CN113629391B - 新型低剖面贴片天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种新型低剖面贴片天线，包括：包括上层辐射结构和下层馈电结构；上层辐射结构包括：4片方形金属贴片作为上层金属贴片“田”字型排布于第一介质基片的上方，相邻两金属贴片之间设置有一定距离，且距离相等，4片方形金属贴片作为下层金属贴片位于第一介质基片的下方，且与4片上层金属贴片上下对应，每片上层方形金属贴片与其下端对应的下层金属贴片作为一组，通过3个金属柱连接，金属柱位于第一介质基片内，每组金属贴片对应的3个金属柱呈L型分布，且对应于距离4片方形金属贴片的中心点最近的一个顶角上。天线剖面可低至0.05λ0，λ0为中心频率波长，同时最大增益为8dBi，工作带宽可达27.5％。

Description

新型低剖面贴片天线
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种工作于毫米波频段的剖面可低至0.05λ0，同时带宽可达27.5％的新型低剖面贴片天线。
背景技术
贴片天线具有体积小、剖面低、方便加工，易于与其他电磁元器件集成等优势，广泛应用于5G毫米波无线通信领域。降低天线的剖面，有助于使天线的轮廓缩小，更好地实现载体与天线共形，以及减小天线的风阻等。因此，在保证天线良好性能的同时，对天线的小型化和低剖面的追求也是一项重要研究课题。然而传统的贴片天线存在着带宽较窄的不足，通常难以覆盖完整的一段5G通信频段。因此，设计一种具有宽频带的低剖面贴片天线对5G毫米波无线通信具有十分重要的意义。
发明内容
本发明提供了一种新型低剖面贴片天线，以解决现有技术中存在的缺陷。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
一种新型低剖面贴片天线，其特征在于，包括：包括上层辐射结构和下层馈电结构；
所述上层辐射结构包括第一介质基片、8片方形金属贴片和12个第一金属柱；
其中，4片相同的方形金属贴片作为上层金属贴片“田”字型排布于第一介质基片的上方，相邻两片金属贴片之间设置有一定距离，且距离相等，4片相同的方形金属贴片作为下层金属贴片位于第一介质基片的下方，每片上层方形金属贴片与其下端对应的下层金属贴片作为一组，通过3个金属柱连接，金属柱位于第一介质基片内，每组金属贴片对应的3个金属柱呈L型分布，且对应于距离4片上层金属贴片的中心点最近的一个顶角上；
下层馈电结构包括第二介质基片、背腔和第一基片集成同轴线，第二介质基片的上下覆盖金属层，背腔由上下金属层之间且位于第二介质基片中的金属化通孔围成，背腔为矩形，第一基片集成同轴线集成于第二介质基片中，第一基片集成同轴线末端开路，连接背腔，第一基片集成同轴线内的导体伸入背腔中，第二介质基片上端的金属层上刻蚀有第一耦合缝隙，所述第一耦合缝隙对应于背腔的内部位置，且第一耦合缝隙的中心点与上方辐射结构中4片方形金属贴片的中心点上下对应。
优选地，第二介质基片由两块相同的介质基片组成，第一基片集成同轴线集成于两块相同的介质基片中。
优选地，上层辐射结构和下层馈电结构通过胶接。
优选地，3个金属柱中，中间的金属柱和两边的距离相等。
优选地，4个下层金属贴要完全覆盖对应的3个金属柱下端。
优选地，上层辐射结构还可以为去掉所有下层金属贴片，通过将上层金属贴片连接的所有金属柱直接接地实现。
优选地，下层馈电结构还包括：第二介质基片上端的金属层上还刻蚀有与第一耦合缝隙大小相同第二耦合缝隙，且第二耦合缝隙的中心点与第一耦合缝隙的中心点交叉垂直，第二介质基片中还包括第二基片集成同轴线，第二基片集成同轴线末端开路，且位于第一基片集成同轴线相对于馈电结构旋转90°的位置，第二基片集成同轴线内的导体伸入背腔中。
由上述本发明的新型低剖面贴片天线提供的技术方案可以看出，本发明天线剖面较低，可低至0.05λ0，同时最大增益为8dBi，工作带宽可达27.5％，以及具有对称的方向图，较低的交叉极化水平；天线结构简单，易于加工，且成本较低。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例的低剖面贴片天线三维结构示意图；
图2为辐射结构分层结构示意图；
图3为辐射结构介质层俯视图；
图4为实施例的馈电结构分层结构示意图；
图5为馈电结构介质层俯视图；
图6为低剖面贴片天线反射系数结果以及增益结果图；
图7为低剖面贴片天线分别在25GHz，27GHz，29GHz频点处的方向图；
图8为直接接地的低剖面贴片天线侧视图；
图9为双极化低剖面贴片天线馈电结构示意图；
图10为双极化低剖面贴片天线整体结构示意图；
附图标记说明：
1第一介质基片2第二介质基片3金属层4上层金属贴片5金属柱6下层金属贴片7第一耦合缝隙8端口9导体10背腔11第一基片集成同轴线12第二耦合缝隙13第二馈电端口14第二导体15第二基片集成同轴线。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、元件、组件和/或它们的组。应该理解，这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且并不构成对本发明实施例的限定。
实施例
本实施例提供了一种新型低剖面贴片天线，包括：包括上层辐射结构和下层馈电结构。
图1为实施例的低剖面贴片天线三维结构示意图，图2为辐射结构分层结构示意图，参照图1和图2，上层辐射结构包括第一介质基片1、8片方形金属贴片4和12个第一金属柱5。
其中，4片相同的方形金属贴片作为上层金属贴片4“田”字型排布于第一介质基片1的上方，相邻两片金属贴片之间设置有一定的距离，且距离相等，4片相同的方形金属贴片作为下层金属贴片6位于第一介质基片1的下方，每片上层方形金属贴片与其下端对应的下层金属贴片6作为一组，通过3个金属柱5连接，金属柱5位于第一介质基片1内，每组金属贴片对应的3个金属柱呈L型分布，且对应于距离4片上层金属贴片4的中心点最近的一个顶角上，如图3所示。需要说明的是，下层金属贴片要完全覆盖对应3个金属柱下端。4个上层方形金属贴片4通过金属柱5的激励形成45°谐振模式，结合第一耦合缝隙7的谐振模式，可在获得较宽的工作频带以及对称的方向图。下层方形金属贴片6起到电容加载的作用，从而使天线不接地时具有良好的匹配。
其中，一定距离为0.9mm-1.3mm，优选地，一定距离为1mm。3个金属柱中，中间的金属柱和两边的距离相等，为0.6mm。
图4为本实施例的馈电结构分层结构示意图，图5为馈电结构介质层俯视图，参照图4和图5，下层馈电结构包括第二介质基片2、背腔10和第一基片集成同轴线11，第二介质基片2的上下覆盖金属层3，背腔10由上下金属层之间且位于第二介质基片2中的金属化通孔围成，背腔10为矩形，第一基片集成同轴线11集成于第二介质基片中，第一基片集成同轴线11末端连接背腔10，终端开路，第一基片集成同轴线11内的导体9伸入背腔10中，第二介质基片2上端的金属层上刻蚀有第一耦合缝隙7，第一耦合缝隙7对应于背腔的内部位置，且第一耦合缝隙7的中心点与上方辐射结构中4片方形金属贴片的中心点上下对应。电磁能量由端口8流入，由第一基片集成同轴线传输至背腔，再由第一耦合缝隙将能量耦合进辐射结构。通过介质基片1中的金属柱5传输激励贴片天线工作。
耦合缝隙7的宽度小于两个相邻贴片最近边的距离，耦合缝隙的长度为λ/2。示意性地，第二介质基片由两块相同的介质基片组成，第一基片集成同轴线11集成于两块相同的介质基片中。
具体地，本实施例中的上层辐射结构和下层馈电结构通过胶接。
需要说明的是，上层辐射结构还可以为去掉所有下层金属贴片6，通过将上层金属贴片4连接的所有金属柱5直接接地实现，如图8所示。
由于上层辐射结构的对称性，将下层馈电结构旋转90°组成正交馈电网络，可实现天线双极化特性。具体如图9和图10所示，下层馈电结构还包括：第二介质基片2上端的金属层上还刻蚀有与第一耦合缝隙7大小相同第二耦合缝隙，且第二耦合缝隙的中心点与第一耦合缝隙的中心点交叉垂直，第二介质基片2中还包括第二基片集成同轴线15，第二基片集成同轴线15末端开路，且位于第一基片集成同轴线11相对于馈电结构旋转90°的位置，第二基片集成同轴线15内的第二导体15伸入背腔中。电磁能量由端口8和第二馈电端口13流入
图6为低剖面贴片天线反射系数S11结果以及增益结果图，从图6中可以看出天线在23.8-31.2GHz频带内|S11|小于-10dB，与现有低剖面天线相比较具有较宽的频带，天线增益在工作频带内稳定在7.5dBi左右。图7为低剖面贴片天线分别在25GHz，27GHz，29GHz频点处的方向图，如图7所示，天线在25GHz，27GHz，29GHz频点处E面和H面方向图基本一致，后向辐射均小于-25dB，交叉极化小于-40dB，图中不显示。
本领域技术人员应能理解，图1仅为简明起见而示出的元素的数量可能小于一个实际天线中的数量，但这种省略无疑是以不会影响对发明实施例进行清楚、充分的公开为前提的。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种新型低剖面贴片天线，其特征在于，包括：包括上层辐射结构和下层馈电结构；
所述上层辐射结构包括第一介质基片、8片方形金属贴片和12个第一金属柱；
其中，4片相同的方形金属贴片作为上层金属贴片“田”字型排布于第一介质基片的上方，相邻两片金属贴片之间设置有一定距离，且距离相等，4片相同的方形金属贴片作为下层金属贴片位于第一介质基片的下方，每片上层方形金属贴片与其下端对应的下层金属贴片作为一组，通过3个金属柱连接，金属柱位于第一介质基片内，每组金属贴片对应的3个金属柱呈L型分布，且对应于距离4片上层金属贴片的中心点最近的一个顶角上；
下层馈电结构包括第二介质基片、背腔和第一基片集成同轴线，第二介质基片的上下覆盖金属层，背腔由上下金属层之间且位于第二介质基片中的金属化通孔围成，背腔为矩形，第一基片集成同轴线集成于第二介质基片中，第一基片集成同轴线末端开路，连接背腔，第一基片集成同轴线内的导体伸入背腔中，第二介质基片上端的金属层上刻蚀有第一耦合缝隙，所述第一耦合缝隙对应于背腔的内部位置，且第一耦合缝隙的中心点与上方辐射结构中4片方形金属贴片的中心点上下对应。
2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，第二介质基片由两块相同的介质基片组成，第一基片集成同轴线集成于两块相同的介质基片中。
3.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，上层辐射结构和下层馈电结构通过胶接。
4.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述3个金属柱中，中间的金属柱和两边的距离相等。
5.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述4个下层金属贴片要完全覆盖对应的3个金属柱下端。
6.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述上层辐射结构还可以为去掉所有下层金属贴片，通过将上层金属贴片连接的所有金属柱直接接地实现。
7.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述下层馈电结构还包括：第二介质基片上端的金属层上还刻蚀有与第一耦合缝隙大小相同第二耦合缝隙，且第二耦合缝隙与第一耦合缝隙交叉垂直，第二耦合缝隙的中心点与第一耦合缝隙的中心点重合，第二介质基片中还包括第二基片集成同轴线，第二基片集成同轴线末端开路，且位于第一基片集成同轴线相对于馈电结构旋转90°的位置，第二基片集成同轴线内的导体伸入背腔中。
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