结构简单、可集成和组成阵列等优点，可应用于短距离点对点通信系统中。

Description

一种端射圆极化毫米波天线
技术领域
本发明涉及一种毫米波天线，尤其是一种端射圆极化毫米波天线，属于无线移动通信技术领域。
背景技术
近些年，随着无线通信技术的飞速发展，低频段的频谱资源越来越紧缺，同时为了满足5G短距离高速无线通信的要求，开发毫米波段的频谱资源变得极为必要。相对于传统的线极化天线而言，圆极化天线由于具有抗多径发射、抗极化失配等优点，受到了广泛的研究。
目前大多数天线为边射，但是对于台式机之间的无线文件传输系统，端射天线更加符合要求。目前许多端射圆极化天线已经被研究。不过这些天线较多运用于低频段，所以端射圆极化毫米波天线的研究成为一个重要的研究课题。
据调查与了解，已经公开的现有技术如下：
2015年Zhuozhu Chen和Zhongxiang Shen在“IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNASAND PROPAGATION”期刊上，发表的题为“Planar Helical Antenna of CircularPolarization”的文章中提出了一种低剖面端射圆极化螺旋天线，该天线具有较宽的阻抗和轴比带宽、低剖面、成本低和可以做成阵列等优点。该螺旋天线由印刷的微带线和金属通孔组成，印刷的微带线产生水平极化波，金属通孔产生垂直极化波，从而实现了圆极化波性能。该天线不是运用于毫米波频段。
2016年Wen-Hai Zhang,Wen-Jun Lu和Kam-Weng Tam在“IEEE TRANSACTIONS ONANTENNAS AND PROPAGATION”期刊上，发表的题为“A Planar End-Fire CircularlyPolarized Complementary Antenna With Beam in Parallel With Its Plane”的文章中提出了一种端射圆极化互补天线。该天线的圆极化波是由磁偶极子和电偶极子产生的极化波组成。但是该天线运用于较低频段。
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，提供了一种端射圆极化毫米波天线，该天线具有端射圆极化性能，工作于毫米波频段，中心工作频率为47GHz，且具有低剖面、结构简单、可集成和组成阵列等优点，可应用于短距离点对点通信系统中。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种端射圆极化毫米波天线，包括基片集成波导、第一介质基片和电偶极子，所述基片集成波导具有第一开口端和第二开口端，第一开口端作为信号馈入点，第二开口端作为磁偶极子，所述磁偶极子与电偶极子相连，所述电偶极子设置在第一介质基片上，所述第一介质基片设置在基片集成波导的第二开口端上。
进一步的，所述电偶极子为蝶形电偶极子。
进一步的，所述蝶形电偶极子由两个蝶形臂组成，两个蝶形臂分别设置在第一介质基片的上、下两面，每个蝶形臂依次通过馈电线、微带线与磁偶极子相连。
进一步的，每个蝶形臂的长度为1.6mm～2.0mm。
进一步的，所述馈电线的长度为1.8mm～2.2mm。
进一步的，所述微带线为锥形微带线。
进一步的，所述基片集成波导为上、下两面覆盖金属，且两边分别开有一排金属通孔的第二介质基片。
进一步的，所述第二介质基片的相对介电常数为4.4～4.8，厚度为1.8mm～2.2mm。
进一步的，所述基片集成波导的宽度为5mm～6mm。
进一步的，所述第一介质基片开有多个空气通孔。
进一步的，所述第一介质基片的一端设置在基片集成波导的第二开口端上，另一端呈锥形状。
本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：
1、本发明的端射圆极化毫米波天线中，采用了基片集成波导，基片集成波导的一个开口端视为磁偶极子，简化了磁偶极子的设计，基片集成波导朝磁偶极子的方向延伸有一介质基片，电偶极子设置在该介质基片上，并与磁偶极子，通过磁偶极子和电偶极子的辐射形成圆极化性能，降低了天线的高度，实现了低剖面，天线工作于毫米波频段，可应用于短距离(如台式机之间)点对点无线文件传输。
2、本发明的端射圆极化毫米波天线中，采用的电偶极子为蝶形电偶极子，蝶形电偶极子由两个蝶形臂组成，两个蝶形臂分别设置在基片集成波导朝磁偶极子的方向延伸的介质基片的上、下两面，可以提高天线的阻抗带宽。
3、本发明的端射圆极化毫米波天线中，基片集成波导朝磁偶极子的方向延伸的介质基片上开有多个空气通孔，能够有效地拓宽了天线的阻抗和轴比带宽。
4、本发明的端射圆极化毫米波天线经过仿真后的结果表明，能够同时满足S11≤-10dB和AR≤3dB，相对频率带宽为10.6％，较同类型的其他天线有较大的带宽；能够满足短距离点对点无线传输的要求。
附图说明
图1为本发明实施例1的端射圆极化毫米波天线的平面结构图。
图2为本发明实施例1的端射圆极化毫米波天线S11参数的仿真曲线。
图3为本发明实施例1的端射圆极化毫米波天线AR(轴比)参数的仿真曲线。
图4为本发明实施例1的端射圆极化毫米波天线增益参数的仿真曲线。
图5为本发明实施例1的端射圆极化毫米波天线的主平面方向图。
其中，1-基片集成波导，2-第一介质基片，3-电偶极子，4-金属通孔，5-空气通孔，6-馈电线，7-微带线。
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所示，本实施例提供了一种端射圆极化毫米波天线，该天线包括基片集成波导(substrate integrated waveguide，简称SIW)1、第一介质基片2和电偶极子3。
所述基片集成波导1的宽度为5.3mm，其为上、下两面覆盖金属，且两边分别打一排金属通孔4的第二介质基片，与波导腔体类似，第二介质基片的相对介电常数为4.8，厚度为2mm；基片集成波导1具有两个开口端，两个开口端分别为第一开口端和第二开口端，第一开口端为基片集成波导1的前端，其作为信号馈入点，第二开口端为基片集成波导1的末端，其可以视为磁偶极子，简化了磁偶极子的设计。
所述第一介质基片2的一端设置在基片集成波导的第二开口端上，另一端呈锥形状，可视为基片集成波导1朝磁偶极子方向的延伸，第一介质基片2上打通了一系列空气通孔5，有效地拓宽了天线的阻抗和轴比带宽，从图1中可以看到，空气通孔5的尺寸有三种。
所述电偶极子3优选采用蝶形电偶极子，可以提高了天线的阻抗带宽，其由两个蝶形臂组成，两个蝶形臂分别设置在第一介质基片的上、下两面，从图1中可以看到，设置在第一介质基片上面的蝶形臂在第一介质基片下面的投影，与设置在第一介质基片下面的蝶形臂镜面对称；每个蝶形臂依次通过馈电线6、微带线7与磁偶极子相连，通过磁偶极子和电偶极子的辐射形成圆极化性能，降低了天线的高度，实现了低剖面；优选地，每个蝶形臂的长度为1.8mm，馈电线6的长度为2mm，微带线7为锥形微带线。
调整本实施例的端射圆极化毫米波天线各部分的尺寸参数后，通过计算和电磁仿真，对本实施例的端射圆极化毫米波天线进行了验证仿真，如图2所示，给出了该天线在44GHz～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44.3GHz～50GHz频段范围内，该曲线的值都小于-10dB；如图3所示，给出了该天线在44GHz～50GHz频率范围内的AR(轴比)参数仿真结果的曲线，可以看到，在44.5GHz～49.23GHz频段范围内，该曲线的值都小于3dB；如图4所示，给出了该天线在44GHz～50GHz频率范围内的增益仿真结果曲线，其最大增益可达7.5dB；仿真结果表明，本实施例的端射圆极化毫米波天线同时满足S11≤-10dB和AR≤3dB，相对频率带宽为10.6％，较同类型的其他天线有较大的带宽；能够满足短距离点对点无线传输的要求。
本实施例的端射圆极化毫米波天线HFSS仿真的模型在47GHz时的主平面辐射方向图如图5所示，从图5可知该天线具有端射性能。
实施例2：
本实施例的端射圆极化毫米波天线中，每个蝶形臂的长度还可以为1.6mm、2mm等。其余同实施例1。
实施例3：
本实施例的端射圆极化毫米波天线中，所述馈电线的长度为1.8mm、2.2mm等。其余同实施例1。
实施例4：
本实施例的端射圆极化毫米波天线中，所述基片集成波导1的宽度还可以为5mm、6mm等，厚度为1.8mm、2.2mm等。其余同实施例1。
上述实施例中，所述第一介质基片和第二介质基片采用PCB板，该PCB板采用FR-4、聚酰亚胺、聚四氟乙烯玻璃布和共烧陶瓷任意一种材料构成；所述第二介质基片表面覆盖的金属和金属通孔、电偶极子、微带线、馈电线的金属为铝、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，本发明的端射圆极化毫米波天线中，采用了基片集成波导，基片集成波导的一个开口端视为磁偶极子，简化了磁偶极子的设计，基片集成波导朝磁偶极子的方向延伸有一介质基片，电偶极子设置在该介质基片上，并与磁偶极子，通过磁偶极子和电偶极子的辐射形成圆极化性能，降低了天线的高度，实现了低剖面，天线工作于毫米波频段，可应用于短距离(如台式机之间)点对点无线文件传输。
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 (6)

1.一种端射圆极化毫米波天线，其特征在于：包括基片集成波导、第一介质基片和电偶极子，所述基片集成波导具有第一开口端和第二开口端，第一开口端作为信号馈入点，第二开口端作为磁偶极子，所述磁偶极子与电偶极子相连，所述电偶极子设置在第一介质基片上，所述第一介质基片设置在基片集成波导的第二开口端上；
所述第一介质基片的一端设置在基片集成波导的第二开口端上，另一端呈锥形状，视为基片集成波导朝磁偶极子方向的延伸，使第一介质基片的整体呈子弹状，第一介质基片上打通了一系列空气通孔，所述空气通孔的尺寸有三种，其中尺寸最小的空气通孔位于电偶极子与基片集成波导的第二开口端之间，另外两种尺寸的空气通孔位于从电偶极子到第一介质基片呈锥形状一端的位置上，且从电偶极子到第一介质基片呈锥形状一端的空气通孔尺寸由小到大；
所述电偶极子为蝶形电偶极子，蝶形电偶极子由两个蝶形臂组成，两个蝶形臂分别设置在第一介质基片的上、下两面，设置在第一介质基片上面的蝶形臂在第一介质基片下面的投影，与设置在第一介质基片下面的蝶形臂镜面对称；每个蝶形臂呈五边形结构，该五边形结构由等腰三角形部分和矩形部分构成，所述矩形部分与等腰三角形部分的底边相连，所述等腰三角形部分的顶角通过馈电线、微带线与磁偶极子相连，通过磁偶极子和电偶极子的辐射形成圆极化性能。
2.根据权利要求1所述的一种端射圆极化毫米波天线，其特征在于：每个蝶形臂的长度为1.6mm～2.0mm。
3.根据权利要求1所述的一种端射圆极化毫米波天线，其特征在于：所述馈电线的长度为1.8mm～2.2mm。
4.根据权利要求1所述的一种端射圆极化毫米波天线，其特征在于：所述微带线为锥形微带线。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种端射圆极化毫米波天线，其特征在于：所述基片集成波导为上、下两面覆盖金属，且两边分别开有一排金属通孔的第二介质基片。
6.根据权利要求1-4任一项所述的一种端射圆极化毫米波天线，其特征在于：所述基片集成波导的宽度为5mm～6mm。
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