CN109301472A - 双频带毫米波天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双频带毫米波天线，包括自上而下五层结构：一对开设有U形槽的第一金属贴片；并排设置的一对第一金属条带；第二金属贴片，经由第一金属通孔与第一金属条带连接；开设有一个通孔的金属大地；第二金属条带，经由第二金属通孔与第二金属贴片连接；第一金属条带、第二金属贴片以及第一金属通孔组成折叠型阶跃阻抗谐振器,第二金属条带将信号通过第二金属通孔馈给谐振器，再将信号耦合到第一金属贴片，形成两个具有两个反射零点的工作频带，形成一定的带宽，且两个频带上的辐射方向图一致性较好，谐振器与刻槽金属贴片在金属大地的同一侧，有效节约了射频系统的布线空间，有利于天线与射频系统的集成。

Description

双频带毫米波天线
技术领域
本发明涉及微波通信领域，尤其涉及一种双频带毫米波天线。
背景技术
随着无线通信技术的发展，数据传输速率越来越高，因此要求提升工作频率，目前工作频段可提升至毫米波频段，例如第五代移动通信支持工作频率26GHz、40GHz以及应用于室内网络的60GHz无线系统。同时，毫米波双频天线相比于单频天线或宽频天线具有明显的优点。相对于两个单频工作的毫米波天线，双频天线能减少天线个数及总体口径，并能减少射频通道，因此有利于减少系统尺寸、复杂度及成本。与宽频天线相比，双频带天线对两个频段中间的信号具有一定的抑制作用，有效提高带外信号抑制、降低杂散干扰、提高通信质量。因此，双频带毫米波天线技术对于无线通信系统向着小尺寸、低成本和高性能的方向发展具有重要作用，是未来毫米波通信系统天线技术发展的一个重要趋势。
目前有多种双频带毫米波天线技术。一种是使用超表面天线设计技术，在基板上排列不同尺寸的矩形贴片，使其拥有双频带的特性，但使用该技术设计的天线尺寸过大，无法组阵成为相控阵。另一种是通过在矩形贴片刻蚀L形槽及十字槽实现，两条L形槽长度不同，因此构成双频带槽天线，但是该类天线通常带宽较窄，且为圆极化辐射而非线极化辐射。除此之外，还有一种是在单个矩形贴片上刻蚀一个倒置U形槽，U形槽使矩形贴片谐振在两个不同频带，但是该设计的辐射方向图在两个频段上方向图一致性较差，且高频段方向图发生分裂。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有的双频带毫米波天线均存在各自不同的缺点，比如使用超表面天线设计技术，能够获得良好的双频带特性和辐射特性，但是其天线尺寸过大，不利于阵列及相控阵；通过在矩形贴片上刻蚀L形槽及十字槽实现双频带的天线，其带宽太窄，且为圆极化辐射，而非线极化；在单个矩形贴片上刻蚀U形槽，存在两个频段上方向图一致性差、高频方向图分裂等问题，提供一种双频带毫米波天线。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种双频带毫米波天线，包括：
设置于第一层介质基板上表面的第一层结构，包括并排设置的一对第一金属贴片，所述第一金属贴片开设有U形槽；
设置于第一层介质基板下表面和第二层介质基板上表面之间的第二层结构，包括与所述一对第一金属贴片对应的并排设置的一对第一金属条带；
设置于第二层介质基板下表面和第三层介质基板上表面之间的第三层结构，包括第二金属贴片，第二金属贴片经由穿过所述第二层介质基板的一对第一金属通孔与所述一对第一金属条带连接；
设置于第三层介质基板下表面和第四层介质基板上表面之间的第四层结构，包括开设有一个通孔的金属大地；
设置于第四层介质基板下表面的第五层结构，包括第二金属条带，所述第二金属条带经由第二金属通孔与第二金属贴片连接，第二金属通孔依次穿过第三层介质基板、通孔、第四层介质基板；
其中，所述第一金属条带、第二金属贴片以及第一金属通孔组成折叠型阶跃阻抗谐振器,第二金属条带用于将信号通过第二金属通孔馈给所述折叠型阶跃阻抗谐振器，再将信号耦合到所述第一金属贴片。
在本发明实施例中，所述第二金属贴片的平面形状为矩形，所述一对第一金属贴片、一对第一金属条带均分别关于所述第二金属贴片的左右侧的对称面镜像设置，且每一所述第一金属贴片、第一金属条带均分别关于所述第二金属贴片的前后侧的对称面对称，且所述第一金属贴片的长度方向和第二金属条带的长度方向均平行于所述第二金属贴片的左右侧的对称面，所述第一金属条带的长度方向垂直于所述第二金属贴片的左右侧的对称面。
在本发明实施例中，所述一对第一金属条带的靠近所述第二金属贴片的左右侧的对称面的一侧的中心位置分别经由竖直设置的第一金属通孔连接第二金属贴片左右两侧的中心位置。
在本发明实施例中，所述第二金属条带的第一端位于第四层介质基板下表面的边缘，所述第二金属条带的第二端经由竖直设置的第二金属通孔与第二金属贴片连接，且所述第二金属条带的第二端偏离所述第二金属贴片的中心。
在本发明实施例中，所述一对第一金属贴片上的两个所述U形槽的开口正对设置。
在本发明实施例中，通孔为圆形通孔。
本发明的双频带毫米波天线，具有以下有益效果：阶跃阻抗谐振器与一对刻槽的金属贴片进行耦合，形成两个具有两个反射零点的工作频带，形成一定的带宽，且两个频带上的辐射方向图一致性较好，折叠型阶跃阻抗谐振器便于调控阶跃阻抗谐振器与金属贴片之间的信号耦合，阶跃阻抗谐振器与一对刻槽金属贴片在金属大地的同一侧，有效节约了射频系统的布线空间，有利于天线与射频系统的集成，且本发明的天线可以作为天线单元用于构成双频天线阵列、双频相控阵。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图：
图1是本发明双频带毫米波天线的剖视图；
图2是第一层结构的示意图；
图3是第二层结构的示意图；
图4是第三层结构的示意图；
图5是第四层结构的示意图；
图6是第五层结构的示意图；
图7是天线的仿真匹配和增益曲线图；
图8是天线的仿真方向图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的典型实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。应当理解本发明实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本发明实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
需要说明的是，本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
本说明书中使用的“第一”、“第二”等包含序数的术语可用于说明各种构成要素，但是这些构成要素不受这些术语的限定。使用这些术语的目的仅在于将一个构成要素区别于其他构成要素。例如，在不脱离本发明的权利范围的前提下，第一构成要素可被命名为第二构成要素，类似地，第二构成要素也可以被命名为第一构成要素。
参考图1，本发明实施例提供的双频带毫米波天线包括五层金属电路结构和四层介质基板，这五层金属电路结构分别是：设置于第一层介质基板顶部的第一层结构1、设置于第一层介质基板下表面和第二层介质基板上表面之间的第二层结构2、设置于第二层介质基板下表面和第三层介质基板上表面之间的第三层结构3、设置于第三层介质基板下表面和第四层介质基板上表面之间的第四层结构4、设置于第四层介质基板下表面和第五层介质基板上表面之间的第五层结构5，第一至第五层介质基板均为平面尺寸相同的矩形，且投影重合。
参考图2，结合图1，第一层结构1，包括并排设置的一对第一金属贴片6，所述第一金属贴片6开设有U形槽7，所述一对第一金属贴片6上的两个所述U形槽7的开口正对设置。
参考图3，结合图1，设置于第一层介质基板下表面和第二层介质基板上表面之间的第二层结构2，包括与所述一对第一金属贴片6对应的并排设置的一对第一金属条带8，一对第一金属条带8之间的间距大于一对第一金属贴片6之间的间距。
参考图4，结合图1，设置于第二层介质基板下表面和第三层介质基板上表面之间的第三层结构3，包括第二金属贴片9，第二金属贴片9经由穿过所述第二层介质基板的一对第一金属通孔10与所述一对第一金属条带8连接；
参考图5，结合图1，设置于第三层介质基板下表面和第四层介质基板上表面之间的第四层结构4，包括开设有一个通孔11的金属大地。其中，通孔11具体为圆形通孔。
参考图6，结合图1，设置于第四层介质基板下表面的第五层结构5，包括第二金属条带12，所述第二金属条带12经由第二金属通孔13与第二金属贴片9连接，第二金属通孔13依次穿过第三层介质基板、通孔11、第四层介质基板。第二金属通孔13可以是由金属铜柱的外表面形成。
其中，所述第一金属条带8、第二金属贴片9以及第一金属通孔10组成折叠型阶跃阻抗谐振器,第二金属条带12用于将信号通过第二金属通孔13馈给所述折叠型阶跃阻抗谐振器，再将信号耦合到所述第一金属贴片6。
具体的，所述第二金属贴片9的平面形状为矩形，所述一对第一金属贴片6、一对第一金属条带8均分别关于所述第二金属贴片9的左右侧的对称面镜像设置，且每一所述第一金属贴片6、第一金属条带8均分别关于所述第二金属贴片9的前后侧的对称面对称，且所述第一金属贴片6的长度方向和第二金属条带12的长度方向均平行于所述第二金属贴片9的左右侧的对称面，所述第一金属条带8的长度方向垂直于所述第二金属贴片9的左右侧的对称面。
更具体的，所述一对第一金属条带8的靠近所述第二金属贴片9的左右侧的对称面的一侧的中心位置分别经由竖直设置的第一金属通孔10连接第二金属贴片9左右两侧的中心位置。所述第二金属条带12的第一端位于第四层介质基板下表面的边缘，所述第二金属条带12的第二端经由竖直设置的第二金属通孔13与第二金属贴片9连接，且所述第二金属条带12的第二端偏离所述第二金属贴片9的中心。
本发明的工作原理如下：第二金属条带12作为微带馈线馈电，其通过第二金属通孔13将信号馈给由第一金属条带8、第二金属贴片9以及第一金属通孔10组成的折叠型阶跃阻抗谐振器，阶跃阻抗谐振器再将信号耦合到第一层结构1的一对第一金属贴片6，阶跃阻抗谐振器在高低两个频段上都工作在奇模，折叠的阶跃阻抗谐振器与一对刻U形槽的金属贴片在金属大地的同一侧耦合，在低频段阶跃阻抗谐振器主要将信号耦合到刻有U形槽7的金属贴片6外围结构部分，在高频段阶跃阻抗谐振器主要将信号耦合到刻有U形槽7的金属贴片6中间结构部分，因此在两个频段上都形成了两个反射零点，形成两个线极化工作频段。天线满足一定的带宽，且在两个频段上方向图保持较好的一致性。可见，相比于现有的双频带毫米波天线技术，本发明能够在较小的尺寸上形成两个带宽适中的工作频带，且本发明在两个工作频带的辐射方向图一致性较好，在高频段上辐射方向图不分裂。
例如，一个具体的实施例中天线的仿真的匹配响应和增益响应如图7所示，可见该案例可以工作在26GHz和40GHz，增益均大于6.4dBi。图8分别给出了该案例在26GHz和40GHz处的辐射方向图，具体的，左上图是26GHz的E面辐射方向图，右上图是26GHz的H面辐射方向图，左下图是40GHz的E面辐射方向图，右下图是40GHz的H面辐射方向图。可见该天线在低频段和高频段的辐射方向图一致性较好，且保持对称性。本设计案例的整体尺寸为0.28λ0×0.22λ0×0.06λ0(@26GHz)，采用的是介电常数为3.4，损耗角为0.004的基板。
综上，本发明实施例的效果是：
1)奇模双频工作的阶跃阻抗谐振器与一对刻槽的金属贴片进行耦合，形成两个具有两个反射零点的工作频带，形成一定的带宽，且两个频带上的辐射方向图一致性较好。
2)将阶跃阻抗谐振器进行折叠，便于调控阶跃阻抗谐振器与金属贴片之间的信号耦合。
3)阶跃阻抗谐振器与一对刻槽金属贴片在金属大地的同一侧，有效节约了射频系统的布线空间，有利于天线与射频系统的集成。
4)本发明的天线可以作为天线单元用于构成双频天线阵列、双频相控阵。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (6)

1.一种双频带毫米波天线，其特征在于，包括：
设置于第一层介质基板上表面的第一层结构(1)，包括并排设置的一对第一金属贴片(6)，所述第一金属贴片(6)开设有U形槽(7)；
设置于第一层介质基板下表面和第二层介质基板上表面之间的第二层结构(2)，包括与所述一对第一金属贴片(6)对应的并排设置的一对第一金属条带(8)；
设置于第二层介质基板下表面和第三层介质基板上表面之间的第三层结构(3)，包括第二金属贴片(9)，第二金属贴片(9)经由穿过所述第二层介质基板的一对第一金属通孔(10)与所述一对第一金属条带(8)连接；
设置于第三层介质基板下表面和第四层介质基板上表面之间的第四层结构(4)，包括开设有一个通孔(11)的金属大地；
设置于第四层介质基板下表面的第五层结构(5)，包括第二金属条带(12)，所述第二金属条带(12)经由第二金属通孔(13)与第二金属贴片(9)连接，第二金属通孔(13)依次穿过第三层介质基板、通孔(11)、第四层介质基板；
其中，所述第一金属条带(8)、第二金属贴片(9)以及第一金属通孔(10)组成折叠型阶跃阻抗谐振器,第二金属条带(12)用于将信号通过第二金属通孔(13)馈给所述折叠型阶跃阻抗谐振器，再将信号耦合到所述第一金属贴片(6)。
2.权利要求1所述的双频带毫米波天线，其特征在于，所述第二金属贴片(9)的平面形状为矩形，所述一对第一金属贴片(6)、一对第一金属条带(8)均分别关于所述第二金属贴片(9)的左右侧的对称面镜像设置，且每一所述第一金属贴片(6)、第一金属条带(8)均分别关于所述第二金属贴片(9)的前后侧的对称面对称，且所述第一金属贴片(6)的长度方向和第二金属条带(12)的长度方向均平行于所述第二金属贴片(9)的左右侧的对称面，所述第一金属条带(8)的长度方向垂直于所述第二金属贴片(9)的左右侧的对称面。
3.根据权利要求2所述的双频带毫米波天线，其特征在于，所述一对第一金属条带(8)的靠近所述第二金属贴片(9)的左右侧的对称面的一侧的中心位置分别经由竖直设置的第一金属通孔(10)连接第二金属贴片(9)左右两侧的中心位置。
4.根据权利要求2所述的双频带毫米波天线，其特征在于，所述第二金属条带(12)的第一端位于第四层介质基板下表面的边缘，所述第二金属条带(12)的第二端经由竖直设置的第二金属通孔(13)与第二金属贴片(9)连接，且所述第二金属条带(12)的第二端偏离所述第二金属贴片(9)的中心。
5.根据权利要求2所述的双频带毫米波天线，其特征在于，所述一对第一金属贴片(6)上的两个所述U形槽(7)的开口正对设置。
6.根据权利要求1-5任一项所述的双频带毫米波天线，其特征在于，通孔(11)为圆形通孔。
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