CN108933327A - 一种改进的宽带微带天线单元 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种改进的宽带微带天线单元，主要解决现有微带天线带宽窄、交叉极化和后向辐射大的问题。该天线包括辐射体(1)、介质基板(2)、上层地板(3)、馈电结构(5)和下层地板(6)，上层地板位于介质基板和馈电结构之间，下层地板位于馈电结构的下表面，上层地板上蚀刻有横向缝隙(4)，辐射体包括电偶极子(11)和磁偶极子(12)，该电偶极子由设置在横向缝隙的横向对称轴两侧且水平放置于介质基板上表面的N对矩形贴片组成，磁偶极子由介质基板内部的M个金属连接器构成，电偶极子通过磁偶极子与上层地板相连，磁偶极子与电偶极子相互垂直放置。本发明提高了工作带宽、降低了交叉极化和后向辐射，可应用于5G通信及雷达系统。

Description

一种改进的宽带微带天线单元
技术领域
本发明属于天线技术领域，更进一步涉及一种改进的宽带微带天线单元，可用于5G通信及雷达系统。
背景技术
随着5G通信的迅猛发展，5G通信系统对天线的带宽提出了越来越高的要求。微带天线由于具有体积小、重量轻、低剖面、易集成和制造成本低等优点，被广泛应用于无线通信和雷达系统等领域。
传统微带天线由于品质因数过高，限制了其频带的扩展，天线带宽只能达到1％-5％左右，阻抗带宽小，限制了微带天线的实际应用范围。现阶段5G通信频段向毫米波发展，要求天线具有较宽的带宽且较低的交叉极化。因此，宽带且低交叉极化的天线成为目前研究的热点。展宽天线频带主要有以下几种：增加介质的厚度；采用低介电常数的厚介质层；贴片表面开槽；附加阻抗匹配网络；附加寄生贴片等。这些方法虽然能够展宽天线带宽，但是可能会导致天线辐射方向图恶化，并对馈电带来一些问题。
Wael M.Abdel-Wahab发表的论文“Wide-Bandwidth 60-GHz Aperture-CoupledMicrostrip Patch Antennas(MPAs)Fed by Substrate Integrated Waveguide(SIW)”中提出了一种基片集成波导馈电的宽带缝隙耦合贴片天线，通过利用基片集成波导馈电以及缝隙耦合增加天线的带宽，但天线的相对带宽仅为24.1％，且由于该辐射单元采用普通的贴片天线，导致该天线的交叉极化以及后向辐射较大。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，根据波导缝隙耦合理论，提出一种改进的宽带微带天线单元，以进一步增加工作带宽，降低天线单元的交叉极化和后向辐射。
为实现上述目的，本发明的一种改进的宽带微带天线单元，包括：
包括辐射体、介质基板、上层地板、馈电结构、下层地板，上层地板位于介质基板和馈电结构之间，下层地板位于馈电结构的下表面，其特征在于：
所述上层地板上蚀刻有横向缝隙，用于从馈电结构耦合能量；
所述辐射体包括电偶极子和磁偶极子，电偶极子通过磁偶极子与上层地板相连，磁偶极子与电偶极子相互垂直放置；
所述该电偶极子由设置在横向缝隙的横向对称轴两侧且水平放置于介质基板上表面的N对矩形贴片构成，其中N的取值为大于等于1的整数；
所述该磁偶极子由介质基板内部的M个金属连接器构成，用于传输能量，其中M＝2×N。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
第一，本发明由于在上层地板上蚀刻有横向缝隙用于从馈电结构耦合能量给辐射体，使得天线能工作在多个谐振模式，展宽了天线带宽。
第二，本发明由于辐射体采用磁电偶极子结构，使得天线的工作模式与磁电偶极子天线相似，具有与其类似的方向图特性，增益稳定且交叉极化和后向辐射都比较小。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明中辐射体的结构示意图；
图3为本发明中介质基板的结构示意图；
图4为本发明中馈电结构的示意图；
图5为本发明实施例1的E面和H面辐射方向图；
图6为本发明实施例1的回波损耗曲线图；
图7为本发明实施例1的增益随频率变化曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述：
实施例1
参照图1，本实例包括辐射体1、介质基板2、上层地板3、馈电结构5、下层地板6，上层地板3通过压合的方式连接在介质基板2和馈电结构5之间，下层地板6位于馈电结构5的下表面，上层地板3上蚀刻有横向缝隙4，用于从馈电结构5耦合能量给辐射体1；该辐射体1，包括电偶极子11和磁偶极子12，电偶极子11与磁偶极子12相互垂直放置，且电偶极子11位于介质基板2的上表面；磁偶极子12位于介质基板2的内部，其上表面与电偶极子11相连，下表面与下层地板3相连。
参照图2，所述电偶极子11由设置在横向缝隙4横向对称轴两侧的N对矩形贴片组成，该磁偶极子12由M个金属连接器构成，用于传输能量，其中N的取值为大于等于1的整数，M＝2×N。本实例取但不限于矩形贴片对数N的取值为：N＝2，金属连接器的数量M的取值为：M＝4，得到的电偶极子11和磁偶极子12具体结构如下：
构成电偶极子11的第一矩形贴片111、第二矩形贴片112、第三矩形贴片113、第四矩形贴片114，其尺寸相同，长度L1为：宽度W1为：0.1×λ0≤W 1≤0.4×λ0，其中Wsiw为馈电结构5的宽度，λ0为中心频率对应的波长；该第一矩形贴片111与第二矩形贴片112关于横向缝隙4纵向对称轴对称，第一矩形贴片111与第四矩形贴片114关于横向缝隙4横向对称轴对称，第三矩形贴片113与第四矩形贴片114关于横向缝隙4纵向对称轴对称，第一矩形贴片111与第二矩形贴片112的距离W2为：第一矩形贴片111与第四矩形贴片114的距离W3为：W3≥0.02×λ0。
磁偶极子12由第一金属连接器121、第二金属连接器122、第三金属连接器123、第四金属连接器124组成，每个金属连接器均包括3个金属孔。第一金属连接器121的3个金属孔与第二金属连接器122的3个金属孔关于横向缝隙4纵向对称轴成轴对称，第三金属连接器123的3个金属孔与第四金属连接器124的3个金属孔关于横向缝隙4纵向对称轴成轴对称，第一金属连接器121的3个金属孔与第四金属连接器124的3个金属孔关于横向缝隙4横向对称轴成轴对称，第二金属连接器122与第三金属连接器123关于横向缝隙4横向对称轴成轴对称。
所述第一金属连接器121包含的3个金属孔尺寸相同，直径d为：0.2mm≤d≤0.4×min{L1,W1}，高度H为介质基板2的厚度；三个金属孔的中心成等腰直角三角形分布，且构成的等腰直角三角形其中一个直角边与横向缝隙4的纵向对称轴平行，构成的等腰直角三角形直角边的边长P的取值范围为：P＞d；直角顶点处金属孔的中心与第一矩形贴片111的宽边距离W4为：
与第一矩形贴片111的长边距离W5为：
所述第二金属连接器122与第一金属连接器121所包含的金属孔的尺寸均相同；
所述第三金属连接器123与第一金属连接器121所包含的金属孔的尺寸均相同；
所述第四金属连接器124与第一金属连接器121所包含的金属孔的尺寸均相同。
本实例取但不限于矩形贴片的长度L1＝1.6mm，宽度W1＝1.8mm；第一矩形贴片111与第二矩形贴片112的距离为W2＝0.2mm，第一矩形贴片111与第三矩形贴片113的距离W3＝0.94mm；金属孔直径为d＝0.26mm，高度为H＝1.016mm，构成的等腰直角三角形直角边的边长P＝0.45mm；直角顶点处金属孔的中心与第一矩形贴片111的宽边和长边距离分别为：W4＝0.3mm，W5＝0.25mm。
参照图3，所述介质基板2的长度L为：2×W1＜L≤×1.5×λ2，宽度W为：Wsiw＜W≤0.8×λ2，厚度H为：0.02×λ1≤H≤0.2×λ2，其中W1为矩形贴片的宽度，Wsiw为馈电结构5的宽度，λ1为天线工作频带内最高频率对应的波长，λ2为天线工作频带内最低频率对应的波长。
本实例取但不限于介质基板2的长度L＝12.4mm，宽度为W＝7.4mm，厚度为H＝1.016mm。
参照图4，所述馈电结构5包括输入端口51、短路端口52和下层介质基板53，馈电结构5的左端设置为输入端口51，右端设置为短路端口52，
馈电结构5的长度Lsiw为：λg≤Lsiw≤L，宽度Wsiw为：0.5×λg＜Wsiw＜λg，厚度Hsiw为：0.02×λ1≤Hsiw≤0.1×λ2，其中L为介质基板2的长度，λg为介质波导对应的波导波长，λ1为天线工作频带内最高频率对应的波长，λ2为天线工作频带内最低频率对应的波长；
下层介质基板53的横截面长度为介质基板2的横截面长度L，横截面宽度为介质基板2的横截面宽度W，厚度为馈电结构5的厚度Hsiw。
输入端口51采用的金属材料为铜；馈电结构5的两个长边和短路端口52均由设置在下层介质基板53内的周期性排列的金属通孔构成，金属通孔的直径为D，相邻两个金属通孔的间距为S，其取值范围为：馈电结构5的两个长边包含的金属通孔的数量短路端口52包含的金属通孔的数量
构成馈电结构5的其中一个长边的金属通孔的中心距离下层介质基板53的横截面长边的距离D1为：构成短路端口52的金属通孔的中心距离下层介质基板53的横截面宽边的距离D2为：
横向缝隙4采用蝶形或矩形或H形或鱼骨状，其几何中心距离短路端口52的距离为dy，距离馈电结构5的横截面长边的距离为Ws，其取值为：dy＝0.5×λg，
上层地板3与下层地板6尺寸相同，其长度为介质基板2的长度L，宽度为介质基板2的宽度W。
本实例取但不限于馈电结构5的长度为Lsiw＝11.2mm，宽度为Wsiw＝5.6mm，厚度为Hsiw＝0.762mm；金属通孔的直径D＝0.56mm，相邻两个金属通孔的间距S＝0.8mm，两个长边包含的金属通孔的数量n1＝15，短路端口包含的金属通孔的数量n2＝8；横向缝隙4的几何中心距离短路端口52的距离dy＝4.85mm，距离馈电结构5的横截面长边的距离WS＝2.8mm；构成馈电结构5的其中一个长边的金属通孔的中心距离下层介质基板53的横截面长边的距离D1＝0.9mm，构成短路端口52的金属通孔的中心距离下层介质基板53的横截面宽边的距离D2＝0.6mm；横向缝隙4采用蝶形缝隙，其长边LS＝3.7mm，第一宽边WS2＝1.3mm，第二宽边WS1＝0.25mm。
实施例2，本实施例的结构与实施例1的结构相同，如下参数作了调整：
矩形贴片的长度L1＝1.1mm，宽度W1＝1.1mm；第一矩形贴片111与第二矩形贴片112的距离为W2＝0.2mm，第一矩形贴片111与第三矩形贴片113的距离W3＝0.5mm；金属孔直径为d＝0.2mm，高度为H＝0.762mm，构成的等腰直角三角形直角边的边长P＝0.45mm；直角顶点处金属孔的中心与第一矩形贴片111的宽边和长边距离分别为：W4＝0.2mm，W5＝0.22mm。
实施例3，本实施例的结构与实施例1的结构相同，如下参数作了调整：
矩形贴片的长度L1＝2.2mm，宽度W1＝3.5mm；第一矩形贴片111与第二矩形贴片112的距离为W2＝1.0mm，第一矩形贴片111与第三矩形贴片113的距离W3＝1.4mm；金属孔直径为d＝0.4mm，高度为H＝1.27mm，构成的等腰直角三角形直角边的边长P＝1mm；直角顶点处金属孔的中心与第一矩形贴片111的宽边和长边距离分别为：W4＝0.4mm，W5＝0.7mm。
本发明的效果可通过以下仿真进行说明：
1、仿真软件：商业仿真软件HFSS_15.0。
2、仿真内容：
仿真1，利用上述软件对实施例1的远场辐射方向图进行仿真计算，结果如图5所示，其中：图5(a)为实施例1天线在24.9GHz的E面和H面辐射方向图，图5(b)为实施例1天线在28GHz的E面和H面辐射方向图，图5(c)为实施例1天线在33GHz的E面和H面辐射方向图。
由上图5可见，该天线最大辐射方向增益能够达到7.8dB，交叉极化和后向辐射得到了明显抑制，且辐射方向图对称性较好。
仿真2，利用上述软件对上述实施例1的回波损耗参数进行仿真计算，结果如图6所示。
由上图6可见，以回波损耗≤-10dB为标准，天线的工作带宽为24.9GHz～33.4GHz，以28GHz为中心频率，天线相对带宽为30.4％，天线带宽得到了明显提高。
仿真3，利用上述软件对上述实施例1的增益参数进行仿真计算，结果如图7所示。
由上图7可见，天线在工作带宽24.9GHz～33.4GHz内，增益为:7.2±0.5dB。
以上仿真结果说明，本发明天线在保证工作带宽良好的情况下，增益稳定，交叉极化和后向辐射小。

Claims (8)

1.一种改进的宽带微带天线单元，包括辐射体(1)、介质基板(2)、上层地板(3)、馈电结构(5)、下层地板(6)，上层地板(3)位于介质基板(2)和馈电结构(5)之间，下层地板(6)位于馈电结构(5)的下表面，其特征在于：
所述上层地板(3)上蚀刻有横向缝隙(4)，用于从馈电结构(5)耦合能量；
所述辐射体(1)包括电偶极子(11)和磁偶极子(12)，电偶极子(11)通过磁偶极子(12)与上层地板(3)相连，磁偶极子(12)与电偶极子(11)相互垂直放置；
所述该电偶极子(11)由设置在横向缝隙(4)的横向对称轴两侧且水平放置于介质基板(2)上表面的N对矩形贴片构成，其中N的取值为大于等于1的整数；
所述该磁偶极子(12)由介质基板(2)内部的M个金属连接器构成，用于传输能量，其中M＝2×N。
2.根据权利要求1所述的单元，其特征在于，构成电偶极子(11)的N对矩形贴片尺寸相同，其长度L1为：宽度W1为：0.1×λ0≤W 1≤0.4×λ0，其中Wsiw为馈电结构(5)的宽度，λ0为中心频率对应的波长。
3.根据权利要求1所述的单元，其特征在于，构成磁偶极子(12)的M个金属连接器均包括3个金属孔，每个金属孔尺寸相同，直径d为：0.2mm≤d≤0.4×min{L1,W1}，高度H为介质基板(2)的高度，其中L1为矩形贴片的长度，W1为矩形贴片的宽度。
4.根据权利要求3所述的单元，其特征在于，三个金属孔的中心成等腰直角三角形分布，且构成的等腰直角三角形其中一个直角边与横向缝隙4的纵向对称轴平行，构成的等腰直角三角形直角边的边长P的取值范围为：P＞d。
5.根据权利要求1所述的单元，其特征在于，所述介质基板(2)的长度L为：2×W1＜L≤×1.5×λ2，宽度W为：Wsiw＜W≤0.8×λ2，厚度H为：0.02×λ1≤H≤0.2×λ2，其中W1为矩形贴片的宽度，Wsiw为馈电结构(5)的宽度，λ1为天线工作频带内最高频率对应的波长，λ2为天线工作频带内最低频率对应的波长。
6.根据权利要求1所述的单元，其特征在于，所述上层地板(3)与下层地板(6)尺寸相同，其长度为介质基板(2)的长度L，宽度为介质基板(2)的宽度W。
7.根据权利要求1所述的单元，其特征在于，所述馈电结构(5)的长度Lsiw为：λg≤Lsiw≤L，宽度Wsiw为：0.5×λg＜Wsiw＜λg，厚度Hsiw为：0.02×λ1≤Hsiw≤0.1×λ2，其中L为介质基板(2)的长度，λg为介质波导对应的波导波长，λ1为天线工作频带内最高频率对应的波长，λ2为天线工作频带内最低频率对应的波长。
8.根据权利要求1所述的单元，其特征在于，所述横向缝隙(4)的形状为蝶形或矩形或H形或鱼骨状，且几何中心距离馈电结构(5)横截面宽边的距离为：dy＝0.5×λg，距离馈电结构(5)横截面长边的距离其中λg为介质波导对应的波导波长，Wsiw为馈电结构(5)的宽度。
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