CN109713434A - 一种毫米波差分共面馈电的介质天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种毫米波差分共面馈电的介质天线，包括：矩形介质基板、设置于介质基板上表面的一对差分馈电结构、设置于矩形介质基板下表面的金属地，基板的部分区域被蚀刻去除后形成有矩形环状的基板轮廓部、被基板轮廓部环绕的矩形介质谐振器、一对连接臂，一对连接臂上均设置有第一金属化过孔，差分馈电结构的一端用于接入差分信号，差分馈电结构的另一端通过第一金属化过孔连接金属地，介质天线共面馈电，实现此类天线的低剖面设计，同时，使得天线可以用单层印刷电路板工艺实现，进一步减小天线的装配误差；其次，由于采用了差分激励，所以具有较低的交叉极化且可以直接的与差分电路进行集成，两对具有不同长度的缝隙使天线具有滤波功能。
Description
技术领域
本发明涉及通信领域，尤其涉及一种毫米波差分共面馈电的介质天线。
背景技术
随着无线通信系统的工作频率逐渐提升到毫米波频段，高速率、高信噪比及低延时成为系统设计的主要要求。面对此类问题，具有差分拓扑结构的电路将有效的提高信号质量。同时，由于毫米波频段工作波长较短及趋肤效应的存在，以金属为材质的天线往往具有较大的欧姆损耗从而降低天线的辐射效率。此时，介质天线由于其毫米波频段的低损耗和高效率等特点，得到了人们的广泛关注与研究。
为了适应毫米波通信系统中的高器件集成度，多种方法已经被提出以实现介质天线低剖面设计。一类是采用高介电常数的介质谐振器作为辐射单元。该类方法可以有效的降低器件剖面，但是高介电常数材料往往需要独立的工艺进行加工，这无疑会增加天线制造复杂度。另一类是使用贴片介质谐振器粘附在基板上构成介质天线。此类天线最终实现时因需将贴片介质谐振器粘附在基板上，所以会有较大的装配误差。此外，上述两类天线存在的共同问题是天线和馈电网络需要设计在不同层，然后再进行最终组装。这种做法一定程度上还是一个高剖面结构，同时不便于一体化加工，装配误差也较大。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种毫米波差分共面馈电的介质天线。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种毫米波差分共面馈电的介质天线，包括：矩形介质基板、设置于介质基板上表面的一对差分馈电结构、设置于矩形介质基板下表面的金属地，所述介质基板的部分区域被蚀刻去除后形成有矩形环状的基板轮廓部、被所述基板轮廓部环绕的矩形介质谐振器、连接所述矩形介质谐振器的一对短边和所述基板轮廓部的一对短边的一对连接臂，所述一对连接臂位于所述一对差分馈电结构的下方，所述一对连接臂上均设置有第一金属化过孔，所述差分馈电结构的一端用于接入差分信号，所述差分馈电结构的另一端通过所述第一金属化过孔连接所述金属地，第一金属化过孔用于产生从所述微带线到所述金属地方向的电流，且由第一金属化过孔产生的电流方向与天线工作模式TE111在第一金属化过孔所在位置处分布的电场方向相同。
在本发明所述的毫米波差分共面馈电的介质天线中，所述基板轮廓部的除去与所述一对连接臂连接部分以外的其他部分分布有环绕所述矩形介质谐振器排列的多个第二金属化过孔，所述介质基板上表面与所述多个第二金属化过孔对应的区域还设置有金属带。
在本发明所述的毫米波差分共面馈电的介质天线中，所述金属地上开设有用于产生通带高端的增益零点的一对第一缝隙和用于产生通带低端的增益零点的一对第二缝隙，所述第二缝隙的长度大于所述第一缝隙的长度，所述一对第二缝隙分布于所述一对第一缝隙之间，所述一对第二缝隙和所述一对第二缝隙均分别平行于所述矩形介质谐振器的短边且均分别关于所述矩形介质谐振器的一对短边的对称面对称。
在本发明所述的毫米波差分共面馈电的介质天线中，所述差分馈电结构为微带线。
在本发明所述的毫米波差分共面馈电的介质天线中，整个所述介质天线前后对称且左右对称。
本发明的毫米波差分共面馈电的介质天线，具有以下有益效果：本发明中介质天线中的介质谐振器与其馈电网络设计在同一层基板上，如此介质天线共面馈电，实现此类天线的低剖面设计，同时，将介质与馈电结构设计在同一平面上，从而使得天线可以用单层印刷电路板工艺实现，进一步减小天线的装配误差；其次，天线由于同时采用了差分激励，所以具有较低的交叉极化且可以直接的与差分电路进行集成；进一步地，金属地开设的两对缝隙使得该介质天线具有滤波功能，实现了滤波器与天线的融合设计，进一步减小通信系统体积。
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是本发明天线的分解图；
图2是本发明天线的俯视图；
图3是金属地的结构示意图；
图4是本发明天线在TE111模式时的电场分布图；
图5是本发明天线的高端增益零点随第一缝隙长度Sy1变化示意图；
图6是本发明天线的低端增益零点随第二缝隙长度Sy2变化示意图；
图7是天线反射系数及增益仿真曲线图；
图8是天线辐射效率曲线图；
图9是天线中心频率处E面的辐射方向图；
图10是天线中心频率处H面的辐射方向图。
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。
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。
本发明总的思路是：构造一种毫米波差分共面馈电的介质天线，介质天线中的介质谐振器与其馈电网络设计在同一层基板上，如此通过共面馈电实现介质天线的低剖面设计，同时，将介质与馈电结构设计在同一平面上，从而使得天线可以用单层印刷电路板工艺实现，进一步减小天线的装配误差。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明，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。
参考图1-2，图1是本发明毫米波差分共面馈电的介质天线的分解图；图2是本发明毫米波差分共面馈电的介质天线的俯视图。
本发明的整个所述介质天线前后对称且左右对称,天线具体包括：矩形介质基板、设置于介质基板上表面的一对差分馈电结构21、设置于矩形介质基板下表面的金属地3。
其中，一对差分馈电结构21分别为端口+与端口-。本实施例中，差分馈电结构21具体为微带线，微带线的大致呈T型，较细的一端垂直延伸至整个介质基板的短边处，用于接入差分信号，较粗的一端用于向介质谐振器12馈入信号。
其中，所述介质基板的部分区域被蚀刻去除后形成有矩形环状的基板轮廓部11、被所述基板轮廓部11环绕的矩形介质谐振器12、连接所述矩形介质谐振器12的一对短边和所述基板轮廓部11的一对短边的一对连接臂13。
矩形介质谐振器12的长边(即前后侧边)与基板轮廓部11的长边平行，矩形介质谐振器12的短边(即左右侧边)与基板轮廓部11的短边平行。连接臂13与矩形介质谐振器12的长边平行，即一对连接臂13分布于矩形介质谐振器12的左右两个侧边处。
本实施例中，介质基板的型号为罗杰斯3010，相对介电常数为10.2；损耗角正切为0.0023，厚度为0.635mm。介质基板上覆盖的各种金属层(例如金属地3、金属带22等)的厚度均为0.035mm。其中，介质天线中的谐振器12尺寸依据当前工作模式TE111与工作中心频率计算得出。
所述一对连接臂13位于一对微带线的下方，所述一对连接臂13上均设置有第一金属化过孔130。所述微带线较粗的一端通过多个所述第一金属化过孔130连接所述金属地3。从图中可以看出，第一金属化过孔130位于差分微带线较粗的一端，用于激励天线的TE111工作模式。第一金属化过孔130的孔间间距为Vs1，孔径为Vd1。上述第一金属化过孔130的尺寸根据实际加工工艺及设计需求进行调节并优化，另外，第一金属化过孔130的数量并不限于图中的三个，也是可以根据具体情形调整的。
优选的，所述基板轮廓部11的除去与所述一对连接臂13连接部分以外的其他部分分布有环绕所述矩形介质谐振器12排列的多个第二金属化过孔110，所述介质基板上表面与所述多个第二金属化过孔110对应的区域还设置有金属带22。多个第二金属化过孔110围合形成背腔结构，用于提高天线在主辐射方向上的增益，其孔径为Vd2，孔间距为Vs2。
其中，金属地3覆盖整个介质基板的下表面。参考图3，图3是金属地3的结构示意图，优选的，所述金属地3上蚀刻有用于产生通带高端的增益零点的一对第一缝隙31和用于产生通带低端的增益零点的一对第二缝隙32，所述第二缝隙32的长度大于所述第一缝隙31的长度，所述一对第二缝隙32分布于所述一对第一缝隙31之间，所述一对第二缝隙32和所述一对第二缝隙32均分别平行于所述矩形介质谐振器12的短边，且所述一对第二缝隙32和所述一对第二缝隙32均分别关于所述矩形介质谐振器12的一对短边的对称面对称。图3中示意了一对第二缝隙32和所述一对第二缝隙32的位置、尺寸。其中，缝隙长度、宽度与缝隙间间距由软件最终优化得出。一个具体实施例中设计的天线的最终尺寸数值在表1中给出。
表1
下面对本发明的天线的工作原理将从两点进行解释说明，包括天线的工作模式及对应该工作模式下的激励方法。天线的工作模式为TE111，其具有的电场分布如图4所示。在该种场分布下，常用的激励方法有探针激励，缝隙激励等。但上述激励方法饱受体积过大、剖面高度过高及装配误差较大等问题困扰。为了解决上述问题，本发明提出了一种应用于介质天线的共面激励方法。为了详细对该方法进行解释说明，图4中分别对介质天线的对应部分进行了区域A与区域B的标注。图4中，区域A用于介质谐振器12与100Ω差分输入微带线间的过度。由于仅为过度结构，其对天线的辐射特性仅有较小影响。在区域B中，第一金属化过孔130用于产生从上层微带线到金属地3方向的电流。在上述条件下，由第一金属化过孔130在该处产生的电流方向将与天线工作模式TE111在该处分布的电场方向相同。根据安培环路定理，介质天线得到有效激励。因为介质天线的工作模式TE111为典型的差分激励模式，故在差分激励的条件下，使用该模式工作的天线将拥有对称的辐射方向图及较低的交叉极化。
下面对天线的增益零点进行分析，为了实现天线滤波功能，本发明在通带两侧各设计一个增益零点。增益零点由刻蚀在介质天线金属地3上的缝隙形成。两对缝隙具有不同的长度，平行且沿中心线对称分布，如图3所示。为了详细阐述缝隙产生增益零点的原理，将对缝隙的尺寸进行参数分析。参数分析使用Ansys公司的HFSS电磁仿真软件。这里需要说明的是，在参数分析的过程中，当一个参数改变时，其他的参数保持不变，数值同表1所示。
图5展示了高端增益零点随第一缝隙31长度Sy1变化情况，当Sy1减小时，高端增益零点显著向高端移动，然而低端增益零点几乎不产生变化。图6展示了低端增益零点随第二缝隙32长度Sy2变化情况，当Sy2增加时，低端增益零点显著向低端移动，然而高端增益零点几乎不会产生变化。基于上述参数分析，设计的增益零点可以通过改变对应的缝隙尺寸进行独立控制。
下面以一个具体的实例展示本发明的效果。天线设计基于Ansys公司的HFSS电磁仿真软件。图7是天线反射系数及增益仿真曲线图。从图中可以看出，在天线通带的高端与低端同时产生了增益零点，同时带内中心频率处回波小于30dB，阻抗匹配较好。天线工作的中心频率为24.7GHz，拥有850MHz的阻抗带宽，最高增益为8dBi。图8是天线辐射效率曲线图，从图中可以看出天线在工作频点附近拥有90％以上的工作效率。图9是天线中心频率处E面的辐射方向图，从图中可以看出天线的辐射方向图拥有较好的对称性。类似的，图10是天线中心频率处H面的辐射方向图。从图9与图10中可以看出，天线的交叉极化低于40dB；3dB波束宽度E面为72°，H面为58°。
综上所述，本发明的毫米波差分共面馈电的介质天线，具有以下有益效果：本发明中介质天线中的介质谐振器与其馈电网络设计在同一层基板上，如此介质天线共面馈电，实现此类天线的低剖面设计，同时，将介质与馈电结构设计在同一平面上，从而使得天线可以用单层印刷电路板工艺实现，进一步减小天线的装配误差；其次，天线由于同时采用了差分激励，所以具有较低的交叉极化且可以直接的与差分电路进行集成；进一步地，金属地开设的两对缝隙使得该介质天线具有滤波功能，实现了滤波器与天线的融合设计，进一步减小通信系统体积。
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 (5)
1.一种毫米波差分共面馈电的介质天线，其特征在于，包括：矩形介质基板、设置于介质基板上表面的一对差分馈电结构、设置于矩形介质基板下表面的金属地，所述介质基板的部分区域被蚀刻去除后形成有矩形环状的基板轮廓部、被所述基板轮廓部环绕的矩形介质谐振器、连接所述矩形介质谐振器的一对短边和所述基板轮廓部的一对短边的一对连接臂，所述一对连接臂位于所述一对差分馈电结构的下方，所述一对连接臂上均设置有第一金属化过孔，所述差分馈电结构的一端用于接入差分信号，所述差分馈电结构的另一端通过所述第一金属化过孔连接所述金属地，第一金属化过孔用于产生从所述微带线到所述金属地方向的电流，且由第一金属化过孔产生的电流方向与天线工作模式TE111在第一金属化过孔所在位置处分布的电场方向相同。
2.根据权利要求1所述的毫米波差分共面馈电的介质天线，其特征在于，所述基板轮廓部的除去与所述一对连接臂连接部分以外的其他部分分布有环绕所述矩形介质谐振器排列的多个第二金属化过孔，所述介质基板上表面与所述多个第二金属化过孔对应的区域还设置有金属带。
3.根据权利要求1所述的毫米波差分共面馈电的介质天线，其特征在于，所述金属地上开设有用于产生通带高端的增益零点的一对第一缝隙和用于产生通带低端的增益零点的一对第二缝隙，所述第二缝隙的长度大于所述第一缝隙的长度，所述一对第二缝隙分布于所述一对第一缝隙之间，所述一对第二缝隙和所述一对第二缝隙均分别平行于所述矩形介质谐振器的短边且均分别关于所述矩形介质谐振器的一对短边的对称面对称。
4.根据权利要求1所述的毫米波差分共面馈电的介质天线，其特征在于，所述差分馈电结构为微带线。
5.根据权利要求1所述的毫米波差分共面馈电的介质天线，其特征在于，整个所述介质天线前后对称且左右对称。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| GR01 | Patent grant | ||
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Application publication date: 20190503 Assignee: Nantong Shouheng Information Technology Co.,Ltd. Assignor: NANTONG University Contract record no.: X2023320000015 Denomination of invention: A millimeter wave differential coplanar fed dielectric antenna Granted publication date: 20201023 License type: Common License Record date: 20230111 |
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| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract | ||
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Effective date of registration: 20230828 Address after: 226000 Jiangsu city of Nantong province sik Road No. 9 Patentee after: Nantong University Technology Transfer Center Co.,Ltd. Address before: 226019 Jiangsu city of Nantong province sik Road No. 9 Patentee before: NANTONG University |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
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Application publication date: 20190503 Assignee: Nantong Yimu Intelligent Technology Co.,Ltd. Assignor: Nantong University Technology Transfer Center Co.,Ltd. Contract record no.: X2023980049427 Denomination of invention: A millimeter wave differential coplanar fed dielectric antenna Granted publication date: 20201023 License type: Common License Record date: 20231203 |
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