CN111969307B - 一种对称型多槽太赫兹6g通信应用频段天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种对称型多槽太赫兹6G通信应用频段天线，属于太赫兹天线领域。该天线的主体部分为绝缘介质层，在介质层上表面的中心处是类蝶形辐射贴片和与之相合并的圆形贴片，其中类蝶形辐射贴片和圆形贴片共同馈电，在辐射贴片中合并圆形贴片，实现超宽带的效果，在辐射贴片的左右两端向辐射贴片中心位置最远端分别对称开半圆形槽，以及在辐射贴片的左右两端向辐射贴片中心位置开宽度一致的2组4个矩形槽，最后在蝶形辐射贴片的中心对称位置开一条较长的竖矩形槽。该天线可实现超宽带的效果，设计出的频段位于满足太赫兹频率要求，能够实现超宽带工作，能广泛应用于太赫兹6G通信频段，具有结构简单，设计合理，小型化易于制造的优点。

Description

一种对称型多槽太赫兹6G通信应用频段天线
技术领域
本发明属于太赫兹天线领域，具体地说，涉及一种对称型多槽太赫兹6G通信应用频段天线。
背景技术
太赫兹天线中的太赫兹(THz)波通常是指频率在0.1~10THz的电磁波。太赫兹是一种新的、有很多独特优点的辐射源，它的能量很小，不会对物质产生破坏作用，所以比X射线技术更具优势。此外，许多生物大分子的振动和转动共振频率也处在太赫兹波段。因此，开发太赫兹波技术将对宽带通信、雷达探测、电子对抗、电磁武器、天文学、无标记基因检查、细胞成像、无损检测、生化物检查、粮食选种，菌种优选等多领域的技术发展带来深远影响。
如今，5G已经商用，6G也开始布局。全球运营商及设备商纷纷对6G展开方向性研究，对一些潜在技术如太赫兹通信技术等进行深入分析。太赫兹通信将是6G的新型频谱资源技术。理论上，在通信领域里，频率越高通信容量就越大。在电磁波频谱上，太赫兹波的波长为3~1000μm之间，频率为0.1~10THz，它能提供10Gbit/s以上的无线传输速率。太赫兹波是波长介于微波与红外线之间的电磁波，这在一定程度上赋予了它兼具微波通信以及光波通信的优点，即传输速率高、容量大、方向性强、安全性高及穿透性强等。
就天线而言，缩减其体积成为通信设备研究的一部分。可是，盲目去减小天线尺寸大小能影响其的驻波、增益、带宽等指标特性。微带天线由于重量轻、体积小、低剖面、易共形和低成本等优点而得到了广泛的研究和应用，其带宽一般情况下都相对比较窄，普通低频微带贴片天线的带宽仅仅为20MHz~30MHz左右。这样使得微带天线在使用中受到过多的限制，无法展现出应有的效果。
目前，国内外研究发现能通过附加寄生贴片、开槽打孔技术、采用LC谐振电路、加载短路探针、附加阻抗匹配网络来有效拓宽微带天线的带宽，同时通过选取合适的磁导率介质基板及相应的介电常数，来改变不同的尺寸及形状，或者采用相应的馈电方法及合适的阻抗匹配，也能够有效扩宽微带天线的带宽。但上述增加带宽的方法会影响到天线的增益，不能兼顾带宽和增益。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种对称型多槽太赫兹天线，该天线具有类蝶形特点且多处开槽使中心频率附近的带宽得到拓展，同时增益有明显的提高，且覆盖频率广，能有效应用于太赫兹6G通信频段。
为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种对称型多槽太赫兹6G通信应用频段天线，包括介质基板，所述介质基板的上表面设有辐射贴片，所述介质基板的侧面设有集总端口激励，所述辐射贴片包括圆形贴片、贴片翼和微带传输线。所述圆形贴片设置在所述介质基板的中央，所述贴片翼包括两个扇面形，分别对称地设置在所述圆形贴片的两侧，所述微带传输线的两端分别与所述圆形贴片和集总端口激励连接，所述圆形贴片和微带传输线的对称线处设有中心矩形槽，所述中心矩形槽的位于所述圆形贴片的一端设有开口，位于微带传输线的另一端也设有开口；所述贴片翼的扇面上设有若干个扇面矩形槽，所有扇面矩形槽在扇面的前端设有开口，位于同一个贴片翼上的扇面矩形槽关于该贴片翼的对称线对称，位于两个贴片翼上的扇面矩形槽关于所述中心矩形槽对称；所述贴片翼的扇面最前端设有半圆形槽，位于两个贴片翼上的半圆形槽关于所述中心矩形槽对称。
进一步地，贴片翼的扇面形的对称线与所述中心矩形槽垂直。
进一步地，位于同一贴片翼上的扇面矩形槽为两个。
更进一步地，位于同一贴片翼上的两个扇面矩形槽位于所述半圆形槽的两侧，且与所述半圆形槽的距离为零。
进一步地，所述扇面矩形槽沿与所述微带传输线垂直的方向设置，位于同一个贴片翼上的扇面矩形槽的底边位于同一条直线上。
进一步地，所述介质基板为长0.8mm、宽0.8mm、高0.1mm的立方体形，所述介质基板的材质为相对介电系数为11.9的硅。
进一步地，所述圆形贴片的半径为0.16mm。
进一步地，所述半圆形槽的半径为0.04mm。
进一步地，所述扇面矩形槽的宽度为0.02mm。
进一步地，所述中心矩形槽的长度为0.56mm，宽度为0.01mm。
相比于现有的技术，本发明在蝶形的基础上进行相应的拓展，构成基本的蝶形结构后再与尺寸合适的圆形贴片相结合，再在辐射贴片的左右两端向辐射贴片中心位置最远端分别对称开半圆形槽，同时在辐射贴片的左右两端向辐射贴片中心位置开宽度一致的第一矩形槽、第二矩形槽共2组4个矩形槽；最后在辐射贴片的中心对称位置开一条较长的竖矩形槽；经仿真发现能够有效地改善辐射贴片中表面电流的分布以及增强辐射强度，使其更加集中于辐射贴片的两贴片翼，在一定的范围内使其带宽得到有效拓展的同时提高增益。本发明的太赫兹天线采用以上设计的结构实现超宽带和优良增益的效果，设计出的频段能够覆盖太赫兹领域，同时实现了超宽带工作，具有结构简单、设计合理、小型化易于制造的优点，适合在通信、雷达、医疗等诸多领域推广应用。
附图说明
图1为本发明的对称型多槽太赫兹6G通信应用频段天线的立体结构示意图；
图2为本发明的对称型多槽太赫兹6G通信应用频段天线的正面示意图；
图中：1、介质基板；2、辐射贴片；3、圆形贴片；4、中心矩形槽；5、半圆形槽；601、第一矩形槽；602、第二矩形槽；7、集总端口激励；
图3为天线的回波损耗仿真图；
图4为天线的电压驻波比仿真图；
图5为天线的增益随频率变化图；
图6为天线241.22GHz的表面电流强度分布图；
图7为天线241.22GHz的E面和H面方向图；
图8为天线241.22GHz的3D增益方向图；
图9为天线230GHz的E面和H面方向图；
图10为天线230GHz的3D增益方向图；
图11为天线250GHz的E面和H面方向图；
图12为天线250GHz的3D增益方向图；
图13为天线260GHz的E面和H面方向图；
图14为天线260GHz的3D增益方向图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。
如图1和2所示的一种对称型多槽太赫兹6G通信应用频段天线，包括介质基板1，介质基板1为立方体形状的绝缘介质层，介质基板1的上表面设有辐射贴片2，介质基板1的侧面设有集总端口激励7(Lumped Port)，辐射贴片2用来作为馈电使用，采用集总端口7进行激励，可以获得优良的性能阻抗匹配，在保证超宽带的同时，有较为显著的增益效果。辐射贴片2的形状基于类蝶形结构，包括圆形贴片3、贴片翼和微带传输线，圆形贴片3设置在介质基板1的中央，贴片翼包括两个扇面形，分别对称地设置在圆形贴片3的两侧，扇面形的对称线与中心矩形槽4垂直。，微带传输线的两端分别与圆形贴片3和集总端口激励7连接，圆形贴片3和微带传输线的对称线处（即辐射贴片2的对称线处）设有中心矩形槽4，中心矩形槽4的位于圆形贴片3的一端设有开口，位于微带传输线的另一端也设有开口；贴片翼的扇面上设有若干个宽度一致的扇面矩形槽，扇面矩形槽沿与微带传输线垂直的方向设置，位于同一个贴片翼上的扇面矩形槽的底边位于同一条直线上，所有扇面矩形槽在扇面的前端设有开口，位于同一个贴片翼上的扇面矩形槽关于该贴片翼的对称线对称，位于两个贴片翼上的扇面矩形槽关于中心矩形槽4对称；贴片翼的扇面最前端（即贴片翼的距介质基板1的中心位置最远端）设有半圆形槽5，位于两个贴片翼上的半圆形槽5关于中心矩形槽4对称。
实施例
在本实施例中，采用PCB板作为介质基板，再焊接上SMA接头。介质基板1为长0.8mm、宽0.8mm、高0.1mm的立方体形，介质基板1的材质为相对介电系数为11.9的硅。辐射贴片2的材质为铜，圆形贴片3的半径为0.16mm，辐射贴片2的最宽处（垂直于微带传输线的方向）为0.745mm，最长处（平行于微带传输线的方向）为0.56mm。
位于同一贴片翼上的扇面矩形槽为两个，分别为第一矩形槽601和第二矩形槽602，其宽度均为0.02mm。半圆形槽5的半径为0.04mm，位于同一贴片翼上的两个扇面矩形槽位于半圆形槽5的两侧，紧贴半圆形槽5设置，即与半圆形槽5的距离为零。
中心矩形槽4的长度为0.56mm，宽度为0.01mm。
工作原理为：该对称型多槽太赫兹6G通信应用频段天线的主体部分是一块远小于工作波长的绝缘介质层，在介质层上表面的中心处是蝶形辐射贴片和与之相合并的圆形贴片，其中蝶形辐射贴片和圆形贴片共同馈电，在辐射贴片中合并圆形贴片，实现超宽带的效果，在辐射贴片的左右两端向辐射贴片中心位置最远端分别对称开半圆形槽，以及在辐射贴片的左右两端向辐射贴片中心位置开宽度一致的2组4个矩形槽，最后在蝶形辐射贴片的中心对称位置开一条较长的竖矩形槽，能够明显改变辐射贴片表面的电流分布，同时提高辐射强度和增益，降低其回波损耗实现超宽带效果。
在只考虑主模激励的情况下，采用集总端口进行激励，输入阻抗匹配设置为50欧姆，进而获得良好的匹配特性，在该太赫兹天线中，得到的效果合理且具有良好的实用性，回波损耗、方向性都具有优良的效果，在S 11<-10dB时，各个频点都能实现良好的回波损耗效果，即实现超宽带的效果，220GHz~267GHz一般覆盖了太赫兹6G通信领域，具有较强的实用性。
通过对所设计的类蝶形结构进行HFSS仿真，利用仿真软件测试本实施例的太赫兹天线的各项性能指标，在最后的结果中得出天线的相应的回波损耗，电流分布，方向图和3D增益图（见图3~14）。
如图3所示，天线的回波损耗和电压驻波比是相对应的，一般情况下，回波损耗-10dB对应电压驻波比(VSWR)是2，电压驻波比小于2，回波损耗就相应低于-10dB。天线的回波损耗低于-10dB即为天线适合工作的频段。同时天线的最低点低于-20dB说明天线在此工作频段性能最佳。图中中心频率附近已经低于了-40dB，说明天线在该频点工作极佳，图4是天线的电压驻波比仿真图。
如图5所示，天线的增益随频率变化图，太赫兹天线在219GHz左右获得最大增益5.9749dB，完全符合天线设计精度要求，同时满足超宽带特性；如图6所示，天线辐射贴片的表面电流分布图，蝶形贴片经过开槽后，电流辐射强度主要集中在天线的左右两端和矩形开槽处，电流分布明显改善，电流强度显著提高，同时辐射强度得到提高；如图7和8所示，回波损耗频率为241.2GHz，主辐射在37°时，增益最大，为5.7625dB；辐射效果良好。如图9和10所示，回波损耗频率为230GHz，主辐射为-42°时，增益最大，为3.7447dB；如图11和12所示，回波损耗频率为250GHz，主辐射为-16°时，增益最大，为6.8514dB；如图13和14所示，回波损耗频率为260GHz，主辐射为-6°时，增益最大，为6.7309dB，从这四个中心频率点的3D增益方向图上可以很直观地看出天线的辐射强度显著增强，辐射范围可实现定点指向性辐射，且覆盖范围较广，主辐射区位于天线的斜-42°-37°，而且天线尺寸具有小型化的特点，所以该天线设计非常合理且实用，且在S 11<-10dB，各个频点都有良好的回波损耗效果，工作性能良好，相应的增益、辐射方向性都有良好的效果，在太赫兹6G通信频段性能良好，非常具有实用性，结构简单，设计合理，易于小型化设计。
经过实验发现，开半圆形槽以及宽带一致的矩形槽，对增加宽带、提高天线增益方面效果显著。在S 11=-10dB时，f L=220.15GHz，f H=266.54GHz，在f L和f H间，S 11<-10dB，天线的绝对带宽B=f H-f L=46.39GHz，相对带宽Br=58%，带宽得到显著增加，且占到了工作频段的一半以上，实现了超宽带的效果，在宽带内都能实现太赫兹天线的效果，同时广泛覆盖了太赫兹频段结构，其应用范围覆盖通信、雷达、医疗等诸多领域，尤其是满足太赫兹6G通信的频段要求。

Claims (8)

1.一种对称型多槽太赫兹6G通信应用频段天线，包括介质基板（1），所述介质基板（1）的上表面设有辐射贴片（2），所述介质基板（1）的侧面设有集总端口激励（7），其特征在于，所述辐射贴片（2）包括圆形贴片（3）、贴片翼和微带传输线，所述圆形贴片（3）设置在所述介质基板（1）的中央，所述贴片翼包括两个扇面形，分别对称地设置在所述圆形贴片（3）的两侧，所述微带传输线的两端分别与所述圆形贴片（3）和集总端口激励（7）连接，所述圆形贴片（3）和微带传输线的对称线处设有中心矩形槽（4），所述中心矩形槽（4）的位于所述圆形贴片（3）的一端设有开口，位于微带传输线的另一端也设有开口；所述贴片翼的扇面上设有若干个扇面矩形槽，所有扇面矩形槽在扇面的前端设有开口，位于同一个贴片翼上的扇面矩形槽关于该贴片翼的对称线对称，位于两个贴片翼上的扇面矩形槽关于所述中心矩形槽（4）对称；所述贴片翼的扇面最前端设有半圆形槽（5），位于两个贴片翼上的半圆形槽（5）关于所述中心矩形槽（4）对称；
贴片翼的扇面形的对称线与所述中心矩形槽（4）垂直；
所述扇面矩形槽沿与所述微带传输线垂直的方向设置，位于同一个贴片翼上的扇面矩形槽的底边位于同一条直线上。
2.根据权利要求1所述的对称型多槽太赫兹6G通信应用频段天线，其特征在于，位于同一贴片翼上的扇面矩形槽为两个。
3.根据权利要求2所述的对称型多槽太赫兹6G通信应用频段天线，其特征在于，位于同一贴片翼上的两个扇面矩形槽位于所述半圆形槽（5）的两侧，且与所述半圆形槽（5）的距离为零。
4.根据权利要求1所述的对称型多槽太赫兹6G通信应用频段天线，其特征在于，所述介质基板（1）为长0.8mm、宽0.8mm、高0.1mm的立方体形，所述介质基板（1）的材质为相对介电系数为11.9的硅。
5.根据权利要求1所述的对称型多槽太赫兹6G通信应用频段天线，其特征在于，所述圆形贴片（3）的半径为0.16mm。
6.根据权利要求1所述的对称型多槽太赫兹6G通信应用频段天线，其特征在于，所述半圆形槽（5）的半径为0.04mm。
7.根据权利要求1所述的对称型多槽太赫兹6G通信应用频段天线，其特征在于，所述扇面矩形槽的宽度为0.02mm。
8.根据权利要求1所述的对称型多槽太赫兹6G通信应用频段天线，其特征在于，所述中心矩形槽（4）的长度为0.56mm，宽度为0.01mm。
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