CN113659324A - 一种三频四分之一模基片集成波导天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三频四分之一模基片集成波导天线，包括介质板，所述介质板的顶部放置有三个的金属贴片单元，三个所述金属贴片单元相邻放置，所述介质板的低部设置有金属地板，任一所述金属贴片单元靠近其他两个金属贴片单元的两个侧边均开有半圆孔，相邻两个金属贴片单元侧边上的半圆孔相对，所述金属贴片单元上设置有馈电端口。提高了全模式基片集成波导天线的集成度，减小了全模式基片集成波导天线的尺寸。

Description

一种三频四分之一模基片集成波导天线
技术领域
本发明属于波导天线技术领域，涉及一种三频四分之一模基片集成波导天线。
背景技术
随着5G通信的快速发展，作为通信前端的天线系统前得到了长足的进步，尤其是sub-6频段在商用领域发展十分迅速，许多研究人员对于其n41(2515-2675MHz)、n78(3400-3600MHz)和n79(4800-4900MHz)等频段的研究取得了很多的成果。另一方面，由于尺寸的限制，需要在同一个天线上同时实现多频和小型化设计，这给了研究者不小的挑战。
基片集成波导基片集成波导(SIW)的出现满足了人们对于低剖面天线的需求，这种形式的天线结构简单，具有较高的Q值和方向性，便于和系统进行集成。为了实现紧凑结构，二分之一模或者四分之一模基片集成波导结构被用来设计天线。
发明内容
本发明的目的是提供一种三频四分之一模基片集成波导天线，提高了全模式基片集成波导天线的集成度，减小了全模式基片集成波导天线的尺寸。
本发明所采用的技术方案是，一种三频四分之一模基片集成波导天线，包括介质板，介质板的顶部放置有三个的金属贴片单元，三个金属贴片单元相邻放置，介质板的低部设置有金属地板，任一金属贴片单元靠近其他两个金属贴片单元的两个侧边均开有半圆孔，相邻两个金属贴片单元侧边上的半圆孔相对，金属贴片单元上设置有馈电端口。
本发明的特点还在于：
金属贴片单元上均刻蚀一个条带性缝隙。
三个金属贴片单元的尺寸大小均不相同。
相邻两个金属贴片单元侧边的半圆孔组成一个金属通孔，金属通孔连接金属地板。
三个金属贴片单元为三个独立可调的四分之一模基片集成波导单元。
本发明的有益效果是：本发明一种三频四分之一模基片集成波导天线，提高了全模式基片集成波导天线的集成度，减小了全模式基片集成波导天线的尺寸。金属贴片单元之间共享金属孔，在保证单元间耦合的基础上，进一步缩小天线整体尺寸。通过在单元贴片上刻蚀条带型缝隙，进一步展宽带宽，工作带宽为2.5/3.5GHz和4.8GHz，即Sub-6应用频段。同传统的全模式基片集成波导天线相比，天线的尺寸可以缩小75％。
附图说明
图1是本发明一种三频四分之一模基片集成波导天线的结构示意图；
图2是本发明一种三频四分之一模基片集成波导天线中添加缝隙和未添加缝隙结构对比图；
图3是本发明一种三频四分之一模基片集成波导天线中缝隙的参数学习示意图；
图4是本发明一种三频四分之一模基片集成波导天线中缝隙边缘距离随频率变化曲线；
图5是本发明一种三频四分之一模基片集成波导天线中S参数随频率变化的实测图；
图6是本发明一种三频四分之一模基片集成波导天线中三频天线增益随频率变化曲线图；
图7是本发明一种三频四分之一模基片集成波导天线中三频天线在2.4GHz的平面方向图；
图8是本发明一种三频四分之一模基片集成波导天线中三频天线在3.5GHz的平面方向图；
图9是本发明一种三频四分之一模基片集成波导天线中三频天线在4.8GHz的平面方向图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种三频四分之一模基片集成波导天线，如图1所示，包括介质板，介质板的顶部放置有三个的金属贴片单元，三个金属贴片单元相邻放置，介质板的低部设置有金属地板，任一金属贴片单元靠近其他两个金属贴片单元的两个侧边均开有半圆孔，相邻两个金属贴片单元侧边上的半圆孔相对，金属贴片单元上设置有馈电端口。金属贴片单元上均刻蚀一个条带性缝隙。三个金属贴片单元的尺寸大小均不相同。相邻两个金属贴片单元侧边的半圆孔组成一个金属通孔，金属通孔连接金属地板，三个金属贴片单元为三个独立可调的QMSIW(四分之一模基片集成波导)单元。
本发明一种三频四分之一模基片集成波导天线，介质板采用一块单层的介电常数为2.65的F4B介质板，厚度H，介质板尺寸L1×W，三个相邻放置的金属贴片单元位于介质板顶面，金属地板位于介质板底面，直径Dsiw，相距为Psiw的金属通孔连接贴片和地板。本发明一种三频四分之一模基片集成波导天线采用同轴馈电，共有三个馈电端口，按照贴片大小的顺序分别记为端口1、端口2和端口3.。
本发明一种三频四分之一模基片集成波导天线，传统的四分之一模基片集成波导天线也有不足的地方，其中表现最突出的就是工作带宽窄的问题，本发明一种三频四分之一模基片集成波导天线由三个独立可调的金属贴片单元构成，每一个金属贴片单元都可以看成是一个四分之一模基片集成波导天线，为了提高工作带宽，金属贴片单元上刻蚀一个条带性缝隙，引入准八分之一模式。这样天线的两个模式进行叠加，就可以达到增加工作带宽的目的，这种利用模式叠加提高工作带宽的方法也是宽带天线常用的手段之一。
图2为原始的四分之一模基片集成波导天线和所设计的天线单元在2.5GHz频段的阻抗带宽对比图，从图中可以看出，通过引入附加模式，天线的工作带宽得到了明显的提升。工作带宽由20MHz(2.49GHz-2.51GHz)增加到120MHz(2.5GHz-2.62GHz).为了更好的分析条带性缝隙对天线的影响，图3和图4分别针对于缝隙的参数进行参数学习，如图3所示，随着W1增加，低频的谐振点逐渐向高频靠拢，而高频基本保持不变，这说明缝隙宽度改变并没有影响天线本身的辐射模式，只是单纯的对于附加模式，也就是八分之一模式起调节作用，通过选取适当的W1值，就可以调整工作带宽。如图4所示，随着L4的增大，两个谐振点均向中间靠拢，并且阻抗特性变好。这说明缝隙改变了原有的电流分布，随着L4增大，右下部分的三角形尺寸变小，谐振频率上升，所以低频向高频偏移，这也印证了图3中低频谐振点是由附加模式产生的推论。另一方面，L4的变化也造成了左边三角形变化，改变了表面电流的长度，从而影响了高频模式的谐振频率，通过观察L4的变化规律，最终选取L4＝1.8mm。
图5给出了S参数随频率变化的仿真实测图，从图中可以看出，天线阵列的仿真工作带宽分别为150MHz(2.49GHz-2.64GHz)、260MHz(3.38GHz-3.64GHz)、440MHz(4.64GHz-5.08GHz)，而实测的带宽比仿真的略窄，分别为140MHz(2.49GHz-2.63GHz)、190MHz(3.39GHz-3.58GHz)、360MHz(4.68GHz-5.04GHz)，实测带宽和仿真带宽的不大的差距可能是由于焊点的影响和加工误差导致的。在工作频带内，相邻单元之间的耦合(S12、S13、S23)大于20dB，说明相近单元之间的相互影响较小，组阵之后不会降低天线整体性能，也验证了共用金属通孔设计的可行性。
图6给出了三频天线增益随频率变化曲线，可以看出天线的仿真增益和实测增益的吻合度较好，天线增益稳定度较好，在整个工作频段内维持了比较平稳的增益水平。图7、图8、图9给出了三频天线分别在2.4/3.5/4.8GHz的平面方向图。可以看出仿真和测试的方向图吻合度较好，值得注意的是天线在4.8GHz时的方向图的最大辐射方向偏离Z轴方向，大约20°，但是在0°方向仍然保持了较高的增益水平，所以不影响天线的实际使用。
本发明一种三频四分之一模基片集成波导天线，提高了全模式基片集成波导天线的集成度，减小了全模式基片集成波导天线的尺寸。金属贴片单元之间共享金属孔，在保证单元间耦合的基础上，进一步缩小天线整体尺寸。通过在单元贴片上刻蚀条带型缝隙，进一步展宽带宽，工作带宽为2.5/3.5GHz和4.8GHz，即Sub-6应用频段。同传统的全模式基片集成波导天线相比，天线的尺寸可以缩小75％。

Claims (5)

1.一种三频四分之一模基片集成波导天线，其特征在于，包括介质板，所述介质板的顶部放置有三个的金属贴片单元，三个所述金属贴片单元相邻放置，所述介质板的低部设置有金属地板，任一所述金属贴片单元靠近其他两个金属贴片单元的两个侧边均开有半圆孔，相邻两个金属贴片单元侧边上的半圆孔相对，所述金属贴片单元上设置有馈电端口。
2.根据权利要求1所述的一种三频四分之一模基片集成波导天线，其特征在于，所述金属贴片单元上均刻蚀一个条带性缝隙。
3.根据权利要求1所述的一种三频四分之一模基片集成波导天线，其特征在于，三个所述金属贴片单元的尺寸大小均不相同。
4.根据权利要求1所述的一种三频四分之一模基片集成波导天线，其特征在于，相邻两个金属贴片单元侧边的半圆孔组成一个金属通孔，所述金属通孔连接金属地板。
5.根据权利要求1所述的一种三频四分之一模基片集成波导天线，其特征在于，三个所述金属贴片单元为三个独立可调的四分之一模基片集成波导单元。
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