CN112886246B - 一种平面集成的微波毫米波共口径边射天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种平面集成的微波毫米波共口径边射天线，包括：毫米波贴片天线阵列，由四个高频辐射金属贴片按方形阵列排布设置在第一基板上形成；微波天线阵列，由四个低频辐射金属贴片按方形阵列排布设置在所述第一基板上形成；SIW功分结构，包括第一金属通孔结构、第二金属通孔结构、第三金属通孔结构、第一金属层以及第二金属层；金属地；以及低频馈电微带线。本发明的一种平面集成的微波毫米波共口径边射天线，将毫米波贴片天线阵列共面嵌入微波天线之中，利用SIW功分结构可以实现高效率馈电，能有效克服大频率比共口径边射天线设计中所存在的微波天线与毫米波天线“基片厚度不对等”问题，从而实现高低频天线的平面集成。

Description

一种平面集成的微波毫米波共口径边射天线

技术领域

本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种平面集成的微波毫米波共口径边射天线。

背景技术

随着5G技术的飞速发展，频段数量的增加以及性能指标的提升，给高度追求小型化和轻薄化的无线终端设备造成了前所未有的设计挑战。终端天线面临着如何在本已十分受限的空间内对新增的微波频段天线与毫米波频段天线阵列进行设计集成这一显著问题。其中，微波天线须在实现宽带或双频带的同时具备极低的剖面高度以满足设备的轻薄化需求。为了克服较高的传输损耗，毫米波天线须以阵列形式实现，增益通常要在10dBi以上。可以预测，该问题还将随着更多微波及毫米波新增频谱的纳入(如广电的700MHz频段，毫米波WLAN的45GHz、60GHz等频段、卫星通信网的Ka/Q/V等频段)而变得愈发棘手。微波/毫米波共口径天线技术是解决上述问题的一条有效途径，通过实现微波天线与毫米波阵列的物理口径共享，可以大大减小待集成天线的实际“占地面积”，从而有效缓解终端设备的空间布局压力。在此背景下，设计一款微波毫米波共口径天线具有重要的研究意义和应用价值。

随着各类无线终端快速发展，其内部要集成越来越多的微波与毫米波频段天线的迫切需求促使研究人员和工程师开始关注微波/毫米波共口径天线的研究与开发。目前，天线共口径的方式主要有四种，第一种是通过将两副不同频率的天线相邻放置来实现，这种共口径天线实现形式对空间的利用效率并不高；第二种是高低频天线的层叠放置，例如毫米波天线放置在微波天线的上方，但是这种天线的剖面过高，并且往往在天线结构中间存在空气层，导致无法实现一个较高的集成度；第三种是基于模式复合结构的微波/毫米波共口径天线，模式复合结构是指将经典的双导体传输线例如微带线、带状线、共面波导等的一个导体利用基片集成波导SIW来替换，从而实现低频信号走经典传输线，而高频信号走SIW的微波/毫米波双模传输结构，但是这类结构更适用于端射天线设计，如用于边射天线设计则往往存在高低频天线的带宽较窄问题；第四种是嵌入式结构，即将毫米波天线嵌入到微波天线中间，这种技术具备极佳的高低频独立设计能力，因此极具应用潜力。然而，目前针对嵌入式结构的研究还不够深入，已发表的基于嵌入式结构的天线仅仅是将单个毫米波天线嵌入到传统的微带贴片天线当中，存在毫米波天线增益较低和微波天线带宽较窄的问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种平面集成的微波毫米波共口径边射天线，将毫米波贴片天线阵列共面嵌入微波天线之中，利用SIW功分结构可以实现高效率馈电，能有效克服大频率比共口径边射天线设计中所存在的微波天线与毫米波天线“基片厚度不对等”问题，从而实现高低频天线的平面集成。

为了实现以上目的，本发明采取的一种技术方案是：

一种平面集成的微波毫米波共口径边射天线，包括：毫米波贴片天线阵列，由四个高频辐射金属贴片按方形阵列排布设置在第一基板上形成；微波天线阵列，由四个低频辐射金属贴片按方形阵列排布设置在所述第一基板上形成，所述低频辐射金属贴片围城了方形区间，所述高频辐射金属贴片位于所述方形区间内；SIW功分结构，包括第一金属通孔结构、第二金属通孔结构、第三金属通孔结构、第一金属层以及第二金属层，所述第一金属通孔结构为设于所述第一基板上的金属化通孔结构，所述第二金属通孔结构为设于第二基板上的金属化通孔结构，所述第三金属通孔结构为设于第三基板上的金属化通孔结构，所述第二基板位于所述第一基板远离所述低频辐射金属贴片的一面，所述设置在所述第一基板与所述第二基板之间，所述第三基板位于所述第二基板远离所述第一基板的一面，所述第二金属层设置在所述第二基板与所述第三基板之间，所述第三基板上设有第一馈电孔，所述第一馈电孔与同轴的内导体连接；金属地，设置在第四基板上，所述第四基板设置所述第三基板远离所述第二基板的一面，所述金属地位于所述第三基板与所述第四基板之间，所述第四基板上设有第二馈电孔，所述第二馈电孔与同轴的外导体连接；以及低频馈电微带线，设置在所述第四基板远离所述第三基板的一面。

进一步地，所述第一金属层以及所述第二金属层为方形，所述第一金属层上设有两组长缝；所述第二金属层上设有一组长缝，三组长缝在水平面的投影互不重叠且轴线相互平行。

进一步地，所述金属地上设有两个工字缝，两个所述工字缝分别位于所述第二馈电孔的两侧。

进一步地，所述第一基板、所述第二基板以及所述第三基板的介电常数为2.55，损耗角为0.0019；所述第四基板的介电常数3.55，损耗角为0.0027。

进一步地，所述高频辐射金属贴片为方形，每个所述高频辐射金属贴片上设有两个相对设置的T型缝。

进一步地，所述低频辐射金属贴片具有直倒角。

进一步地，所述第一金属通孔结构、所述第二金属通孔结构以及所述第三金属通孔结构由若干个设置在所述第一基板、所述第二基板以及所述第三基板上的金属通孔排列成，所述第一金属通孔结构为方形，且所述第一金属通孔的方形框内设有相对设置的T字通孔结构，所述第二金属通孔结构为方形，且所述第二金属通孔的方形框内设有与方形框的其中一边平行的两一字型通孔；所述第三金属通孔为T型通孔结构，所述第一馈电孔位于所述T型通孔结构内。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

(1)本发明的一种平面集成的微波毫米波共口径边射天线，将毫米波贴片天线阵列共面嵌入微波天线之中，利用SIW功分结构的高通特性使得本发明具有极高的高低频隔离度，同时SIW功分结构可以实现高效率馈电，能有效克服大频率比共口径边射天线设计中所存在的微波天线与毫米波天线“基片厚度不对等”问题，从而实现高低频天线的平面集成。

(2)本发明的一种平面集成的微波毫米波共口径边射天线，在微波天线阵列中本发明引入了微带多低频辐射金属贴片结构，使得低频辐射金属贴片与馈电缝隙及金属贴片之间形成“松”耦合，从而在极低剖面高度的条件下实现了宽带效果，对低频辐射金属贴片进行了切角，延长了电流路径，在一定程度上缩减了贴片尺寸。

(3)本发明的一种平面集成的微波毫米波共口径边射天线，具有高低频隔离度高、剖面低、集成度高(由多层PCB板实现)等优异特性，极具实用价值。

附图说明

下面结合附图，通过对本发明的具体实施方式详细描述，将使本发明的技术方案及其有益效果显而易见。

图1所示为本发明一实施例的平面集成的微波毫米波共口径边射天线的结构图；

图2所示为本发明一实施例的高频辐射金属贴片与低频辐射金属贴片的位置关系图；

图3～5所示分别为本发明一实施例的第一金属通孔结构、第二金属通孔结构、第三金属通孔结构的结构图；

图6所示为本发明一实施例的金属地的结构图；

图7所示为本发明一实施例的第一金属层的结构图；

图8所示为本发明一实施例的第二金属层的结构图；

图9所示为本发明一实施例的平面集成的微波毫米波共口径边射天线在3.55GHz频段天线的|S₁₁|和增益的仿真结果；

图10所示为本发明一实施例的平面集成的微波毫米波共口径边射天线在28GHz频段天线的反射系数和增益的仿真结果；

图11所示为本发明一实施例的平面集成的微波毫米波共口径边射天线在(a)3.4GHz(b)3.7GHz方向图天线的仿真方向图；

图12所示为本发明一实施例的平面集成的微波毫米波共口径边射天线在(a)27GHz(b)29GHz天线的仿真方向图。

图中附图标记：

11高频辐射金属贴片、111T型缝、12低频辐射金属贴片、2第一基板、21第一金属通孔结构、3第一金属层、4第二基板、41第二金属通孔结构、5第二金属层、6第三基板、61第三金属通孔结构、62第一馈电孔、7第四基板、8金属地、81第二馈电孔、82工字缝、9低频馈电微带线。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域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。

本实施例提供了一种平面集成的微波毫米波共口径边射天线，如图1所示，包括毫米波贴片天线阵列、微波天线阵列、SIW功分结构、金属地8以及低频馈电微带线9，所述毫米波贴片天线阵列以及所述微波天线阵列设置在第一基板2上，所述SIW功分结构由设置在所述第一基板2上的第一金属通孔结构21、第二基板4上的第二金属通孔结构41以及第三基板6上的第三金属通孔结构61组成。所述第一基板2与所述第二基板4之间设置第一金属层3，所述第二基板4与所述第三基板6之间设置第二金属层5。所述金属地8设置在第四基板7上，所述低频馈电微带线9设置在所述第四基板7远离所述第三基板6的一面。

如图2所示，所述毫米波贴片天线阵列由四个高频辐射金属贴片11按方形阵列排布设置在第一基板2上形成。所述高频辐射金属贴片11为方形，每个所述高频辐射金属贴片11上设有两个相对设置的T型缝111。所述微波天线阵列由四个低频辐射金属贴片12按方形阵列排布设置在所述第一基板2上形成，所述低频辐射金属贴片12围城了方形区间，所述高频辐射金属贴片11位于所述方形区间内。所述低频辐射金属贴片12具有直倒角。在毫米波贴片天线阵列中本发明采用了2×2所述高频辐射金属贴片11，可以获得较高的辐射增益，通过对所述高频辐射金属贴片11进行开槽，可以获得两个工作模式从而实现宽带。

所述SIW功分结构用于实现一分四的垂直公分。SIW功分结构，包括第一金属通孔结构21、第二金属通孔结构41、第三金属通孔结构61、第一金属层3以及第二金属层5，所述第一金属通孔结构21为设于所述第一基板2上的金属化通孔结构，所述第二金属通孔结构41为设于第二基板4上的金属化通孔结构，所述第三金属通孔结构61为设于第三基板6上的金属化通孔结构，所述第二基板4位于所述第一基板2远离所述低频辐射金属贴片12的一面，所述第一基板2与所述第二基板4之间设置所述第一金属层3，所述第三基板6位于所述第二基板4远离所述第一基板2的一面，所述第二基板4与所述第三基板6之间设置所述第二金属层5，所述第三基板6上设有第一馈电孔62，所述第一馈电孔62与同轴的内导体连接。所述第一基板2、所述第二基板4以及所述第三基板6的介电常数为2.55，损耗角为0.0019；所述第四基板7的介电常数3.55，损耗角为0.0027。

如图3～5所示，所述第一金属通孔结构21、所述第二金属通孔结构41以及所述第三金属通孔结构61由若干个设置在所述第一基板2、所述第二基板4以及所述第三基板6上的金属通孔排列成，所述第一金属通孔结构21为方形，且所述第一金属通孔的方形框内设有相对设置的T字通孔结构，所述第二金属通孔结构为方形，且所述第二金属通孔的方形框内设有与方形框的其中一边平行的两一字型通孔；所述第三金属通孔为T型通孔结构，所述第一馈电孔62位于所述T型通孔结构内。

所述第四基板7设置所述第三基板6远离所述第二基板4的一面，所述金属地8位于所述第三基板6与所述第四基板7之间，所述第四基板7上设有第二馈电孔81，所述第二馈电孔81与同轴的外导体连接。如图6所示，所述金属地8上设有两个工字缝82，两个所述工字缝82分别位于所述第二馈电孔81的两侧，所述工字缝82用于低频的缝隙馈电。

如图7～8所示，所述第一金属层3以及所述第二金属层5为方形，所述第一金属层3上设有两组长缝。所述第二金属层5上设有一组长缝，三组长缝在水平面的投影互不重叠且轴线相互平行。每组长缝由两个长方形的窄缝组成。

使用时，在毫米波频段，四个方形阵列所述高频辐射金属贴片11用于高频辐射。通过两个谐振腔对底层馈入的射频激励信号进行了一分四的垂直功分。所述金属地8、所述第二金属层5与所述SIW功分结构构成第一谐振腔，所述金属地8、所述第一金属层3与所述SIW功分结构构成第二谐振腔。同轴外导体与所述金属地8连接，内导体与所述第三基板6上的第一馈电孔62连接，将射频激励信号从底层馈入第一谐振腔，同时能量从所述第二金属层5上的两个长方形的窄缝漏出，对第二谐振腔进行馈电。最后能量通过所述第一金属层3上的四个窄缝隙给所述高频辐射金属贴片11馈电，形成了一分四的垂直功分馈电，实现了28GHz毫米波频段天线阵列的工作。

在微波频段，所述第一基板2、所述第二基板4和所述第三基板6一起构成了低频的介质基板，所述低频辐射金属贴片12用于低频辐射，射频激励信号由底层的所述低频馈电微带线9馈入，所述低频馈电微带线9通过T型结一分为二，将信号分别等幅同相馈至所述金属地8上两侧的所述工字缝82，每一路信号能量通过其对应的所述工字缝82对位于其正上方的两个所述低频辐射金属贴片12进行耦合馈电，实现了3.5GHz微波频段天线的工作。

实施例1

所述第一基板2、所述第二基板4、所述第三基板6的介电常数为2.55，损耗角为0.0019，厚度分别为0.8mm、0.8mm、1.58mm，所述第四基板7的介电常数为3.55，损耗角为0.0027，厚度为0.508mm。

整体剖面高度3.688mm(～0.04λ0@3.5GHz)，平面尺寸41mm×41mm(～0.48×0.48λ02@3.5GHz)。

天线的传输响应和辐射响应如图9～12所示，对于|S11|≤-10dB，带宽范围为3.3-3.8GHz，26.5-29.5GHz，可见很好的覆盖5G的n78频段和n257频段，频带内增益分别为8dBi，14dBi以上。是在3.55GHz与28GHz处的天线仿真方向图，交叉极化优于20dB。

本方案提出的微波毫米波共口径边射天线可以有效的进行共面集成，其中微波天线能覆盖5G的n78频段(3.3-3.8GHz)，毫米波天线能覆盖5G的n257频段(26.5-29.5GHz)。

以上所述仅为本发明的示例性实施例，并非因此限制本发明专利保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种平面集成的微波毫米波共口径边射天线，其特征在于，包括：

毫米波贴片天线阵列，由四个高频辐射金属贴片(11)按方形阵列排布设置在第一基板(2)上形成；

微波天线阵列，由四个低频辐射金属贴片(12)按方形阵列排布设置在所述第一基板(2)上形成，所述低频辐射金属贴片(12)围城了方形区间，所述高频辐射金属贴片(11)位于所述方形区间内；

SIW功分结构，包括第一金属通孔结构(21)、第二金属通孔结构(41)、第三金属通孔结构(61)、第一金属层(3)以及第二金属层(5)，所述第一金属通孔结构(21)为设于所述第一基板(2)上的金属化通孔结构，所述第二金属通孔结构(41)为设于第二基板(4)上的金属化通孔结构，所述第三金属通孔结构(61)为设于第三基板(6)上的金属化通孔结构，所述第二基板(4)位于所述第一基板(2)远离所述低频辐射金属贴片(12)的一面，所述第一金属层(3)设置在所述第一基板(2)与所述第二基板(4)之间，所述第三基板(6)位于所述第二基板(4)远离所述第一基板(2)的一面，所述第二金属层(5)设置在所述第二基板(4)与所述第三基板(6)之间，所述第三基板(6)上设有第一馈电孔(62)，所述第一馈电孔(62)与同轴的内导体连接；

金属地(8)，设置在第四基板(7)上，所述第四基板(7)设置所述第三基板(6)远离所述第二基板(4)的一面，所述金属地(8)位于所述第三基板(6)与所述第四基板(7)之间，所述第四基板(7)上设有第二馈电孔(81)，所述第二馈电孔(81)与同轴的外导体连接；以及

低频馈电微带线(9)，设置在所述第四基板(7)远离所述第三基板(6)的一面；

所述第一金属层(3)以及所述第二金属层(5)为方形，所述第一金属层(3)上设有两组长缝；所述第二金属层(5)上设有一组长缝，三组长缝在水平面的投影互不重叠且轴线相互平行；

所述金属地(8)上设有两个工字缝(82)，两个所述工字缝(82)分别位于所述第二馈电孔(81)的两侧。

2.根据权利要求1所述的平面集成的微波毫米波共口径边射天线，其特征在于，所述第一基板(2)、所述第二基板(4)以及所述第三基板(6)的介电常数为2.55，损耗角为0.0019；所述第四基板(7)的介电常数3.55，损耗角为0.0027。

3.根据权利要求1所述的平面集成的微波毫米波共口径边射天线，其特征在于，所述高频辐射金属贴片(11)为方形，每个所述高频辐射金属贴片(11)上设有两个相对设置的T型缝(111)。

4.根据权利要求1所述的平面集成的微波毫米波共口径边射天线，其特征在于，所述低频辐射金属贴片(12)具有直倒角。

5.根据权利要求1所述的平面集成的微波毫米波共口径边射天线，其特征在于，所述第一金属通孔结构(21)、所述第二金属通孔结构(41)以及所述第三金属通孔结构(61)由若干个设置在所述第一基板(2)、所述第二基板(4)以及所述第三基板(6)上的金属通孔排列成，所述第一金属通孔结构(21)为方形，且所述第一金属通孔的方形框内设有相对设置的T字通孔结构，所述第二金属通孔结构为方形，且所述第二金属通孔的方形框内设有与方形框的其中一边平行的两一字型通孔；所述第三金属通孔为T型通孔结构，所述第一馈电孔(62)位于所述T型通孔结构内。

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