CN113690603A - 一种毫米波天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种毫米波天线，包括四层印制电路板和三层半固化片层，所述印制电路板和所述半固化片层交替层叠设置，所述印制电路板的上下两端面上均设置有覆铜层，所述毫米波天线顶部设置若干矩形栅格排列的矩形喇叭天线单元，并采用矩形准同轴馈电‑同轴馈电‑带地共面波导馈电三级馈电结构，将馈电线引出到所述毫米波天线的背面，所述毫米波天线上设置多种金属化过孔；本发明提出了基于4层PCB的半开放二级矩形喇叭天线结构，并采用矩形准同轴馈电‑同轴馈电‑带地共面波导馈电GCPW三级馈电结构，实现了天线背面馈电。
Description
技术领域
本发明涉及天线设备技术领域，具体涉及一种毫米波天线。
背景技术
随着毫米波技术发展，毫米波天线在工程应用中需求越发旺盛，低成本、可扩展、高性能毫米波天线是毫米波天线的发展方向。传统的基于PCB(印制电路板)工艺的毫米波天线多采用串馈贴片天线形式，这种天线具有结构简单、成本低、易加工的优势，但是不利于扩展，组成相控阵天线，采用串馈形式，收发芯片与天线位于同一面，不利于天线的扩展，而且串馈线及芯片对天线辐射性能也有不利影响。
多层PCB工艺的毫米波天线则受限于PCB加工工艺及精度的影响，特别是多层PCB工艺无法实现层间交错的金属化孔，以及无法实现多次层压。
鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。
发明内容
为解决上述技术缺陷，本发明采用的技术方案在于，提供一种毫米波天线，包括四层印制电路板和三层半固化片层，所述印制电路板和所述半固化片层交替层叠设置，所述印制电路板的上下两端面上均设置有覆铜层，所述毫米波天线顶部设置若干矩形栅格排列的矩形喇叭天线单元，并采用矩形准同轴馈电-同轴馈电-带地共面波导馈电三级馈电结构，将馈电线引出到所述毫米波天线的背面，所述毫米波天线上设置多种金属化过孔。
较佳的，所述印制电路板包括从上至下的第一印制电路板、第二印制电路板、第三印制电路板、第四印制电路板，所述第一印制电路板和所述第二印制电路板之间设置第一半固化片层，所述第二印制电路板和所述第三印制电路板之间设置第二半固化片层，所述第三印制电路板和所述第四印制电路板之间设置第三半固化片层。
较佳的，所述第一印制电路板、所述第二印制电路板上设置有内侧馈电的矩形喇叭天线单元，所述矩形喇叭天线单元包括设置在所述第一印制电路板上的上端端口和设置在所述第二印制电路板上的下端端口，所述上端端口贯穿所述第一印制电路板设置，所述下端端口贯穿所述第二印制电路板设置，所述上端端口和所述下端端口的横截面均设置为矩形，且所述上端端口的矩形尺寸大于所述下端端口的矩形尺寸。
较佳的，所述矩形喇叭天线单元设置有四个，且所述矩形喇叭天线单元在所述第一印制电路板、所述第二印制电路板上矩形栅格排列。
较佳的，所述第一印制电路板两端面分别设置第一覆铜层和第二覆铜层，所述第二覆铜层设置在所述第一半固化片层和所述第一印制电路板之间；所述第一覆铜层和所述第二覆铜层结构相同，所述第一覆铜层和所述第二覆铜层内的非覆铜区设置为和所述上端端口横截面尺寸一致的矩形，且所述第一覆铜层和所述第二覆铜层内的非覆铜区和所述上端端口对应设置。
较佳的，所述第二印制电路板端面设置第三覆铜层，所述第三覆铜层设置在所述第一半固化片层和所述第二印制电路板之间；所述第三覆铜层内的非覆铜区设置为和所述下端端口横截面尺寸一致的矩形，且所述第三覆铜层内的非覆铜区和所述下端端口对应设置。
较佳的，所述第二印制电路板端面设置第四覆铜层，所述第四覆铜层设置在所述第二半固化片层和所述第二印制电路板之间；所述第三印制电路板端面设置第五覆铜层，所述第五覆铜层设置在所述第二半固化片层和所述第三印制电路板之间，所述第四覆铜层内的非覆铜区设置为T型，包括第一矩形喇叭区和第一准同轴馈电区，所述第五覆铜层设置为两对称设置的矩形结构，所述第五覆铜层内的非覆铜区设置为T型，包括第二矩形喇叭区和第二准同轴馈电区，所述第一矩形喇叭区和所述第二矩形喇叭区设置为和所述下端端口横截面尺寸一致的矩形，且所述第一矩形喇叭区和所述第二矩形喇叭区和所述下端端口对应设置，所述第一准同轴馈电区由所述第一矩形喇叭区伸出，所述第二准同轴馈电区由所述第二矩形喇叭区伸出，所述第一准同轴馈电区和所述第二准同轴馈电区对应设置；所述第五覆铜层内的非覆铜区设置有“一”字覆铜型的准同轴馈电结构馈电线，所述准同轴馈电结构馈电线由所述第二矩形喇叭区引出至于所述第二准同轴馈电区。
较佳的，所述第三印制电路板端面设置第六覆铜层，所述第六覆铜层设置在所述第三半固化片层和所述第三印制电路板之间；所述第六覆铜层设置为两对称设置的矩形结构，为所述下端端口的反射地面。
较佳的，所述第四印制电路板两端面分别设置第七覆铜层和第八覆铜层，所述第七覆铜层设置在所述第三半固化片层和所述第四印制电路板之间，所述第七覆铜层设置为矩形结构，为所述带地共面波导馈电结构的地；所述第八覆铜层包括所述带地共面波导馈电结构的外侧金属地和四条带地共面波导馈电线，所述带地共面波导馈电线经弯折引向同一侧，并等距分布，与芯片管脚相匹配。
较佳的，所述金属化过孔包括第一金属化过孔、第二金属化过孔、第三金属化过孔、第四金属化过孔、第五金属化过孔、第六金属化过孔；所述第一金属化过孔贯穿所述第一层微带板，所述第二金属化过孔贯穿所述第一层微带板和所述第二层微带板，所述第三金属化过孔贯穿所述第一层微带板、所述第二层微带板、所述第三层微带板、所述第四层微带板，所述第四金属化过孔贯穿所述第二层微带板，所述第五金属化过孔贯穿所述第四层微带板，所述第六金属化过孔贯穿所述第三层微带板和所述第四层微带板，所述第六金属化过孔用于同轴馈电结构内导体，所述第六金属化过孔的两端分别连接所述带地共面波导馈电线和所述准同轴馈电结构馈电线。
与现有技术比较本发明的有益效果在于：本发明提出了基于4层PCB的半开放二级矩形喇叭天线结构，并采用矩形准同轴馈电-同轴馈电-带地共面波导馈电(GCPW)三级馈电结构，实现了天线背面馈电；天线单元下部小的矩形喇叭反射地面采用与小的矩形喇叭面积相当的反射地，并且在反射地四周不采用金属化过孔形成金属壁，此种结构在不影响天线性能情况下，避免了多层微带板之间出现层间交叉的金属化孔，降低了天线加工难度，而且采用二级矩形喇叭天线结构有利于扩展天线带宽；该毫米波天线可用于毫米波汽车雷达、人体安检仪等，具有较高的工程应用价值。
附图说明
图1为所述毫米波天线的结构视图；
图2为所述毫米波天线的三维结构透视图；
图3为所述第一覆铜层的结构视图；
图4为所述第三覆铜层的结构视图；
图5为所述第四覆铜层的结构视图；
图6为所述第五覆铜层的结构视图；
图7为所述第六覆铜层的结构视图；
图8为所述第七覆铜层的结构视图图；
图9为所述第八覆铜层的结构视图；
图10为所述第一金属化过孔的结构视图；
图11为所述第二金属化过孔的结构视图；
图12为所述第三金属化过孔的结构视图；
图13为所述第四金属化过孔的结构视图；
图14为所述第五金属化过孔的结构视图；
图15为所述第六金属化过孔的结构视图；
图16为实施例单个发射子阵垂直向方向图；
图17为实施例天线窄边方向增益图；
图18为实施例天线宽边方向增益图。
图中数字表示：
11-第一印制电路板；12-第二印制电路板；13-第三印制电路板；14-第四印制电路板；21-第一半固化片层；22-第二半固化片层；23-第三半固化片层；31-第一覆铜层；32-第二覆铜层；33-第三覆铜层；34-第四覆铜层；35-第五覆铜层；36-第六覆铜层；37-第七覆铜层；38-第八覆铜层；41-第一金属化过孔；42-第二金属化过孔；43-第三金属化过孔；44-第四金属化过孔；45-第五金属化过孔；46-第六金属化过孔；5-准同轴馈电结构馈电线；6-带地共面波导馈电线。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。
本发明所述毫米波天线包括四层印制电路板和三层半固化片层，所述印制电路板和所述半固化片层交替层叠设置，所述印制电路板的上下两端面上均设置有覆铜层，所述毫米波天线顶部设置若干矩形栅格排列的矩形喇叭天线单元，并采用矩形准同轴馈电-同轴馈电-带地共面波导馈电三级馈电结构，将馈电线引出到所述毫米波天线的背面，实现背面馈电。
具体的，如图1、图2所示，图1为所述毫米波天线的结构视图；图2为所述毫米波天线的三维结构透视图；所述印制电路板包括从上至下的第一印制电路板11、第二印制电路板12、第三印制电路板13、第四印制电路板14，所述第一印制电路板11和所述第二印制电路板12之间设置第一半固化片层21，所述第二印制电路板12和所述第三印制电路板13之间设置第二半固化片层22，所述第三印制电路板13和所述第四印制电路板14之间设置第三半固化片层23。
所述第一印制电路板11两端面分别设置第一覆铜层31和第二覆铜层32，所述第二覆铜层32设置在所述第一半固化片层21和所述第一印制电路板11之间；
所述第二印制电路板12两端面分别设置第三覆铜层33和第四覆铜层34，所述第三覆铜层33设置在所述第一半固化片层21和所述第二印制电路板12之间，所述第四覆铜层34设置在所述第二半固化片层22和所述第二印制电路板12之间；
所述第三印制电路板13两端面分别设置第五覆铜层35和第六覆铜层36，所述第五覆铜层35设置在所述第二半固化片层22和所述第三印制电路板13之间，所述第六覆铜层36设置在所述第三半固化片层23和所述第三印制电路板13之间；
所述第四印制电路板14两端面分别设置第七覆铜层37和第八覆铜层38，所述第七覆铜层37设置在所述第三半固化片层23和所述第四印制电路板14之间。
所述第一印制电路板11、所述第二印制电路板12上设置有内侧馈电的矩形喇叭天线单元，所述矩形喇叭天线单元包括设置在所述第一印制电路板11上的上端端口和设置在所述第二印制电路板12上的下端端口，所述上端端口贯穿所述第一印制电路板11设置，所述下端端口贯穿所述第二印制电路板12设置，所述上端端口和所述下端端口的横截面均设置为矩形，且所述上端端口的矩形尺寸大于所述下端端口的矩形尺寸。
较佳的，所述矩形喇叭天线单元设置有四个，且所述矩形喇叭天线单元在所述第一印制电路板11、所述第二印制电路板12上矩形栅格排列。
如图3、图4所示，图3为所述第一覆铜层的结构视图；图4为所述第三覆铜层的结构视图；所述第一覆铜层31和所述第二覆铜层32结构相同，所述第一覆铜层31和所述第二覆铜层32内的非覆铜区设置为和所述上端端口横截面尺寸一致的矩形，且所述第一覆铜层31和所述第二覆铜层32内的非覆铜区和所述上端端口对应设置。所述第三覆铜层33内的非覆铜区设置为和所述下端端口横截面尺寸一致的矩形，且所述第三覆铜层33内的非覆铜区和所述下端端口对应设置。
如图5、图6所示，图5为所述第四覆铜层的结构视图；图6为所述第五覆铜层的结构视图；所述第四覆铜层34内的非覆铜区设置为T型，包括第一矩形喇叭区和第一准同轴馈电区，所述第五覆铜层35设置为两对称设置的矩形结构，所述第五覆铜层35内的非覆铜区设置为T型，包括第二矩形喇叭区和第二准同轴馈电区，所述第一矩形喇叭区和所述第二矩形喇叭区设置为和所述下端端口横截面尺寸一致的矩形，且所述第一矩形喇叭区和所述第二矩形喇叭区和所述下端端口对应设置，所述第一准同轴馈电区由所述第一矩形喇叭区伸出，所述第二准同轴馈电区由所述第二矩形喇叭区伸出，所述第一准同轴馈电区和所述第二准同轴馈电区对应设置。所述第五覆铜层35内的非覆铜区设置有“一”字覆铜型的准同轴馈电结构馈电线5，所述准同轴馈电结构馈电线5由所述第二矩形喇叭区引出至于所述第二准同轴馈电区。
如图7所示，图7为所述第六覆铜层的结构视图；所述第六覆铜层36设置为两对称设置的矩形结构，为所述下端端口的反射地面。
如图8所示，图8为所述第七覆铜层的结构视图；所述第七覆铜层37设置为矩形结构，为所述带地共面波导馈电结构的地。
如图9所示，图9为所述第八覆铜层的结构视图；所述第八覆铜层38包括所述带地共面波导馈电结构的外侧金属地和四条带地共面波导馈电线6，所述带地共面波导馈电线6经弯折引向同一侧，并等距分布，与芯片管脚相匹配。
如图10至图15所示，图10为所述第一金属化过孔的结构视图；图11为所述第二金属化过孔的结构视图；图12为所述第三金属化过孔的结构视图；图13为所述第四金属化过孔的结构视图；图14为所述第五金属化过孔的结构视图；图15为所述第六金属化过孔的结构视图。
所述毫米波天线内还设置有第一金属化过孔41、第二金属化过孔42、第三金属化过孔43、第四金属化过孔44、第五金属化过孔45、第六金属化过孔46；
所述第一金属化过孔41贯穿所述第一层微带板，所述第二金属化过孔42贯穿所述第一层微带板和所述第二层微带板，所述第三金属化过孔43贯穿所述第一层微带板、所述第二层微带板、所述第三层微带板、所述第四层微带板，所述第四金属化过孔44贯穿所述第二层微带板，所述第五金属化过孔45贯穿所述第四层微带板，所述第六金属化过孔46贯穿所述第三层微带板和所述第四层微带板。
所述上端端口的高度与所述第一印制电路板11相同，所述上端端口四周采用金属化过孔来实现金属壁效果，即所述第一金属化过孔41；所述下端端口的高度与所述第二印制电路板12相同，所述下端端口四周也采用金属化过孔来实现金属壁效果，即所述第四金属化过孔44。
所述第六金属化过孔46用于同轴馈电结构内导体。所述第六金属化过孔46的两端分别连接所述带地共面波导馈电线6和所述准同轴馈电结构馈电线5。
较佳的，所述下端端口的反射地面位于所述第三印制电路板13下表面，即所述第六覆铜层36，反射底面与所述下端端口的大小相当。且在所述第三层印制电路板，反射地面四周不设置矩形分布的金属化孔来实现金属壁效果，该设置是为了避免出现层间交错的金属化孔，以免给天线加工带来困难。
较佳的，矩形准同轴馈电-同轴馈电-带地共面波导馈电(GCPW)三级馈电结构，其矩形馈电线位于所述第三层印制电路板上表面，馈电线始于小的矩形喇叭腔内，从小的矩形喇叭内侧长边引出，止于同轴馈电结构中心金属化孔(等效同轴结构内导体)，矩形准同轴馈电结构外侧设置多个金属化孔(等效矩形准同轴结构外导体)即所述第二金属化过孔42。同轴馈电结构中心金属化孔(等效同轴结构内导体)即所述第六金属化过孔46贯穿所述第三层印制电路板和所述第四层印制电路板，同轴馈电结构外导体由圆形分布的多个金属化孔构成即所述第三金属化过孔43。GCPW结构位于所述第四层印制电路板，GCPW结构的地位于所述第四层印制电路板上表面，GCPW馈电线位于所述第四层印制电路板下表面，GCPW馈电线两侧设置有金属化孔即所述第五金属化过孔45来实现金属壁效果。
较佳的，矩形准同轴馈电-同轴馈电-带地共面波导馈电(GCPW)三级馈电结构，四个天线单元矩形准同轴馈电线均由外侧引向内侧，同轴馈电结构位于四个天线单元中间，呈矩形栅格排列，经过三级馈电结构传输，四个天线馈电线引出到第四层PCB下表面同一侧，并且等间距分布，与收发芯片管脚间距一致。
较佳的，在4个天线单元同轴馈电结构之间，增加数个贯穿第一至四层PCB的金属化孔，以增强天线单元间电磁隔离效果，并保证天线接地的连续。
较佳的，该4个天线单元构成一个天线子阵，对该天线子阵进行周期性扩展，可构成天线阵列。
本发明提出了基于4层PCB的半开放二级矩形喇叭天线结构，并采用矩形准同轴馈电-同轴馈电-带地共面波导馈电(GCPW)三级馈电结构，实现了天线背面馈电；天线单元下部小的矩形喇叭反射地面采用与小的矩形喇叭面积相当的反射地，并且在反射地四周不采用金属化过孔形成金属壁，此种结构在不影响天线性能情况下，避免了多层微带板之间出现层间交叉的金属化孔，降低了天线加工难度，而且采用二级矩形喇叭天线结构有利于扩展天线带宽；该毫米波天线可用于毫米波汽车雷达、人体安检仪等，具有较高的工程应用价值。
实施例
此处提供了一种工作在77-81GHz毫米波天线，它包含了4层厚度为0.127mm的Rogers3003微带板，每层微带板上下面覆铜层厚度为17.5um，相邻微带板间采用0.1mm半固化片粘合。该天线包含了4个天线单元，天线尺寸大小为长10mm，宽7.6mm，天线单元喇叭腔体中心间距为长边5mm，宽边3.8mm。4层微带板对应8个覆铜图层，从上向下看，每个覆铜层图案如图3至图9所示。相应的，为了对天线单元进行屏蔽隔离，并提供上下层间连续接地，设置了6种不同类型的金属化孔，金属化孔最小直径为0.2mm，金属化孔位置如图10～图15所示。
所述第一金属化过孔、所述第二金属化过孔、所述第四金属化过孔、所述第五金属化过孔、所述第六金属化过孔直径0.2mm；所述第三金属化过孔直径有三类，小号直径0.2mm，中号直径0.3mm，大号直径0.5mm。
实施案例的毫米波天线，经仿真计算，其驻波和增益图结果如图16至图18所示。天线包含4个天线单元，天线单元驻波比在77GHz～81GHz范围内均小于2。天线在窄边方向的增益图如图17所示，在宽边方向的增益图如图18所示，天线在两个方向均能形成有效波瓣，特别是在宽边方向，天线单元间距较大，出现了栅瓣，但是栅瓣位置较远，不影响方位向目标分辨。采用大的单元间距，在相同天线面积下，可以减少单元数量，降低天线加工难度及成本。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种毫米波天线，其特征在于，包括四层印制电路板和三层半固化片层，所述印制电路板和所述半固化片层交替层叠设置，所述印制电路板的两端面上均设置有覆铜层，所述毫米波天线顶部设置若干矩形栅格排列的矩形喇叭天线单元，并采用矩形准同轴馈电-同轴馈电-带地共面波导馈电三级馈电结构，将馈电线引出到所述毫米波天线的背面，所述毫米波天线上设置多种金属化过孔。
2.如权利要求1所述的毫米波天线，其特征在于，所述印制电路板包括从上至下的第一印制电路板、第二印制电路板、第三印制电路板、第四印制电路板，所述第一印制电路板和所述第二印制电路板之间设置第一半固化片层，所述第二印制电路板和所述第三印制电路板之间设置第二半固化片层，所述第三印制电路板和所述第四印制电路板之间设置第三半固化片层。
3.如权利要求2所述的毫米波天线，其特征在于，所述第一印制电路板、所述第二印制电路板上设置有内侧馈电的矩形喇叭天线单元，所述矩形喇叭天线单元包括设置在所述第一印制电路板上的上端端口和设置在所述第二印制电路板上的下端端口，所述上端端口贯穿所述第一印制电路板设置，所述下端端口贯穿所述第二印制电路板设置，所述上端端口和所述下端端口的横截面均设置为矩形，且所述上端端口的矩形尺寸大于所述下端端口的矩形尺寸。
4.如权利要求3所述的毫米波天线，其特征在于，所述矩形喇叭天线单元设置有四个，且所述矩形喇叭天线单元在所述第一印制电路板、所述第二印制电路板上矩形栅格排列。
5.如权利要求3所述的毫米波天线，其特征在于，所述第一印制电路板两端面分别设置第一覆铜层和第二覆铜层，所述第二覆铜层设置在所述第一半固化片层和所述第一印制电路板之间；所述第一覆铜层和所述第二覆铜层结构相同，所述第一覆铜层和所述第二覆铜层内的非覆铜区设置为和所述上端端口横截面尺寸一致的矩形，且所述第一覆铜层和所述第二覆铜层内的非覆铜区和所述上端端口对应设置。
6.如权利要求5所述的毫米波天线，其特征在于，所述第二印制电路板端面设置第三覆铜层，所述第三覆铜层设置在所述第一半固化片层和所述第二印制电路板之间；所述第三覆铜层内的非覆铜区设置为和所述下端端口横截面尺寸一致的矩形，且所述第三覆铜层内的非覆铜区和所述下端端口对应设置。
7.如权利要求6所述的毫米波天线，其特征在于，所述第二印制电路板端面设置第四覆铜层，所述第四覆铜层设置在所述第二半固化片层和所述第二印制电路板之间；所述第三印制电路板端面设置第五覆铜层，所述第五覆铜层设置在所述第二半固化片层和所述第三印制电路板之间，所述第四覆铜层内的非覆铜区设置为T型，包括第一矩形喇叭区和第一准同轴馈电区，所述第五覆铜层设置为两对称设置的矩形结构，所述第五覆铜层内的非覆铜区设置为T型，包括第二矩形喇叭区和第二准同轴馈电区，所述第一矩形喇叭区和所述第二矩形喇叭区设置为和所述下端端口横截面尺寸一致的矩形，且所述第一矩形喇叭区和所述第二矩形喇叭区和所述下端端口对应设置，所述第一准同轴馈电区由所述第一矩形喇叭区伸出，所述第二准同轴馈电区由所述第二矩形喇叭区伸出，所述第一准同轴馈电区和所述第二准同轴馈电区对应设置；所述第五覆铜层内的非覆铜区设置有“一”字覆铜型的准同轴馈电结构馈电线，所述准同轴馈电结构馈电线由所述第二矩形喇叭区引出至于所述第二准同轴馈电区。
8.如权利要求7所述的毫米波天线，其特征在于，所述第三印制电路板端面设置第六覆铜层，所述第六覆铜层设置在所述第三半固化片层和所述第三印制电路板之间；所述第六覆铜层设置为两对称设置的矩形结构，为所述下端端口的反射地面。
9.如权利要求8所述的毫米波天线，其特征在于，所述第四印制电路板两端面分别设置第七覆铜层和第八覆铜层，所述第七覆铜层设置在所述第三半固化片层和所述第四印制电路板之间，所述第七覆铜层设置为矩形结构，为所述带地共面波导馈电结构的地；所述第八覆铜层包括所述带地共面波导馈电结构的外侧金属地和四条带地共面波导馈电线，所述带地共面波导馈电线经弯折引向同一侧，并等距分布，与芯片管脚相匹配。
10.如权利要求9所述的毫米波天线，其特征在于，所述金属化过孔包括第一金属化过孔、第二金属化过孔、第三金属化过孔、第四金属化过孔、第五金属化过孔、第六金属化过孔；所述第一金属化过孔贯穿所述第一层微带板，所述第二金属化过孔贯穿所述第一层微带板和所述第二层微带板，所述第三金属化过孔贯穿所述第一层微带板、所述第二层微带板、所述第三层微带板、所述第四层微带板，所述第四金属化过孔贯穿所述第二层微带板，所述第五金属化过孔贯穿所述第四层微带板，所述第六金属化过孔贯穿所述第三层微带板和所述第四层微带板，所述第六金属化过孔用于同轴馈电结构内导体，所述第六金属化过孔的两端分别连接所述带地共面波导馈电线和所述准同轴馈电结构馈电线。
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