CN108565548A - 一种毫米波天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种毫米波天线，包括：一反射层主地面，用以增加毫米波天线的方向性以及减小后向辐射；一激励源，用以实现信号馈入；一信号辐射层，用以辐射天线信号；以及，一天线支架结构，天线支架结构设置于反射层主地面和信号辐射层之间，用以对激励源以及信号辐射层提供物理支撑；其中，激励源和信号辐射层通过电磁耦合方式激发辐射。本发明提供的一种毫米波天线，其在较小的天线尺寸下能够覆盖从24.472GHz‑94.874GHz的‑10dB S11带宽，同时拥有较高的增益。

Description

一种毫米波天线
技术领域
本发明属于天线的设计领域，尤其涉及一种紧凑型超宽带毫米波天线。
背景技术
随着第五代移动通信(5G)的到来，毫米波天线技术作为其核心技术之一越来越受到重视，在将来必然会应用到各种终端中(诸如手机，平板电脑，可移动穿戴设备等)。而相应天线的设计，保证一定性能的前提下，尽可能的小型化是必然的趋势。在毫米波频段，对应的天线波长非常小，这意味着对天线加工的精度要求很高，些许的尺寸差异可能会带来天线谐振频率很大的漂移，而高精度往往意味着制造成本上的上升。因此，需要设计出一种对频率漂移容忍性强的毫米波天线，其中，超宽带毫米波天线是一个非常优秀的解决方案，其大宽带的特性意味着对一些落在其频带内所支持的频段，带宽有所冗余，从而能有效抵抗一些尺寸公差所带来的频漂。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种毫米波天线，其在较小的天线尺寸下能够覆盖从24.472GHz-94.874GHz的-10dB S11带宽，同时拥有较高的增益。
为解决上述问题，本发明的技术方案为：
一种毫米波天线，包括：
一反射层主地面，用以增加所述毫米波天线的方向性以及减小后向辐射；
一激励源，用以实现信号馈入；
一信号辐射层，用以辐射天线信号；以及，
一天线支架结构，所述天线支架结构设置于所述反射层主地面和所述信号辐射层之间，用以对所述激励源以及所述信号辐射层提供物理支撑；
其中，
所述激励源和所述信号辐射层通过电磁耦合方式激发辐射。
根据本发明一实施例，所述反射层主地面包括第一基底层以及设置于所述第一基底层上面的主地金属面。
根据本发明一实施例，所述天线支架结构包括主支撑结构以及激励源支撑结构；所述主支撑结构与所述反射层主地面形成一空气腔；
其中，
所述主支撑结构用于支撑所述信号辐射层；
所述激励源支撑结构用以放置和支撑所述激励源。
根据本发明一实施例，所述激励源为一弯折的单极天线形式。
根据本发明一实施例，所述激励源包括信号馈入端口、水平走线以及垂直走线；
其中，所述水平走线平行于所述反射层主地面，所述垂直走线垂直于所述反射层主地面；
所述垂直走线的一端连接所述信号馈入端口，另一端连接所述水平走线。
根据本发明一实施例，所述水平走线与所述反射层主地面的间距大于0.5mm。
根据本发明一实施例，所述信号辐射层包括第二基底层以及辐射贴片；
其中，所述第二基底层贴合于所述天线支架结构上方；
所述辐射贴片设置在所述第二基底层的上方或者下方，用以和所述激励源进行耦合式馈电。
根据本发明一实施例，所述辐射贴片的边缘线条包括渐变的平滑线条。
根据本发明一实施例，所述辐射贴片形状为一圆形被切除两侧之后的剩余部分图形。
根据本发明一实施例，所述辐射贴片的放置方向与所述激励源的宽度方向成一角度θ。
本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：
1)本发明提供的一种毫米波天线，包括一反射层主地面、一激励源、一信号辐射层以及一天线支架结构，激励源和信号辐射层通过电磁耦合方式激发辐射。根据安装环境，可以将天线的体积做的很小(天线体积可做到7.1*7.1*0.85mm3，厚度方向相对于最低S11为-10dB的频点只相当于0.07个波长)，可置于各种移动终端的表面，非常适合用作第五代移动通信各终端中毫米波天线阵列的单元。
2)本发明提供的一种毫米波天线带宽非常宽。对于常规使用的L型耦合馈，厚度在0.1个波长的天线，其-10dB S11带宽大约40％左右(相对与中心频点)，而本发明的一种毫米波天线可覆盖从24.472GHz-94.874GHz(其中包含了第五代移动通信世界范围内所有国家的毫米波通信频段，60GHz WIFI以及部分车载雷达频段)，相对于中心频点大约118％的-10dB S11带宽，尺寸更小了而带宽大约扩展到了3倍。且作为超宽带天线本身对频率漂移容忍性很强，是应对制造公差带来频率偏移问题的有效解决方案之一，能够降低制造门槛和成本，有利于商用。
3)通过主支撑结构与反射层主地面形成的空气腔，能够确保激励源的电磁能量能以最小的损耗最终到达信号辐射层辐射出去。
附图说明
图1a是本发明一实施例总体结构图；
图1b是本发明一实施例总体侧视图；
图2a是本发明一实施例反射层主地面结构细节图；
图2b是本发明一实施例反射层主地面结构侧视图；
图3a是本发明一实施例天线支架结构细节图；
图3b是本发明一实施例天线支架结构侧视图；
图4a是本发明一实施例激励源结构细节图；
图4b是本发明一实施例激励源结构侧视图；
图5a是本发明一实施例信号辐射层结构细节图；
图5b是本发明一实施例信号辐射层结构侧视图；
图6是本发明一实施例俯视角度局部尺寸细节与相对位置关系图；
图7是本发明一实施例天线S11曲线；
图8a是本发明一实施例天线在28GHz的远场图；
图8b是本发明一实施例天线在36GHz的远场图；
图8c是本发明一实施例天线在48GHz的远场图；
图8d是本发明一实施例天线在54GHz的远场图；
图8e是本发明一实施例天线在60GHz的远场图；
图8f是本发明一实施例天线在68GHz的远场图；
图8g是本发明一实施例天线在88GHz的远场图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种毫米波天线作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。
参考图1a和图1b，一种毫米波天线，包括：一反射层主地面111，用以增加毫米波天线的方向性以及减小后向辐射；一激励源131，用以实现信号馈入；一信号辐射层141，用以辐射天线信号；以及，一天线支架结构121，天线支架结构121设置于反射层主地面111和信号辐射层141之间，用以对激励源131以及信号辐射层141提供物理支撑；其中，激励源131和信号辐射层141通过电磁耦合方式激发辐射。
上述毫米波天线，根据安装环境，可以将天线的体积做的很小(天线体积可做到7.1*7.1*0.85mm3，厚度方向相对于最低S11为-10dB的频点只相当于0.07个波长)，可置于各种移动终端的表面，非常适合用作第五代移动通信各终端中毫米波天线阵列的单元。
进一步的，参考图2a和图2b，反射层主地面111包括第一基底层211以及设置于第一基底层211上面的主地金属面221。
优选的，第一基底层211选材介电常数在2到3之间，损耗正切值在天线工作频段内小于0.005。
进一步的，参看图3a和图3b，天线支架结构121包括主支撑结构311以及激励源131支撑结构；主支撑结构311与反射层主地面111形成一空气腔331；其中，主支撑结构311用于支撑信号辐射层141；激励源131支撑结构用以放置和支撑激励源131。可以理解，通过主支撑结构311与反射层主地面111形成的空气腔331，能够确保激励源131的电磁能量能以最小的损耗最终到达信号辐射层141辐射出去，因此空气腔331的尺寸应该尽量大一些。
作为优选，主支撑结构311和激励源131支撑结构选材介电常数小于3，损耗正切值在天线工作频段内小于0.005。
作为优选，主支撑结构311和激励源131支撑结构作为一体，或通过叠层结构设计，如通过LTCC(低温共烧陶瓷)材料先逐层设计再制成一体。
进一步的，激励源131为一弯折的单极天线形式，具体的，参看图4a和图4b，激励源131包括信号馈入端口421、水平走线411以及垂直走线412；其中，水平走线411平行于反射层主地面111，垂直走线412垂直于反射层主地面111；垂直走线412通过激励源过孔341一端连接信号馈入端口421，另一端连接水平走线411。激励源支撑结构321和激励源过孔341用于放置和支撑激励源131。
可选的，水平走线411和垂直走线412的形状包括但不限于矩形或圆柱形或椭圆型或三角形或其他多边形形式的一种或多种组合，在本实施例中为矩形。
在进行天线设计时发现，当水平走线411与主地金属面221靠的太近，会造成天线系统的阻抗恶化，表现为Smith图中天线阻抗曲线的圈发散变大。优选的，水平走线411与主地金属面221之间的距离大于0.5mm，本实施例中为0.64mm。
可选的，信号馈入端口421通过同轴电缆或共面波导馈电。
进一步的，参看图5a和图5b，信号辐射层141包括第二基底层521以及辐射贴片511；其中，第二基底层521贴合于天线支架结构121上方；辐射贴片511设置在第二基底层521的上方用以和激励源131进行耦合式馈电。当然，辐射贴片511也可设置在第二基底层521的下方，根据具体是设置在第二基底层521的上方或者下方，需要调整一下辐射贴片511和激励源131的水平走线的间距。优选的，主地金属面221在长宽尺寸上大于辐射贴片511最大长宽尺寸的1.5倍。
优选的，第二基底层521选材介电常数小于3，损耗正切值在天线工作频段内小于0.005，并且尽量薄(具体的厚度需要根据现有材料制作工艺所能生产的基底层产品的厚度值选择)，在本实施例中厚度为0.076mm。
进一步的，辐射贴片511的边缘线条包括渐变的平滑线条。具体的，辐射贴片511形状为一圆形被切除两侧之后的剩余部分图形。根据试验结果，采用渐变的平滑线条有利于增加天线的带宽。
进一步的，辐射贴片511的放置方向与激励源131的宽度方向成一角度θ。参看图6，本发明俯视角度局部尺寸细节与相对位置关系图，此图观察天线的角度为俯视天线的方向(从天线顶面方向垂直与纸面往里看)。其中反射层主地面111，天线支架结构121，信号辐射层141外边缘均为正方形，边长为g＝7.1mm。主支撑结构311厚度c＝0.5mm。辐射贴片511为一圆心O居中，半径r＝2.2mm的圆两边切除部分所剩余的图形，在本实施例中两边切除部分完全相等，剩余图形的直边l＝3.44mm，辐射贴片511与激励源131的宽度b方向成一角度θ，在本实施例中，θ＝32.5°，改变此角度的值对天线低频阻抗(在本实施例中为24.5GHz-40GHz的阻抗)有一定影响，对天线高频阻抗(在本实施例中为60GHz-95GHz的阻抗)有极大影响。改变角度的数值对天线的低频和高频所对应的波形均有所影响，但是高频部分所对应的S11波形变化很大。水平走线411尺寸为：长a＝0.4mm，宽b＝0.45mm，到圆心O的距离d＝1.1mm。
参看图7，本发明的毫米波天线带宽非常宽。对于常规使用的L型耦合馈，厚度在0.1个波长的天线，其-10dB S11带宽大约40％左右(相对与中心频点)，而本发明的一种毫米波天线可覆盖从24.472GHz-94.874GHz(其中包含了第五代移动通信世界范围内所有国家的毫米波通信频段，60GHz WIFI以及部分车载雷达频段)，相对于中心频点大约118％的-10dB S11带宽，尺寸更小了而带宽大约扩展到了3倍。且作为超宽带天线本身对频率漂移容忍性很强，是应对制造公差带来频率偏移问题的有效解决方案之一，能够降低制造门槛和成本，有利于商用。
参看图8a、图8b、图8c、图8d、图8e、图8f以及图8g，分别为本发明一实施例的毫米波天线在28GHz、36GHz、48GHz、54GHz、60GHz、68GHz以及88GHz的远场图；可见在较低频率时(对应图8a、图8b和图8c)，天线远场图只有一个较强的方向，且增益较高，大约在8dB左右。随着频率的上升，天线体积相对于其波长逐渐变大，天线远场图较强的方向数目逐渐增多，在54GHz有两个较强方向，增益相对于较低频时反而下降至7.76dB；60GHz有三个较强方向，增益7.64dB；68GHz有四个较强方向，增益7.1dB；88GHz有五个较强方向，增益则下降到5.84dB。在一般情况下，天线增益大于5dB便可很好的满足使用要求，可见，本发明的毫米波天线在工作频带内的天线增益都能满足使用要求。
应该意识到，本发明实施例不限于频段24.472GHz-94.874GHz，别的频段设计也可使用本发明的设计思想。通过增加或减小天线尺寸，改变激励源131形状和长短宽窄，改变激励源131和辐射贴片511间距，改变辐射贴片511形状，改变辐射贴片511与底边所成倾角θ大小，以实现别的频段覆盖。本发明的天线支架结构121也非单一，可根据实际情况做更改。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种毫米波天线，其特征在于，包括：
一反射层主地面，用以增加所述毫米波天线的方向性以及减小后向辐射；
一激励源，用以实现信号馈入；
一信号辐射层，用以辐射天线信号；以及，
一天线支架结构，所述天线支架结构设置于所述反射层主地面和所述信号辐射层之间，用以对所述激励源以及所述信号辐射层提供物理支撑；
其中，
所述激励源和所述信号辐射层通过电磁耦合方式激发辐射。
2.如权利要求1所述毫米波天线，其特征在于，所述反射层主地面包括第一基底层以及设置于所述第一基底层上面的主地金属面。
3.如权利要求1所述毫米波天线，其特征在于，所述天线支架结构包括主支撑结构以及激励源支撑结构；所述主支撑结构与所述反射层主地面形成一空气腔；
其中，
所述主支撑结构用于支撑所述信号辐射层；
所述激励源支撑结构用以放置和支撑所述激励源。
4.如权利要求1所述毫米波天线，其特征在于，所述激励源为一弯折的单极天线形式。
5.如权利要求4所述毫米波天线，其特征在于，所述激励源包括信号馈入端口、水平走线以及垂直走线；
其中，所述水平走线平行于所述反射层主地面，所述垂直走线垂直于所述反射层主地面；
所述垂直走线的一端连接所述信号馈入端口，另一端连接所述水平走线。
6.如权利要求5所述毫米波天线，其特征在于，所述水平走线与所述反射层主地面的间距大于0.5mm。
7.如权利要求1所述毫米波天线，其特征在于，所述信号辐射层包括第二基底层以及辐射贴片；
其中，所述第二基底层贴合于所述天线支架结构上方；
所述辐射贴片设置在所述第二基底层的上方或者下方，用以和所述激励源进行耦合式馈电。
8.如权利要求7所述毫米波天线，其特征在于，所述辐射贴片的边缘线条包括渐变的平滑线条。
9.如权利要求8所述毫米波天线，其特征在于，所述辐射贴片形状为一圆形被切除两侧之后的剩余部分图形。
10.如权利要求7-9任意一项所述毫米波天线，其特征在于，所述辐射贴片的放置方向与所述激励源的宽度方向成一角度θ。
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