CN110534882A - 一种双频天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种双频天线，包括基板；分别设置于所述基板两侧面的电极层以及天线部；所述天线部包括：具有弯折部的金属条带；设置于所述金属条带上的若干缝隙；以及形成于所述金属条带边缘且呈一字排列的金属过孔；其中，所述金属条带包括开路端以及馈电端口端，所述金属条带的开路端位于所述弯折部的端部；若干的所述缝隙交错分布于所述金属条带的开路端向所述金属条带的开路端的对称方向进行延伸的中心线两侧；所述基板与位于所述基板上的金属条带以及金属过孔构成基片集成波导。本发明可在不增大原有天线尺寸的前提下实现具有大频率比。

Description

一种双频天线
技术领域
本发明涉及电子及通信信息技术领域，特别是涉及一种双频天线。
背景技术
在现代的无线通信系统大多具有多个工作频段。但随着无线通信技术的快速发展，无线通信系统多频段的工作需求对作为系统重要组成部分的天线提出了新的设计要求。双频或者多频天线在满足多工作频带需求的前提下，可有效节省天线所占用的空间，减小整个天线系统的尺寸，同时也利于整个无线系统的集成以及成本的降低，因而近年来一直是天线研究领域的一个热点。
现有无线通信设备的工作频段多位于较低频的微波频段，然而随着无线通信技术以及当代毫米波技术的快速发展，仅能工作于低频频段的设备将无法满足未来无线通信的需求。毫米波通信技术拥有更宽的频谱带宽，并且使得无线通信设备具有更高的通信速率。目前，部分毫米波无线通信应用已被提出，包括工作于60GHz(57-64GHz)的下一代无线局域网应用(WiGig)以及位于28GHz(27.5-28.35GHz)和38GHz频段(37-43.5GHz)的下一代移动通信系统(5G)。
现有双频或多频天线的工作频段多在6GHz以下的低频频段，因此这些天线不同工作频段间的频率比会非常小，无法同时满足微波频段和毫米波频段无线通信的工作需求。同时，已有的大频率比多频天线高频和低频辐射结构多是分立设计，本质为两个相互独立的天线单元，通过水平或垂直排列的方式集成在一起，无形中增大了天线的整体尺寸。因此，设计一种集成度更高的可同时工作于微波和毫米波频段的新型大频率比多频天线对未来无线通信技术发展来说具有重要实际应用价值。
发明内容
对于上述技术问题之一，本发明采用下述技术方案：一种双频天线，包括
基板；
分别设置于所述基板两侧面的电极层以及天线部；
所述天线部包括：
具有弯折部的金属条带；
设置于所述金属条带上的若干缝隙；以及
形成于所述金属条带边缘且呈一字排列的金属过孔；
其中，
所述金属条带包括开路端以及馈电端口端，所述金属条带的开路端位于所述弯折部的端部；
若干的所述缝隙交错分布于所述金属条带的开路端向所述金属条带的开路端的对称方向进行延伸的中心线两侧；
所述基板与位于所述基板上的金属条带以及金属过孔构成基片集成波导。
优选地，所述双频天线还包括有用于馈入频段信号的馈入部。
优选地，所述馈入部包括：
第一馈入部，设置于所述基板，并用于馈入第一频段信号；
第二馈入部，设置于所述电极层，并用于馈入第二频段信号；
其中，所述第一频段信号的频率小于所述第二频段信号的频率。
优选地，相邻的所述缝隙之间沿所述金属条带的开路端向所述金属条带的开路端的对称方向进行延伸的水平方向的间距为所述第二频段信号的二分之一波导的波长。
优选地，靠近于所述金属条带的开路端的缝隙的中部与位于所述金属条带的开路端边缘处的金属化孔的圆心之间沿所述金属条带的开路端向所述金属条带的开路端的对称方向进行延伸的水平方向的间距为所述第二频段信号的四分之一波导的波长。
优选地，所述天线部还包括微带线结构。
优选地，所述电极层为接地板。
本发明的有益效果如下：
1、本发明所述的双频天线具有大频率比，可以同时工作于微波以及毫米波频段；
2、可以通过改变基板材料的介电常数或者基片集成波导的等效宽度来调节SIW的工作频段，从而设计不同频段的高频天线单元；
3、结构紧凑，集成度高，通过采用基片集成波导取代传统天线中的金属臂结构的方法，将缝隙集成于金属条带上，因而可在不增大原有天线尺寸的前提下实现具有大频率比的双频天线；
4、易于加工，成本低，将所有结构均集成在基板上，无加工精度要求很高的结构，在毫米波器件加工中极大节省加工成本。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1为本发明的一个实施例中的双频天线的结构示意图；
图2为图1的局部放大图；
图3为图1的侧视图；
图4为本发明的一个实施例中的双频天线在2.19-2.7GHz频带范围内的测试和仿真|S11|参数曲线图；
图5为本发明的一个实施例中的双频天线在36.8-39.9GHz频带范围内的测试和仿真|S11|参数曲线图；
图6为本发明的一个实施例中的双频天线在2.19-2.7GHz频带范围内的的测试和仿真增益曲线图
图7为本发明的一个实施例中的双频天线在36.8-39.9GHz频带范围内的测试和仿真增益曲线图。
图8为本发明的一个实施例中的双频天线在2.19-2.7GHz频带范围内的xoy面的测试和仿真的主极化以及交叉极化方向图；
图9为本发明的一个实施例中的双频天线在2.19-2.7GHz频带范围内的xoz面的测试和仿真的主极化以及交叉极化方向图；
图10为本发明的一个实施例中的双频天线在36.8-39.9GHz频带范围内的xoz面的测试和仿真的主极化以及交叉极化方向图；
图11为本发明的一个实施例中的双频天线在36.8-39.9GHz频带范围内的yoz面的测试和仿真的主极化以及交叉极化方向图；
图12为本发明的一个可选实施例的结构示意图；
图13为本发明的一个可选实施例的结构示意图
图14为本发明的一个可选实施例的结构示意图；
图15为本发明的一个可选实施例的结构示意图；
图16为本发明的一个可选实施例的结构示意图；
图17为本发明的一个可选实施例的结构示意图；
图18为本发明的一个可选实施例的结构示意图。
图中：1、金属条带；2、第二馈入部；3、基板；4、微带线结构；5、第一馈入部；6、缝隙；7、金属化孔；8、电极层。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
如图1所示，本发明的一个实施例提供一种双频天线，主要由高频部分以及低频部分构成。
在本发明的具体实施中，双频天线主要包括有基板3、分别设置于所述基板3两侧面的电极层8以及天线部，天线部包括有具有弯折部的金属条带1，在本实施例中，金属条带1的弯折部的数目不做限定，金属条带1包括开路端以及馈电端口端，开路端位于弯折部的端部，如图2所示，弯折部上设置有若干缝隙6以及金属过孔，其中，金属条带1属于低频部分，而基板3与位于基板3上的金属条带1以及金属过孔构成基片集成波导，属于高频部分。
本发明所述的双频天线具有大频率比，可以同时工作于微波以及毫米波频段；其结构紧凑，集成度高，通过采用基片集成波导结构取代传统天线中的金属臂结构的方法，将缝隙6集成于金属条带1上，因而可在不增大原有天线尺寸的前提下实现具有大频率比的双频天线，并且在制作时易于加工，成本低，将所有结构均集成在基板3上，无加工精度要求很高的结构，在毫米波器件加工中极大节省加工成本，并且在使用时，可以通过改变基板3材料的介电常数或者基片集成波导的等效宽度来调节基片集成波导的工作频段，从而设计不同频段的高频天线单元
如图3所示，在本发明的具体实施中，双频天线还包括有用于馈入频段信号的馈入部，馈入部主要包括：
第一馈入部5，设置于基板3，并用于馈入第一频段信号；
第二馈入部2，设置于电极层8，并用于馈入第二频段信号；
其中，第一频段信号的频率小于第二频段信号的频率。
在本发明的具体实施中，第一馈入部5可以为同轴接头，第二馈入部2可以为矩形空气波导结构，然而本领域结合之后的描述能够理解，第一馈入部5以及第二馈入部2可以由任何具有馈入频段信号的功能的器件或整体上表现为具有馈入频段信号的功能的装置构成，这均在本发明的保护范围内。
也就是说，第一馈入部5能够将第一频段信号馈入至低频部分，而第二馈入部2能够将第二频段信号馈入至高频部分，从而能够同时工作于微波以及毫米波频段，实现了大频率比，并且高频部分集成于低频部分上，以使得整体结构紧凑，集成度高，可在不增大原有天线尺寸的前提下实现具有大频率比的双频天线。
在本发明的具体实施中，若干的所述缝隙交错分布于金属条带的开路端向金属条带的开路端的对称方向进行延伸的中心线两侧。
在本发明的一个优选的实施例中，为了使能量得到有效辐射，相邻的缝隙6之间沿金属条带1的开路端向金属条带1的开路端的对称方向进行延伸的水平方向的间距为第二频段信号的二分之一波导的波长，靠近于金属条带1的开路端的缝隙6的中部与位于金属条带1的开路端边缘处的金属化孔7的圆心之间沿金属条带1的开路端向金属条带1的开路端的对称方向进行延伸的水平方向的间距为所述第二频段信号的四分之一波导的波长，这样可以使得缝隙6之间形成同相激励。
在本发明的具体实施中，天线部还包括有微带线结构4，电极层8为接地板。
接下来根据实际制作的成品，对本发明所述的双频天线进行介绍，其中，第一频段信号选为2.4GHz，第二频段信号选为38GHz，本发明在实际制作时，可采用Rogers RO4350介质基板，其厚度为0.508mm，介电常数为3.66，尺寸为80mm*130mm。介质基板3凡是上下两层覆有金属的金属层厚度都为0.035mm，接地板的大小为80mm*100mm，金属条带1的结构尺寸为5mm*18.5mm，微带线结构4选用50欧姆L型微带馈电线，其宽度为1.1mm，然而本领域人员应当清楚，微带线结构4的形状不仅仅限于L型，其他形状的微带线结构4也属于本发明的保护范围内，在本实施例中，50欧姆L型微带馈电线的宽度为1.1mm，其中，较短微带馈电线的长度为11.5mm，较长微带馈电线的长度为103.5mm，通过调节微带馈电线的尺寸和位置来调节与金属条带1之间的匹配。在金属条带1上通过刻蚀的工艺形成的若干个缝隙6，尺寸为0.25mm*2.5mm，并且与沿金属条带1的开路端向金属条带1的开路端的对称方向进行延伸的水平方向的中心线的偏移量为0.157mm，金属条带1相对称的两个宽边上的金属过孔之间的圆心距为3.2mm，介质基片上的金属过孔的直径为0.35mm，相邻的金属过孔之间的孔间距为0.64mm。
通过网络分析仪对本实施例所述的双频天线进行测试，本发明中的双频天线的|S11|参数结果如图4以及图5所示，从设计结果可以看出该设计在2.19-2.7GHz，36.8-39.9GHz的频带范围内|S11|低于-10dB。图6以及图7为增益曲线图测试结果，如图6所示，可以得出双频天线在2.4GHz频段内最高增益为2.9dBi，如图7所示，38GHz频段内最高增益为4.5dBi。图8至图11为本发明中的双频天线分别在2.19-2.7GHz以及36.8-39.9GHz的频带范围内的测试和仿真的主极化以及交叉极化方向图，其中，图8为2.19-2.7GHz频带范围内的xoy面的测试和仿真的主极化以及交叉极化方向图，图9为2.19-2.7GHz频带范围内的xoz面的测试和仿真的主极化以及交叉极化方向图，图10为36.8-39.9GHz的频带范围内的xoz面的测试和仿真的主极化以及交叉极化方向图，图11为36.8-39.9GHz的频带范围内的yoz面的测试和仿真的主极化以及交叉极化方向图，可以看出测试结果与仿真结果之间能够很好的吻合。
在本发明的一些可选的实施例中，可对低频部分的金属条带1进行弯折，从而使其在低频产生多频特性。而高频部分可增加寄生单元，增强波束的方向性，从而一定程度上提高天线增益。同时也可以利用基片集成波导功分器，增加阵元数量，提高其增益。结构举例如12图所示。
在本发明的一些可选的实施例中，低频部分利用基片集成波导功分器作为低频天线的辐射单元。结构举例如图13所示。高频部分可采用其他天线结构，如宽带的准八木天线，偶极子天线等，利用SIW功分器，设计成天线阵列，提高其增益。
在本发明的一些可选的实施例中，低频天线部分可对辐射单元加载缝隙6，如U型缝，L型缝等，使其在低频产生多频特性。结构举例如图14、15、16所示。同时也可利用微带线激励的缝隙6天线构成低频辐射结构，结构举例如图17、18所示。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (7)

1.一种双频天线，其特征在于，包括
基板；
分别设置于所述基板两侧面的电极层以及天线部；
所述天线部包括：
具有弯折部的金属条带；
设置于所述金属条带上的若干缝隙；以及
形成于所述金属条带边缘且呈一字排列的金属过孔；
其中，
所述金属条带包括开路端以及馈电端口端，所述金属条带的开路端位于所述弯折部的端部；
若干的所述缝隙交错分布于所述金属条带的开路端向所述金属条带的开路端的对称方向进行延伸的中心线两侧；
所述基板与位于所述基板上的金属条带以及金属过孔构成基片集成波导。
2.根据权利要求1所述的双频天线，其特征在于，所述双频天线还包括有用于馈入频段信号的馈入部。
3.根据权利要求2所述的双频天线，其特征在于，所述馈入部包括：
第一馈入部，设置于所述基板，并用于馈入第一频段信号；
第二馈入部，设置于所述电极层，并用于馈入第二频段信号；
其中，所述第一频段信号的频率小于所述第二频段信号的频率。
4.根据权利要求3所述的双频天线，其特征在于，相邻的所述缝隙之间沿所述金属条带的开路端向所述金属条带的开路端的对称方向进行延伸的水平方向的间距为所述第二频段信号的二分之一波导的波长。
5.根据权利要求3所述的双频天线，其特征在于，靠近于所述金属条带的开路端的缝隙的中部与位于所述金属条带的开路端边缘处的金属化孔的圆心之间沿所述金属条带的开路端向所述金属条带的开路端的对称方向进行延伸的水平方向的间距为所述第二频段信号的四分之一波导的波长。
6.根据权利要求1所述的双频天线，其特征在于，所述天线部还包括微带线结构。
7.根据权利要求1所述的双频天线，其特征在于，所述电极层为接地板。
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