CN110247167A - 毫米波平面准八木天线单元、阵列天线以及相控阵天线 - Google Patents

毫米波平面准八木天线单元、阵列天线以及相控阵天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种毫米波平面准八木天线单元、阵列天线以及相控阵天线，包括：介质基板、金属地、金属条带、背靠背设置的一对U型金属条带振子、微带线，金属地位于基板的下表面，金属条带、U型金属条带振子、微带线位于基板的上表面，微带线用于馈电，金属条带与一对U型金属条带振子耦合获得两个反射极点；金属条带以及金属地均平行于基板的前、后侧，微带线位于金属条带的前侧，一对U型金属条带振子分布在金属条带的后侧，一对U型金属条带振子关于金属条带的中垂面左右对称设置，每一U型金属条带振子自身的对称面平行于金属条带，本发明具有宽带、结构紧凑、馈电简洁的特点，并可用于毫米波频段，解决带宽与结构紧凑不能兼顾的难题。

Description

毫米波平面准八木天线单元、阵列天线以及相控阵天线
技术领域
本发明涉及通信领域，尤其涉及一种毫米波平面准八木天线单元、阵列天线以及相控阵天线。
背景技术
随着无线通信功能多样化及通信速率的提升，毫米波天线及其阵列由于具有尺寸小、绝对带宽宽、阵列物理口径小、便于与有源电路集成等特点而被广泛提出并应用于毫米波通信系统。毫米波端射天线适用于毫米波移动设备的侧面辐射需求，便于充分利用设备空间，因此得到广泛研究。平面准八木天线是由八木天线演变而成的一种端射天线，在满足端射辐射的同时，便于与系统前端集成，获得平面化集成化毫米波系统，因此是毫米波端射天线的优选对象。为了提高平面准八木天线的适用性，该类天线应具备带宽宽、结构紧凑、馈电简洁等特点。
目前有多种方法构建准八木天线，一部分设计采用微带-槽线-共面耦合线的转化对偶极子振子进行馈电，同时在偶极子前方加入单个或多个引向器或寄生结构，此类设计能够获得宽带端射响应，但是馈电部分结构较长且复杂，偶极子与金属反射地之间的距离接近四分之一波长，因此整体尺寸偏长，不利于天线小型化。另一部分设计采用共面波导转平面耦合线对偶极子进行馈电，该类设计的偶极子与金属反射地之间的距离同样接近四分之一波长，因此整体尺寸偏长。利用共面波导半环形短路馈电结构激励圆弧谐振器的端射天线能有效缩短谐振器与金属反射地之间的距离，但是该类天线带宽较窄。微带馈电准八木天线具有馈电结构简单的优点，但是目前该类设计的偶极子与地之间仍然需要四分之一波长，因此长度较长。同时上述部分天线不适宜在毫米波频段进行设计。
总而言之，现有准八木天线不能兼顾带宽、天线长度及馈电复杂度等要求，即宽带设计尺寸较长、馈电复杂，紧凑型设计带宽较窄。同时部分天线不适宜在毫米波频段设计。
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，提供一种毫米波平面准八木天线单元、阵列天线以及相控阵天线。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种毫米波平面准八木天线单元，包括：介质基板、金属地、金属条带、背靠背设置的一对U型金属条带振子、微带线，金属地位于所述介质基板的下表面，金属条带、U型金属条带振子、微带线位于所述介质基板的上表面，微带线与金属条带连接，微带线用于馈电，金属条带与一对U型金属条带振子耦合获得两个反射极点；
所述金属条带以及所述金属地的延伸方向均平行于所述基板的前、后侧，所述微带线位于所述金属条带的前侧，所述一对U型金属条带振子分布在所述金属条带的后侧，所述一对U型金属条带振子关于所述金属条带的中垂面左右对称设置，每一所述U型金属条带振子自身的对称面平行于所述金属条带。
在本发明所述的天线单元中，所述金属条带的长度小于所述一对U型金属条带振子的一对开口之间的距离。
在本发明所述的天线单元中，所述金属条带以及所述金属地两者的中垂面重合，所述金属地贴着所述介质基板的前侧设置，且所述金属地的宽度小于所述金属条带与所述介质基板前侧的距离。
在本发明所述的天线单元中，所述微带线垂直于所述金属条带。
在本发明所述的天线单元中，所述微带线与所述金属条带的连接位置偏离所述金属条带的中心位置。
本发明还构造了一种阵列天线，包括阵列排布的多个单元以及馈线/共面波导，每一单元采用为如前任一项所述的天线单元，每一所述馈线/共面波导连接四个所述单元的微带线以同时给四个单元馈电，所述多个单元呈一字型排布，且排布方向与金属条带的延伸方向一致。
本发明还构造了一种相控阵天线，包括阵列排布的多个单元以及给所述多个单元馈电的相控模块，每一单元采用为如前任一项所述的天线单元，所述相控模块分别与每一所述单元的微带线连接以分别给每一所述单元馈电，所述多个单元呈一字型排布，且排布方向与金属条带的延伸方向一致。
本发明的毫米波平面准八木天线单元、阵列天线以及相控阵天线，具有以下有益效果：对于本发明中，信号通过微带线馈入，经过金属条带而后耦合到背靠背设置的一对U型金属条带振子，产生宽带端射型辐射，而且通过金属条带与背靠背设置的一对U型金属条带振子进行耦合，有效减小了U型金属条带振子到金属地之间的距离，实现了天线结构的紧凑，总而言之，本发明具有宽带、结构紧凑、馈电简洁的特点，并可用于毫米波频段，解决带宽与结构紧凑不能兼顾的技术难题。
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是本发明毫米波平面准八木天线单元的结构示意图之一；
图2是本发明毫米波平面准八木天线单元的结构示意图之二；
图3是本发明阵列天线的示意图；
图4是本发明相控阵天线的示意图。
图5是天线单元仿真的匹配响应及增益响应示意图；
图6是阵列天线仿真的匹配响应及增益响应示意图；
图7是阵列天线在26GHz、29GHz、34GHz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。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。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。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。
参考图1-2，图1、图2分别从俯视、右视角度示意图了本实施例的毫米波平面准八木天线单元，本实施例的天线包括：介质基板5、金属地3、金属条带2、背靠背设置的一对U型金属条带振子1、微带线4。可以理解的是，图1中虚框所示的金属地3本非俯视时可以看到的结构，此处为了表面其与微带线4之间的位置关系，才在图1中以虚框示意。
其中，每个U型金属条带振子1相当于一个闭合的矩形状结构的其中一条边被摘除从而形成一个开口。一对U型金属条带振子1背靠背设置，是指的该一对U型金属条带振子1的一对开口是相互远离的，该一对U型金属条带振子1的与各自开口相对的边是相互靠近的。
其中，金属地3位于所述介质基板5的下表面，金属条带2、U型金属条带振子1、微带线4位于所述介质基板5的上表面，微带线4与金属条带2连接，微带线4用于馈电，金属条带2与一对U型金属条带振子1耦合获得两个反射极点。
具体的，所述金属条带2以及所述金属地3的延伸方向均平行于所述基板的前、后侧，所述微带线4位于所述金属条带2的前侧，所述一对U型金属条带振子1分布在所述金属条带2的后侧。
其中，所述一对U型金属条带振子1关于所述金属条带2的中垂面左右对称设置，每一所述U型金属条带振子1自身的对称面平行于所述金属条带2。
本实施例中，所述金属条带2的长度小于所述一对U型金属条带振子1的一对开口之间的距离。
本实施例中，所述金属条带2以及所述金属地3两者的中垂面重合，所述金属地3贴着所述介质基板5的前侧设置，且所述金属地3的宽度小于所述金属条带2与所述介质基板5前侧的距离。
其中，所述微带线4垂直于所述金属条带2，且所述微带线4与所述金属条带2的连接位置偏离所述金属条带2的中心位置。
对于本发明中所提出的毫米波平面准八木天线单元，信号通过微带线4馈入，经过金属条带2，而后由金属条带2耦合到背靠背设置的一对U型金属条带振子1，产生宽带端射型辐射。通过金属条带2与背靠背设置的一对U型金属条带振子1进行耦合，有效减小了U型金属条带振子1到金属地3之间的距离，实现了天线结构的紧凑。
基于本实施例的天线单元，可以构建各种阵列天线。
参考图3，是基于图1所示的天线单元构建的阵列天线。具体的，阵列天线包括阵列排布的多个单元以及馈线6/共面波导，每一单元采用为前述实施例所述的天线单元，每一所述馈线6/共面波导连接四个所述单元的微带线以同时给四个单元馈电。具体的，所述多个单元呈一字型排布，且排布方向与金属条带的延伸方向一致。
参考图4，是基于图1所示的天线单元构建的一种相控阵天线。具体的，该相控阵天线包括阵列排布的多个单元以及给所述多个单元馈电的相控模块，每一单元采用为如前所述的天线单元，所述相控模块分别与每一所述单元的微带线连接以分别给每一所述单元馈电。所述多个单元呈一字型排布，且排布方向与金属条带的延伸方向一致。
参考图5、6，示意了天线单元与阵列天线的仿真的匹配响应及增益响应，可见其10-dB匹配带宽皆覆盖23GHz-34GHz，即相对带宽约为34％。天线单元工作频带内增益范围为5.37-5.75dBi，阵列天线工作频带内增益范围为8.3-10.2dBi。图7示意了阵列天线在不同频率的辐射方向图，从左至右分别是26GHz、29GHz、34GHz的辐射方向图，本案例采用的是介电常数为3.38，损耗角为0.0027的RO4003C基板，天线单元尺寸为5.8mm×2.6mm，即在中心频率29GHz时尺寸为0.56λ0×0.25λ0，其中振子在水平方向的长度为5mm。
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 (9)

1.一种毫米波平面准八木天线单元，其特征在于，包括：介质基板、金属地、金属条带、背靠背设置的一对U型金属条带振子、微带线，金属地位于所述介质基板的下表面，金属条带、U型金属条带振子、微带线位于所述介质基板的上表面，微带线与金属条带连接，微带线用于馈电，金属条带与一对U型金属条带振子耦合获得两个反射极点；
所述金属条带以及所述金属地的延伸方向均平行于所述基板的前、后侧，所述微带线位于所述金属条带的前侧，所述一对U型金属条带振子分布在所述金属条带的后侧，所述一对U型金属条带振子关于所述金属条带的中垂面左右对称设置，每一所述U型金属条带振子自身的对称面平行于所述金属条带。
2.根据权利要求1所述的天线单元，其特征在于，所述金属条带的长度小于所述一对U型金属条带振子的一对开口之间的距离。
3.根据权利要求1所述的天线单元，其特征在于，所述金属条带以及所述金属地两者的中垂面重合，所述金属地贴着所述介质基板的前侧设置，且所述金属地的宽度小于所述金属条带与所述介质基板前侧的距离。
4.根据权利要求1所述的天线单元，其特征在于，所述微带线垂直于所述金属条带。
5.根据权利要求4所述的天线单元，其特征在于，所述微带线与所述金属条带的连接位置偏离所述金属条带的中心位置。
6.一种阵列天线，其特征在于，包括阵列排布的多个单元以及馈线/共面波导，每一单元采用为如权利要求1-5任一项所述的天线单元，每一所述馈线/共面波导连接四个所述单元的微带线以同时给四个单元馈电。
7.根据权利要求6所述的天线单元，其特征在于，所述多个单元呈一字型排布，且排布方向与金属条带的延伸方向一致。
8.一种相控阵天线，其特征在于，包括阵列排布的多个单元以及给所述多个单元馈电的相控模块，每一单元采用为如权利要求1-5任一项所述的天线单元，所述相控模块分别与每一所述单元的微带线连接以分别给每一所述单元馈电。
9.根据权利要求8所述的天线单元，其特征在于，所述多个单元呈一字型排布，且排布方向与金属条带的延伸方向一致。
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