CN111146580B - 一种类介质板波导天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种类介质板波导天线。类介质板波导天线包括PCB基板和类介质板波导结构,PCB基板底面中间布置有微带线/波导,通过微带线/波导连接馈源对类介质板波导结构进行激励;类介质板波导结构包括多层上下层叠的结构相同的类介质板组元,每层类介质板组元包括中心基本组成单元和至少三个边缘基本组成单元,基本组成单元均是由PCB介质板和布置在PCB介质板上下表面的金属板构成,PCB介质板上下表面的金属板之间通过金属过孔连接;PCB基板和中心基本组成单元的中心均开设有缝隙。本发明天线可方便地与同样基于PCB工艺的电路结构直接相连,并易于馈电,有利于天线与电路设计一体化,并获得低剖面高增益的效益。
Description
技术领域
本发明涉及了本发明公开了一种低剖面高增益天线,特别是涉及了一种类介质板波导天线。
背景技术
随着无线通信的快速发展,天线作为信号发射与接收的载体,在无线通信中有着重要的应用。随着无线通信系统性能的不断提高,通信界对天线设计提出了高增益,低剖面等要求,除此以外,天线与通信电路的集成化,已经成为了新的要求。天线与电路的集成化,可以有效降低两者的连接损耗,同时可以有效节省安装空间,对通信系统的集成化、小型化有着重要的意义。
近些年来,为了提升现有天线的性能,研究者引入了一系列新型电磁结构,例如电磁带隙材料、左手材料、褶皱金属等。都有周期电磁结构的特性,可以用在提升天线的增益,降低天线剖面等目标。
利用金属结构形成周期性皱褶电抗性表面可以维系TM型表面波的传播,并可以在终端实现辐射,形成表面波天线,并已经得到一定的应用。但这一类型的天线主体结构是纯金属,需要使用金属机加工,这与通信电路系统广泛使用的基于PCB工艺有着较大的差异。因而此类天线很难与通信电路直接集成,限制了此类天线的广泛使用。如果可以使用PCB工艺加工出类似的结构,那么此类天线的低剖面与高增益等优点可以得到有效地发挥,实现较广泛的应用。
近些年来,介质板波导电路作为一种新型高频电路实现方法,得到了广泛的使用。这一方法中,通过使用两排规则排列的金属过孔与介质基板的上下两层金属相连,形成内部填充介质的波导结构,使得电磁波在此结构的内部传输以及形成喇叭口天线形式进行辐射。这种方法虽然可以在传统PCB结构上提高射频微波电路的工作频率,但是其实现的天线频率往往在20GHz以上而无法用于传统的无线通信中。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题,为了能够使用PCB加工工艺实现周期性皱褶电抗性表面,进而设计实现基于PCB工艺的低剖面,高增益天线,本发明的目的在于提供了一种类介质板波导天线。本发明使用规则排列过孔阵列代替金属壁构造周期性皱褶电抗性表面,让电磁波沿着过孔阵列的外侧传输,进而设计基于PCB工艺的“类介质板波导天线”,同时其工作频率可覆盖各种主流无线通信协议。
本发明采用的技术方案是:
本发明的类介质板波导天线包括PCB基板和布置在PCB基板顶面的与PCB电路板制版工艺兼容的类介质板波导结构,PCB基板底面中间布置有微带线/波导,通过微带线/波导连接馈源对类介质板波导结构进行激励;类介质板波导结构包括多层上下层叠的结构相同的类介质板组元,每层类介质板组元包括中心基本组成单元和至少三个边缘基本组成单元,中心基本组成单元位于PCB基板的中心,边缘基本组成单元位于中心基本组成单元的周围并间隔布置形成周期性凹槽结构,间隔处为空气;中心基本组成单元和三个边缘基本组成单元均是由PCB介质板和布置在PCB介质板上下表面的金属板构成,中心基本组成单元的外边缘处开设有金属过孔,边缘基本组成单元的内外边缘均开设有金属过孔,使得PCB介质板上下表面的金属板之间通过金属过孔连接;PCB基板和中心基本组成单元的中心均开设有缝隙,中心基本组成单元处的缝隙中填充有与PCB基板相同的材料,PCB基板处的缝隙中未填充有材料。
所述的缝隙为矩形缝隙。
所述的中心基本组成单元为圆形,边缘基本组成单元为环形,中心基本组成单元和边缘基本组成单元同心布置,中心基本组成单元的外圆边缘沿圆周一圈间隔布置金属过孔,边缘基本组成单元的外圆边缘和内圆边缘均沿圆周一圈间隔布置金属过孔。
所述的中心基本组成单元和边缘基本组成单元为矩形,中心基本组成单元和边缘基本组成单元的矩形长度方向相同且平行对齐,中心基本组成单元矩形的宽度大于边缘基本组成单元的矩形的宽度,中心基本组成单元在长度方向两侧的边缘沿长度方向间隔布置金属过孔,边缘基本组成单元在长度方向两侧的边缘沿长度方向间隔布置金属过孔,形成过孔阵列。
所述的缝隙长度方向平行于中心基本组成单元和边缘基本组成单元的矩形长度方向。
通过上述结构设置使得类介质板波导天线具有周期性凹槽结构,并通过微带线/波导连接进行信号激励,能够获得类似于喇叭天线的高指向高增益辐射特性。
本发明利用规则排列的金属过孔的过孔阵列来代替传统金属壁来,使用PCB加工工艺设计周期凹槽结构,代替金属加工工艺。
所述的PCB基板上下表面均覆铜。
所述的类介质板波导天线通过使用中心区域的中心基本组成单元接收信号激励,并将信号转换成表面波传递给边缘基本组成单元构成的周期性凹槽结构,进而实现信号的辐射。
所述的类介质板波导天线剖面较低,在工作频点处的增益较高。
本发明具有的有益效果:
本发明基于PCB工艺实现低剖面、高增益天线,可以获得与同口径标准喇叭天线相近的高增益,同时剖面远低于喇叭天线;同时基于PCB工艺可有效与通信电路集成,可广泛应用于无线通信设备中。
本发明具有成本低廉、结构简单的特点,可以广泛应用于室内外无线通信天线设备。
附图说明
图1是本发明实例1结构示意图。
图2是本发明实例1的S参数仿真示意图。
图3是本发明实例1的增益仿真示意图。
图4是本发明实例2结构示意图。
图5是本发明实例2的S参数仿真示意图。
图6是本发明实例2的增益仿真示意图。
图中:1.类介质板波导天线,2.类介质板波导结构,3.周期性凹槽结构,4.中心基本组成单元,5.微带线/波导,6.边缘基本组成单元,7.金属过孔,8.PCB介质板,9.金属板,10.中间开缝的双面覆铜的PCB基板,11.缝隙。
具体实施方法
下面结合附图和两个具体实施例对本发明做进一步说明。
本发明的实施例如下:
实施例1
圆形天线实例。
如图1所示,类介质板波导天线1包括PCB基板10和布置在PCB基板10顶面的与PCB电路板制版工艺兼容的类介质板波导结构2,PCB基板10顶面朝向方向为电磁波发射信号方向,PCB基板10底面中间布置有微带线/波导5,通过微带线/波导5连接馈源对类介质板波导结构2进行激励。
类介质板波导结构2包括多层上下层叠的结构相同的类介质板组元,多层类介质板组元从下到上布置在PCB基板10上,每层类介质板组元包括中心基本组成单元4和至少三个边缘基本组成单元6,中心基本组成单元4位于PCB基板10的中心,中心基本组成单元4的缝隙11与PCB基板10的缝隙11相连,边缘基本组成单元6位于中心基本组成单元4的周围并间隔布置形成周期性凹槽结构3,间隔处为空气。
如图1所示,中心基本组成单元4和三个边缘基本组成单元6均是由PCB介质板8和布置在PCB介质板8上下表面的金属板9构成,中心基本组成单元4的外边缘处开设有金属过孔7,边缘基本组成单元6的内外边缘均开设有金属过孔7,金属过孔7贯穿过PCB介质板8,使得PCB介质板8上下表面的金属板9之间通过金属过孔7连接;
PCB基板10和中心基本组成单元4的中心均开设有缝隙11,缝隙11为矩形缝隙。
中心基本组成单元4为圆形,边缘基本组成单元6为环形,中心基本组成单元4和边缘基本组成单元6同心布置,中心基本组成单元4的外圆边缘沿圆周一圈间隔布置金属过孔7,边缘基本组成单元6的外圆边缘和内圆边缘均沿圆周一圈间隔布置金属过孔7。
类介质板波导天线1通过使用中心区域的中心基本组成单元4接收信号激励,并将信号转换成表面波传递给边缘基本组成单元6构成的周期性凹槽结构3,进而实现信号的辐射。
本发明的实施例及其实施过程如下:
天线主体1的底板10选用双面覆铜的FR-4,半径为120mm,厚度是1mm。中间开的缝隙11的长宽分别是18.64mm,1.84mm。使用WR-90波导5与缝隙11相连进行馈电。镂空结构4放置在底板的中央,周围是四圈类介质板波导结构2。镂空结构4与类介质板波导结构2均是由四层基本组成单元6构成。镂空结构4的基本组成单元6是使用双排金属过孔7连接双层PCB基板8的上下金属结构9构成。PCB基板是F4B-255,相对介电常数是2.55,厚度是2.07mm。上下金属结构9形状是圆形,半径是11.48mm,中间缝隙11的长宽分别是18.64mm,1.84mm。围绕着缝隙11的一排金属过孔阵列7连接上下金属结构9。过孔阵列7的单元间距是0.98mm,每个过孔直径0.6mm。镂空结构4的外侧金属过孔单元间距是2.4mm,每个过孔直径是1mm。
围绕着镂空结构4的是四圈环形类介质板波导结构2,从内到外类介质板波导结构的内径与外径分别为26.26mm、34mm、50.7mm、58.5mm、75.1mm、82.9mm、99.5mm与107.3mm。镂空结构4与环形类介质板波导结构2和底板10构成了周期性凹槽结构3。每一圈环形类介质板波导结构2的单元6的过孔阵列7的单元间距是2.4mm,每个过孔直径是1mm。
本实例中的类介质板波导天线剖面较低,按照上图实例计算,此天线的总厚度不超过10mm。并且可以通过仿真得到以下规律。若镂空结构4与类介质板波导结构2是由n层基本组成单元6构成,每一层基本组成单元的PCB基板8的厚度为hi,其相对介电常数为εr。那么可满足以下经验公式
其中hn是n层基本组成单元6叠加后的总厚度,而h是使用纯金属结构制作的周期性凹槽结构的凹槽深度。因此可以首先设计纯金属结构的周期性凹槽结构,得到凹槽深度,然后使用上述经验公式快速调整剖面。
本实例的类介质板波导天线的S参数如图2所示,可以看到此天线的工作频点是10.8GHz。然后图3是天线的方向图,可以看到此天线的增益超过了15dB,E面波束宽度是15.3°,H面波束宽度是33.8°。
实施例2
如图4所示,类介质板波导天线1包括PCB基板10和布置在PCB基板10顶面的与PCB电路板制版工艺兼容的类介质板波导结构2,PCB基板10顶面朝向方向为电磁波发射信号方向,PCB基板10底面中间布置有微带线/波导5,通过微带线/波导5连接馈源对类介质板波导结构2进行激励。
类介质板波导结构2包括多层上下层叠的结构相同的类介质板组元,多层类介质板组元从下到上布置在PCB基板10上,每层类介质板组元包括中心基本组成单元4和至少三个边缘基本组成单元6,中心基本组成单元4位于PCB基板10的中心,中心基本组成单元4的缝隙11与PCB基板10的缝隙11相连,边缘基本组成单元6位于中心基本组成单元4的周围并间隔布置形成周期性凹槽结构3,间隔处为空气。
中心基本组成单元4和三个边缘基本组成单元6均是由PCB介质板8和布置在PCB介质板8上下表面的金属板9构成,中心基本组成单元4的外边缘处开设有金属过孔7,边缘基本组成单元6的内外边缘均开设有金属过孔7,金属过孔7贯穿过PCB介质板8,使得PCB介质板8上下表面的金属板9之间通过金属过孔7连接;
PCB基板10和中心基本组成单元4的中心均开设有缝隙11,缝隙11为矩形缝隙。
如图4所示,中心基本组成单元4和边缘基本组成单元6为矩形,中心基本组成单元4和边缘基本组成单元6的矩形长度方向相同且平行对齐,中心基本组成单元4矩形的宽度大于边缘基本组成单元6的矩形的宽度,中心基本组成单元4在长度方向两侧的边缘沿长度方向间隔布置金属过孔7,边缘基本组成单元6在长度方向两侧的边缘沿长度方向间隔布置金属过孔7,形成过孔阵列。矩形缝隙11长度方向平行于中心基本组成单元4和边缘基本组成单元6的矩形长度方向。
类介质板波导天线1通过使用中心区域的中心基本组成单元4接收信号激励,并将信号转换成表面波传递给边缘基本组成单元6构成的周期性凹槽结构3,进而实现信号的辐射。
本发明的实施例及其实施过程如下:
天线主体1的底板10选用双面覆铜的FR-4,长236mm,宽150mm,厚度是1mm。中间开的缝隙11的长宽分别是18.64mm,1.84mm。镂空结构4放置在底板的中央,周围是四圈类介质板波导结构2。使用WR-90波导5与缝隙11相连进行馈电。镂空结构4与类介质板波导结构2均是由四层基本组成单元6构成。镂空结构4的基本组成单元6是使用双排金属过孔7连接双层PCB基板8的上下金属结构9构成。PCB基板是F4B-300,相对介电常数是3,厚度是2mm。上下金属结构9形状是矩形,宽度为18mm,长度与介质板的宽度相同,均为150mm,中间缝隙11的长宽分别是18.64mm,1.84mm。围绕着缝隙11的一排金属过孔阵列7连接上下金属结构9。过孔阵列7的单元间距是0.98mm,每个过孔直径0.6mm。镂空结构4的外侧金属过孔单元间距是2.4mm,每个过孔直径是1mm。
分列在镂空结构4的两侧是四排环形类介质板波导结构2,从中心线向外每一排类介质板波导结构的尺寸分别是23.6mm、32.6mm、47.2mm、56.2mm、70.8mm、79.8mm、94.4mm与103.4mm。镂空结构4与环形类介质板波导结构2和底板10构成了周期性凹槽结构3。每一圈环形类介质板波导结构2的单元6的过孔阵列7的单元间距是2.4mm,每个过孔直径是1mm。
本实例中的类介质板波导天线剖面较低,按照上图实例计算,此天线的总厚度不超过10mm。并且同样可以使用上述经验公式快速计算剖面。
本实例的类介质板波导天线的S参数如图5所示,可以看到此天线的工作频点是10.8GHz。然后图6是天线的方向图,可以看到此天线的增益超过了15dB,E面波束宽度是7.1°,H面波束宽度是20.6°。
本发明提供的两个实例均工作在10.8GHz,如果要工作在其他频率,需要根据工作频率调整结构的尺寸。
以上所述,仅是本发明在10.8GHz特定频率的较佳实例而已,并非对本发明做任何形式上的限定,任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或修饰为等同变化的等效实例,但是凡是未脱离本发明技术方案内容,依据本发明的技术实质对以上事例所做的任何的简单修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种类介质板波导天线,其特征在于:类介质板波导天线(1)包括PCB基板(10)和布置在PCB基板(10)顶面的与PCB电路板制版工艺兼容的类介质板波导结构(2),PCB基板(10)底面中间布置有微带线/波导(5),通过微带线/波导(5)连接馈源对类介质板波导结构(2)进行激励;
类介质板波导结构(2)包括多层上下层叠的结构相同的类介质板组元,每层类介质板组元包括中心基本组成单元(4)和至少三个边缘基本组成单元(6),中心基本组成单元(4)位于PCB基板(10)的中心,边缘基本组成单元(6)位于中心基本组成单元(4)的周围并间隔布置形成周期性凹槽结构(3),间隔处为空气;中心基本组成单元(4)和三个边缘基本组成单元(6)均是由PCB介质板(8)和布置在PCB介质板(8)上下表面的金属板(9)构成,中心基本组成单元(4)的外边缘处开设有金属过孔(7),边缘基本组成单元(6)的内外边缘均开设有金属过孔(7),使得PCB介质板(8)上下表面的金属板(9)之间通过金属过孔(7)连接;PCB基板(10)和中心基本组成单元(4)的中心均开设有缝隙(11),中心基本组成单元(4)处的缝隙(11)中填充有与PCB基板(10)相同的材料,PCB基板(10)处的缝隙(11)中未填充有材料;且金属过孔(7)开设于中心基本组成单元(4)处的缝隙(11)边缘处。
2.根据权利要求1所述的一种类介质板波导天线,其特征在于:
所述的缝隙(11)为矩形缝隙。
3.根据权利要求1所述的一种类介质板波导天线,其特征在于:
所述的中心基本组成单元(4)为圆形,边缘基本组成单元(6)为环形,中心基本组成单元(4)和边缘基本组成单元(6)同心布置,中心基本组成单元(4)的外圆边缘沿圆周一圈间隔布置金属过孔(7),边缘基本组成单元(6)的外圆边缘和内圆边缘均沿圆周一圈间隔布置金属过孔(7)。
4.根据权利要求1所述的一种类介质板波导天线,其特征在于:
所述的中心基本组成单元(4)和边缘基本组成单元(6)为矩形,中心基本组成单元(4)和边缘基本组成单元(6)的矩形长度方向相同且平行对齐,中心基本组成单元(4)矩形的宽度大于边缘基本组成单元(6)的矩形的宽度,中心基本组成单元(4)在长度方向两侧的边缘沿长度方向间隔布置金属过孔(7),边缘基本组成单元(6)在长度方向两侧的边缘沿长度方向间隔布置金属过孔(7),形成过孔阵列。
5.根据权利要求4所述的一种类介质板波导天线,其特征在于:
所述的缝隙(11)长度方向平行于中心基本组成单元(4)和边缘基本组成单元(6)的矩形长度方向。
6.根据权利要求1所述的一种类介质板波导天线,其特征在于:
所述的PCB基板(10)上下表面均覆铜。
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