CN110459862A - 一种基于槽辐射的毫米波网格阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明适用于天线技术领域，提供了一种基于槽辐射的毫米波网格阵列天线，第一PCB印刷电路板、第二PCB印刷电路板、第三PCB印刷电路板、同轴电缆和铜柱；第三PCB印刷电路板和第一PCB印刷电路板固定在铜柱两端，第二PCB印刷电路板位于第三PCB印刷电路板和第一PCB印刷电路板之间，第一介质基板与矩形金属贴片相贴；矩形金属贴片上设有多个矩形辐射槽线，构成多个辐射单元，金属贴片的同轴电缆通孔和导向通孔之间包括一个辐射单元。本发明提供的基于槽辐射的毫米波网格阵列天线具有工作频段宽，高增益，易加工，体积小集成度高等优点，为矩形网格阵列天线在5G通信系统中能够广泛应用提供了基础。

Description

一种基于槽辐射的毫米波网格阵列天线

技术领域

本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种基于槽辐射的毫米波网格阵列天线。

背景技术

随着科技日新月异的发展，现代社会已经步入了信息化时代，人们对传输速率的要求越来越高，然而，现在常用的6GHz以下的频段非常拥挤，无法满足当前的高传输速率要求，因此需要寻找新的频谱资源。

目前，最受瞩目的高速无线传输技术是毫米波无线传输技术，网格阵列天线作为天线阵列中的一个分支，具有增益高、结构简单的优点，通过调节其网格数目可以达到提高天线阵的阻抗带宽以及增益的目的，结合毫米波和网格阵列天线的优点，毫米波网格阵列天线无疑具有很大的研究价值。

最近发表的毫米波网格阵列天线结构中，如用于24GHz多普勒传感器的微带网格阵列天线，和用于平衡或不平衡的以辐射笔形束图案的双馈微带栅格阵列天线，仍存在工作频段窄、增益低等缺点，因而难以应用在5G通信系统中。

发明内容

本发明的主要目的在于提出一种基于槽辐射的毫米波网格阵列天线，以解决现有技术中毫米波网格阵列天线工作频段窄、增益低，因而难以应用在5G通信系统的问题。

为实现上述目的，本发明实施例第一方面提供一种基于槽辐射的毫米波网格阵列天线，包括：

第一PCB印刷电路板、第二PCB印刷电路板、第三PCB印刷电路板、同轴电缆和铜柱；

所述第一PCB印刷电路板包括第一介质基板和贴附在所述第一介质基板上的金属贴片；

所述第二PCB印刷电路板包括第二介质基板和贴附在所述第二介质基板上的矩形金属贴片；

所述第三PCB印刷电路板包括第三介质基板和贴附在所述第三介质基板上的接地板；

所述第三PCB印刷电路板和所述第一PCB印刷电路板固定在所述铜柱两端，所述第二PCB印刷电路板位于所述第三PCB印刷电路板和所述第一PCB印刷电路板之间，所述第一介质基板与所述矩形金属贴片相贴；

所述第一PCB印刷电路板、所述第二PCB印刷电路板和所述第三PCB印刷电路板上均包括位置对应的金属化过孔和同轴电缆通孔，所述第一PCB印刷电路板的金属贴片上还设有与所述同轴电缆具有电气连接属性的导向通孔，所述第一PCB印刷电路板的金属化过孔位置还设有铜环贴片；所述铜环贴片还贴附在所述矩形金属贴片上；

所述铜柱插入所述第一PCB印刷电路板、所述第二PCB印刷电路板和所述第三PCB印刷电路板上的金属化过孔中，所述同轴电缆插入所述第一PCB印刷电路板、所述第二PCB印刷电路板和所述第三PCB印刷电路板上的同轴电缆通孔中；

所述矩形金属贴片上设有多个矩形辐射槽线，构成多个辐射单元，所述金属贴片的同轴电缆通孔和所述导向通孔之间包括一个辐射单元。

结合本发明第一方面，本发明第一实施方式中，所述铜柱未从所述第三PCB印刷电路板和所述第一PCB印刷电路板中穿出；

所述铜柱贯穿所述第二PCB印刷电路板。

结合本发明第一方面，本发明第二实施方式中，所述同轴电缆包括同轴电缆内导体和同轴电缆外导体；

所述同轴电缆内导体和所述同轴电缆外导体同轴，且所述同轴电缆内导体直径小于所述同轴电缆外导体直径；

所述第一PCB印刷电路板的同轴电缆通孔设置在所述第一介质基板和所述金属贴片上，供所述同轴电缆内导体穿出；

所述第二PCB印刷电路板的同轴电缆通孔由设置在所述第二介质基板和所述矩形金属贴片上的第一安装圆环构成，供所述同轴电缆内导体和所述同轴电缆外导体穿过；

所述第三PCB印刷电路板的同轴电缆通孔由设置在所述第三介质基板和所述接地板上的第二安装圆环构成，供所述同轴电缆内导体和所述同轴电缆外导体穿过。

结合本发明第一方面的第二实施方式，本发明第三实施方式中，所述第三介质基板上还设有焊盘；

所述同轴电缆内导体和所述同轴电缆外导体穿过所述第二安装圆环后，所述焊盘固定在所述第三介质基板上，以使所述同轴电缆内导体和所述同轴电缆外导体固定在所述第三PCB印刷电路板上。

结合本发明第一方面的第三实施方式，本发明第四实施方式中，还包括同轴电缆外导体导通环；

所述第二介质基板还包括安装所述同轴电缆外导体导通环的安装通孔；

所述安装通孔均匀分布在所述第一安装圆环内。

结合本发明第一方面的第四实施方式，本发明第五实施方式中，所述同轴电缆外导体导通环包括上盖和支脚；

所述支脚与所述安装通孔的形状匹配；

所述支脚的数量与所述安装通孔的数量匹配。

结合本发明第一方面，本发明第六实施方式中，所述第二介质基板为介电常数为2.2的罗杰斯介质。

本发明实施例提出一种基于槽辐射的毫米波网格阵列天线，由第一PCB印刷电路板、第二PCB印刷电路板、第三PCB印刷电路板、同轴电缆和铜柱组成，第二PCB印刷电路板包括第二介质基板和矩形金属贴片，矩形金属贴片上设有辐射槽线，呈矩形的形状，每个矩形的辐射槽线为一个辐射单元，用以接收或发射无线信号，其中，通过矩形的几何参数便可实现阻抗带宽的调节，且在一定条件下，随着矩形槽个数的增加天线增益和阻抗带宽也会随着增加，此外，同轴电缆通孔和导向通孔的位置对应不同辐射单元，在同轴电缆通孔中插入同轴电缆，实现天线的同轴馈电时，馈电网络结构紧凑，可以使得天线传输损耗小、传输效率高。本发明实施例提出的基于槽辐射的毫米波网格阵列天线具有工作频段宽，高增益，易加工，体积小集成度高等优点，为矩形网格阵列天线在5G通信系统中能够广泛应用提供了基础。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的基于槽辐射的毫米波网格阵列天线的结构示意图；

图2为图1中第一PCB印刷电路板的结构示意图；

图3为图1中第二PCB印刷电路板的结构示意图；

图4为图1中第三PCB印刷电路板的结构示意图；

图5为本发明实施例一提供的另一基于槽辐射的毫米波网格阵列天线的结构示意图；

图6为本发明实施例二提供的基于槽辐射的毫米波网格阵列天线的S参数示意图；

图7为本发明实施例二提供的基于槽辐射的毫米波网格阵列天线工作于26.5GHz下的E面方向图；

图8为本发明实施例二提供的基于槽辐射的毫米波网格阵列天线工作于26.5GHz下的H面方向图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

在本文中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本发明的说明，其本身并没有特定的意义。因此，"模块"与"部件"可以混合地使用。

在后续的描述中，发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

实施例一

如图1所示，本发明实施例提供一种基于槽辐射的毫米波网格阵列天线100，包括第一PCB印刷电路板10、第二PCB印刷电路板20、第三PCB印刷电路板30、同轴电缆40和铜柱50。

其中，第一PCB印刷电路板10包括第一介质基板11和贴附在第一介质基板11上的金属贴片12；第二PCB印刷电路板20包括第二介质基板21和贴附在第二介质基板21上的矩形金属贴片22；第三PCB印刷电路板30包括第三介质基板31和贴附在第三介质基板31上的接地板32。

在本发明实施例中，图1至图6仅示出了基于槽辐射的毫米波网格阵列天线100的俯视结构或各部分的俯视结构，因此上述的第一介质基板11、金属贴片12、第二介质基板21、矩形金属贴片22、第三介质基板31和接地板32没有标出。

如图1所示，第三PCB印刷电路板30和第一PCB印刷电路板10固定在铜柱50两端，第二PCB印刷电路板20位于第三PCB印刷电路板30和第一PCB印刷电路板10之间，且第一介质基板11与所述矩形金属贴片22相贴。则铜柱50两端支撑第一PCB印刷电路板10和第三PCB印刷电路板30，通过且将第一PCB印刷电路板10上的金属贴片12与第三PCB印刷电路板30的接地板32连接。

在本发明实施例中，上述的第一PCB印刷电路板10、第二PCB印刷电路板20、第三PCB印刷电路板30均为两层结构，当其构成天线结构时，由上而下的结构层次表现为：金属贴片12→第一介质基板11→矩形金属贴片22→第二介质基板21→接地板32→第三介质基板31。

图2、图3和图4中分别示出了第一PCB印刷电路板10、第二PCB印刷电路板20和第三PCB印刷电路板30的详细结构：

如图所示，第一PCB印刷电路板10上包括金属化过孔13、同轴电缆通孔14；第二PCB印刷电路板20包括金属化过孔23、同轴电缆通孔24，第三PCB印刷电路板30上包括属化过孔33、同轴电缆通孔34。

在本发明实施例中，金属化过孔13、金属化过孔23和金属化过孔33的位置对应，同轴电缆通孔14、同轴电缆通孔24(图中未标出)和同轴电缆通孔34(图中未标出)的位置对应，则当第一PCB印刷电路板10、第二PCB印刷电路板20、第三PCB印刷电路板30重合时，金属化过孔13、金属化过孔23和金属化过孔33，以及同轴电缆通孔14、同轴电缆通孔24和同轴电缆通孔34重合，且其形状大小相同，使得铜柱50插入上述的金属化过孔中，同轴电缆40插入上述的同轴电缆通孔中，完成天线的同轴馈电结构。

其中，铜柱50未从第三PCB印刷电路板30和第一PCB印刷电路板10中穿出；铜柱50贯穿第二PCB印刷电路板20。

如图2所示，为由第一PCB印刷电路板10的第一介质基板11方向进行俯视所显示的结构，其中，除金属化过孔13、同轴电缆通孔14以外，第一PCB印刷电路板10上还设有与同轴电缆40电气属性连接的导向通孔15，且第一PCB印刷电路板10的金属化过孔13位置还设有铜环贴片131，铜环贴片131设置在第一PCB印刷电路板10的第一介质基板11表面，也贴附在的矩形金属贴片22上。

在具有应用中，由于第一PCB印刷电路板10中的同轴电缆通孔14并不完全插入同轴电缆40，因此需要导向通孔15将第一PCB印刷电路板10与同轴电缆40连接。

在具有应用中，由于第三PCB印刷电路板30与第一PCB印刷电路板10之间没有连接关系，因此需要通过矩形金属贴片22建立铜环贴片131与第三PCB印刷电路板30的连接关系，将第一PCB印刷电路板10接地。

如图3所示，为由第二PCB印刷电路板20的矩形金属贴片22方向进行俯视所显示的结构，其中，矩形金属贴片22设有多个矩形辐射槽线25(图中未标出)，构成多个辐射单元26。在天线工作时，辐射单元26完成无线信号的接收或发射功能。

其中，金属贴片12中的同轴电缆通孔14设置在一个辐射单元26的一侧，导向通孔15的位置与设置同轴电缆通孔14的位置不同，置于上述的辐射单元26的另一侧，即同轴电缆通孔14和导向通孔15之间包括一个辐射单元26，实现“金属贴片12→导向通孔15→辐射单元26→第二PCB印刷电路板20中的同轴电缆通孔24→同轴电缆40”的导通关系。

在具体应用中，通过矩形的几何参数便可实现阻抗带宽的调节，且在一定条件下，随着矩形个数的增加天线增益和阻抗带宽也会随着增加。而在本发明实施例中，示例性的输出了以形成9个辐射单元的辐射槽线的结构。

在具体应用中，辐射槽线为矩形金属贴片中没有金属介质的部分，则没有辐射槽线结构的部分中设置了金属介质。因此，本发明实施例中的辐射单元是辐射槽线的一部分，辐射单元中没有金属介质，辐射单元与辐射单元之间的辐射槽线为传输线。

在具体应用中，第二介质基板21为介电常数为2.2的罗杰斯介质。

在本发明实施例中，还示出了同轴电缆的详细结构，并结合如图2、图3、图4所示的第三PCB印刷电路板、第一PCB印刷电路板和第二PCB印刷电路板中的详细结构，以说明同轴电缆与第三PCB印刷电路板、第一PCB印刷电路板和第二PCB印刷电路板之间的结构关系。

如图1所示，在本发明实施例中，同轴电缆40包括同轴电缆内导体41和同轴电缆外导体42；同轴电缆内导体41和同轴电缆外导体42是同轴的结构，且同轴电缆内导体41的直径小于同轴电缆外导体42的直径，以使得同轴电缆外导体42包围同轴电缆内导体41。

如图2、图3和图4所示，本发明实施例还示出了同轴电缆通孔的详细结构，以匹配第一PCB印刷电路板、第二PCB印刷电路板和第三PCB印刷电路板中同轴电缆内导体和同轴电缆外导体的固定方式：

在图2中，第一PCB印刷电路板10上的同轴电缆通孔14设置在第一介质基板11和金属贴片12上，供同轴电缆内导体41穿出。

在图3中，第二PCB印刷电路板21上的同轴电缆通孔24由设置在第二介质基板21和矩形金属贴片22上的第一安装圆环241构成，供所述同轴电缆内导体41和同轴电缆外导体42穿过。

在图4中，第三PCB印刷电路板30上的同轴电缆通孔34由设置在第三介质基板31和接地板32上的第二安装圆环341构成，供同轴电缆内导体41和同轴电缆外导体42穿过。

在一个实施例中，第三PCB印刷电路板上还设有固定同轴电缆内导体和同轴电缆外导体的结构：第三介质基板上还设有焊盘；同轴电缆内导体和同轴电缆外导体穿过第二安装圆环后，焊盘固定在第三介质基板上，以使同轴电缆内导体和同轴电缆外导体固定在第三PCB印刷电路板上。

在具体应用中，上述焊盘为金属铜环。

由图2、图3和图4可知，在图1中，同轴电缆40插入同轴电缆通孔14、同轴电缆通孔24、同轴电缆通孔34时，同轴电缆外导体42未从第一PCB印刷电路板10的金属贴片12和第一介质基板11中穿出，同轴电缆内导体41未从金属贴片12中穿出。

图5所示，本发明实施例还提供了另一基于槽辐射的毫米波网格阵列天线的结构，在图1至图4所示的基于槽辐射的毫米波网格阵列天线100的结构基础上，还设置了同轴电缆外导体导通环50，同轴电缆外导体导通环50安装在第二介质基板21上。

因此图3中，第二PCB印刷电路板20上的同轴电缆通孔24除第一安装圆环241之外，还包括安装同轴电缆外导体导通环50的安装通孔242，且安装通孔242均匀分布在第一安装圆环241周围。

因此图3中，第一介质基板20的同轴电缆通孔24还供同轴电缆外导体导通环50穿过。

在本发明实施例中，同轴电缆外导体导通环50包括上盖51和支脚52，则图3和图5所示，支脚52与安装通孔342的形状匹配；支脚52的数量与安装通孔342的数量匹配。

通过安装通孔342将同轴电缆外导体导通环50贴附在第二PCB印刷电路板20上，减小盲孔的尺寸，从而简化了第二PCB印刷电路板20上的加工工艺，也便于天线的再加工和后续维护、修理、调节等工作。

本发明实施例提供的基于槽辐射的毫米波网格阵列天线，由第一PCB印刷电路板、第二PCB印刷电路板、第三PCB印刷电路板、同轴电缆和铜柱组成，第二PCB印刷电路板包括第二介质基板和矩形金属贴片，矩形金属贴片上设有辐射槽线，呈矩形的形状，每个矩形的辐射槽线为一个辐射单元，用以接收或发射无线信号，其中，通过矩形的几何参数便可实现阻抗带宽的调节，且在一定条件下，随着矩形槽个数的增加天线增益和阻抗带宽也会随着增加，此外，同轴电缆通孔和导向通孔的位置对应不同辐射单元，在同轴电缆通孔中插入同轴电缆，实现天线的同轴馈电时，馈电网络结构紧凑，可以使得天线传输损耗小、传输效率高。本发明实施例提出的基于槽辐射的毫米波网格阵列天线具有工作频段宽，高增益，易加工，体积小集成度高等优点，为矩形网格阵列天线在5G通信系统中能够广泛应用提供了基础。

实施例二

如图6、图7和图8所示，本发明实施例还通过仿真软件CST Studio Suite，对上述实施例一中的基于槽辐射的毫米波网格阵列天线100的性能进行检测。

其中，图6为基于槽辐射的毫米波网格阵列天线100的S参数示意图，图6中，横坐标表示天线增益，单位为dB，纵坐标表示频率，单位为GHz；纵坐标中，-10dB表示天线的增益倍数为10，曲线S11表示而天线的反射系数，也就是输入回波损耗，由曲线S11和-10dB的标准线可知，天线的阻抗带宽为22.3-28GHz，完全覆盖了24.75-27.5GHz(5G)频段。为槽辐射网格阵列天线在微波集成电路和5G通信系统中能够广泛应用提供基础，

其中，图7为基于槽辐射的毫米波网格阵列天线100的E面方向图，此时天线工作在26.5GHz频率下，26.5GHZ频率下天线的增益最高，E面是电场所在平面，由图7可知实施例一所提供的天线在E面具有较好的辐射能力。

其中，图8为图基于槽辐射的毫米波网格阵列天线100的H面方向图，此时天线工作在26.5GHz频率下，H面是磁场所在平面，由图7可知实施例一所提供的天线在E面也具有较好的辐射能力。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于槽辐射的毫米波网格阵列天线，其特征在于，包括第一PCB印刷电路板、第二PCB印刷电路板、第三PCB印刷电路板、同轴电缆和铜柱；

所述第一PCB印刷电路板包括第一介质基板和贴附在所述第一介质基板上的金属贴片；

所述第二PCB印刷电路板包括第二介质基板和贴附在所述第二介质基板上的矩形金属贴片；

所述第三PCB印刷电路板包括第三介质基板和贴附在所述第三介质基板上的接地板；

所述第三PCB印刷电路板和所述第一PCB印刷电路板固定在所述铜柱两端，所述第二PCB印刷电路板位于所述第三PCB印刷电路板和所述第一PCB印刷电路板之间，所述第一介质基板与所述矩形金属贴片相贴；

所述第一PCB印刷电路板、所述第二PCB印刷电路板和所述第三PCB印刷电路板上均包括位置对应的金属化过孔和同轴电缆通孔，所述第一PCB印刷电路板的金属贴片上还设有与所述同轴电缆具有电气连接属性的导向通孔，所述第一PCB印刷电路板的金属化过孔位置还设有铜环贴片；所述铜环贴片还贴附在所述矩形金属贴片上；

所述铜柱插入所述第一PCB印刷电路板、所述第二PCB印刷电路板和所述第三PCB印刷电路板上的金属化过孔中，所述同轴电缆插入所述第一PCB印刷电路板、所述第二PCB印刷电路板和所述第三PCB印刷电路板上的同轴电缆通孔中；

所述矩形金属贴片上设有多个矩形辐射槽线，构成多个辐射单元，所述金属贴片的同轴电缆通孔和所述导向通孔之间包括一个辐射单元。

2.如权利要求1所述的基于槽辐射的毫米波网格阵列天线，其特征在于，所述铜柱未从所述第三PCB印刷电路板和所述第一PCB印刷电路板中穿出；

所述铜柱贯穿所述第二PCB印刷电路板。

3.如权利要求1所述的基于槽辐射的毫米波网格阵列天线，其特征在于，所述同轴电缆包括同轴电缆内导体和同轴电缆外导体；

所述同轴电缆内导体和所述同轴电缆外导体同轴，且所述同轴电缆内导体直径小于所述同轴电缆外导体直径；

所述第一PCB印刷电路板的同轴电缆通孔设置在所述第一介质基板和所述金属贴片上，供所述同轴电缆内导体穿出；

所述第二PCB印刷电路板的同轴电缆通孔由设置在所述第二介质基板和所述矩形金属贴片上的第一安装圆环构成，供所述同轴电缆内导体和所述同轴电缆外导体穿过；

所述第三PCB印刷电路板的同轴电缆通孔由设置在所述第三介质基板和所述接地板上的第二安装圆环构成，供所述同轴电缆内导体和所述同轴电缆外导体穿过。

4.如权利要求3所述的基于槽辐射的毫米波网格阵列天线，其特征在于，所述第三介质基板上还设有焊盘；

所述同轴电缆内导体和所述同轴电缆外导体穿过所述第二安装圆环后，所述焊盘固定在所述第三介质基板上，以使所述同轴电缆内导体和所述同轴电缆外导体固定在所述第三PCB印刷电路板上。

5.如权利要求3所述的基于槽辐射的毫米波网格阵列天线，其特征在于，还包括同轴电缆外导体导通环；

所述第二介质基板还包括安装所述同轴电缆外导体导通环的安装通孔；

所述安装通孔均匀分布在所述第一安装圆环内。

6.如权利要求5所述的基于槽辐射的毫米波网格阵列天线，其特征在于，所述同轴电缆外导体导通环包括上盖和支脚；

所述支脚与所述安装通孔的形状匹配；

所述支脚的数量与所述安装通孔的数量匹配。

7.如权利要求1所述的基于槽辐射的毫米波网格阵列天线，其特征在于，所述第二介质基板为介电常数为2.2的罗杰斯介质。