CN109768377A - 一种毫米波三频三极化基片集成波导天线 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及无线通信的天线技术领域,具体涉及一种毫米波三频三极化基片集成波导天线,包括包括基板、馈线、变换器、阻抗匹配电路、辐射器和底部地板,其特征在于,辐射器位于基板的正上方中心位置,馈线和辐射器之间设置有变换器和阻抗匹配电路;其中高频点和低频点的极化方式为圆极化,中频点为线极化;其具有三个频点独立可调、圆极化旋向独立可调等优势,并且其结构简单、低剖面、便于制作,适用于无线通信的天线技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信的天线技术领域,具体涉及一种毫米波三频三极化基片集成波导(Substrate integrated waveguide,SIW)天线。
背景技术
近年来,随着移动用户数量的急剧增长,通信系统在不断更新与扩容,对天线的设计提出越来越高的要求,一方面要求天线宽频化、多频化,以同时满足多个系统的通信要求;另一方面要求实现多系统共用减少天线的数量,以减小天线间的干扰并降低成本。目前,三频天线是基站天馈系统中常用的多系统天线之一,三频基站天线设计的核心问题就是如何优化天线的实现形式,包括辐射单元的设计以及反射边界的优化,使得天线结构紧凑、体积小、重量轻,同时具有优异的辐射性能及宽频带特性,以满足新的技术指标要求。
毫米波对沙尘、烟雾等具有很强穿透能为,即它们能够几乎无衰减的在大雾和沙尘天气中传播。圆极化天线的抗云、雨干扰的能力,使它能够适合在不同的天气下工作。随着毫米波天线在通信领域内相关技术的不断发展,毫米波圆极化天线的研究在很多方面也越来越成熟。
基片集成波导SIW是介于微带与介质填充波导之间的一种传输线,SIW兼顾传统波导和微带传输线的优点,可实现高性能微波毫米波平面电路。因此基于SIW的毫米波三频三极化天线具有广阔应用前景,是研究的一个热点。
发明内容
本发明提出一种毫米波三频三极化SIW天线,包括基板1、馈线5、变换器4、阻抗匹配电路3、辐射器2和底部地板,其特征在于,所述基板1包括上层金属表面11、中间介质层12和下层金属底面13,在基板1上按照从上至下的顺序分别设置有辐射器2、阻抗匹配电路3、变换器4和馈线5,其中辐射器2与阻抗匹配电路3连接,阻抗匹配电路3与变换器4连接,变换器4与馈线5连接,且辐射器2、阻抗匹配电路3、变换器4和馈线5周围设置有过孔。
进一步的,中间介质层12的厚度为:0.254mm或0.508mm,上层金属表面11和下层金属底面13淀积的铜厚为0.018mm或0.035mm。
进一步的,过孔的直径为:0.3mm~0.8mm,过孔之间的距离为:0.6~1.6mm;辐射器2、阻抗匹配电路3、变换器4和馈线5周围设置过孔是本领域常用的技术手段,且辐射器2、阻抗匹配电路3、变换器4和馈线5上的过孔是构成上述器件的一部分,由于本领域对过孔尺寸的设置可能会影响天线性能,本实施例提出上述过孔的尺寸要求。
进一步的,所述馈线5为接地共面波导馈线,其特性阻抗为50欧姆。
进一步的,所述变换器4为共面波导与介质集成的波导变换器4,且变换器4长度为1.7mm~2.0mm。
进一步的,所述的阻抗匹配电路3包括三对阻抗调节过孔,三对阻抗调节过孔宽度为2.4mm~3.5mm,且阻抗匹配电路3长度为10mm~13mm。
进一步的,阻抗匹配电路3中的三对调节过孔相对于匹配电路起始点的距离分别为:3.3mm~4.5mm、7.3mm~8.3mm和10mm~11mm,其中阻抗匹配电路3的起始点为阻抗匹配电路3与变换器4的连接处。
进一步的,所述辐射器2包括高频辐射器和中低频辐射器,基板1的上层金属表面11上设置有圆环缺口,高频辐射器为设置在圆环缺口外的波导辐射器,中低频辐射器为设置在圆环缺口中心的贴片辐射器,高频辐射器和低频辐射器通过设置在圆环缺口上的金属铜连接。
进一步的,所述高频辐射器包括一对矩形缺口,该对矩形缺口以圆环缺口的圆心呈中心对称,高频辐射器的外圈半径为3.8mm~4.5mm、内圈半径为2.6mm~3.3mm;所述矩形缺口的宽度为0.4mm~0.9mm、深度为0.2mm~0.4mm,且矩形缺口与水平方向的夹角为-45度或+45度。
进一步的,所述中低频辐射器包括一对矩形缺口,该对矩形缺口根据圆环缺口的圆心呈中心对称,中低频辐射器的形状为圆形,圆形半径为1.7mm~2.5mm;所述矩形缺口的宽度为0.4mm~0.8mm、深度为0.1mm~0.3mm;且矩形缺口与水平方向的夹角为:-45度或+45度。
本发明提出一种毫米波三频三极化SIW天线,其中高频点和低频点的极化方式为圆极化,中频点为线极化;其具有三个频点独立可调、圆极化旋向独立可调等优势,并且其结构简单、低剖面、便于制作,适用于无线通信的天线技术领域。
附图说明
图1为本发明的三频三极化SIW天线的剖视图;
图2为本发明的三频三极化SIW天线的俯视图;
图3为本发明的三频三极化SIW天线的仰视图;
图4为本发明的三频三极化SIW天线的输入端口反射系数曲线图;
图5为本发明的三频三极化SIW天线的辐射最大方向的轴比曲线图;
图6为本发明的三频三极化SIW天线在28GHz频率时的辐射方向图;
图7为本发明的三频三极化SIW天线在33GHz频率时的辐射方向图;
图8为本发明的三频三极化SIW天线在38GHz频率时的辐射方向图;
其中,1、基板,11、上层金属表面,12、中间介质层,13、下层金属底面;2、辐射器;3、阻抗匹配电路;4、变换器;5、馈线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
如图1至图3所示,本发明提出一种毫米波三频三极化SIW天线包括基板1、馈线5、变换器4、阻抗匹配电路3、辐射器2和底部地板;如图1,所述基板包括上层金属表面11、中间介质层12和下层金属底面13;如图2,在基板1上按照从上至下的顺序分别设置有辐射器2、阻抗匹配电路3、变换器4和馈线5,其中辐射器2与阻抗匹配电路3连接,阻抗匹配电路3与变换器4连接,变换器4与馈线5连接,且环绕辐射器2、阻抗匹配电路3、变换器4和馈线5设置有过孔;该过孔可以为空心金属通孔,实心金属孔或者连续的金属化壁,过孔的形状可以为圆形或者方形,如图1,多个金属化过孔构成一个金属化过孔线阵,该金属化线阵为直线、曲线或者其他线段,本发明所述的辐射器2、阻抗匹配电路3、变换器4和馈线5设置有过孔,是指金属化过孔线阵位于阻抗匹配电路3、变换器4和馈线5的两侧、并包围辐射器2与阻抗匹配电路3的金属化过孔线阵连接。
进一步的,中间介质层12的厚度为:0.254mm或0.508mm,上层金属表面11和下层金属底面13淀积的铜厚为0.018mm或0.035mm。
进一步的,过孔的直径为:0.3mm~0.8mm,过孔之间的距离为:0.6~1.6mm;一般情况下过孔之间的距离小于等于工作波长的十分之一,本发明设置的过孔之间的距离可影响各个器件的工作截止频率。。
进一步的,所述馈线5为接地共面波导馈线,其特性阻抗为50欧姆。
进一步的,所述变换器4为共面波导与介质集成的波导变换器,且变换器4长度为1.7mm~2.0mm。
进一步的,所述的阻抗匹配电路3包括三对阻抗调节过孔,三对阻抗调节过孔宽度为2.4mm~3.5mm,改变过孔宽度即各个频点的感抗值进行改变,所以调节过孔宽度可以对各频点的匹配结果进行调节;且阻抗匹配电路3长度为10mm~13mm;此处阻抗调节过孔宽度是指每对调节过孔之间的距离,阻抗调节过孔的直径与过孔直径一致,为0.3mm~0.8mm。
进一步的,阻抗匹配电路3中的三对阻抗调节过孔相对于匹配电路起始点的距离分别为:3.3mm~4.5mm、7.3mm~8.3mm和10mm~11mm,其中阻抗匹配电路3的起始点为阻抗匹配电路3与变换器4的连接处;三对阻抗调节过孔相对于匹配电路起始点的距离不同,对应不同的频点,在三个范围内分别调节可以实现对三个匹配点的频点进行调节,如图4,距离改变的3个点在横坐标的位置,过孔宽度改变的是纵坐标的匹配度,S11的值越小,匹配越好,-10dB是可接受的匹配值界限。
进一步的,所述辐射器2包括高频辐射器和中低频辐射器,基板的上层金属表面11上设置有圆环缺口,高频辐射器为设置在圆环缺口外的波导辐射器,中低频辐射器为设置在圆环缺口中心的贴片辐射器,高频辐射器和低频辐射器通过设置在圆环缺口上的金属铜连接。
进一步的,所述高频辐射器包括一对矩形缺口,该对矩形缺口以圆环缺口的圆心呈中心对称,高频辐射器的外圈半径为3.8mm~4.5mm、内圈半径为2.6mm~3.3mm;所述矩形缺口的宽度为0.4mm~0.9mm、深度为0.2mm~0.4mm,且矩形缺口与水平方向的夹角为-45度或+45度;-45度或+45度分别对应的圆极化旋向为右旋圆极化和左旋圆极化。
进一步的,所述中低频辐射器包括一对矩形缺口,该对矩形缺口根据圆环缺口的圆心呈中心对称,中低频辐射器的形状为圆形,圆形半径为1.7mm~2.5mm;所述矩形缺口的宽度为0.4mm~0.8mm、深度为0.1mm~0.3mm;且矩形缺口与水平方向的夹角为:-45度或+45度;-45度或+45度分别对应的圆极化旋向为左旋圆极化和右旋圆极化,和高频辐射器相反。
上述的所有缺口均是在基板1上将上层金属表面11刻蚀之后形成的,馈线5及变换器4上也有刻蚀上层金属表面11刻蚀之后形成的缺口,这是本领域技术人员常用的制作馈线5及变换器4时所需的技术手段,本领域技术人员可以通过附图或者本领域的常用技术手段知晓,故本发明未详细提及。
本发明的各项性能指标采用CST三维电磁仿真软件仿真分析并进行实物测试验证,测试环境为800MHz—75GHz微波暗室,测试设备为10MHz—75GHz矢量网络分析仪AV3672D,所得的结果如下:
如图4,馈线5的输入端口反射系数曲线图,-10dB以下的工作频段为28GHz、33GHz和38GHz,其中28GHz、33GHz和38GHz时的实际测量反射系数分别为-20.22dB、-18.15dB和-22.23dB。
如图5,为所述毫米波三频三极化SIW天线的辐射最大方向的轴比曲线图。实际测量结果与仿真结果吻合,28GHz和38GHz频点的轴比分别小于3dB,33GHz为线极化。
如图6,为所述毫米波三频三极化SIW天线在28GHz频率时的辐射方向图,在28GHz时的主极化模式为右旋圆极化(RHCP),其前后比大于22dB。
如图7,为所述毫米波三频三极化SIW天线在33GHz频率时的辐射方向图,在33GHz时的主极化模式为垂直极化,其前后比大于27.5dB。
如图8,为所述毫米波三频三极化SIW天线在38GHz频率时的辐射方向图,在38GHz时的主极化模式为右旋圆极化(LHCP),其前后比大于25dB。
现在5G的毫米波频段预使用的就是28GHz和38GHz,现有的研究对28GHz和38GHz这两个频段的研究不多,本发明的构造最大的优点就是在实现了毫米波频段两个频点分别圆极化的情况下,两个频段的频点和极化旋向都独立可调,并且这种低剖面结构简单,便于加工制作,以及集成到其他电路板中。
在本发明的描述中,需要理解的是,术语“同轴”、“底部”、“一端”、“顶部”、“中部”、“另一端”、“上”、“一侧”、“顶部”、“内”、“外”、“前部”、“中央”、“两端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋转”等术语应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或成一体;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系,除非另有明确的限定,对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例,对于本领域的普通技术人员而言,可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种毫米波三频三极化基片集成波导SIW天线,包括基板(1)、馈线(5)、变换器(4)、阻抗匹配电路(3)、辐射器(2)和底部地板,其特征在于,所述基板(1)从上往下依次包括上层金属表面(11)、中间介质层(12)和下层金属底面(13),在基板(1)顶面按照从上至下的顺序分别设置有辐射器(2)、阻抗匹配电路(3)、变换器(4)和馈线(5),其中辐射器(2)与阻抗匹配电路(3)连接,阻抗匹配电路(3)与变换器(4)连接,变换器(4)与馈线(5)连接,且辐射器(2)、阻抗匹配电路(3)、变换器(4)和馈线(5)周围均设置有过孔。
2.根据权利要求1所述的一种毫米波三频三极化基片集成波导天线,其特征在于,中间介质层(12)的厚度为:0.254mm或0.508mm,上层金属表面(11)和下层金属底面(13)淀积的铜厚为0.018mm或0.035mm。
3.根据权利要求1所述的一种毫米波三频三极化基片集成波导SIW天线,其特征在于,过孔的直径为:0.3mm~0.8mm,过孔之间的距离为:0.6~1.6mm。
4.根据权利要求1所述的一种毫米波三频三极化基片集成波导天线,其特征在于,所述馈线(5)为接地共面波导馈线,其特性阻抗为50欧姆。
5.根据权利要求1所述的一种毫米波三频三极化基片集成波导SIW天线,其特征在于,所述变换器(4)为共面波导与介质集成的波导变换器,且变换器(4)长度为1.7mm~2.0mm。
6.根据权利要求1所述的一种毫米波三频三极化基片集成波导SIW天线,其特征在于,所述阻抗匹配电路(3)包括三对阻抗调节过孔,三对过孔宽度为2.4mm~3.5mm,且阻抗匹配电路(3)长度为10mm~13mm。
7.根据权利要求6所述的一种毫米波三频三极化基片集成波导SIW天线,其特征在于,阻抗匹配电路(3)中的三对调节过孔相对于匹配电路起始点的距离分别为:3.3mm~4.5mm、7.3mm~8.3mm和10mm~11mm,其中阻抗匹配电路(3)的起始点为阻抗匹配电路(3)与变换器(4)的连接处。
8.根据权利要求1所述的一种毫米波三频三极化基片集成波导天线,其特征在于,所述辐射器(2)包括高频辐射器和中低频辐射器,基板(1)的上层金属表面(11)上设置有圆环缺口,高频辐射器为设置在圆环缺口外的波导辐射器,中低频辐射器为设置在圆环缺口中心的贴片辐射器,高频辐射器和低频辐射器通过设置在圆环缺口上的金属铜连接。
9.根据权利要求8所述的一种毫米波三频三极化基片集成波导天线,其特征在于,所述高频辐射器包括一对矩形缺口,该对矩形缺口以圆环缺口的圆心呈中心对称,高频辐射器的外圈半径为3.8mm~4.5mm、内圈半径为2.6mm~3.3mm;所述矩形缺口的宽度为0.4mm~0.9mm、深度为0.2mm~0.4mm,且矩形缺口与水平方向的夹角为-45度或+45度。
10.根据权利要求8所述的一种毫米波三频三极化基片集成波导天线,其特征在于,所述中低频辐射器包括一对矩形缺口,该对矩形缺口根据圆环缺口的圆心呈中心对称,中低频辐射器的形状为圆形,圆形半径为1.7mm~2.5mm;所述矩形缺口的宽度为0.4mm~0.8mm、深度为0.1mm~0.3mm;且矩形缺口与水平方向的夹角为:-45度或+45度。
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