CN112134030A - 一种基于偶极子天线单元的太赫兹端射阵直线阵列天线 - Google Patents

一种基于偶极子天线单元的太赫兹端射阵直线阵列天线 Download PDF

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Abstract

本发明属于射频电路设计领域，具体涉及一种基于半波偶极子天线单元的太赫兹端射阵直线阵列天线。该端射阵直线阵列天线利用阵列单元数目为N的适用于平面工艺的N个半波偶极子天线单元(N≥1)，通过设计相邻偶极子天线单元电流的相位差(Δφ＝k·π)和相邻单元电气长度间距
Figure DDA0002697258680000011
构建适用于平面工艺的N×端射阵直线阵列天线，从而提高太赫兹发射机系统的天线增益和半功率宽度，应用于高输出功率要求的太赫兹发射机阵列系统；另外为了增强该太赫兹端射阵直线阵列天线增益，可以通过在相邻半波长电气长度整数倍的偶极子单元之间插入M(M≥1)个半波偶极子天线。

Description

一种基于偶极子天线单元的太赫兹端射阵直线阵列天线
技术领域
本发明属于射频电路设计领域，具体涉及一种基于半波偶极子天线单元的太赫兹端射阵直线阵列天线。
背景技术
针对太赫兹发射机系统，研究难点和重点是如何提高发射机的输出功率。为了提高输出功率，常用的发射机阵列系统包括发射机相控阵列、发射机空间功率合成直线阵列和发射机空间功率合成平面阵列。空间功率合成直线、平面阵列一般采用相位均匀变化激励天线阵列的方法实现，发射机结构相对简单；而相控阵列则是一般通过发射机中的调相器，实现任意相位的射频信号，从而实现波束的空间角度控制，发射机结构相对复杂。
现有的太赫兹发射机芯片系统通常采用侧射阵天线阵列提高天线增益，从而提高发射机等效全向辐射功率EIRP，但是输出功率仍然受限；通过设计片外硅基镜头和介质镜头，对太赫兹波进行聚焦，能够进一步提高等效全向辐射功率 EIRP，但发射机芯片输出功率和波束宽度仍达不到满足在消费电子、商业市场等进行深度推广的高输出功率要求。如何对发射机的输出功率进一步提高是射频电路设计领域还未解决的问题。
发明内容
为了提高太赫兹发射机的输出功率，本发明涉及一种基于半波偶极子天线单元的太赫兹端射阵直线阵列天线。本发明适用于平面工艺，采用的太赫兹端射阵直线阵列天线属于空间功率合成直线天线阵列的一种，通过相位均匀变化激励天线阵列的方法实现，发射机结构相对简单，与侧射阵相比较，具有更高的方向系数和更高的波束宽度。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于偶极子天线单元的太赫兹端射阵直线阵列天线，包括馈电网络一、馈电网络二、以及多个沿馈电网络二长度方向均匀排列的单侧偶极子，所述的单侧偶极子垂直设置于馈电网络二的两侧，相邻的单侧偶极子电流的相位差Δφ＝k·π，k为大于零的整数，相邻单侧偶极子之间的电气长度间距
Figure RE-GDA0002778980810000021
λ为波长。
作为本发明的优选，所述的阵列天线采用平面工艺制作而成，所述的平面工艺为PCB工艺、SiGe BiCMOS工艺以及CMOS工艺等半导体工艺中的任意一种。
作为本发明的优选，所述的阵列天线采用双金属面PCB板制作而成，PCB 板的双金属面上均刻蚀有共面的馈电网络一、馈电网络二和单侧偶极子；
金属面上的馈电网络一和馈电网络二相连接，上下两层金属面上的馈电网络一通过金属化过孔相连接；位于PCB板双金属面相同位置的上下两个单侧偶极子组成一个偶极子天线单元。
作为本发明的优选，所述的馈电网络二为直线型结构，每一层金属面上的单侧偶极子均垂直于对应金属面上的馈电网络二，且上层金属面上的单侧偶极子和下层金属面上的单侧偶极子朝向相反。
作为本发明的优选，每一层金属面上的最后一个单侧偶极子位于馈电网络二的末端。
作为本发明的优选，每一个偶极子天线单元中的两个单侧偶极子的末端在馈电网络二的宽度方向上的电气长度距离为λ/2，且上层金属面上的单侧偶极子和下层金属面上的单侧偶极子的长度相同。
作为本发明的优选，所述馈电网络二的宽度为0.001um-2cm，单侧偶极子的宽度为0.001um-2cm，可根据设计频率优化天线增益进行调整。
作为本发明的优选，所述相邻单侧偶极子之间均匀设有1-5个半波偶极子天线。
作为本发明的优选，所述半波偶极子天线与所述单侧偶极子结构相同，长度在0.001um-20cm之间，可根据设计频率优化天线增益进行调整。
作为本发明的优选，所述沿馈电网络二长度方向均匀排列的单侧偶极子(301) 数量为2-10。
与现有技术相比，本发明的优势在于：
1)该端射阵直线阵列天线适用于平面工艺如PCB工艺、SiGe BiCMOS工艺以及CMOS工艺等半导体工艺，这种天线能够广泛应用于各种场景。
2)该端射阵直线阵列天线与侧射阵天线阵列相比较，侧射阵天线阵列的天线阵列主瓣最大指向与阵轴垂直，端射阵天线的天线阵列主瓣最大指向在阵轴方向，因此端射阵直线阵列天线具有更高的方向系数和更高的波束宽度，能够提高太赫兹发射机系统的天线阵列增益，适用于高输出功率要求的太赫兹发射机阵列系统，更有利于将太赫兹技术从实验室推广到消费电子、商业市场等工程应用中；
3)该太赫兹端射阵直线阵列天线结构简单，仅要求简单的双层PCB电路板、或者包含两层金属层的SiGe BiCMOS工艺以及CMOS工艺等其他半导体工艺即可以实现该天线结构。通过改变偶极子天线的阵列级数，能够提高天线的增益，能够适用于各种场景。
附图说明
图1是适用于平面工艺的单个半波偶极子天线单元的示意图；
图2是适用于平面工艺的单个半波偶极子天线单元的上层金属设计图；
图3是适用于平面工艺的单个半波偶极子天线单元的底层金属设计图；
图4是适用于平面工艺的单个半波偶极子天线单元的过孔层设计图；
图5是阵列单元数目N＝2、M＝1时构建的2×适用于平面工艺的基于半波偶极子天线的太赫兹端射阵直线阵列天线的示意图；
图6是阵列单元数目N＝2、M＝1时构建的2×适用于平面工艺的基于半波偶极子天线的太赫兹端射阵直线阵列天线的上层金属设计图；
图7是阵列单元数目N＝2、M＝1时构建的2×适用于平面工艺的基于半波偶极子天线的太赫兹端射阵直线阵列天线的底层金属设计图；
图8是阵列单元数目N＝2、M＝1时构建的2×适用于平面工艺的基于半波偶极子天线的太赫兹端射阵直线阵列天线的过孔层设计图；
图9是阵列单元数目N＝3、M＝1时构建的3×适用于平面工艺的基于半波偶极子天线的太赫兹端射阵直线阵列天线的示意图；
图10是阵列单元数目N＝3、M＝1时构建的3×适用于平面工艺的基于半波偶极子天线的太赫兹端射阵直线阵列天线的上层金属设计图；
图11是阵列单元数目N＝3、M＝1时构建的3×适用于平面工艺的基于半波偶极子天线的太赫兹端射阵直线阵列天线的底层金属设计图；
图12是阵列单元数目N＝3、M＝1时构建的3×适用于平面工艺的基于半波偶极子天线的太赫兹端射阵直线阵列天线的过孔层设计图；
图13是本发明实施例中的一种馈电网络二和偶极子天线单元的结构示意图；
图中：1馈电网络一，101第一矩形结构，102第二矩形结构，2馈电网络二，3偶极子天线单元，301单侧偶极子，302半波偶极子天线，4金属化过孔。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的解释说明。
本发明的端射阵直线阵列天线采用平面工艺实现，如PCB工艺、SiGe BiCMOS工艺或者CMOS工艺。PCB工艺可以采用最简单的双面板工艺，简化天线设计，采用下面板的底层金属作为天线地，上面板的上层金属设计偶极子天线的双臂，上层金属和底层金属之间为介质层，上面板与下面板的地通过金属化过孔相连接。同理对于SiGe BiCMOS工艺以及CMOS工艺，也可以用双层金属实现天线。
一种基于半波偶极子天线的太赫兹端射阵直线阵列天线，该端射阵直线阵列天线利用阵列单元数目为N的适用于平面工艺的N个偶极子天线单元(N≥1)，通过设计相邻单侧偶极子电流的相位差(Δφ＝k·π，半波长电气长度整数倍)和相邻单侧偶极子的电气长度的间距(
Figure RE-GDA0002778980810000041
半波长电气长度整数倍)，构建适用于平面工艺的N×端射阵直线阵列天线，从而提高太赫兹发射机芯片系统的天线增益和半功率宽度，应用于高输出功率要求的太赫兹发射机阵列系统。
端射阵直线阵列天线的实现，需要首先设计适用于平面工艺的单个半波偶极子天线，然后通过调整两个相邻单侧偶极子之间的电流相位差(Δφ＝k·π)和相邻单侧偶极子电气长度间距
Figure RE-GDA0002778980810000042
设计2×半波偶极子端射阵直线阵列天线；以同样的设计方法，设计3×，N×半波偶极子端射阵直线阵列天线。优选的，所述沿馈电网络二2长度方向均匀排列的单侧偶极子301数量为2-10。
在本发明的一项具体实施中，为了增强该太赫兹端射阵直线阵列天线增益，可以通过在相邻半波长电气长度整数倍的单侧偶极子之间插入M(M≥1)个半波偶极子天线。该太赫兹端射阵直线阵列天线具有对称设计结构，因此天线波束在空间分布上也是对称的，不会出现由于版图不对称而导致的波束偏转问题。
图1-图4为基于平面工艺的半波偶极子天线单元的示意图，上层金属设计图，底层金属设计图和过孔层设计图。图5-图8为的阵列单元数目N＝2、M＝1时构建的2×适用于平面工艺的基于半波偶极子天线的太赫兹端射阵直线阵列天线示意图，上层金属设计图，底层金属设计图和过孔层设计图。图9-图12为的阵列单元数目N＝3、M＝1时构建的2×适用于平面工艺的基于半波偶极子天线的太赫兹端射阵直线阵列天线示意图，上层金属设计图，底层金属设计图和过孔层设计图。
以图5至图8为例，对该阵列天线的结构和制备流程进行介绍。
如图5所示，阵列天线包括馈电网络一、馈电网络二、以及2个所述沿馈电网络二2长度方向均匀排列的单侧偶极子301，在2个单侧偶极子301之间设有 1个半波偶极子天线，半波偶极子天线与所述单侧偶极子301结构相同，长度在 0.001um-20cm之间，可以根据设计频率优化天线增益进行调整。所述的单侧偶极子301和半波偶极子天线均垂直设置于馈电网络二的两侧，单侧偶极子301 电流的相位差Δφ＝k·π，k为大于零的整数，单侧偶极子301电气长度间距
Figure RE-GDA0002778980810000051
λ为波长。
在本发明的一项具体实施中，如图13所示，所述的馈电网络二为直线型结构，每一层金属面上的单侧偶极子均垂直于对应金属面上的馈电网络二，且上层金属面上的单侧偶极子和下层金属面上的单侧偶极子朝向相反。每一层金属面上的最后一个单侧偶极子位于馈电网络二的末端。每一个偶极子天线单元3中的两个单侧偶极子的末端在馈电网络二2的宽度方向上的电气长度距离为λ/2，且上层金属面上的单侧偶极子和下层金属面上的单侧偶极子的长度相同。进一步的，馈电网络二的宽度为0.5mm，单侧偶极子的宽度为0.2mm。
图6至图8为该阵列天线的制备过程的设计图。所述的阵列天线采用双金属面PCB板制作而成，PCB板的双金属面上均刻蚀有共面的馈电网络一1、馈电网络二2和单侧偶极子301；上下两层金属面上的馈电网络一1通过金属化过孔 4相连接；位于PCB板双金属面相同位置的上下两个单侧偶极子301组成一个偶极子天线单元3。两个相邻单侧偶极子301中间设有一对半波偶极子天线302。
具体的，图6为上层金属设计图，图中的虚线框是为了更好的说明上层金属设计图中的馈电网络一1的组成部分。馈电网络一1由三部分结构构成，包括对称设置在两侧的两个第一矩形结构101和夹在两个第一矩形结构101中间的第二矩形结构102，其中第二矩形结构102与两个第一矩形结构101之间留有间隙；第二矩形结构102与馈电网络二2直接相连，两者宽度相等。
图7为下层金属设计图，其中馈电网络一1为一个整体，馈电网络二2与馈电网络一1直接相连。
图8为过孔层设计图，将上下层的馈电网络一通过金属化过孔相连接，位于 PCB板双金属面相同位置的上下两个单侧偶极子组成一个偶极子天线单元。
在本发明的一项具体实施例中，基于rogers 4350工艺分别制备单级偶极子天线、二级偶极子天线、三级偶极子天线，天线厚度均为0.245mm。采用制备的进行测试，与仿真数据做比较，结果如表1所示：
表1天线增益、带宽与阵列级数之间的关系
Figure RE-GDA0002778980810000061
从表1可见，天线阵列级数越高，天线增益越大，带宽越窄，方便根据应用场景进行调节，能够适用于各种场景。
以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于偶极子天线单元的太赫兹端射阵直线阵列天线，其特征在于，包括馈电网络一(1)、馈电网络二(2)、以及多个沿馈电网络二(2)长度方向均匀排列的单侧偶极子(301)，所述的单侧偶极子(301)垂直设置于馈电网络二(2)的两侧，相邻的单侧偶极子(301)电流的相位差Δφ＝k·π，k为大于零的整数，相邻单侧偶极子(301)之间的电气长度间距
Figure FDA0002697258650000011
λ为波长。
2.根据权利要求1所述的一种基于偶极子天线单元的太赫兹端射阵直线阵列天线，其特征在于，所述的阵列天线采用平面工艺制作而成，所述的平面工艺为PCB工艺、SiGeBiCMOS工艺以及CMOS工艺等半导体工艺中的任意一种。
3.根据权利要求2所述的一种基于偶极子天线单元的太赫兹端射阵直线阵列天线，其特征在于，所述的阵列天线采用双金属面PCB板制作而成，PCB板的双金属面上均刻蚀有共面的馈电网络一(1)、馈电网络二(2)和单侧偶极子(301)；
金属面上的馈电网络一和馈电网络二相连接，上下两层金属面上的馈电网络一通过金属化过孔相连接；位于PCB板双金属面相同位置的上下两个单侧偶极子(301)组成一个偶极子天线单元(3)。
4.根据权利要求3所述的一种基于偶极子天线单元的太赫兹端射阵直线阵列天线，其特征在于，所述的馈电网络二(2)为直线型结构，每一层金属面上的单侧偶极子(301)均垂直于对应金属面上的馈电网络二(2)，且上层金属面上的单侧偶极子和下层金属面上的单侧偶极子朝向相反。
5.根据权利要求4所述的一种基于偶极子天线单元的太赫兹端射阵直线阵列天线，其特征在于，每一层金属面上的最后一个单侧偶极子位于馈电网络二的末端。
6.根据权利要求4所述的一种基于偶极子天线单元的太赫兹端射阵直线阵列天线，其特征在于，每一个偶极子天线单元(3)中的两个单侧偶极子的末端在馈电网络二(2)的宽度方向上的电气长度距离为λ/2，且上层金属面上的单侧偶极子和下层金属面上的单侧偶极子的长度相同。
7.根据权利要求4所述的一种基于偶极子天线单元的太赫兹端射阵直线阵列天线，其特征在于，所述馈电网络二的宽度为0.001um-2cm，单侧偶极子的宽度为0.001um-2cm。
8.根据权利要求1所述的一种基于偶极子天线单元的太赫兹端射阵直线阵列天线，其特征在于，所述相邻单侧偶极子之间均匀设有1-5个半波偶极子天线(302)。
9.根据权利要求8所述的一种基于偶极子天线单元的太赫兹端射阵直线阵列天线，其特征在于，所述半波偶极子天线与所述单侧偶极子结构相同，长度在0.001um-20cm之间。
10.根据权利要求1所述的一种基于偶极子天线单元的太赫兹端射阵直线阵列天线，其特征在于，所述沿馈电网络二(2)长度方向均匀排列的单侧偶极子(301)数量为2-10。
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