CN110444864A - 一种超宽带高增益毫米波差分馈电封装天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超宽带高增益毫米波差分馈电封装天线，属于毫米波雷达技术领域，主要解决现有毫米波雷达带宽窄、增益低的技术问题，所述天线包括上层微带天线结构、金属地板以及将上层微带天线结构与金属地板连接的连接组件，上层微带天线结构外围设有连接金属地板的金属化背腔，上层微带天线结构包括两个对称布置的金属辐射贴片及位于各金属辐射贴片一侧的金属耦合贴片，连接组件包括贯穿金属地板连接金属耦合贴片的馈电探针，金属地板与金属耦合贴片之间的馈电探针外围设有连接金属地板的金属鞘套，馈电探针与金属鞘套之间为同轴布置。本发明能在33.2GHz～93.5GHz频率范围内实现了回波损耗小于10dB以及在38.3GHz～91.4GHz的频率范围内定向增益大于8dBi的工作特性。

Description

一种超宽带高增益毫米波差分馈电封装天线
技术领域
本发明涉及毫米波雷达技术领域，更具体地说，它涉及一种超宽带高增益毫米波差分馈电封装天线。
背景技术
毫米波雷达工作在毫米波段。通常毫米波是指30～300GHz频段(波长为1～10mm)。毫米波的波长介于厘米波和光波之间，同厘米波雷达相比，毫米波雷达具有体积小、易集成和空间分辨率高的特点，与摄像头、红外、激光等光学传感器相比，毫米波雷达穿透雾、烟、灰尘的能力强，抗干扰能力强。毫米波雷达传感器开始应用于汽车电子、安防、无人机、智能交通等多个行业中。
天线作为毫米波雷达发射和接收的重要部件，天线的性能直接影响到毫米波雷达的性能。现有的毫米波天线存在带宽窄、增益低的问题，制约了毫米波雷达的实际应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有技术的上述不足，本发明的目的是提供一种带宽宽和增益高的超宽带高增益毫米波差分馈电封装天线。
本发明技术方案是：一种超宽带高增益毫米波差分馈电封装天线，包括上层微带天线结构、金属地板以及将所述上层微带天线结构与金属地板连接的连接组件，所述上层微带天线结构的外围设有连接所述金属地板的金属化背腔，所述上层微带天线结构包括两个间隔对称布置的金属辐射贴片以及分别位于各所述金属辐射贴片一侧的金属耦合贴片，所述金属辐射贴片与金属耦合贴片位于同一平面，所述连接组件还包括贯穿所述金属地板并连接所述金属耦合贴片的馈电探针，所述金属地板与金属耦合贴片之间的馈电探针外围设有连接所述金属地板的金属鞘套，所述馈电探针与金属鞘套之间为同轴布置的结构。
作为进一步地改进，两个所述金属辐射贴片位于两个所述金属耦合贴片之间。
进一步地，所述金属辐射贴片为一侧大、另一侧小的凸字形结构，所述金属耦合贴片为长方形结构，所述金属辐射贴片较小的一侧靠近所述金属耦合贴片的长边。
进一步地，所述连接组件包括将所述金属辐射贴片与金属地板连接的短路探针。
进一步地，各所述金属辐射贴片对应设有多根所述短路探针，多根所述短路探针之间为V字形均匀布置的结构。
进一步地，所述金属化背腔为十字形结构，所述上层微带天线结构位于所述金属化背腔中间。
进一步地，所述上层微带天线结构与金属地板之间设有介质基板，所述上层微带天线结构、金属地板分别附着在所述介质基板的上下两面。
进一步地，所述连接组件、金属化背腔均通过金属化过孔嵌入所述介质基板中。
有益效果
本发明与现有技术相比，具有的优点为：
1.本发明通过金属耦合贴片对呈镜像对称布置的金属辐射贴片进行耦合馈电，以及通过金属化背腔在超宽带频率范围内对天线的辐射波形进行赋形，馈电探针6与金属鞘套7之间可以实现宽带阻抗调节，能在33.2GHz～93.5GHz频率范围内实现了回波损耗小于10dB，以及在38.3GHz～91.4GHz的频率范围内定向增益大于8dBi的工作特性，达到超宽带高增益的效果。
2.本发明通过将金属辐射贴片设置成一侧大、另一侧小的凸字形结构，将金属耦合贴片设置成长方形结构，且金属辐射贴片较小的一侧靠近金属耦合贴片的长边，凸字形结构的金属辐射贴片具有多个谐振频率，两块长方形结构的金属耦合贴片经馈电缝隙对两个凸字形结构的金属辐射贴片进行耦合馈电后，可在超宽带频率范围内形成较为稳定的辐射特性，并在该频率范围内形成了良好的阻抗匹配，减少了天线输入端口的能量损耗、提高了天线的整体辐射效率。
3.本发明通过设置12个短路探针，可以对天线阻抗匹配进行局部优化。
4.本发明通过设置十字形结构的金属化背腔，可以在天线的阻抗带宽频率范围内对天线的辐射方向图进行波束赋形，从而在超宽带频率范围内形成稳定的定向高增益辐射特性，使得天线在阻抗带宽频率范围内获得定向高增益。
附图说明
图1为本发明的立体结构示意图；
图2为本发明的俯视结构示意图；
图3为本发明的爆炸结构示意图；
图4为本发明中上层微带天线结构的结构示意图；
图5为本发明中馈电探针、金属鞘套的结构示意图；
图6为本发明的S11曲线图；
图7为本发明的实际增益图。
其中：1-金属地板、2-金属化背腔、3-金属辐射贴片、4-金属耦合贴片、5-短路探针、6-馈电探针、7-金属鞘套。
具体实施方式
下面结合附图中的具体实施例对本发明做进一步的说明。
参阅图1-7，一种超宽带高增益毫米波差分馈电封装天线，包括上层微带天线结构、金属地板1以及将上层微带天线结构与金属地板1连接的连接组件，上层微带天线结构的外围设有连接金属地板1的金属化背腔2，上层微带天线结构包括两个间隔对称布置的金属辐射贴片3以及分别位于各金属辐射贴片3一侧的金属耦合贴片4，金属辐射贴片3与金属耦合贴片4位于同一平面。
在本实施例中，两个金属辐射贴片3位于两个金属耦合贴片4之间，两个金属耦合贴片4之间为对称布置，金属耦合贴片4与金属辐射贴片3之间设有馈电缝隙。作为优选，金属辐射贴片3为一侧大、另一侧小的凸字形结构，金属耦合贴片4为长方形结构，金属辐射贴片3较小的一侧靠近金属耦合贴片4的长边。凸字形结构的金属辐射贴片3具有多个谐振频率，两块长方形结构的金属耦合贴片4经馈电缝隙对两个凸字形结构的金属辐射贴片3进行耦合馈电后，可在超宽带频率范围内形成较为稳定的辐射特性，并在该频率范围内形成了良好的阻抗匹配，减少了天线输入端口的能量损耗、提高了天线的整体辐射效率。
在本实施例中，连接组件包括将金属辐射贴片3与金属地板1连接的短路探针5。作为优选，各金属辐射贴片3对应设有多根短路探针5，多根短路探针5之间为V字形均匀布置的结构，当然多根短路探针5之间可以根据实际情况进行布置。如各金属辐射贴片3对应设有6根短路探针5，一共有12个短路探针5，可以对天线阻抗匹配进行局部优化。
在本实施例中，连接组件还包括贯穿金属地板1并连接金属耦合贴片4的馈电探针6，馈电探针6连接金属耦合贴片4的中心。馈电探针6与金属地板1之间为绝缘状态，金属地板1与金属耦合贴片4之间的馈电探针6外围设有连接金属地板1的金属鞘套7，馈电探针与金属鞘套7之间为同轴布置的结构。金属鞘套7与馈电探针6之间有间隙，金属鞘套7包括多根围绕馈电探针6的轴心均匀布置的第一金属柱以及连接第一金属柱的第一连接板，第一金属柱连接金属地板1，金属鞘套7的顶部悬空，避免与馈电探针6以及上层微带天线结构短路连接。通过在馈电探针6外围设置同轴布置的金属鞘套7，可以提高馈电效果，提高天线的工作稳定性。馈电探针6与金属鞘套7之间可以实现宽带阻抗调节，可以在30％～100％的相对带宽范围内对天线进行阻抗匹配，例如能够在33.2GHz～93.5GHz的频率范围内即相对带宽为95.2％，使天线获得回波损耗小于10dB的工作特性。
在本实施例中，金属化背腔2为十字形结构，上层微带天线结构位于金属化背腔2中间，作为优选，金属化背腔2为宽十字形结构，金属化背腔2与上层微带天线结构之间设有间隙。金属化背腔2包括多根均匀布置的第二金属柱以及连接第二金属柱的第二连接板，第二金属柱连接金属地板1。设置十字形结构的金属化背腔可以在天线的阻抗带宽频率范围内对天线的辐射方向图进行波束赋形，从而在超宽带频率范围内形成稳定的定向高增益辐射特性，使得天线在阻抗带宽频率范围内获得定向高增益。
在本实施例中，上层微带天线结构与金属地板1之间设有介质基板，上层微带天线结构、金属地板1分别附着在介质基板的上下两面。金属化背腔2的高度小于上层微带天线结构的高度，连接组件、金属化背腔2均通过金属化过孔嵌入介质基板中。介质基板的相对介电常数为2.6。金属辐射贴片3、金属耦合贴片4均为薄铜片，其厚度满足低温共烧陶瓷LTCC和高密度互联印刷电路板HDI PCB加工工艺中铜箔厚度的要求。采用了金属化过孔来实现短路探针5、馈电探针6、金属鞘套7和金属化背腔2安装，使上述结构能与低温共烧陶瓷LTCC工艺、高密度互连印刷电路板HDI PCB工艺融合，使本发明提出的天线可以采用上述工艺进行实现，从而使本发明提出的毫米波封装天线具有超宽带、低损耗、高增益的工作特性。
本发明通过金属耦合贴片对呈镜像对称布置的金属辐射贴片进行耦合馈电，以及通过金属化背腔在超宽带频率范围内对天线的辐射波形进行赋形，馈电探针6与金属鞘套7之间可以实现宽带阻抗调节，能在33.2GHz～93.5GHz频率范围内实现了回波损耗小于10dB，以及在38.3GHz～91.4GHz的频率范围内定向增益大于8dBi的工作特性，达到超宽带高增益的效果。
应用实例
1.探测雷达
根据探测雷达距离向分辨率Δd与天线的带宽BW、光速C之间的关系：
Δd＝C/(2×BW)，
上式说明雷达系统的距离向分辨率与带宽成反比，要提高雷达系统的距离向分辨率就需要扩展天线的带宽，例如要实现1cm的距离向分辨率需要15GHz的带宽。本发明所提出的天线所具有的超宽带特性能够提高测距雷达的距离向分辨率，并且其高频工作特性可缩减测距雷达的尺寸从而扩大测距雷达的应用范围，例如医疗成像。同时，天线的高增益能够增加探测雷达的探测距离，减小对发射功率的需求。
2.毫米波成像技术
毫米波成像采用了雷达的工作原理，通过雷达发射脉冲毫米波信号并接收反射或者散射信号，重构关于待测物体的信息。其中，毫米波全息成像因其图像分辨率高，质量好，是近程成像的首选。
宽带毫米波全息成像可以获得目标的三维毫米波图像，能够还原目标的真实形状，同时也提高了目标识别概率，因此近程毫米波成像技术成为现代非接触安检的有效方式之一。根据毫米波雷达工作的原理，本发明所提出的超宽带毫米波天线可以提供高达95.2％的相对阻抗带宽，并在38.3GHz～91.4GHz具有大于8dBi的定向增益，因此既可以提高距离向分辨率，还能够提高成像设备的探测距离。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。

Claims (8)

1.一种超宽带高增益毫米波差分馈电封装天线，其特征在于，包括上层微带天线结构、金属地板(1)以及将所述上层微带天线结构与金属地板(1)连接的连接组件，所述上层微带天线结构的外围设有连接所述金属地板(1)的金属化背腔(2)，所述上层微带天线结构包括两个间隔对称布置的金属辐射贴片(3)以及分别位于各所述金属辐射贴片(3)一侧的金属耦合贴片(4)，所述金属辐射贴片(3)与金属耦合贴片(4)位于同一平面，所述连接组件包括贯穿所述金属地板(1)并连接所述金属耦合贴片(4)的馈电探针(6)，所述金属地板(1)与金属耦合贴片(4)之间的馈电探针(6)外围设有连接所述金属地板(1)的金属鞘套(7)，所述馈电探针与金属鞘套(7)之间为同轴布置的结构。
2.根据权利要求1所述的一种超宽带高增益毫米波差分馈电封装天线，其特征在于，两个所述金属辐射贴片(3)位于两个所述金属耦合贴片(4)之间。
3.根据权利要求1所述的一种超宽带高增益毫米波差分馈电封装天线，其特征在于，所述金属辐射贴片(3)为一侧大、另一侧小的凸字形结构，所述金属耦合贴片(4)为长方形结构，所述金属辐射贴片(3)较小的一侧靠近所述金属耦合贴片(4)的长边。
4.根据权利要求1所述的一种超宽带高增益毫米波差分馈电封装天线，其特征在于，所述连接组件包括将所述金属辐射贴片(3)与金属地板(1)连接的短路探针(5)。
5.根据权利要求4所述的一种超宽带高增益毫米波差分馈电封装天线，其特征在于，各所述金属辐射贴片(3)对应设有多根所述短路探针(5)，多根所述短路探针(5)之间为V字形均匀布置的结构。
6.根据权利要求1所述的一种超宽带高增益毫米波差分馈电封装天线，其特征在于，所述金属化背腔(2)为十字形结构，所述上层微带天线结构位于所述金属化背腔(2)中间。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的一种超宽带高增益毫米波差分馈电封装天线，其特征在于，所述上层微带天线结构与金属地板(1)之间设有介质基板，所述上层微带天线结构、金属地板(1)分别附着在所述介质基板的上下两面。
8.根据权利要求7所述的一种超宽带高增益毫米波差分馈电封装天线，其特征在于，所述连接组件、金属化背腔(2)均通过金属化过孔嵌入所述介质基板中。
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