CN108717992B - 毫米波差分馈电的双极化电磁偶极子天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种毫米波差分馈电的双极化电磁偶极子天线。传统的双极化偶极子天线端口隔离度差、结构复杂，不适合应用于毫米波频段。本发明基于基片集成波导技术，通过缝隙耦合方式实现双极化差分馈电结构，使得天线可以工作在毫米波段，且具有良好的特性，包括较宽的工作带宽，相对带宽28.1％，较好的辐射方向图对称性，交叉极化小于‑30dB，通带内端口隔离度大于45dB。此外，该结构采用PCB工艺加工，加工容易，成本低，因而可以大规模生产。

Description

毫米波差分馈电的双极化电磁偶极子天线
技术领域
本发明属于微波技术领域，涉及一种毫米波差分馈电的双极化电磁偶极子天线，可作为射频收发前端的天线，广泛应用在移动通信、卫星通信、雷达等无线通信系统。
背景技术
天线作为通信系统的关键部位，其性能的好坏会直接影响整个系统的通信质量。所以高性能的天线不但可以提高整个系统的工作性能，提高传输效率，还可以降低整个系统的成本，提高经济效益。
目前，国家工信部已将24.75GHz～27.5GHz，37GHz～42.5GHz的毫米波频段划分为第五代移动通信系统(5G)的工作频段。毫米波频段具有信道容量大，抗干扰能力强等优点。5G通信系统要求天线结构具备很高的性能，包括宽带、高增益、低交叉极化，稳定的辐射特性等。差分馈电的双极化电磁偶极子天线具有宽带、高增益、对称且稳定的辐射方向图等性能，能满足5G通信系统所需的天线要求。
传统的差分馈电双极化电磁偶极子天线的馈电结构大多数是底部与探针相连接的十字型金属板结构，但该结构适合低频频段。当该结构应用于毫米波波段时，会产生严重的辐射损耗。基片集成波导结构(SIW)是一种可以集成在介质基板中的新型导波结构，其特性与介质填充波导类似，构成的毫米波器件具有高功率容量、低损耗等优点。由于整个结构通过介质基片上的金属化通孔阵列构成，故可以利用普通印制电路板(PCB)工艺制作，并易于与其他平面电路实现集成，非常适合微波毫米波集成电路的设计。所以可以用SIW结构作为天线的差分信号传输部分来形成差分馈电结构。
目前，尚未有在毫米波频段用SIW结构实现差分馈电双极化电磁偶极子天线的相关报道。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种毫米波差分馈电的双极化电磁偶极子天线，这种新型双极化电磁偶极子天线工作频段为毫米波段，具有辐射性能好，带宽宽，增益高，体积小，易于加工等特点。
实现本发明目的的技术解决方案为：
毫米波差分馈电的双极化电磁偶极子天线，包括上下设置的辐射结构A和馈电结构B；
所述的辐射结构A包括第一介质基板S1、设置在第一介质基板S1上表面的多个辐射贴片P1；
所述的辐射贴片P1间通过十字型连接结构P2连接；
辐射贴片P1长和宽决定了天线工作的谐振频率，辐射贴片P1间的间隔、十字型连接结构P2的宽度都会明显影响天线的阻抗特性。
所述的馈电结构B包括第二介质基板S2、分别设置在第二介质基板S2上下表面的第一金属层M1、第二金属层M2、以及设置在第二介质基板S2内的SIW结构T1；所述的第一金属层M1上开有第一耦合缝隙C1、第二耦合缝隙C2，第一耦合缝隙C1与第二耦合缝隙C2交叉成十字型，耦合缝隙长度大于半个波长，且宽度和长度都会明显影响天线的阻抗特性；所述的第二介质基板S2设有中心对称的SIW结构T1；SIW结构T1中心腔体四个角附近均设有一个第二金属柱V2，且这些第二金属柱V2位于腔体内部成中心对称。SIW结构的宽度、第二金属柱V2与SIW结构T1的距离都会影响馈电结构的工作模式，从而影响天线的阻抗特性。
SIW结构T1由多个金属柱构成，SIW结构T1、第二金属柱V2的上端均与第一金属层M1接触，下端均与第二金属层M2接触；
所述的第一介质基板S1设有若干通孔，用于放置第一金属柱V1；第一金属柱V1的一端与辐射贴片P1接触，另一端与第一金属层M1接触；若干第一金属柱V1均匀分布在辐射贴片正下方，且同一个辐射贴片相连的第一金属柱V1成一定角度排列，不同辐射贴片相连的第一金属柱V1成中心对称。第一金属柱V1的直径和排列方式都会明显影响天线的阻抗特性。
辐射贴片的中心、耦合缝隙的交叉点、SIW结构的中心在同一直线上。
所述第一介质基板S1相对介电常数εr为1～10.2，厚度H为0.22λg～0.28λg，其中λg为波导波长。第二介质基板S2相对介电常数εr为2.2～10.2，厚度H为0.01λ～0.1λ，其中λ为自由空间波长。
SIW结构T1输入端宽度Wb1为0.5λg2～λg2，中心腔体部分宽度Wb2为λg2～1.5λg2，金属柱间距Gb为0.1λg2～0.15λg2，其中λg2为介质基板S2中的有效介质波长。
工作原理：
将一对幅值相等，相位差相差180°的差分信号输入到本发明装置SIW结构中，差分信号通过第一耦合缝隙C1、第二耦合缝隙C2分别同时激励电偶极子和磁偶极子实现双极化工作方式。电偶极子和磁偶极子同时激励并相互作用实现了天线在E面和H面近乎相等的工作性能。其中辐射贴片构成了电偶极子，第一金属柱构成了磁偶极子。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
1)本发明保持了传统差分馈电双极化电磁偶极子所具有的单向性好等优良的辐射特性，在此基础上应用SIW等技术，使得整个天线结构在介质基板上实现，既大大减小了天线的体积，又使得天线可以与其他系统模块进行无缝集成，提高了系统的集成度。
2)本发明使用SIW技术来实现差分馈电结构，既可以方便地提供差分信号对，又可以实现较好的阻抗匹配性能，非常适合毫米波波段的差分馈电结构设计。
3)本发明提出的基于SIW技术的差分馈电双极化电磁偶极子天线，可采用PCB或者LTCC等工艺加工，结构简单，加工容易，成本和重量都相对较小，因此可以进行大规模制造。
附图说明
图1是本发明毫米波差分馈电的双极化电磁偶极子天线立体结构示意图；
图2是本发明毫米波差分馈电的双极化电磁偶极子天线辐射结构立体示意图；
图3是本发明毫米波差分馈电的双极化电磁偶极子天线馈电结构立体示意图；
图4是本发明毫米波差分馈电的双极化电磁偶极子天线辐射结构平面示意图；
图5是本发明毫米波差分馈电的双极化电磁偶极子天线馈电结构平面示意图；
图6是本发明毫米波差分馈电的双极化电磁偶极子天线在Port1有信号输入(Mode1)时SIW结构电场分布示意图；
图7是本发明毫米波差分馈电的双极化电磁偶极子天线在Port1有信号输入(Mode1)时辐射贴片电流分布示意图；
图8是本发明毫米波差分馈电的双极化电磁偶极子天线反射系数和增益曲线图；
图9是本发明毫米波差分馈电的双极化电磁偶极子天线Port 1，Port 2之间的隔离度曲线图；
图10是本发明毫米波差分馈电的双极化电磁偶极子天线辐射方向图，分别为：(a1)22GHz，Mode 1，(b1)25GHz，Mode 1，(c1)28GHz，Mode 1；
(a2)22GHz，Mode 2，(b2)25GHz，Mode 2，(c2)28GHz，Mode 2。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。结合图1、图2、图3，毫米波差分馈电的双极化电磁偶极子天线，其特征在于，包括矩形辐射贴片P1、十字型连接结构P2、第一介质基板S1、第二介质基板S2、第一金属层M1、第二金属层M2、第一耦合缝隙C1、第二耦合缝隙C2、SIW结构T1、第一金属柱V1、第二金属柱V2；
第一介质基板S1在上层，第二介质基板S2在下层。矩形辐射贴片P1、十字型连接结构P2位于第一介质基板S1的上表面，且十字型连接结构P2连通了4片矩形辐射贴片。第一金属柱V1在第一介质基板S1中，并与矩形辐射贴片P1相连。第一耦合缝隙C1与第二耦合缝隙C2交叉成十字型位于第一金属层M1。SIW结构T1、第二金属柱V2在第二介质基板S2中，第二金属层M2位于第二介质基板S2的下表面，整个结构中心对称。
所述第一介质基板S1相对介电常数εr为1～10.2，厚度H为0.22λg～0.28λg，其中λg为波导波长。第二介质基板S2相对介电常数εr为2.2～10.2，厚度H为0.01λ～0.1λ，其中λ为自由空间波长。
矩形辐射贴片P1的长和宽La为0.25λg～0.45λg，两片矩形辐射P1贴片之间的间隔Wa1为0.03λg～0.08λg；十字型辐射贴片P2的宽Wa3为0.03λg～0.08λg；第一金属柱V1的直径Da为0.03λg～0.08λg，同一辐射贴片上金属柱间距Ga为0.1λg～0.15λg，两相邻辐射贴片上金属柱之间的间距Wa2为0.15λg～0.2λg，其中λg为第一介质基板S1中的波导波长。
所述SIW结构T1输入端宽度Wb1为0.5λg～λg，中心腔体部分宽度Wb2为λg～1.5λg，SIW结构金属柱直径Db为0.03λg～0.08λg，金属柱间距Gb为0.1λg～0.15λg，第二金属柱V2直径与SIW结构金属柱直径相同，偏离结构中心轴距离Off为0.5λg～0.6λg。
第一耦合缝隙C1、第二耦合缝隙C2的长Ls为0.5λg～0.8λg，宽Ws为0.03λg～0.08λg。
下面结合实施例对本发明的装置细节及工作情况进行细化说明。
结合图4，选用的第一介质基板S1的型号为ROGER4003C，高度H为1.524mm(0.24λg)。矩形辐射贴片P1的长和宽La为2.6mm(0.41λg)，两片矩形辐射P1贴片之间的间隔Wa1为0.4mm(0.06λg)；十字型辐射贴片P2的宽Wa3为0.2mm(0.03λg)；第一金属柱V1的直径Da为0.3mm(0.05λg)，同一辐射贴片上金属柱间距Ga为0.8mm(0.13λg)，两相邻辐射贴片上金属柱之间的间距Wa2为1.1mm(0.17λg)，λg为6.4mm(λg为第一介质基板S1在25GHz中心频率下的工作波长)。
结合图5，选用的第二介质基板S2的型号为ROGER4003C，高度H为0.787mm(0.12λg)。第一耦合缝隙C1、第二耦合缝隙C2的长Ls为4.5mm(0.71λg)，宽Ws为0.3mm(0.05λg)。SIW结构T1输入端宽度Wb1为5.2mm(0.82λg)，中心腔体部分宽度Wb2为7.6mm(1.19λg)，第二金属柱V2直径Db为0.4mm(0.06λg)，金属柱间距Gb为0.8mm(0.13λg)，金属柱偏离结构中心轴的距离Off为3.3mm(0.52λg)，λg为6.4mm(λg为第二介质基板S2在25GHz中心频率下的工作波长)。
结合图6，当信号从X轴方向上输入到SIW结构时(即Port1有信号输入时，Mode 1)，沿着Y轴方向的缝隙两侧产生一对幅值相同，相位相差180°的差分信号。此差分信号用来激励上方的贴片。
结合图7，当Port1有信号输入时，辐射贴片上会产生两个对称边界(PMC对称边界在X-Z平面上，PEC对称边界在Y-Z平面上)。X-Z平面上的PMC边界会在Port 2﹢和Port 2﹣端口激励起一对等幅同相的共模信号，因而此时差分信号无法耦合到端口2中，从而实现端口的高隔离度。
结合图8，毫米波差分馈电的双极化电磁偶极子天线反射系数低于-10dB的工作频带为21.67GHz～28.75GHz，相对带宽为28.1％。工作频带内最大增益可以达到7.71dBi。
结合图9，毫米波差分馈电的双极化电磁偶极子天线端口之间的隔离度远小于-45dB。
结合图10(a1)(a2)(b1)(b2)(c1)(c2)，毫米波差分馈电的双极化电磁偶极子天线在E平面和H平面都能得到对称的辐射方向图，并且在E平面和H平面的交叉极化都低于-30dB，可见天线在工作频带内具有良好的辐射性能。
由上可知，本发明基于基片集成波导技术，通过开缝实现双极化差分馈电结构，使得天线具有良好的特性，包括较宽的工作带宽，较好的辐射方向图对称性，较低的交叉极化，较高的输入端口隔离度。

Claims (6)

1.毫米波差分馈电的双极化电磁偶极子天线，其特征在于包括上下设置的辐射结构A和馈电结构B；
所述的辐射结构A包括第一介质基板S1、设置在第一介质基板S1上表面的多个辐射贴片P1；
所述的各辐射贴片P1间通过十字型连接结构P2连接；
所述的馈电结构B包括第二介质基板S2、分别设置在第二介质基板S2上下表面的第一金属层M1、第二金属层M2、以及设置在第二介质基板S2内的基片集成波导（SIW）结构T1；所述的第一金属层M1上开有第一耦合缝隙C1、第二耦合缝隙C2，第一耦合缝隙C1与第二耦合缝隙C2交叉成十字型；所述的第二介质基板S2设有中心对称的SIW结构T1；SIW结构T1中心腔体四个角附近均设有一个第二金属柱V2，且这些第二金属柱V2位于腔体内部成中心对称；
SIW结构T1由多个内嵌在第二介质基板S2内的金属柱构成，SIW结构T1、第二金属柱V2的上端均与第一金属层M1接触，下端均与第二金属层M2接触；
所述的第一介质基板S1设有若干通孔，用于放置第一金属柱V1；第一金属柱V1的一端与辐射贴片P1接触，另一端与第一金属层M1 接触； 若干第一金属柱V1均匀分布在辐射贴片正下方，且同一个辐射贴片相连的第一金属柱V1 成一定角度排列，不同辐射贴片相连的第一金属柱V1成中心对称；
上述辐射贴片的中心、耦合缝隙的交叉点、SIW结构的中心在同一直线上；
SIW结构T1输入端宽度Wb1为0.5λg2 ～ λg2，中心腔体部分宽度Wb2为λg2 ～ 1.5λg2 ，构成SIW结构T1的金属柱间距Gb为0.1λg2 ～ 0.15λg2 ，其中λg2为介质基板S2中的有效介质波长；
将一对幅值相等，相位差相差180°的差分信号输入到SIW结构中，差分信号通过第一耦合缝隙C1、第二耦合缝隙C2分别同时激励电偶极子和磁偶极子实现双极化工作方式；电偶极子和磁偶极子同时激励并相互作用实现了天线在E面和H面近乎相等的工作性能；其中辐射贴片构成了电偶极子，第一金属柱构成了磁偶极子。
2.如权利要求1所述的毫米波差分馈电的双极化电磁偶极子天线，其特征在于辐射贴片P1长与宽决定天线工作的谐振频率。
3.如权利要求1所述的毫米波差分馈电的双极化电磁偶极子天线，其特征在于第一耦合缝隙C1、第二耦合缝隙C2长度大于半个波长。
4.如权利要求1所述的毫米波差分馈电的双极化电磁偶极子天线，其特征在于辐射贴片P1间的间隔，十字型连接结构P2的宽度，第一耦合缝隙C1、第二耦合缝隙C2的宽度和长度，第一金属柱V1的直径和排列方式决定天线的阻抗特性。
5.如权利要求1所述的毫米波差分馈电的双极化电磁偶极子天线，其特征在于SIW结构的宽度、第二金属柱V2与SIW结构T1的距离影响馈电结构的工作模式，从而影响天线的阻抗特性。
6.如权利要求1所述的毫米波差分馈电的双极化电磁偶极子天线，其特征在于所述第一介质基板S1相对介电常数εr为1 ～ 10.2，厚度H为0.22λg ～ 0.28λg，其中λg为波导波长；第二介质基板S2相对介电常数εr为2.2 ～ 10.2，厚度H为0.01λ ～ 0.1λ， 其中λ为自由空间波长。
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