CN112448157B - 基于多层pcb的毫米波集成对数周期天线 - Google Patents

基于多层pcb的毫米波集成对数周期天线 Download PDF

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    • H01Q9/04—Resonant antennas

Abstract

本发明提供了一种基于多层PCB的毫米波超宽带对数周期天线，包括：多层PCB介质基板、天线辐射体、金属化通孔、微带馈线，金属化通孔设置在PCB介质基板内；多层PCB介质基板叠堆设置，多层PCB介质基板包括一馈电层介质基板、设置在馈电层介质基板上方的多个第一基板以及设置在馈电层介质基板下方的第二基板；多个第一基板的上表面均设置有辐射枝节，相邻的两个第一基板的金属化通孔通过辐射枝节连接；馈电层介质基板上方敷铜层蚀刻出扇形缝隙与设置于馈电层介质基板下方的微带馈线耦合进行馈电；最底层的第二基板形成AMC结构。本发明使用多层PCB结构，使得天线在组阵时还具有低剖面、易于集成等优点。

Description

基于多层PCB的毫米波集成对数周期天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，具体地，涉及一种基于多层PCB的毫米波超宽带对数周期天线。
背景技术
现在的无线通信技术正在快速发展来满足人们对信息需求。随着5G时代的到来，毫米波频段逐渐被越来越多的利用，毫米波天线的设计就变得非常的需要。而毫米波超宽带天线可以减少大量天线的使用，从而减小了无线通信系统的体积。国内外在毫米波超宽带天线方向也有大量的工作。本发明是对对数周期天线进行改进应用于毫米波超宽带。对数周期天线的设计目前已有大量工作报道，然而还没有对本设计的思路的报道。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于多层PCB的毫米波超宽带对数周期天线。
根据本发明提供的一种基于多层PCB的毫米波超宽带对数周期天线，包括：多层PCB介质基板、天线辐射体、金属化通孔、微带馈线，其中：
金属化通孔设置在PCB介质基板内；
多层PCB介质基板叠堆设置，多层PCB介质基板包括一馈电层介质基板、设置在馈电层介质基板上方的多个第一基板以及设置在馈电层介质基板下方的第二基板；
多个第一基板的上表面均设置有辐射枝节，相邻的两个第一基板的金属化通孔通过辐射枝节连接；
馈电层介质基板上方敷铜层蚀刻出扇形缝隙与设置于馈电层介质基板下方的微带馈线耦合进行馈电；
最底层的第二基板形成AMC结构。
优选地，所述第一基板的尺寸小于馈电层介质基板和第二基板的尺寸，所述馈电层介质基板和第二基板的尺寸相同。
优选地，每个第一基板上设置有两对金属化通孔，且多层金属化通孔在竖直方向的位置相同。
优选地，多个第一基板的厚度不同。
优选地，所述AMC结构包括蘑菇型AMC结构。
优选地，自下而上方向，设置在第一基板上的辐射枝节的长度递减。
优选地，所述两对金属化通孔对称设置在第一基板的左右两侧。
优选地，所述微带馈线设置在馈电层介质基板和馈电层介质基板下方的第二基板之间。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明的天线辐射体具有物理尺寸小，易于集成等优点。
2、本发明可以通过增加PCB板的层数以改变天线的阶数实现更宽的带宽。
3、本发明通过天线辐射体采用微带巴伦结构馈电，相较于SIW馈电等其他馈电方式不会受到截止频率的影响。
4、本发明的介质基板的尺寸不同，有助于通过增大介质基板的尺寸减少后瓣，同时提高匹配度。
5、本发明利用AMC结构，减小天线的后瓣，提高天线的增益。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1、图2和图3为本发明提供的基于多层PCB的毫米波超宽带对数周期天线的结构示意图。
图4为本发明提供的实施例的基于多层PCB的毫米波超宽带对数周期天线的S11参数示意图。
图5为本发明提供的实施例的基于多层PCB的毫米波超宽带对数周期天线在34GHz，E面与H面的实增益方向的示意图。
图6为本发明提供的实施例的基于多层PCB的毫米波超宽带对数周期天线在40GHz，E面与H面的实增益方向的示意图。
图7为本发明提供的实施例的基于多层PCB的毫米波超宽带对数周期天线在46GHz，E面与H面的实增益方向的示意图。
图8为本发明提供的实施例的基于多层PCB的毫米波超宽带对数周期天线的实增益的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1至图8所示，根据本发明提供的一种基于多层PCB的毫米波超宽带对数周期天线，包括多层PCB介质基板、天线辐射体、金属化通孔、微带馈线，为方便描述，建立一空间直角坐标系o-xyz包括：原点o、x轴、y轴、z轴。本发明包括介质基板1-8，自上而下依次设置，介质基板1-8平行于空间直角坐标系o-xyz的xoy面。不同的介质基板的厚度不同，如图1所述，介质基板的厚度h1＝0.381mm，h2＝h3＝0.508mm，h4＝h5＝h6＝h7＝0.127mm，h8＝0.787mm。介质基板的介电常数r＝2.2，介质基板的损耗角tanδ＝0.02。介质基板1-5的尺寸相同，优选地长度Lp＝10mm，宽度Wp＝5mm。介质基板6-8的尺寸相同，优选地长度L＝14mm，宽度W＝9mm，介质基板均为矩形。介质基板1-5和6-8的大小不同，6-8介质基板的尺寸较大，一定程度上通过增大地板的尺寸减小了方向图的后瓣，同时也有助于提高匹配。
所述天线辐射体平行设置于介质基板上表面，天线辐射体包括：主要由微带矩形枝节组成的对数周期天线；所述金属化通孔用于连接天线的各个枝节，穿过各层介质基板，与馈线连接的则用于激励辐射体；所述天线辐射体采用微带巴伦结构馈电；相较于SIW馈电不会受到截止频率的影响。
所述两个对数周期天线单元沿空间直角坐标系y轴呈轴对称排列组成阵列；对数周期天线的辐射枝节的短边与y轴平行，长边与x轴平行；本实施例中，对数周期天线的阶数为4阶，由图1所示的辐射枝节P1-P4，介质基板1-5以及金属化通孔构成，其中PL用于连接3、4两个不同厚度的介质基板的金属化通孔，自下而上天线的辐射枝节的长度逐渐减小；各层的辐射枝节的宽度均为0.7mm,通孔之间的距离为0.9mm,辐射枝节的长度由长到短依次为l1＝2.4mm，l2＝1.4mm，l3＝1.2mm，l4＝1.0mm。2个对数周期天线单元沿空间直角坐标系y轴方向轴对称排列，由两个端口进行同相馈电。不同阶的辐射枝节蚀刻于不同厚度的介质板上，辐射枝节与辐射枝节之间通过金属化通孔连接。
最底层为图1所示的蘑菇型AMC结构，用于减小天线的后瓣，提高天线的增益；
馈电层的设计通过微带巴伦结构实现单元天线的差分馈电，具体的，介质基板6为馈电层介质基板，馈电层介质基板上方的敷铜层蚀刻出扇形缝隙，在馈电层介质基板另一面由微带馈线进行耦合馈电，形成微带巴伦结构，进而对整个天线馈电。微带线位于介质基板6、7之间，微带馈线通过短路针与上层敷铜面连接。扇形缝隙可以有效地拓宽馈电结构的工作带宽，实现超宽带传输；扇形缝隙的半径为频率的四分之一工作波长。
所述金属化通孔穿过介质基板，用于辐射激励同时连接各PCB层的辐射枝节。
更为详细的，当天线工作于某一频率时，天线会有一个“有效区”，由接近半波长的振子组成。其中长度等于半波长的振子为主振子，其输入阻抗近似于纯电阻，使其电流明显比其他的振子大。而较长的振子则相当于一个反射器，使得合成场的最大方向指向较短的振子的方向。
下面通过优选的或变化的实施例对本发明进行更为具体地说明。
实施例：
针对超宽带的无线通信系统工作天线，本实施例设计了一种基于多层PCB的易于集成的毫米波超宽带阵列天线，可用于无线通信系统。该天线可覆盖32.5-46.5GHz的频段，也可优化设计，覆盖更宽的频段。该天线主要包括辐射体，介质基底金属地平面和微带巴伦馈电等结构。
天线辐射体是由多层PCB并由短路针连接不同的辐射枝节构成。辐射枝节的最大长度近似于最低频点的半波长；最小长度近似于最高频点的半波长。
上述实施例所涉及的毫米波超宽带对数周期阵列天线，其示意图如图1所示。
天线工作过程是，激励源通过巴伦馈电。此时天线会有一个“有效区”，由接近半波长的振子组成。其中长度等于半波长的振子为主振子，其输入阻抗近似于纯电阻，使其电流明显比其他的振子大。而较长的振子则相当于一个反射器，使得合成场的最大方向指向较短的振子的方向。
本发明设计了一种基于多层PCB的毫米波超宽带对数周期天线，可用于无线通信系统。该天线体积仅为14mm×9mm×2.7mm，可覆盖32.5-46.5GHz的频带。
如图1所示，为所述天线的物理结构示意图。阵列总共由两个天线单元组成。介质基板采用Rogers5880，地平面长宽为14×9mm。
所述天线的S11参数如图4所示。
图5至图7分别为上述天线的34GHz,40GHz，42GHz的实增益方向图。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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申请和简化描述，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申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (4)

1.一种基于多层PCB的毫米波超宽带对数周期阵列天线，其特征在于，包括：多层PCB介质基板、天线辐射体、金属化通孔、微带馈线，其中：
金属化通孔设置在PCB介质基板内；
多层PCB介质基板叠堆设置，多层PCB介质基板包括一馈电层介质基板、设置在馈电层介质基板上方的多个第一基板以及设置在馈电层介质基板下方的第二基板；
多个第一基板的上表面均设置有辐射枝节，相邻的两个第一基板的金属化通孔通过辐射枝节连接；
馈电层介质基板上方敷铜层蚀刻出扇形缝隙与设置于馈电层介质基板下方的微带馈线耦合进行馈电；
最底层的第二基板形成AMC结构；
多个第一基板的厚度不同；
介质基板的介电常数r＝2.2，介质基板的损耗角tanδ＝0.02；第一基板尺寸相同，长度Lp＝10mm，宽度Wp＝5mm；所述馈电层介质基板与第二基板尺寸相同，长度L＝14mm，宽度W＝9mm，介质基板均为矩形；
所述AMC结构包括蘑菇型AMC结构；
所述天线辐射体平行设置于介质基板上表面，天线辐射体包括：主要由微带矩形枝节组成的对数周期天线；所述天线辐射体采用微带巴伦结构馈电；
所述多层PCB介质基板平行于空间直角坐标系o-xyz的xoy面；两个对数周期天线单元沿空间直角坐标系y轴呈轴对称排列组成阵列，由两个端口进行同相馈电，每个第一基板上设置有两对金属化通孔，且多层金属化通孔在竖直方向的位置相同；对数周期天线的辐射枝节的短边与y轴平行，长边与x轴平行；对数周期天线的阶数为4阶；自下而上方向，设置在第一基板上的辐射枝节的长度递减，各层的辐射枝节的宽度均为0.7mm ,通孔之间的距离为0.9mm ,辐射枝节的长度由长到短依次为l1＝2.4mm，l2＝1.4mm，l3＝1.2mm，l4＝1.0mm。
2.根据权利要求1所述的基于多层PCB的毫米波超宽带对数周期阵列天线，其特征在于，所述第一基板的尺寸小于馈电层介质基板和第二基板的尺寸，所述馈电层介质基板和第二基板的尺寸相同。
3.根据权利要求1所述的基于多层PCB的毫米波超宽带对数周期阵列天线，其特征在于，所述两对金属化通孔对称设置在第一基板的左右两侧。
4.根据权利要求1所述的基于多层PCB的毫米波超宽带对数周期阵列天线，其特征在于，所述微带馈线设置在馈电层介质基板和馈电层介质基板下方的第二基板之间。
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