CN110690557A - 一种宽带低剖面毫米波天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种宽带低剖面毫米波天线，包括：空气波导结构件、第一介质层和第二介质层；第一介质层为等腰三角形结构；第二介质层包括上层介质基片和下层介质基片；下层介质基片为终端开路的基片集成波导，包括上层金属层、中层介质层和下层金属层；中层介质层与第一介质层为一体结构，与第一介质层的等腰三角形的底边相接，相接的一端为馈电端，另一端为开路，馈电端与开路端之间周期性的布置两排金属化通孔，下层金属层向辐射方向延伸一定距离；上层介质基片包括加载在开路基片集成波导开口端的两个金属化通孔作为两个单极子，单极子采用顶端加载结构；第一介质层和部分下层介质基片置于空气波导结构件中。本天线低剖面、宽带且增益稳定。

Description

一种宽带低剖面毫米波天线
技术领域
本发明涉及宽带结构领域，尤其涉及一种宽带低剖面毫米波天线。
背景技术
目前，各个国家和地区公布的5G毫米波频段主要集中在24.25至29.5GHz和37至42.5GHz。阻抗带宽大于55％的天线可同时覆盖这两个频段，从而减小天线在通信系统中所占的面积。另一方面，在一些毫米波无线通信的应用中，如5G移动终端，需要天线具有低剖面的特性。现有应用于5G终端的毫米波端射天线，尤其是具有垂直极化特性天线，厚度小于0.1λ(λ为天线在中心工作频率对应的自由空间中的波长)的天线带宽较窄，在15％左右。而带宽大于20％的天线，厚度较大。
因此，需要一种低剖面且辐射性能在宽带范围内稳定的天线。
发明内容
本发明提供了一种宽带低剖面毫米波天线，以解决现有技术中的缺陷。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
本发明提供了一种宽带低剖面毫米波天线，包括：空气波导结构件、第一介质层和第二介质层；
所述的第一介质层为等腰三角形结构；
所述第二介质层包括上层介质基片和下层介质基片；所述的下层介质基片为终端开路的基片集成波导，包括上层金属层、中层介质层和下层金属层；所述中层介质层与所述的第一介质层为一体结构，并且与所述第一介质层的等腰三角形的底边相接，相接的一端为馈电端，另一端为开路，馈电端与开路端之间周期性的布置两排金属化通孔，且基片集成波导的下层金属层向辐射方向延伸一定距离；
所述的上层介质基片包括加载在所述开路的基片集成波导的开口端两个金属化通孔作为两个单极子，所述的单极子采用顶端加载结构；
所述的第一介质层和部分下层介质基片置于所述的空气波导结构件中，用于基片集成波导至空气波导的转接。
优选地，顶端加载结构为加载在两个单极子上端的两个金属圆盘，所述两个单极子之间的距离小于所述两排金属化通孔之间的距离。
优选地，空气波导结构件为铝制的Ka频段空气波导结构件。
优选地，等腰三角形结构的底边长度为空气波导的宽度，所述两排金属化通孔在馈电端的距离与所述等腰三角形的底边距离相等，位置与所述等腰三角形结构的底边位置相对应，所述两排金属化通孔在开路端的距离为基片集成波导的宽度。
优选地，第一介质层材质为Rogers5880，厚度为0.787mm，顶点到底边的长度为15mm。
优选地，下层介质基片的上层金属层和下层金属层的厚度均为0.035mm，中间介质层厚度为0.787mm，中间介质层材质为Rogers5880，金属化通孔直径为0.8mm，金属化通孔的周期为1.2mm，两排金属化通孔在开路处之间的距离为5.2mm，在馈电端的之间的距离为7.11mm，所述的一定距离为4mm。
优选地，上层介质基片的介质层厚度为0.787mm，材质为Rogers5880，作为单极子的金属通孔，直径为0.5mm，高度为0.787mm，两个金属通孔间距为2.35mm，所述的两个金属圆盘的直径为2.2mm，厚度为0.035mm。
优选地，单极子下方还分别加载有金属圆盘，直径为0.7mm，用于在加工时将金属化通孔金属化；对应的单极子下方金属圆盘的下层介质基片的金属层上还设置有直径为0.7mm的金属圆盘，用于将单极子加载至基片集成波导口面处。
优选地，上层介质基片上还设置有反C型的一组金属化通孔以及对应上下的金属圆盘结构，组成天线辐射口面后方的金属墙结构，用于减小天线后方的其他结构对天线性能的影响。
优选地，下层介质基片面积大于上层介质基片，且上层介质基片和下层介质基片通过螺钉连接。
由上述本发明的宽带低剖面毫米波天线提供的技术方案可以看出，本发明带宽宽，天线具有60.7％的阻抗带宽，可以覆盖5G在Ka频段中的所有毫米波频段；低剖面，天线厚度为1.7mm，是天线中心频率波长的0.19倍；增益稳定，天线在宽带工作频率范围内增益波动小于3dB；结构简单，易于加工，使用PCB技术，所有结构均集成在介质基片中，两层介质基片可单独加工，没有盲孔结构，在毫米波器件加工中极大节省加工成本。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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一个实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本实施例的天线的三维结构图；
图2是本实施例的天线的侧视图；
图3是本实施例的天线下层介质基片的俯视图；
图4是本实施例的天线下层介质基片的仰视图；
图5是本实施例的天线上层介质基片的俯视图；
图6是本实施例的天线上层介质基片的仰视图；
图7是本实施例的天线与没有转接结构的天线的S参数设计结果对比图；
图8是本实施例的天线与没有转接结构的天线的增益设计结果对比图；
图9是本实施例的天线的27GHz频点辐射方向图；
图10是本实施例的天线的33GHz频点辐射方向图；
图11是本实施例的天线的39GHz频点辐射方向图。
附图标记说明：
1、空气波导结构件 2、第一介质层 3、第二介质层 4、上层介质基片 5、下层介质基片 6、单极子 7、顶端加载结构 8、上层金属层 9、中层介质层 10、下层金属层 11、金属化通孔 12、金属圆盘 13、金属圆盘 14、金属化通孔 15、螺钉孔
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明。
实施例
本实施例提出了一种宽带低剖面毫米波天线，即带宽为60.7％的宽带毫米波平面磁电单极子天线，图1是本实施例的天线的三维结构图，图2是本实施例的天线的侧视图，参照图1和图2，该天线包括：空气波导结构件1、第一介质层2和第二介质层3。空气波导结构件1为铝制的Ka频段空气波导结构件，其高度渐变。
其中，第一介质层2为等腰三角形结构。第一介质层材质为Rogers5880，厚度为0.787mm，顶点到底边的长度为15mm。
第二介质层3包括上层介质基片4和下层介质基片5；下层介质基片5为终端开路的基片集成波导，包括上层金属层8、中层介质层9和下层金属层10；中层介质层9与第一介质层2为一体结构，并且与第一介质层2的等腰三角形的底边相接，相接的一端为馈电端，另一端为开路，馈电端与开路端之间周期性的布置两排金属化通孔11，且基片集成波导的下层金属层10向辐射方向延伸一定距离，终端开路的基片集成波导的下层金属层向辐射口面方向延伸(即+z方向)，延伸的距离需要调整达到阻抗匹配和增益的最优值。优选地，延伸的一定距离为4mm。下层介质基片5的上层金属层8和下层金属层10的厚度均为0.035mm，中间介质层9厚度为0.787mm，中间介质层9的材质为Rogers5880，金属化通孔11直径为0.8mm，金属化通孔11的周期为1.2mm，两排金属化通孔在开路处之间的距离为5.2mm，在馈电端的之间的距离为7.11mm。(金属层材质为铜)优选地，本实施例的天线由1的右边端口连接标准Ka频段空气波导与同轴线转接结构便于测试。
等腰三角形结构的底边长度为空气波导的宽度，两排金属化通孔11在馈电端的距离与等腰三角形的底边距离相等，位置与等腰三角形结构的底边位置相对应，两排金属化通孔11在开路端的距离为基片集成波导的宽度。空气波导结构件1和第一介质层2共同组成基片集成波导至空气波导的转接结构。
上层介质基片4包括加载在开路的基片集成波导的开口端两个金属化通孔作为两个单极子6，单极子6采用顶端加载结构7。两个单极子之间的距离小于所述两排金属化通孔之间的距离。两个单极子之间的距离为2.35mm，单极子6采用顶端加载结构7以进一步减小天线高度。增加顶端加载结构的尺寸，可减小单极子的高度。其中，顶端加载结构7为加载在两个单极子上端的两个金属圆盘。作为单极子6的两个金属化通孔加载在终端开路的基片集成波导的开口端以得到有效的激励。
第一介质层2和部分下层介质基片置于空气波导结构件1中，用于基片集成波导至空气波导的转接。上层介质基片4的介质层厚度为0.787mm，材质为Rogers5880，作为单极子6的金属通孔，直径为0.5mm，高度为0.787mm，两个金属通孔间距为2.35mm，两个金属圆盘的直径为2.2mm，厚度为0.035mm。
单极子下方还分别加载有金属圆盘12，直径为0.7mm，用于在加工时将金属化通孔金属化；对应的单极子下方金属圆盘12的下层介质基片的上层金属层上还设置有直径为0.7mm的金属圆盘13，用于将单极子加载至基片集成波导口面处。
上层介质基片4上还设置有反C型的一组金属化通孔14以及对应上下的金属圆盘结构，组成天线辐射口面后方的金属墙结构，用于减小天线后方的其他结构对天线性能的影响，金属通孔的直径为0.8mm，金属圆盘直径为1mm。
下层介质基片5面积大于上层介质基片4，且上层介质基片4和下层介质基片5通过螺钉连接。两层介质基片可用印刷电路板(Printed Circuit Board：PCB)单独加工，对应的位置设置两个直径为2.1mm的螺钉孔15，然后用螺丝组装至一起。上层介质基片和下层介质基片也可以采用半固化片等其他方式组装至一起。
图7和图8分别给出了采用本实施例的带有基片集成波导至空气波导转接结构的天线以及没有转接结构的天线进行仿真S参数和增益。从图中可看出天线在没有转接结构时对于|S11|<-10dB阻抗带宽仿真结果可达到60.7％。天线带有转接结构时，由于受到Ka频段空气波导工作带宽的影响，只给出了天线在Ka频段的仿真结果，天线的阻抗带宽可以覆盖整个Ka频段；没有转接结构时，天线的增益在工作频带范围内最大值为8.2dBi，波动小于1.6dB，而有转接结构时，天线在Ka频段内的增益在6.0dBi至8.1dBi之间。
图9、图10和图11为本实施例的天线分别在27GHz、33GHz和39GHz的仿真辐射方向图。从图中可以看出，天线的辐射方向图在工作带宽内稳定，在xoz面和yoz面的交叉极化分别低于-10dB和-20dB。
综上所述，本实施例的天线为可使用PCB技术加工的毫米波平面磁电单极子天线；天线具有宽阻抗带宽、低剖面、加工成本低和结构简单的特点。
本领域技术人员应能理解上述的应用类型仅为举例，其他现有的或今后可能出现的应用类型如可适用于本发明实施例，也应包含在本发明保护范围以内，并在此以引用方式包含于此。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种宽带低剖面毫米波天线，其特征在于，包括：空气波导结构件、第一介质层和第二介质层；
所述的第一介质层为等腰三角形结构；
所述第二介质层包括上层介质基片和下层介质基片；所述的下层介质基片为终端开路的基片集成波导，包括上层金属层、中层介质层和下层金属层；所述中层介质层与所述的第一介质层为一体结构，并且与所述第一介质层的等腰三角形的底边相接，相接的一端为馈电端，另一端为开路，馈电端与开路端之间周期性的布置两排金属化通孔，且基片集成波导的下层金属层向辐射方向延伸一定距离；
所述的上层介质基片包括加载在所述开路的基片集成波导的开口端两个金属化通孔作为两个单极子，所述的单极子采用顶端加载结构；
所述的第一介质层和部分下层介质基片置于所述的空气波导结构件中，用于基片集成波导至空气波导的转接。
2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述的顶端加载结构为加载在两个单极子上端的两个金属圆盘，所述两个单极子之间的距离小于所述两排金属化通孔之间的距离。
3.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述的空气波导结构件为铝制的Ka频段空气波导结构件。
4.根据权利要求3所述的天线，其特征在于，所述的等腰三角形结构的底边长度为空气波导的宽度，所述两排金属化通孔在馈电端的距离与所述等腰三角形的底边距离相等，位置与所述等腰三角形结构的底边位置相对应，所述两排金属化通孔在开路端的距离为基片集成波导的宽度。
5.根据权利要求3所述的天线，其特征在于，所述的第一介质层材质为Rogers5880，厚度为0.787mm，顶点到底边的长度为15mm。
6.根据权利要求3所述的天线，其特征在于，所述的下层介质基片的上层金属层和下层金属层的厚度均为0.035mm，中间介质层厚度为0.787mm，中间介质层材质为Rogers5880，金属化通孔直径为0.8mm，金属化通孔的周期为1.2mm，两排金属化通孔在开路处之间的距离为5.2mm，在馈电端的之间的距离为7.11mm，所述的一定距离为4mm。
7.根据权利要求3所述的天线，其特征在于，所述的上层介质基片的介质层厚度为0.787mm，材质为Rogers5880，作为单极子的金属通孔，直径为0.5mm，高度为0.787mm，两个金属通孔间距为2.35mm，所述的两个金属圆盘的直径为2.2mm，厚度为0.035mm。
8.根据权利要求3所述的天线，其特征在于，所述的单极子下方还分别加载有金属圆盘，直径为0.7mm，用于在加工时将金属化通孔金属化；对应的单极子下方金属圆盘的下层介质基片的金属层上还设置有直径为0.7mm的金属圆盘，用于将单极子加载至基片集成波导口面处。
9.根据权利要求3所述的天线，其特征在于，所述的上层介质基片上还设置有反C型的一组金属化通孔以及对应上下的金属圆盘结构，组成天线辐射口面后方的金属墙结构，用于减小天线后方的其他结构对天线性能的影响。
10.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述的下层介质基片面积大于上层介质基片，且上层介质基片和下层介质基片通过螺钉连接。
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Application publication date: 20200114