CN109888475A - 一种毫米波双频双圆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双频双圆极化基片集成波导天线，包括基板、馈线、变换器、阻抗匹配电路、辐射器和底部地板，基板包括上层金属层、中间介质层、下层金属层，在基板上按照从上至下的顺序分别设置有辐射器、阻抗匹配电路、变换器和馈线，其中辐射器与阻抗匹配电路连接，阻抗匹配电路与变换器连接，变换器与馈线连接，且环绕辐射器、阻抗匹配电路、变换器和馈线设置有过孔；本发明有两个频点独立可调、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双频双圆极化基片集成波导(Substrate integrated waveguide，SIW)天线。
背景技术
无线通信技术以及互联网的迅速普及，数据业务对于网络的带宽呈几何增长，手持移动终端所需的传输数据量也越来越大。现如今，无线通信技术的演进已到了第五代(5G)。5G技术具有非凡的数据能力，能够在最新的移动操作系统中绑定不受限制的呼叫量和无限数据广播，5G技术使用中的高频段提供了高达几Gbps的传输速率。合理地利用28GHz和38GHz等毫米波(mmWave)频段是一个非常前瞻性的选择。
虽然目前最常用的无线通信极化方式仍然是线极化，但圆极化波所具有的抗干扰、防雨雾、抗衰减等多种优势使圆极化天线成为发展趋势和研究热点。目前圆极化天线已广泛应用于军事通信、卫星通信、卫星导航等多个领域，我国的北斗卫星导航系统就采用了圆极化的卫星天线，而圆极化技术在未来也必将在民用无线通信系统中得到普及。
随着无线通信用户的高速增长，通系统也不断地进行更新和扩容，例如全球普及最广的第二代移动通信GSM系统就进行频段的扩容，形成了GSM900、DSC-800MHz等多个频段，这就要求手机天线能够进行双频甚至多频工作。同样的现象也在其它无线通信系统中不断现，对多频天线的需求日益增长。
随着毫米波天线在通信领域内相关技术的不断发展，毫米波双频圆极化天线的研究在很多方面也越来越成熟，以上的诸多优越条件也为毫米波双频圆极化天线开辟了更广阔的应用领域。
发明内容
本发明提供一种毫米波双频双圆极化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包括上层金属层、中间介质层、下层金属层，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。
进一步的，中间介质层的厚度为：0.254mm或0.508mm，上层金属表面和下层金属底面淀积的铜厚为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。
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包括两对阻抗调节过孔，两对过孔宽度为2.5mm～3.5mm，且阻抗匹配电路3长度为7mm～11mm。
进一步的，阻抗匹配电路3中的两队对调节过孔相对于匹配电路起始点的距离分别为：2.4mm～3.5mm和6.5mm～8mm，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包括高频辐射器和低频辐射器，基板1的上层金属表面上设置有圆环缺口，高频辐射器为设置在圆环缺口外的波导辐射器，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，中低频辐射器的形状为圆形或者正方向，圆形的半径或者正方形的边长为1.4mm～2.2mm，所述中低频辐射器的中心设置有由两条等长的缝隙相互垂直构成的“X”形缝隙，该两条缝隙的宽度均为0.1mm～0.3mm，两条缝隙的长度均为1.6mm～2.5mm。
本发明提出一种毫米波双频双圆极化SIW天线，其具有两个频点独立可调、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为本发明的双频双圆极化SIW天线低频辐射器为圆形时的实施例；
图2为本发明的双频双圆极化SIW天线低频辐射器为正方形时的实施例；
图3为本发明的双频双圆极化SIW天线的底视图；
图4为本发明的双频双圆极化SIW天线低频辐射器为圆形时输入端口反射系数曲线图；
图5为本发明的双频双圆极化SIW天线低频辐射器为圆形时辐射最大方向的轴比曲线图；
图6为本发明的双频双圆极化SIW天线低频辐射器为圆形时在28GHz频率时的辐射方向图；
图7为本发明的双频双圆极化SIW天线低频辐射器为圆形时在38GHz频率时的辐射方向图；
图8为本发明的双频双圆极化SIW天线低频辐射器为正方形时的输入端口反射系数曲线图；
图9为本发明的双频双圆极化SIW天线低频辐射器为正方形时的辐射最大方向的轴比曲线图；
图10为本发明的双频双圆极化SIW天线低频辐射器为正方形时在28GHz频率时的辐射方向图；
图11为本发明的双频双圆极化SIW天线低频辐射器为正方形时在38GHz频率时的辐射方向图；
其中，1、基板；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，本发明提供一种毫米波双频双圆极化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包括上层金属层、中间介质层、下层金属层，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，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，中间介质层的厚度为：0.254mm或0.508mm，上层金属表面和下层金属底面淀积的铜厚为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。
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包括两对阻抗调节过孔，两对过孔宽度为2.5mm～3.5mm，且阻抗匹配电路3长度为7mm～11mm。
进一步的，阻抗匹配电路3中的两队对调节过孔相对于匹配电路起始点的距离分别为：2.4mm～3.5mm和6.5mm～8mm，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；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；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，在两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。
进一步的，所述辐射器2包括高频辐射器和低频辐射器，基板1的上层金属表面上设置有圆环缺口，高频辐射器为设置在圆环缺口外的波导辐射器，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，中低频辐射器的形状为圆形或者正方向，圆形的半径或者正方形的边长为1.4mm～2.2mm，所述低频辐射器的中心设置有由两条等长的缝隙相互垂直构成的“X”形缝隙，此缝隙是通过刻蚀上层金属层形成的，该两条缝隙的宽度均为0.1mm～0.3mm，两条缝隙的长度均为1.6mm～2.5mm。
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：
图4所示为所述毫米波双频双圆极化SIW低频辐射器为圆形时，输入端口反射系数曲线图，-10dB以下的工作频段为28GHz和38GHz，其中28GHz和38GHz时的实际测量反射系数为-31.12dB和-15.6dB。
图5所示为所述毫米波双频双圆极化SIW低频辐射器为圆形时，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。
图6和图7分别为所述毫米波双频双圆极化SIW低频辐射器为圆形时，在28GHz和38GHz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)，38GHz时的主极化模式为左旋圆极化(LHCP)；28GHz和38GHz时的前后比分别为20dB和25dB。
图8所示为毫米波双频双圆极化SIW低频辐射器为正方形时，输入端口反射系数曲线图，-10dB以下的工作频段为28GHz和38GHz，其中28GHz和38GHz时的实际测量反射系数为-18.2dB和-15.1dB。
图9所示为毫米波双频双圆极化SIW低频辐射器为正方形时，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。
图10和图11分别为毫米波双频双圆极化SIW低频辐射器为正方形时，在28GHz和38GHz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)，38GHz时的主极化模式为左旋圆极化(LHCP)；28GHz和38GHz时的前后比分别为19dB和27dB。
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)
1.一种毫米波双频双圆极化基片集成波导天线，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)包括上层金属层、中间介质层、下层金属层，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。
2.根据权利要求1所述的一种毫米波双频双圆极化基片集成波导天线，其特征在于，中间介质层的厚度为：0.254mm或0.508mm，上层金属表面和下层金属底面淀积的铜厚为0.018mm或0.035mm。
3.根据权利要求1所述的一种毫米波双频双圆极化基片集成波导天线，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所述的一种毫米波双频双圆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所述的一种毫米波双频双圆极化基片集成波导天线，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所述的一种毫米波双频双圆极化基片集成波导天线，其特征在于，所述的阻抗匹配电路(3)包括两对阻抗调节过孔，两对阻抗调节过孔的宽度为2.5mm～3.5mm，且阻抗匹配电路(3)长度为7mm～11mm。
7.根据权利要求6所述的一种毫米波双频双圆极化基片集成波导天线，其特征在于，阻抗匹配电路(3)中的两队对调节过孔相对于匹配电路起始点的距离分别为：2.4mm～3.5mm和6.5mm～8mm，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所述的一种毫米波双频双圆极化基片集成波导天线，其特征在于，所述辐射器(2)包括高频辐射器和低频辐射器，基板(1)的上层金属表面上设置有圆环缺口，高频辐射器为设置在圆环缺口外的波导辐射器，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所述的一种毫米波双频双圆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所述的一种毫米波双频双圆极化基片集成波导天线，其特征在于，中低频辐射器的形状为圆形或者正方向，圆形的半径或者正方形的边长为1.4mm～2.2mm，所述中低频辐射器的中心设置有由两条等长的缝隙相互垂直构成的“X”形缝隙，该两条缝隙的宽度均为0.1mm～0.3mm，两条缝隙的长度均为1.6mm～2.5mm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20190614 |