CN111193109A - 一种自封装基片集成悬置线Vivaldi天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自封装基片集成悬置线Vivaldi天线,从上至下依次包括金属覆盖层、第一空气腔层、中间馈电层,第二空气腔层和Vivaldi天线辐射层,各层之间采用焊接材料分层压接,通过短路柱短路连接,第一空气腔层和第二空气腔层由介质材料局部切除获得,并与金属覆盖层、Vivaldi天线辐射层以及短路柱构成半封闭腔体,用于电磁波的传输。本发明解决天线损耗大、带宽窄以及增益低等技术问题。
Description
技术领域
本发明属于无线通信天线技术领域,具体涉及一种自封装基片集成悬置线Vivaldi天线。
背景技术
随着无线移动通信技术的快速发展和广泛应用,人们对通信技术的需求不再仅仅局限于语音信号的无线传输,对多媒体信号的要求也越来越高。因此,对信号传输的质量和速度提出了更高的要求。随着移动通信设备的高度集成化以及便携化的发展需求,天线作为无线移动设备的重要构成部分,对其宽带化、低损耗、高增益以及高效率的电性能提出了更高的技术要求。传统的单极子天线、偶极子天线等具有结构简单、体积小等优点。但是由于受其辐射电阻较小的影响,天线存在着阻抗带宽窄和辐射效率低等缺点。
传统Vivaldi天线因具有超宽带的特性,多用于宽频带无线通信领域。但Vivaldi天线一般由微带、同轴等传输形式,通过电磁耦合方式使得信号传输发生在传输线与辐射体之间进行转换,然而这种电磁耦合传输方式却存在功率容量低、传输损耗大等缺点,限制了其在许多领域的应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足,提供一种自封装基片集成悬置线Vivaldi天线,解决天线损耗大、带宽窄以及增益低等技术问题。
本发明采用以下技术方案:
一种自封装基片集成悬置线Vivaldi天线,从上至下依次包括金属覆盖层、第一空气腔层、中间馈电层,第二空气腔层和Vivaldi天线辐射层,各层之间采用焊接材料分层压接,通过短路柱短路连接,第一空气腔层和第二空气腔层由介质材料局部切除获得,并与金属覆盖层、Vivaldi天线辐射层以及短路柱构成半封闭腔体,用于电磁波的传输。
具体的,中间馈电层的上表面和下表面分别印刷有用于信号传输的悬置线,悬置线的一端设置有扇形短截线,扇形短截线、悬置线扇形短截线与金属覆盖层及Vivaldi天线辐射体组合形成用于高频信号传输的悬置线结构,通过末端设置的扇形短截线调节阻抗匹配,实现悬置线对Vivaldi天线辐射体的耦合馈电。
进一步的,悬置线的另一端与SMA连接器连接,用于高频信号输入。
进一步的,悬置线的宽度与扇形短截线的半径R均可调。
具体的,Vivaldi天线辐射层的上表面印刷有辐射体,辐射体的两侧蚀刻有扼流槽,辐射体的前端设置有双边平行线。
进一步的,扼流槽包括多个长度不等的槽型结构,槽型结构扼流槽的设置用于抑制外部边缘处不同频率的反向电流,双边平行线位于Vivaldi天线辐射体的前端,并且印刷于介质基板的上、下表面,用于增强天线的定向辐射特性。
具体的,第一空气腔层设置有中心镂空的第一空气腔,第二空气腔层设置有中心镂空的第二空气腔。
具体的,金属覆盖层、第一空气腔层、中间馈电层,第二空气腔层和Vivaldi天线辐射层均包括介质基片,每层介质基片的一侧边缘设置有金属屏蔽,金属屏蔽及每层介质基片上设置有一一对应的金属化过孔,金属屏蔽上设置有金属化过孔,每层介质基片的四角设置有螺丝孔,短路柱设置在金属化过孔内。
进一步的,金属覆盖层、第一空气腔层、第二空气腔层和Vivaldi天线辐射层采用厚度1~2mm,介电常数4.4的FR4板材。
进一步的,中间馈电层采用厚度为0.2~1.0mm,介电常数为2.65的F4B板材。
与现有技术相比,本发明至少具有以下有益效果:
本发明一种自封装基片集成悬置线Vivaldi天线,可实现电路与系统的自封装,介质集成悬置线(Substrate Integrated Suspended Line)通过焊接材料分层将PCB板压合在一起形成自封装的效果,无需单独加工金属外壳以及外壳与电路系统之间的装配工作,缩小了成本;设计的天线工作频率为2.97~6.72GHz,相对带宽为77.4%。获得了稳定的单向辐射方向图和低交叉极化水平,采用了印刷电路板(PCB)技术自封装成多层结构,避免了传统结构的笨重机械外壳,从而获得了重量轻,成本低、高性能的自封装基片集成悬置线的Vivaldi天线。
进一步的,中间馈电层的上、下表面印刷有导体带线,采用上、下双表面的悬置线结构解决了单层悬置线中上(下)半空间耦合弱的问题。并且电磁场从该层悬置线电路出发,指向周围金属壁,使得电磁场在空气腔内传播,从而有效的减少了电磁波的介质损耗和辐射损耗。
进一步的,加载在悬置线末端的扇形截断线不仅改善了悬置线的阻抗匹配,使得天线的工作带宽获得了显著增加,而且对天线的辐射起到了积极的效果。
进一步的,Vivaldi天线辐射层位于Vivaldi天线的最底层,一方面与上层金属层及金属短路柱构成屏蔽腔,减少悬置线的杂散辐射;另一方面将通过缝隙耦合得到的电磁波能量辐射到自由空间,从而实现天线的电磁波辐射。
进一步的,采用了Vivaldi天线和改进的悬置线耦合馈电到槽线的转换,使得系统的最低工作频率得到了扩展,工作带宽得到了进一步的展宽。
进一步的,采用悬置线馈电网络,由于腔体中介质大部分是空气,悬置线以较小的电流密度和电场强度,且外层有金属接地盖板及短路柱将电磁场屏蔽在内,有效阻止了能量的泄漏,降低了电磁波的插入损耗,从而提高了天线的辐射效率。
进一步的,金属覆盖层、第一空气腔层、第二空气腔层和Vivaldi天线辐射层的组合主要用于屏蔽腔的构建。选用厚度为1毫米、介电常数4.4的FR4介质基板,既要满足电磁波在空气腔中传播的基本要求,又能在保证结构强度的情况下,满足天线设计中选材成本低、重量轻的设计要求。
进一步的,中间馈电层主要用于电磁波的耦合和传输,选用低介电常数及低厚度的高频板材,可以有效的减少电磁波在介质中的传输损耗,而且PCB具有结构简单、易集成、易加工等良好的特性,因此厚度0.2毫米,介电常数为2.65的F4B高频板材作为本发明中间馈电层的优选材料。
综上所述,本发明阻抗带宽及辐射性能好。
下面通过附图和实施例,对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明Vivaldi天线俯视图;
图2是本发明Vivaldi天线结构示意图;
图3是本发明Vivaldi天线S-parameter-频率仿真结果图;
图4是本发明Vivaldi天线增益-频率仿真结果图;
图5是本发明在3.0GHz频点处E面的远场辐射方向图;
图6是本发明在3.0GHz频点处H面的远场辐射方向图;
图7是本发明在6.0GHz频点处E面的远场辐射方向图;
图8是本发明在6.0GHz频点处H面的远场辐射方向图。
其中:101.介质基片;102.螺旋丝孔;103.金属覆盖层;104.金属化过孔;201.第一空气腔;202.金属屏蔽;301.扇形短截线;302.悬置线;303.SMA连接器;401.第二空气腔;501辐射体;502双边平行线;503扼流槽。
具体实施方式
在本发明的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中,除非另有说明,“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明提供了一种自封装基片集成悬置线Vivaldi天线,采用自封装基片集成悬置线的馈电结构,结构简单,容易加工和制作;介质板上刻蚀了指数渐变槽线的Vivaldi天线辐射贴片,并采用阶梯状的悬置线对天线辐射体进行耦合馈电,有效的改善了天线阻抗带宽;采用将上、下层空气腔层基片进行局部切除,从而实现空气仓/空气腔传播,减少了电路的传输损耗,提高了天线的辐射效率和增益水平。而天线的阻抗带宽、交叉极化等电性能参数并未因为对天线传输电路的改进而受到明显的影响。本发明Vivaldi天线具有较宽的工作带宽、结构简单、增益水平高等优点。
请参阅图1和图2,本发明一种自封装基片集成悬置线Vivaldi天线,采用5层介质基片101结构压接而成,从上至下依次包括:金属覆盖层103、第一空气腔层、中间馈电层,第二空气腔层和Vivaldi天线辐射层,各层采用焊接材料分层压接在一起,并通过短路柱短路连接,第一空气腔层和第二空气腔层局部切除,并与金属覆盖层103、Vivaldi天线辐射层以及短路柱构成半封闭腔体,用于电磁波的传播。
金属覆盖层用于与Vivaldi天线辐射体、金属短路柱构成了屏蔽腔,使得电磁波在屏蔽腔内满足低损耗传输,第一空气腔层用于形成镂空的空气腔体,减少电磁波传输中的介质损耗,中间馈电层用于高频信号的传输以及对Vivaldi天线辐射体的耦合馈电,第二空气腔层用于形成镂空的空气腔体,减少电磁波传输中的介质损耗,Vivaldi天线辐射层用于与金属覆盖层、金属短路柱构成了屏蔽腔,使得电磁波在屏蔽腔内满足低损耗传输。此外,Vivaldi天线辐射层用于将通过耦合获得的能量辐射到自由空间中。
中间馈电层的上表面和下表面分别印刷有用于信号传输的悬置线302,悬置线302的末端设置有扇形短截线301;
Vivaldi天线辐射层的上表面印刷有辐射体501,扇形短截线301用于调节阻抗匹配和将高频信号耦合到辐射体501,辐射体501的两侧蚀刻有扼流槽503,位于辐射体501的前端设置具有引向功能的双边平行线502。
用于馈电的悬置线302、扇形短截线301与金属覆盖层103及辐射体501组合形成用于高频信号传输的悬置线结构,悬置线302的宽度及扇形短截线301的半径R可调,从而使得天线在工作频带内具有良好的阻抗匹配;悬置线302的末端与50欧姆的SMA连接器303连接,用于高频信号的输入,扇形短截线301用于调节悬置线302的阻抗匹配,同时保证高频信号耦合更好的耦合到Vivaldi天线辐射体上。
悬置线302的宽度w1、w2及扇形短截线301的半径R可调,可以通过调节悬置线302的宽度以及短截线301的半径R的大小,从而达到最佳阻抗匹配状态。
扼流槽503包括多个长度不相等的槽型结构,其中L3的取值范围为4~11毫米,扼流槽间隔w3的取值范围为2~3毫米,用于抑制不同频率的外边缘反向电流,从而提高天线增益。
第一空气腔层与第二空气腔层的结构相同,位于中间馈电层的上下两侧;第一空气腔层的中心镂空设置有第一空气腔201,第二空气腔层的中心镂空设置有第二空气腔401。
每层的介质基片101的一侧边缘设置有金属屏蔽202,金属屏蔽202上设置有金属化过孔104,每层介质基片101的四角设置有螺丝孔102,短路柱位于辐射体501的两侧及辐射体501的底端一侧,设置在金属化过孔104内。
每层采用的介质基片101的长度为L1=40~46mm,宽度为L2=40~46mm。
金属覆盖层103、第一空气腔层、第二空气腔层和Vivaldi天线辐射层采用厚度1~2mm,介电常数4.4的FR4板材;中间馈电层采用厚度为0.2~1.0mm介电常数为2.65的F4B板材。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此,以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围,而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
下面结合仿真对本发明的应用效果作详细的描述。
1、仿真内容
1.1、利用商业仿真软件ANSYS HFSS_19.0对上述实例的Vivaldi天线的S-parameter进行仿真计算,结果如图3所示。
1.2、利用商业仿真软件ANSYS HFSS_19.0对上述实例的随频率变化的增益情况进行仿真计算,结果如图4所示。
1.3、利用商业仿真软件ANSYS HFSS_19.0分别对上述实例不同主平面的远场辐射方向图进行了仿真计算,结果如图5~8所示,其中,图5为实施例处于匹配状态下的E面辐射方向图,图6为实施例处于匹配状态下的H面辐射方向图,图7为实施例处于匹配状态下的E面辐射方向图,图8为实施例处于匹配状态下的E面辐射方向图。
2、仿真结果
请参阅图3,以回波损耗大于10dB为标准,实施例阻抗带宽为2.97~6.72GHz,相对带宽为77.4%。
请参阅图4,实施例在整个工作频带(2.97~6.72GHz)的最大增益为8.1dBi。
请参阅图5~图8,图5和图6分别为实施例3.0GHz情况下,E面和H面的远场辐射方向图,图7和图8分别为实施例在6.0GHz情况下,E面和H面的远场辐射方向图,实施例中的最大辐射方向始终沿着+Z轴,最大增益为8.1dBi,交叉极化低于主极化约18.2dB。
综上所述,本发明一种自封装基片集成悬置线Vivaldi天线具有较宽的工作带宽、较低的交叉极化以及较高的增益。
以上内容仅为说明本发明的技术思想,不能以此限定本发明的保护范围,凡是按照本发明提出的技术思想,在技术方案基础上所做的任何改动,均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种自封装基片集成悬置线Vivaldi天线,其特征在于,从上至下依次包括金属覆盖层(103)、第一空气腔层、中间馈电层,第二空气腔层和Vivaldi天线辐射层,各层之间采用焊接材料分层压接,通过短路柱短路连接,第一空气腔层和第二空气腔层由介质材料局部切除获得,并与金属覆盖层(103)、Vivaldi天线辐射层以及短路柱构成半封闭腔体,用于电磁波的传输。
2.根据权利要求1所述的自封装基片集成悬置线Vivaldi天线,其特征在于,中间馈电层的上表面和下表面分别印刷有用于信号传输的悬置线(302),悬置线(302)的一端设置有扇形短截线(301),扇形短截线(301)、悬置线(302)扇形短截线与金属覆盖层(103)及Vivaldi天线辐射体(501)组合形成用于高频信号传输的悬置线结构,通过末端设置的扇形短截线(301)调节阻抗匹配,实现悬置线(302)对Vivaldi天线辐射体(501)的耦合馈电。
3.根据权利要求2所述的自封装基片集成悬置线Vivaldi天线,其特征在于,悬置线(302)的另一端与SMA连接器(303)连接,用于高频信号输入。
4.根据权利要求2所述的自封装基片集成悬置线Vivaldi天线,其特征在于,悬置线(302)的宽度与扇形短截线(301)的半径R均可调。
5.根据权利要求1所述的自封装基片集成悬置线Vivaldi天线,其特征在于,Vivaldi天线辐射层的上表面印刷有辐射体(501),辐射体(501)的两侧蚀刻有扼流槽(503),辐射体(501)的前端设置有双边平行线(502)。
6.根据权利要求5所述的自封装基片集成悬置线Vivaldi天线,其特征在于,扼流槽(503)包括多个长度不等的槽型结构,槽型结构扼流槽的设置用于抑制外部边缘处不同频率的反向电流,双边平行线(502)位于Vivaldi天线辐射体的前端,并且印刷于介质基板的上、下表面,用于增强天线的定向辐射特性。
7.根据权利要求1所述的自封装基片集成悬置线Vivaldi天线,其特征在于,第一空气腔层设置有中心镂空的第一空气腔(201),第二空气腔层设置有中心镂空的第二空气腔(401)。
8.根据权利要求1所述的自封装基片集成悬置线Vivaldi天线,其特征在于,金属覆盖层(103)、第一空气腔层、中间馈电层,第二空气腔层和Vivaldi天线辐射层均包括介质基片(101),每层介质基片(101)的一侧边缘设置有金属屏蔽(202),金属屏蔽(202)及每层介质基片(101)上设置有一一对应的金属化过孔(104),金属屏蔽(202)上设置有金属化过孔(104),每层介质基片(101)的四角设置有螺丝孔(102),短路柱设置在金属化过孔(104)内。
9.根据权利要求8所述的自封装基片集成悬置线Vivaldi天线,其特征在于,金属覆盖层(103)、第一空气腔层、第二空气腔层和Vivaldi天线辐射层采用厚度1~2mm,介电常数4.4的FR4板材。
10.根据权利要求8所述的自封装基片集成悬置线Vivaldi天线,其特征在于,中间馈电层采用厚度为0.2~1.0mm,介电常数为2.65的F4B板材。
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