CN109616751A - 一种低剖面宽带介质谐振器天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低剖面宽带介质谐振器天线，包括：依次层叠的第一层介质基板、第二层介质基板、第三层介质基板。本发明通过高介电常数的介质薄片层叠于两层低介电常数的介质基板之上，构成层叠型介质谐振器，并在这两层低介电常数的介质基板之间，加载入一根金属带条，形成一种金属带条加载的层叠型介质谐振器结构，由于金属带条的加载效应，此介质谐振器结构具备了双模工作特性，较传统的介质谐振器天线而言，此金属带条加载的层叠型介质谐振器天线能够在同等尺寸的前提下提供更宽的带宽及更高的增益。同时，该天线采用金属化通孔的馈电方式，便于5G毫米波AiP方案的集成一体化实现。

Description

一种低剖面宽带介质谐振器天线
技术领域
本发明涉及微波通信技术领域，特别涉及一种低剖面宽带介质谐振器天线。
背景技术
在毫米波频段，传统的微带类天线由于金属欧姆损耗显著增加，辐射效率迅速降低。介质谐振器天线没有金属欧姆损耗，相对于金属微带天线而言，具有较高的辐射效率。已有权威报道指出，介质谐振器天线不仅可实现较微带贴片天线至少10％以上(C波段数据)的辐射效率的提升，而且在毫米波频段具有更宽的工作带宽。近年来，加工技术的快速发展也已经使得印刷介质谐振器天线成为可能，例如加拿大曼尼托巴大学与芬兰奥卢大学联合开发的可打印平面介质谐振器技术可以直接将介质薄层打印在PCB板上，为困扰着介质谐振器天线大规模商用的加工及精确定位安装等问题提供了有效解决方案。由此看来，低剖面介质谐振器天线非常适用于宽带、高效率毫米波天线的设计且已具备了应用的条件，是未来5G应用中一种极具商用潜力的天线解决方案。
宽带低剖面的毫米波介质谐振器天线是当前的研究热点及难点，目前有少量前沿报道。例如，采用缝隙馈电的大宽高比双模低剖面介质谐振器技术，也有结合基片集成波导缝隙馈电的介质贴片天线技术，但这两类天线要么平面尺寸大于0.5λ0，无法满足波束扫描阵列要求的半波长单元间距设计要求；要么剖面高度仍然高于0.2λ0，不符合轻薄化的设计需求。同时，上述方案采用的缝隙馈电结构通常会产生较大的后瓣辐射，不利于5G毫米波AiP(即Antenna-in-Package)方案的集成一体化实现。
发明内容
为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种低剖面宽带介质谐振器天线。所述技术方案如下：
一方面，本发明实施例提供了一种低剖面宽带介质谐振器天线，包括：依次层叠的第一层介质基板、第二层介质基板、第三层介质基板，
第一层介质基板上设置有介质薄片，介质薄片的介电常数分别大于第一层介质基板的介电常数和第二层介质基板的介电常数，
第二层介质基板靠近第一层介质基板的一侧上印制有金属带条，
第三层介质基板靠近第二层介质基板的一侧上印刷有金属大地，第三层介质基板远离第二层介质基板的一侧上印刷有微带馈线，金属大地上开设金属化通孔，微带馈线与金属带条通过金属化通孔相连接进行馈电。
在本发明实施例上述的低剖面宽带介质谐振器天线中，金属带条与介质薄片平行，且金属带条在介质薄片上的投影经过介质薄片的中心。
在本发明实施例上述的低剖面宽带介质谐振器天线中，介质薄片为介电常数范围在20-90的介质薄片。
在本发明实施例上述的低剖面宽带介质谐振器天线中，介质薄片为陶瓷介质薄片。
在本发明实施例上述的低剖面宽带介质谐振器天线中，介质薄片为中心对称形状的介质薄片。
在本发明实施例上述的低剖面宽带介质谐振器天线中，介质薄片为正方形、长方形、圆形的介质薄片。
在本发明实施例上述的低剖面宽带介质谐振器天线中，第一层介质基板、第二层介质基板、第三层介质基板均为介电常数范围在2～6的介质基板。
在本发明实施例上述的低剖面宽带介质谐振器天线中，金属大地上开设圆形金属化通孔。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过高介电常数的介质薄片层叠于两层低介电常数的介质基板之上，构成层叠型介质谐振器，并在这两层低介电常数的介质基板之间，加载入一根金属带条，形成一种新颖的金属带条加载的层叠型介质谐振器结构，由于金属带条的加载效应，此种介质谐振器结构具备了双模工作特性，较传统的介质谐振器天线而言，此种金属带条加载的层叠型介质谐振器天线能够在同等尺寸的前提下提供更宽的带宽及更高的增益。同时，该天线采用金属化通孔的馈电方式，便于5G毫米波AiP方案的集成一体化实现。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例一提供的一种低剖面宽带介质谐振器天线的侧面结构示意图；
图2是本发明实施例一提供的一种第一层介质基板的俯视图；
图3是本发明实施例一提供的一种第二层介质基板的俯视图；
图4是本发明实施例一提供的一种第三层介质基板的俯视图；
图5是本发明实施例一提供的一种第三层介质基板的仰视图；
图6是本发明实施例一提供的一种低剖面宽带介质谐振器天线的|S11|和增益的仿真结果示例图；
图7是本发明实施例一提供的一种低剖面宽带介质谐振器天线的辐射效率的仿真结果示例图；
图8是本发明实施例一提供的一种低剖面宽带介质谐振器天线的25GHz仿真方向图；
图9是本发明实施例一提供的一种低剖面宽带介质谐振器天线的27GHz仿真方向图；
图10是本发明实施例一提供的一种低剖面宽带介质谐振器天线构成的天线列阵的主视图；
图11是本发明实施例一提供的一种低剖面宽带介质谐振器天线构成的天线列阵的俯视图；
图12是本发明实施例一提供的一种天线列阵的仿真结果示意图；
图13是本发明实施例一提供的又一种天线列阵的仿真结果示意图；
图14是本发明实施例一提供的一种天线列阵25GHz方向图的仿真结果示意图；
图15是本发明实施例一提供的又一种天线列阵25GHz方向图的仿真结果示意图；
图16是本发明实施例一提供的一种天线列阵27GHz方向图的仿真结果示意图；
图17是本发明实施例一提供的又一种天线列阵27GHz方向图的仿真结果示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例一
本发明实施例提供了一种低剖面宽带介质谐振器天线，参见图1，该低剖面宽带介质谐振器天线可以包括：依次层叠的第一层介质基板1、第二层介质基板2、第三层介质基板3。
参见图2，第一层介质基板1上设置有介质薄片4，介质薄片4的介电常数分别大于第一层介质基板1的介电常数和第二层介质基板2的介电常数。
参见图3，第二层介质基板2靠近第一层介质基板1的一侧上印制有金属带条5。
参见图4和图5，第三层介质基板3靠近第二层介质基板2的一侧上印刷有金属大地6，第三层介质基板3远离第二层介质基板2的一侧上印刷有微带馈线7，第二层介质基板2、金属大地6上开设金属化通孔，微带馈线7与金属带条5通过金属化通孔相连接进行馈电。
在本实施例中，对于低剖面宽带介质谐振器天线天线，首先，高介电常数的介质薄片4层叠于两层低介电常数的介质基板(即第一层介质基板1和第二层介质基板2)之上，构成层叠型介质谐振器，在此基础上，在第一层介质基板1和第二层介质基板2之间，进一步加载入一根金属带条5，最终形成一种新颖的金属带条加载的层叠型介质谐振器结构，即为金属大地6以上部分。由于金属带条的加载效应，此种介质谐振器结构具备了双模工作特性，较传统的介质谐振器天线而言，此种金属带条加载的层叠型介质谐振器天线能够在同等尺寸的前提下提供更宽的带宽及更高的增益。
此外，射频激励信号由第三层介质基板3底部的微带馈线7馈入，通过金属大地6上的金属化通孔传至金属带条5，从而对上述金属带条5加载的层叠型介质谐振器天线进行馈电。此天线结构拥有两个谐振模式，能够达到宽带工作的效果。
在实际应用中，金属带条5与微带馈线7之间没有方位上的安装限制，事实上它们之间有金属大地6隔开，微带馈线7以不同方位进行安装并无影响。优选地，金属带条5与微带馈线7采用相同材料制备。
可选地，金属带条5与介质薄片4平行，且金属带条5在介质薄片4上的投影经过介质薄片4的中心。
在本实施例中，金属带条5加载于低介电常数介质基板内部(即第一层介质基板1和第二层介质基板2之间)，与高介电常数介质薄片4成投影轮廓平行，投影中心满足重合的关系。
可选地，介质薄片4可以为介电常数范围在20-90的介质薄片(例如：36、45、69等)，可采用陶瓷材料制备，其尺寸可以根据介电常数的不同来进行调整。
可选地，介质薄片4可以为中心对称形状的介质薄片，优选正方形、长方形、圆形等。
可选地，第一层介质基板1、第二层介质基板2、第三层介质基板3均为介电常数范围在2～6的介质基板(例如：3.55)。
可选地，金属大地6开设圆形金属化通孔。通过金属大地6上开设的圆形金属化通孔在偏离金属带条5中心点处与金属带条5进行接触，对介质谐振器天线进行馈电，微调此接触点位置可以很方便地实现天线的阻抗匹配。
下面结合图6-9来说明一下低剖面宽带介质谐振器天线的仿真结果：
本实施例采用的低介电常数介质基板(即第一层介质基板1、第二层介质基板2、第三层介质基板3)的介电常数为3.55，损耗角为0.0027，介质基板厚度均为0.203mm；高介电常数介质薄片(即介质薄片4)的介电常数为45，损耗角为0.00019，厚度为0.25mm.整体剖面高度为0.08λ0。天线的传输响应和辐射响应如图6所示，可见其10-dB阻抗带宽为15.6％，很好的覆盖了24.75-27.5GHz的5G热点频段。频带内增益为6.3-6.45dBi。图7给出了仿真的辐射效率数据。图8和9是分别在25GHz与27GHz处的天线仿真方向图，天线的方向图对称，交叉极化在3-dB波束范围内优于15dB。
综上所述，本实施例提供的低剖面宽带介质谐振器天线，引入金属带条加载的层叠型介质谐振器作为天线的辐射体，并用微带结合金属化通孔进行馈电，实现了宽带、高效率的低剖面介质谐振器天线，在毫米波频段，剖面高度为0.08λ0情况下，-10-dB相对带宽可达15％以上，效率在92％以上。
参见图10和图11，如图所述的天线列阵是由上述2*4个低剖面宽带介质谐振器天线阵列排布构成的。通过独立调控每个阵元的幅度和相位分布，可以实现空间波束赋形。图12和图13是该天线列阵的仿真结果示意图，图14和图15是天线列阵方向图中25GHz方向图的仿真结果(图14为H平面，图15为E平面)；图16和图17是天线列阵方向图中27GHz方向图的仿真结果(图16为H平面，图17为E平面)。
针对现有的金属微带天线技术难以在毫米波频段保持较高的辐射效率(例如70％以上)，而针对低剖面介质谐振器天线的宽带设计则存在平面尺寸过大(≥0.5×0.5λ0 2)、剖面高度仍然较高(≥0.2λ0)等问题。本实施例提供一种兼具高效率、小平面尺寸以及低剖面的宽带介质谐振器天线解决方案；同时，该天线采用金属化通孔的馈电方式，便于5G毫米波AiP方案的集成一体化实现。
本发明实施例通过高介电常数的介质薄片层叠于两层低介电常数的介质基板之上，构成层叠型介质谐振器，并在这两层低介电常数的介质基板之间，加载入一根金属带条，形成一种新颖的金属带条加载的层叠型介质谐振器结构，由于金属带条的加载效应，此种介质谐振器结构具备了双模工作特性，较传统的介质谐振器天线而言，此种金属带条加载的层叠型介质谐振器天线能够在同等尺寸的前提下提供更宽的带宽及更高的增益。同时，该天线采用金属化通孔的馈电方式，便于5G毫米波AiP方案的集成一体化实现。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种低剖面宽带介质谐振器天线，其特征在于，包括：依次层叠的第一层介质基板(1)、第二层介质基板(2)、第三层介质基板(3)，
第一层介质基板(1)上设置有介质薄片(4)，介质薄片(4)的介电常数分别大于第一层介质基板(1)的介电常数和第二层介质基板(2)的介电常数，
第二层介质基板(2)靠近第一层介质基板(1)的一侧上印制有金属带条(5)，
第三层介质基板(3)靠近第二层介质基板(2)的一侧上印刷有金属大地(6)，第三层介质基板(3)远离第二层介质基板(2)的一侧上印刷有微带馈线(7)，金属大地(6)上开设金属化通孔，微带馈线(7)与金属带条(5)通过金属化通孔相连接进行馈电。
2.根据权利要求1所述的低剖面宽带介质谐振器天线，其特征在于，金属带条(5)与介质薄片(4)平行，且金属带条(5)在介质薄片(4)上的投影经过介质薄片(4)的中心。
3.根据权利要求1所述的低剖面宽带介质谐振器天线，其特征在于，介质薄片(4)为介电常数范围在20～90的介质薄片。
4.根据权利要求3所述的低剖面宽带介质谐振器天线，其特征在于，介质薄片(4)为陶瓷介质薄片。
5.根据权利要求3所述的低剖面宽带介质谐振器天线，其特征在于，介质薄片(4)为中心对称形状的介质薄片。
6.根据权利要求5所述的低剖面宽带介质谐振器天线，其特征在于，介质薄片(4)为正方形、长方形、圆形的介质薄片。
7.根据权利要求1所述的低剖面宽带介质谐振器天线，其特征在于，第一层介质基板(1)、第二层介质基板(2)、第三层介质基板(3)均为介电常数范围在2～6的介质基板。
8.根据权利要求1所述的低剖面宽带介质谐振器天线，其特征在于，金属大地(6)上开设圆形金属化通孔。
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