CN110233330B - 一种基于结构复用的三频共口径天线 - Google Patents

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Abstract

本发明属于共口径天线技术领域，提供一种基于结构复用的三频共口径天线，用以解决基于无线技术应用的三频共口径天线中辐射单元分离导致辐射口径利用率为零、Wi‑Gig频段天线高增益窄波束覆盖范围、Wi‑Fi频段未与MIMO技术结合等问题。本发明利用基片集成波导结构的封闭性、且对PIFA天线的电场扰动较小的特性，将Wi‑Gig频段的SIW漏波天线结构与Wi‑Fi频段的双频PIFA天线辐射单元融合一体，实现极高的辐射体利用率；最终，将Wi‑Fi频段天线与MIMO技术相结合，使用多个辐射体融合的三频天线单元，极大提高了系统的信道容量，使得该频段天线能够独立、同时工作，并且多个高频单元进一步扩大了Wi‑Gig频段天线波束覆盖范围。

Description

一种基于结构复用的三频共口径天线
技术领域
本发明属于共口径天线技术领域，涉及Wi-Fi技术、Wi-Gig技术和MIMO技术应用的共口径天线，具体为一种基于结构复用的三频共口径天线。
背景技术
在传统的无线局域网中，Wi-Fi技术广泛应用于远距离通信，其工作频段为2.4GHz和5GHz，将其与MIMO技术相结合可以极大提高系统的信道容量；为进一步获取更高的数据通讯速率，工作在V波段的Wi-Gig技术已成为下一代通信工具。因此，将Wi-Fi频段的双频MIMO技术和Wi-Gig技术结合应用是未来无线技术的发展趋势，相应的能同时工作在这些技术下的三频共口径天线必不可少。
基于这些应用，以往的共口径天线采用的是Wi-Fi频段和Wi-Gig频段辐射单元分离的形式，且Wi-Fi频段未结合MIMO技术设计。例如，文献“D.Wang and C.H.Chan,《Multiband Antenna for Wi-Fi and Wi-Gig Communications》，IEEE Antennas WirelessPropag.Lett.,vol.15,pp.309-312,2016”中，Wi-Fi和Wi-Gig频段分别采用印刷单极子天线和高阶模式的贴片天线的形式，将辐射单元分离放置的形式，辐射单元口径利用率为零；并且Wi-Gig频段天线增益较低，难以实现较长作用距离的工作；此外，该文献中Wi-Fi频段并未结合MIMO应用设计以提高信道容量。
又如，文献“L.Zhang,K.Y.See,B.Zhang and Y.P.Zhang,《Integration of dual-band monopole and microstrip grid array for single-chip tri-bandapplication》，IEEE Trans.Antennas Propag.,vol.61,no.1,pp.439-443,January 2013”中，Wi-Fi和Wi-Gig频段分别采用单极子天线和微带栅格天线的形式，同样将辐射单元分离放置，辐射单元口径利用率为零；Wi-Gig频段天线采用组阵的方法实现高增益，却导致波束宽度过窄，不利于大范围波束覆盖；此外，该文献中的Wi-Fi频段也并未结合MIMO应用设计以提高信道容量。
可以发现，现有方案一般将不同频段天线的辐射单元分离放置，辐射单元口径利用率为零；Wi-Gig频段天线通过组阵方式可以实现高增益，却导致波束覆盖范围降低；此外，未将Wi-Fi技术与MIMO应用同时结合，无法满足未来无线技术的发展需求。
发明内容
本发明的目的是针对基于无线技术应用的三频共口径天线中辐射单元分离导致辐射口径利用率为零、Wi-Gig频段天线高增益窄波束覆盖范围、Wi-Fi频段未与MIMO技术结合等问题，提出一种基于结构复用的三频共口径天线；本发明基于结构复用的概念，在Wi-Fi辐射主体下完成Wi-Fi和Wi-Gig频段辐射。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于结构复用的三频共口径天线，包括：从下往上依次层叠的下层金属地、介质层和上金属覆铜层；其特征在于，所述上金属覆铜层包括矩形单极子、螺旋线及多个矩形枝节，其中，多个矩形枝节均连接于矩形单极子同一侧、与矩形单极子共同形成梳状结构，螺旋线连接于矩形单极子的另一侧、且位于矩形单极子的末端，所述矩形单极子、螺旋线与多个矩形枝节共同构成PIFA天线；所述矩形单极子和多个矩形枝节构成的梳状结构与下层金属地通过贯穿介质层的金属化过孔进行连接、构成SIW漏波天线，其中，矩形单极子连接有矩形枝节的一侧作为SIW漏波天线的辐射边。
进一步的，所述SIW漏波天线采用波导馈电结构进行馈电，所述波导馈电结构由波导口、及与之相接的波导转SIW过渡结构构成，其中，所述波导转SIW过渡结构由贯穿介质层的金属化通孔和开设于下层金属地上的矩形过渡缝隙构成，所述波导口设置于下层金属地下方。
进一步的，所述PIFA天线采用设置于介质层上的微带馈电结构进行馈电，所述微带馈电结构3由SMA接头、及与之相接的微带线构成，其中，微带线与矩形单极子连接进行馈电。
本发明的工作原理在于：
利用基片集成波导的封闭结构且对PIFA天线的电场扰动较小的特性，将Wi-Gig频段的SIW漏波天线结构与Wi-Fi频段的PIFA天线辐射单元融合一体，即下层金属地、介质层和上金属覆铜层及金属化过孔共同构成的辐射天线既作为SIW漏波天线，又作为PIFA天线；再分别利用波导馈电结构馈送高频信号，微带馈电结构馈送低频信号，实现同一辐射结构下的三频辐射。
综上，本发明的有益效果为：
1.本发明基于结构复用的概念，实现同一辐射体下的三频率辐射，天线相对占用空间小，天线辐射体利用率最高；
2.本发明的馈电结构分离，不同频率天线可以独立、同时工作而互相不受影响。
3.本发明中利用SIW频扫漏波天线同时实现了一定波束覆盖范围内的叫高增益。
4.本发明将MIMO技术和Wi-Fi技术结合，采用多个上述多个辐射体融合的三频天线，提高了Wi-Fi频段信道容量，保证该频段天线独立、同时工作，并且多个高频天线进一步扩大了Wi-Gig频段天线的波束覆盖范围，最终同时实现了较高增益和较大波束范围。
附图说明
图1是本发明实施例中基于结构复用的2单元三频共口径天线结构顶视图。
图2是本发明实施例中基于结构复用的2单元三频共口径天线结构底视图。
图3是本发明实施例中基于结构复用的2单元三频共口径天线辐射结构顶视图图。
图4是本发明实施例中基于结构复用的2单元三频共口径天线辐射结构剖视图。
图5是本发明实施例中基于结构复用的2单元三频共口径天线馈电结构剖视图。
图6是本发明实施例中基于结构复用的4单元三频共口径天线结构顶视图。
图7是本发明实施例中基于结构复用的8单元三频共口径天线结构顶视图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步阐述。
本实施例提供一种基于结构复用的2单元三频共口径天线，其结构如图1、图2所示，包括天线1、波导馈电结构2及微带馈电结构3；本实施例中天线的整体尺寸为161.5mm×70mm×1.016mm,工作频率在S波段(2.4GHz)、C波段(5.2GHz)和V波段(57GHz-64GHz)三个频段，其中，S波段和C波段利用PIFA单元实现，V波段利用SIW漏波天线实现；二者利用结构上的特殊性进行融合，实现三频正常工作前提下的高辐射体利用率，并结合MIMO技术各天线可以独立工作。
本实施例中，天线包括从下往上依次层叠的下层金属地13、介质层12和上金属覆铜层11；如图3所示，S波段和C波段的双频PIFA天线由尺寸为31.32mm×6.78mm的单极子、尺寸为19mm×0.5mm的螺旋线和九个尺寸为2mm×1mm矩形枝节三部分共同构成；如图4所示，在单极子部分的上金属覆铜层11与下层金属地13通过贯穿介质层12的金属化过孔14进行连接，共同形成V波段漏波天线，位于辐射边的相邻金属化过孔的直径为0.5mm、间距为2.7mm，其余金属化过孔的直径为0.5mm、孔间距为0.8mm，还设有调谐孔15，其直径为0.4mm；本实施例中，介质基板的相对介电常数为2.2、厚度为1.016mm，上、下金属层厚度为0.5盎司；
所述波导馈电结构2由波导口21和与之连接的波导转SIW过渡结构构成，并且在下层金属地13上开矩形过渡缝隙22，以保证能量馈入SIW漏波天线，如图5所示，所述波导转SIW过渡结构由贯穿介质层12的金属化通孔23和矩形过渡缝隙22构成，所述波导口通过法兰盘置于下层金属地13下方；
所述微带馈电结构3置于介质层12的上方，通过与天线1连接进行馈电，所述微带馈电结构3由SMA接头31和与之相连接的微带线32构成，微带线32与PIFA天线连接，以保证能量馈入双频PIFA天线。
进一步地，该结构可以拓展为4单元、8单元、16单元甚至更多单元的三频共口径天线，以获取Wi-Gig频段更大地波束覆盖范围，最终实现全向覆盖，其结构示意图如图6、图7所示。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (3)

1.一种基于结构复用的三频共口径天线，包括：从下往上依次层叠的下层金属地、介质层和上金属覆铜层；其特征在于，所述上金属覆铜层包括矩形单极子、螺旋线及多个矩形枝节，其中，多个矩形枝节均连接于矩形单极子同一侧、与矩形单极子共同形成梳状结构，螺旋线连接于矩形单极子的另一侧、且位于矩形单极子的末端，所述矩形单极子、螺旋线与多个矩形枝节共同构成PIFA天线；所述矩形单极子和多个矩形枝节构成的梳状结构与下层金属地通过贯穿介质层的金属化过孔进行连接、构成SIW漏波天线，其中，矩形单极子连接有矩形枝节的一侧作为SIW漏波天线的辐射边；所述三频共口径天线工作频率在S波段、C波段和V波段三个频段，其中，S波段和C波段由PIFA天线实现，V波段由SIW漏波天线实现。
2.按权利要求1所述基于结构复用的三频共口径天线，其特征在于，所述SIW漏波天线采用波导馈电结构进行馈电，所述波导馈电结构由波导口、及与之相接的波导转SIW过渡结构构成，其中，所述波导转SIW过渡结构由贯穿介质层的金属化通孔和开设于下层金属地上的矩形过渡缝隙构成，所述波导口设置于下层金属地下方。
3.按权利要求1所述基于结构复用的三频共口径天线，其特征在于，所述PIFA天线采用设置于介质层上的微带馈电结构进行馈电，所述微带馈电结构由SMA接头、及与之相接的微带线构成，其中，微带线与矩形单极子连接进行馈电。
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