CN109687138B

CN109687138B - 基于复合左右手单元结构的天线

Info

Publication number: CN109687138B
Application number: CN201910052309.8A
Authority: CN
Inventors: 许锋; 陈文健
Original assignee: Nanjing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Nanjing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2019-01-21
Filing date: 2019-01-21
Publication date: 2020-10-02
Anticipated expiration: 2039-01-21
Also published as: CN109687138A

Abstract

基于复合左右手单元结构的天线，包括介质基板、顶层金属层、及底层金属层；顶层金属层的中心附近开设有折弯型槽，及顶层金属层的一侧设置有共面波导；介质基板上设置有一边开口的矩形区域，沿该矩形区域周向等距设置有多个第一金属化通孔，且在该矩形区域的内部设置有多排第二金属化通孔，顶层金属层与底层金属层通过金属化通孔相连通，介质基板、顶层金属层、底层金属层与金属化通孔形成矩形基片集成波导谐振腔；矩形基片集成波导谐振腔通过微带线与共面波导相连接；底层金属层上并列设置有两个矩形环槽，且每个矩形环槽的内部均设置有一贴片。本发明进一步缩小了天线尺寸，降低了天线的加工成本，更易于和平面电路集成，有更低的工作频点。

Description

基于复合左右手单元结构的天线

技术领域

本发明涉及一种天线，尤其涉及一种复合左右手单元结构天线，属于微波技术领域。

背景技术

随着无线通信系统的发展，很多设备都要求能工作在2个或多个频段，因此双多频段天线成为近年来天线研究的热点。1999年，D.R. Smith等利用Pendry的理论制成了世界上第一块人工左手材料。2002年，Claoz和Itoh首次提出用传输线实现左手材料的新方法，复合左右手传输线作为左手材料的传输线实现形式，损耗低，易实现，具有多种异常特性和潜在应用价值，被广泛应用于微波工程设计中。

然而，由于现代通信技术的迅速发展和应用，对通信系统的小型化、集成化提出了更高的要求，使得留给天线的空间越来越小。目前，虽然传统的天线在一定程度上减小了天线的尺寸，但是仍然存在带宽窄、增益小、辐射效率低、加工成本较高等问题，因此，本发明在传统的双频天线基础上，对天线结构进行改进，将双频天线改为单频天线，在保证天线辐射性能好、增益高的前提下，天线尺寸得到进一步地减小，且能达到满足多种天线场合的实际需求。

综上所述，如何提供一种天线尺寸更小的复合左右手单元结构天线，就成为本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术的上述缺陷，提出了一种复合左右手单元结构天线，在小型化、高增益电路中具有重要的应用价值。

本发明的技术解决方案是：

基于复合左右手单元结构的天线，包括介质基板、设置在介质基板顶层的顶层金属层、及设置在介质基板底层的底层金属层；所述顶层金属层的中心附近开设有折弯型槽，及顶层金属层的一侧设置有共面波导；所述介质基板上设置有一边开口的矩形区域，沿该矩形区域周向等距设置有多个第一金属化通孔，且在该矩形区域的内部设置有多排第二金属化通孔，所述顶层金属层与所述底层金属层通过金属化通孔相连通，介质基板、顶层金属层、底层金属层与金属化通孔形成矩形基片集成波导谐振腔；矩形基片集成波导谐振腔通过微带线与所述共面波导相连接；所述底层金属层上并列设置有两个矩形环槽，且每个矩形环槽的内部均设置有一贴片；

所述折弯型槽包括多个折弯处，每个折弯处均对应一折弯开口，且折弯开口的开口方向向外，每个折弯处均为直角折弯；所述矩形区域的内部设置有两排第二金属化通孔，每排第二金属化通孔均包括三个第二金属化通孔，每个第二金属化通孔的直径与所述折弯开口宽度相同；

每个所述第二金属化通孔均位于所述折弯处在介质基板上的投影位置。

优选地，所述顶层金属层的一侧开设有凹口，凹口的一侧与所述共面波导的中心导带相连接，且所述凹口的尺寸与所述矩形区域一边的开口尺寸相匹配。

优选地，所述共面波导的中心导带与所述顶层金属层共面，并与凹口两侧的顶层金属层形成共面波导，所述微带线与共面波导的中心导带相连接，且矩形基片集成波导谐振腔通过微带线与所述共面波导相连接。

优选地，所述凹口的开口方向与所述矩形区域一边开口的开口方向相同。

优选地，所述贴片的长度小于所述矩形环槽的长度，所述贴片的宽度小于所述矩形环槽的宽度。

优选地，所述贴片的宽度与所述第二金属化通孔的直径相同。

优选地，所述第一金属化通孔的直径大于等于相邻两个所述第一金属化通孔之间的间距的二分之一。

本发明与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明公开的一种基于新型复合左右手单元结构的天线，在保留了传统背腔缝隙天线高辐射性能优点的基础上，进一步缩小了天线尺寸，降低了天线的加工成本，更易于和平面电路集成。且本发明的新型复合左右手单元结构比传统复合左右手天线更紧凑，尺寸不变的情况下，有更低的工作频点。另外，本发明复合左右手传输线的零阶或负数阶谐振特性可以有效的突破传统天线在设计上受谐振波长的限制，在天线小型化设计中有极大的应用价值。

以下便结合实施例附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详述，以使本发明技术方案更易于理解、掌握。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的俯视结构示意图；

图3是本发明的仰视结构示意图；

图4是本实施例的仿真和测量的S参数图；

图5是本实施例在3.31GHz频段下的仿真E面和H面增益方向图。

其中，1－顶层金属层，11－折弯型槽，111－折弯处，12－凹口 13－中心导带，2－介质基板，21－矩形区域， 22－第一金属化通孔，23－第二金属化通孔，24－开口，3－底层金属层，31－矩形环槽，311－贴片。

具体实施方式

基于复合左右手单元结构的天线，如图1-图3所示，包括介质基板2、设置在介质基板2顶层的顶层金属层1、及设置在介质基板2底层的底层金属层3；顶层金属层1的中心附近开设有折弯型槽11，折弯型槽11包括多个折弯处111，每个折弯处111均对应一折弯开口，且折弯开口的开口方向向外，每个折弯处111均为直角折弯。在本实施例中，该折弯型槽11包括六个折弯处111。

顶层金属层1的一侧设置有共面波导，顶层金属层1的一侧开设有凹口12，凹口12的一侧与共面波导的中心导带13相连接，如图1-图2所示，中心导带13通过凹口12的一侧与顶层金属层1相连接且中心导带13与顶层金属层1一体成型，中心导带13与顶层金属层1共面，并与凹口12两侧的顶层金属层1形成共面波导，在本发明的技术方案中，为了方便测量，在中心导带13处设置有微带线（图中未示出），微带线与共面波导的中心导带13相连接，中心导带13为中心金属条带，且微带线为50欧姆微带线，中心金属条与50欧姆微带线相重合。为了满足阻抗匹配要求，可以改变共面波导深入谐振腔的长度，以达到降低反射系数的目的，而微带线和共面波导相连，是为了测量的方便。

介质基板2上设置有一边开口24的矩形区域21，沿该矩形区域21周向等距设置有多个第一金属化通孔22，且在该矩形区域21的内部设置有多排第二金属化通孔23，顶层金属层1与底层金属层3通过金属化通孔相连通，介质基板2、顶层金属层1、底层金属层3与金属化通孔形成矩形基片集成波导谐振腔；矩形基片集成波导谐振腔通过微带线与共面波导相连接；在本实施例中，介质基板2为Rogers5880，介质基板2上设置为一边开口24的正方形区域，正方形区域的四个顶点处，即第一顶点、第二顶点、第三顶点及第四顶点处均设置有一个第一金属化通孔22，该凹口12开设在第一顶点与第二顶点之间，第一顶点与凹口12的一侧设置有两个第一金属化通孔22，第一顶点与第四顶点、第四顶点与第三顶点、第三顶点与第二顶点之间均设置有九个第一金属化通孔22。为了使能量泄露被抑制到几乎可以忽略的程度，第一金属化通孔22的直径大于等于相邻两个所述第一金属化通孔22之间的间距的二分之一，且介质基板2的厚度要远远小于介质波长，本发明优选为第一金属化通孔22的直径等于相邻两个第一金属化通孔22之间的间距的二分之一。

凹口12的开口方向与矩形区域21一边开口24的开口方向相同，且凹口12的尺寸与矩形区域21一边的开口24尺寸相匹配，即开口24的宽度大于或等于凹口12的宽度。

在本发明的技术方案中，矩形区域21的内部设置有两排第二金属化通孔23，每排第二金属化通孔23均包括三个等距设置的第二金属化通孔23，每个第二金属化通孔23的直径与折弯开口宽度相同，每个第二金属化通孔23均位于折弯处111在介质基板2上的投影位置。

进一步地，底层金属层3上并列设置有两个矩形环槽31，且每个矩形环槽31的内部均设置有一贴片311；贴片311的长度小于矩形环槽31的长度，贴片311的宽度小于矩形环槽31的宽度，且贴片311的宽度与第二金属化通孔23的直径相同。当顶层金属层1、底层金属层3与介质基板2叠合在一起时，从图2中可看出，第二金属化通孔23设置在折弯型槽11的折弯处111，从图3中可看出，第二金属化通孔23设置在贴片311内。

本实施例中还利用三维电磁仿真软件对所提出的天线结构进行仿真，如图4至图5所示，图4是本发明实施例的仿真和测量的S参数图，从图4可以看出，在工作带宽内，天线回波损耗最低达到-27dB，所以满足阻抗匹配要求。图5是本实施例仿真的E面增益方向图和H面增益方向图，从图5中可以看出，天线的辐射性能较好，辐射效率高。在基片集成波导结合型复合左右手单元结构的天线设计和应用中具有巨大的参考价值。

本发明公开的一种基于新型复合左右手单元结构的天线，在保留了传统背腔缝隙天线高辐射性能优点的基础上，进一步缩小了天线尺寸，降低了天线的加工成本，更易于和平面电路集成。且本发明的新型复合左右手单元结构比传统复合左右手天线更紧凑，尺寸不变的情况下，有更低的工作频点。另外，本发明复合左右手传输线的零阶或负数阶谐振特性可以有效的突破传统天线在设计上受谐振波长的限制，在天线小型化设计中有极大的应用价值。

应该注意的是，上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。

Claims

1.基于复合左右手单元结构的天线，其特征在于：包括介质基板（2）、设置在介质基板（2）顶层的顶层金属层（1）、及设置在介质基板（2）底层的底层金属层（3）；所述顶层金属层（1）的中心附近开设有折弯型槽（11），及顶层金属层（1）的一侧设置有共面波导；所述介质基板（2）上设置有一边开口（24）的矩形区域（21），沿该矩形区域（21）周向等距设置有多个第一金属化通孔（22），且在该矩形区域（21）的内部设置有多排第二金属化通孔（23），所述顶层金属层（1）与所述底层金属层（3）通过金属化通孔相连通，介质基板（2）、顶层金属层（1）、底层金属层（3）与金属化通孔形成矩形基片集成波导谐振腔；矩形基片集成波导谐振腔通过微带线与所述共面波导相连接；所述底层金属层（3）上并列设置有两个矩形环槽（31），且每个矩形环槽（31）的内部均设置有一贴片（311）；

所述折弯型槽（11）包括多个折弯处（111），每个折弯处（111）均对应一折弯开口，且折弯开口的开口方向向外，每个折弯处（111）均为直角折弯；所述矩形区域（21）的内部设置有两排第二金属化通孔（23），每排第二金属化通孔（23）均包括三个第二金属化通孔（23），每个第二金属化通孔（23）的直径与所述折弯开口宽度相同；

每个所述第二金属化通孔（23）均位于所述折弯处（111）在介质基板（2）上的投影位置。

2.根据权利要求1所述的基于复合左右手单元结构的天线，其特征在于：所述顶层金属层（1）的一侧开设有凹口（12），凹口（12）的一侧与所述共面波导的中心导带（13）相连接，且所述凹口（12）的尺寸与所述矩形区域（21）一边的开口（24）尺寸相匹配。

3.根据权利要求2所述的基于复合左右手单元结构的天线，其特征在于：所述共面波导的中心导带（13）与所述顶层金属层（1）共面，并与凹口（12）两侧的顶层金属层（1）形成共面波导，所述微带线与共面波导的中心导带（13）相连接，且矩形基片集成波导谐振腔通过微带线与所述共面波导相连接。

4.根据权利要求2所述的基于复合左右手单元结构的天线，其特征在于：所述凹口（12）的开口方向与所述矩形区域（21）一边开口（24）的开口方向相同。

5.根据权利要求1所述的基于复合左右手单元结构的天线，其特征在于：所述贴片（311）的长度小于所述矩形环槽（31）的长度，所述贴片（311）的宽度小于所述矩形环槽（31）的宽度。

6.根据权利要求5所述的基于复合左右手单元结构的天线，其特征在于：所述贴片（311）的宽度与所述第二金属化通孔（23）的直径相同。

7.根据权利要求1所述的基于复合左右手单元结构的天线，其特征在于：所述第一金属化通孔（22）的直径大于等于相邻两个所述第一金属化通孔（22）之间的间距的二分之一。