CN113809520B - 一种基于基片集成波导隔离双频天线 - Google Patents

一种基于基片集成波导隔离双频天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于基片集成波导隔离双频天线，该天线由基片集成波导、馈电输入端口组成，所述基片集成波导由单层介质基板、金属接地板、上层金属面、金属通孔构成，所述上层金属面设有高频和低频天线辐射缝隙单元。采用双端口馈电结构相比现有的双频天线，本发明克服了传统的在天线中增加额外的滤波器来提高隔离度问题，与此同时，本发明可以使双频天线能同时工作在较低的微波C波段和较高的高频波段，获得大频比效果，而且还具有高增益，结构紧凑，高性能的优点。该天线结构成本低，制造简单。

Description

一种基于基片集成波导隔离双频天线
技术领域
本发明属于移动通信天线领域，具体涉及一种基片集成波导高度隔离双频天线。
背景技术
随着无线通信技术的发展，通信系统的工作频段不断增加，工作在微波波段的频谱资源越来越紧缺，微波波段的频谱越来越拥挤，已经无法适应未来无线通信高传输速率的发展要求，但位于高频段的毫米波(30-300GHz)具有丰富的频谱资源，并且可以实现Gbps高速传输。然而，毫米波传输受限，随着距离的增大，其传播损耗也会变大，从短期看，毫米波技术不能完全取代微波技术。因此，微波毫米波共存技术成为下一代无线通信发展的必然趋势，工作在微波毫米波波段的双频天线具有很重要的研究意义。目前微波毫米波双频天线的应用研究中，不同频段的天线辐射单元采用并排拼接的方式集成，这样使得天线结构设计不紧凑，增大了占地面积。
微波毫米波大频比双频天线中，在有限小空间移动终端内安装不同频段的天线辐射单元，天线辐射单元之间的距离往往会隔的很近，这就会使一个天线辐射单元端口的馈入能量泄漏耦合到其它天线辐射单元上，天线的效率会很大程度上被降低。因此提高各个天线辐射单元间馈电端口的隔离度对设计大频比双频天线非常重要，而且在现有的技术中也是一个难点。
目前已有设计的微波毫米波大频比天线中，在天线隔离的处理上一般增加了额外的滤波器，这样不仅增加了天线的占地面积，加大了天线设计的复杂度，不利于天线的集成，而且额外增加的滤波器会消耗天线的输入能量，降低天线的效率。另外，双频天线在设计上会遇到相互制约问题，其中一个天线辐射单元辐射结构的设计往往会影响另外一个天线辐射单元的工作，相互之间的独立可调性差，天线在性能上效果不佳。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺陷，本发明提供了一种基于基片集成波导的高度隔离双频天线，利用基片集成波导，高频天线辐射单元由于自身高频谐振特性而低频信号无法激励的特点，可以有效地抑制低频信号，并且巧妙地将高频天线辐射单元结构嵌入到低频天线辐射单元结构中，高频天线辐射单元金属通孔形成的腔体作为低频天线辐射单元内部元素，整个天线则不需要添加额外的滤波器，就可以实现高度隔离的效果，同时此双频天线间隔离效果相比传统的研究得到了很大的提升，整个天线设计简单紧凑。此外，本发明的双频天线还具有独立可调性，天线辐射单元中的辐射缝隙在设计时不受其它天线辐射单元的影响。该天线无需外加滤波电路，低频增益高，隔离度好，灵活可调控，馈电方式简单，频率比大且能覆盖微波毫米波段，可应用于5G微波毫米波双频天线中。
本发明可以采用如下技术方案之一实现。
一种基于基片集成波导隔离双频天线，该天线包括基片集成波导和馈电输入端口，所述基片集成波导由单层介质基板，金属接地板，上层金属板，金属通孔构成，所述金属通孔的尺寸大小以及通孔之间距离决定电磁波泄漏问题，所述上层金属板设有天线辐射单元，天线辐射单元包括高频天线辐射单元和低频天线辐射单元，高频天线辐射单元包括由多个第二金属通孔围拢形成的高频天线辐射腔体和位于高频天线辐射腔体内的毫米波圆环辐射缝隙单元；低频天线辐射单元包括由多个第一金属通孔围拢形成的低频天线辐射腔体，所述高频天线辐射单元位于低频天线辐射腔体内，在低频天线辐射腔体内且位于高频天线辐射单元的外侧设置有微波C波段辐射缝隙单元，C波段为双频天线中的低频辐射波段，毫米波段为高频辐射波段。天线辐射单元采用双端口馈电结构。
所述毫米波圆环辐射缝隙单元包括同心设置的两个半径不同的圆环缝隙，所述高频天线辐射单元的辐射部分为上层金属板上设置的的两个圆环缝隙，其中一个圆环缝隙两侧对称开口，另一个圆环缝隙封闭，两个圆环缝隙可以用来调节高频天线单元辐射的频率范围，与此同时也可以提高高频天线辐射单元的增益，所述高频天线辐射单元采用接地共面波导进行端口馈电。所述低频天线辐射单元把高频天线辐射单元结构中金属通孔形成的腔体作为其结构中的一部分，所述低频天线辐射单元的辐射部分为上层金属板开的呈矩形的缝隙，所述矩形的缝隙为天线缝隙阵列，所述低频天线辐射单元也是采用接地共面波导进行端口馈电。
优选的，高频天线双圆环缝隙辐射单元与低频天线矩形缝隙辐射单元在同一层金属板上，各自结构相互不影响。
优选的，高频天线辐射单元通过调整圆环缝隙的半径控制圆环大小，进而调节高频天线辐射单元的工作频率。双环本身大小不一，获得不同谐振频率，同时，可以调整高频的带宽频段。
优选的，所述低频天线辐射单元通过调整矩形缝隙的长度来调节低频天线辐射单元的工作频率，同时，缝隙的宽度用来调整谐振匹配程度。所述低频天线辐射单元缝隙是矩形阵列结构，因此可以获得低频高增益辐射效果。
优选的，所述基片集成波导双频天线的金属通孔，金属通孔半径及金属通孔间距离决定束缚电磁波的能力，金属通孔围成腔体的大小决定腔体谐振频率。
优选的，所述高低频天线辐射单元接地共面波导馈电结构分别在介质基板两侧，分别对高低频天线辐射单元进行馈电，相互之间几乎无影响。
本发明与现有的技术相比，其能够实现的有益效果至少如下：
1、本发明天线采用双面敷铜单层介质基板及金属通孔制作而成，剖面低，价格低廉。本发明整体相较于之前双频天线结构设计紧凑，没有附加外加额外的滤波电路，巧妙的设计使得双频天线辐射单元之间隔离度变大，大大减小了高低频天线辐射单元信号相互耦合的影响；另外，该天线设计可以在两个辐射单元的辐射缝隙上各自独立设计，即双频天线能够在高低频辐射波段相互独立可调，彼此设计不受影响，从而具有比较好的独立可控性。
2、高频天线辐射单元的金属孔作为低频天线辐射单元内的一部分，其金属通孔作为电壁，进而低频天线辐射单元能很好的消除高频信号的影响，而所述高频天线辐射单元则利用自身高频谐振特性而低频信号无法激励的特点来抑制低频信号干扰，通过此方式使双频天线单元之间获得很好的隔离效果。
3、本发明调节双频带的反射系数(S11)在7.33-7.48GHz频带内小于-10dB(S11<-10dB),隔离度(S12和S21)在7.33-7.48GHz，34.3-36.2GHz频带内大于60dB和55dB(S12<-60dB，S12<-55dB),低频天线辐射单元增益可以达到10.41dB，高频天线辐射单元可以达到10.33dB。
4、本发明克服了传统的在天线中增加额外的滤波器来提高隔离度问题，与此同时，本发明可以使双频天线能同时工作在较低的微波C波段和较高的高频波段，获得大频比效果，而且还具有高增益，结构紧凑，高性能的优点。
5、本发明采用共口径结构复用的方式，使双频天线结构设计简单紧凑，有效的减小了占地空间，从而大大降低了天线系统的尺寸，进而减少了天线的加工成本。
附图说明
图1为本发明天线结构的正面结构图；
图2为本发明天线的侧面结构图；
图3为本发明天线的背面结构图；
图4为本发明天线工作在7.33-7.48GHz低频段辐射天线反射系数(S11)的仿真结果图；
图5为本发明天线工作在34.3-36.2GHz高频段辐射天线反射系数(S22)的仿真结果图；
图6为本发明天线低频隔离度反射系数(S12)的仿真结果图；
图7为本发明天线高频隔离度反射系数(S21)的仿真结果图；
图8为本发明天线工作在7.4GHz的E面(E-plane)和H面(H-plane)方向图的仿真结果图；
图9为本发明天线工作在34GHz的E面(E-plane)和H面(H-plane)方向图的仿真结果图；
图10为本发明天线工作在7.4GHz增益(Gain)的仿真结果图；
图11为本发明天线工作在34GHz增益(Gain)的仿真结果图。
具体实施方式
下面将结合本发明申请实施例中的附图，对本发明申请实施中的技术方案进行清晰、具体的阐述，所描述的实施例仅是本发明申请中的部分实施例，并不是全部的实施例。基于本发明申请的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请的保护范围。
结合图1至图3，本发明一种高度隔离基片集成波导双频天线包括基片集成波导，馈电输入端口，所述基片集成波导包括上层金属板1，呈正方形的介质基板11，下层金属接地板9、多个第一金属通孔4和多个第二金属通孔5。
介质基板11位于上层金属板1和下层金属接地板9之间，上层金属板1上设置有高频天线辐射单元和低频天线辐射单元，高频天线辐射单元包括由多个第二金属通孔5围拢形成的高频天线辐射腔体3和位于高频天线辐射腔体3内的毫米波圆环辐射缝隙单元；低频天线辐射单元包括由多个第一金属通孔4围拢形成的低频天线辐射腔体2，所述高频天线辐射单元位于低频天线辐射腔体2内，在低频天线辐射腔体2内且位于高频天线辐射单元的外侧设置有微波C波段辐射缝隙单元；用于给低频天线辐射单元馈电的第一接地共面波导馈电输入端7和用于给高频天线辐射单元的第二接地共面波导馈电输入端8均设置在下层金属接地板9上。低频天线辐射腔体2嵌入在高频天线辐射腔体3中，高频天线辐射单元的金属通孔形成的腔体作为低频天线辐射单元腔体结构的一部分，通过此方案使得天线结构得到复用，由此整个天线结构设计紧凑，易于集成。本发明的基片集成波导设计灵活，通过双频天线结构巧妙地将高频天线辐射单元金属通孔形成的腔体嵌入到低频天线辐射单元内部结构中，由此高低频天线辐射单元之间可以达到很好的隔离效果。
本发明中，设所述上层金属板1，下层金属接地板9及正方形的介质基板11(介质基板)的宽度为W，长度为L，在本发明其中一个实施例中，W＝50.5mm,L＝70mm。其中介质基板11的厚度及介电常数值会影响双频天线的最低工作频率，本介质基板采用介电常数为2.2的Rogers RT5880板材，其损耗角度为0.0009，厚度h＝0.787mm。
在本发明其中一个实施例中，高频天线辐射腔体3由多个第二金属通孔5围拢形成，其中第二金属通孔5的半径为R,相邻两孔圆心间的距离为D0，第二金属通孔5围成的高频方形腔体的长宽分别为Lg和Lc，此腔体大小设置会影响高频天线辐射单元腔体的谐振频率，连接高频馈电输入端的金属通孔腔体长为lb，宽为m2。
在本发明其中一个实施例中，毫米波圆环辐射缝隙单元包括两个半径不同的圆环缝隙，其中半径大的圆环缝隙位于半径小的圆环缝隙的外侧，且其中位于外侧的圆环缝隙封闭，位于内侧的圆环缝隙的两侧对称开口。圆环设计有助于天线毫米波定向辐射，因为毫米波随着距离的增加增益会衰减，两个圆环的设计是一方面为了提高增益，另外一方面在有限的尺寸内设计两个缝隙较为合适，开缺口在外侧是为了获得较好的匹配，有助于毫米波天线单元最大效率的获得输入能量。内外圆环缝隙大小由圆环半径决定，此双环缝隙的宽度及周长在高频谐振时可以调节匹配和频段范围。高频天线辐射单元的双圆环缝隙的半径分别为r0,r1,r2,r3，半圆环缝隙的缺口长度为l0,通过调整双圆环缝隙的半径可以调整高频工作的辐射频段，同时也会影响高频天线的匹配。高频天线辐射单元采用高阶辐射模式，这样可以减小加工时产生的误差和提高高频的增益。本实施例中，
R＝0.2mm,D0＝0.5mm,Lg＝12.9mm,Lc＝8.9mm,Lb＝6.4mm,m2＝6.4mm,
r0＝4.5mm,r1＝4mm,r2＝2.5mm,r3＝2mm
本发明中，低频天线辐射腔体2由多个第一金属通孔4围拢形成，在本发明其中一个实施例中，其中第一金属通孔4的半径为d0,相邻两孔圆心间的距离为D,第一金属通孔4围成的低频天线辐射腔体2尺寸相关参数为m0,ld，其中是形成金属腔体组成的三角边长的长度，ld是形成腔体的金属孔组成矩形的宽度。此腔体尺寸的大小会影响低频工作的频段，连接低频馈电输入端的金属通孔腔体场为la，宽为m1。
本发明中，微波C波段辐射缝隙单元包括至少一个缝隙，优选地，在本发明其中一个实施例中，微波C波段辐射缝隙单元中的缝隙呈矩形，且设置有4个，4个矩形缝隙呈阵列排布在高频天线辐射腔体3的两侧，矩形的缝隙结构简单易获得较好的匹配，缝隙设置4个可以更好地提高微波天线的辐射增益。
可以理解的是，在其他实施例中，缝隙呈其他形状，缝隙的数量也可以设置成其他数量。低频天线辐射单元的矩形缝隙的长分别为l1,l2,调节四个矩形缝隙的位置及宽度会影响低频天线辐射单元的匹配。四个矩形缝隙的长度决定了天线的辐射频段，当矩形缝隙长度变长时，低频天线的谐振频率会减小，相反，当矩形缝隙长度减小时，低频天线的谐振频率会增大。本实施例子中，d0＝1mm，D＝3mm,m0＝21mm，ld＝14mm，la＝9.5mm，m1＝9.6mm，l1＝15mm，l2＝16mm,H＝6.5mm
本发明中，方形结构的高频天线辐射单元与低频天线辐射单元结构复用，即巧妙地将高频天线辐射单元中金属通孔形成的腔体嵌入到低频天线辐射单元中，从而可以减小天线的尺寸使设计更加紧凑。高频天线辐射单元的金属通孔作为低频天线辐射单元内的一部分，其金属通孔作为电壁，低频天线辐射单元在辐射信号时利用此电壁抑制高频信号输入，因此低频天线辐射单元能很好的消除高频信号的影响，而高频天线辐射单元则可以利用自身谐振特性而低频信号无法激励的特点来抑制低频信号干扰，通过此设计可以使双频天线获得很好的隔离效果。另外，该天线设计可以在两个辐射单元的辐射缝隙上各自独立设计，从而具有比较好的独立可控性，即保持高频天线辐射单元结构不变，调节低频天线辐射单元的辐射缝隙，高频天线辐射效果没有变化，同理，保持低频天线辐射单元结构不变，调节高频天线辐射单元缝隙，低频天线辐射效果同样不会发生变化，进一步也可以实现大频比的效果。
在本发明其中一个实施例中，下层金属接地板9的两侧均分别开设有一对呈L形的缝隙，每对缝隙与介质基板11、上层金属板1分别共同构成第一接地共面波导馈电输入端7和第二接地共面波导馈电输入端8，第一接地共面波导馈电输入端7用于给低频天线辐射单元馈电，第二接地共面波导馈电输入端8用于给高频天线辐射单元馈电。在每对L形缝隙的两侧分别设有两排金属通孔，金属通孔离缝隙的间距会决定天线输入匹配问题。两排金属通孔的宽度分别为m1,m3，相关参数为
图4和图5为本发明天线低频和高频天线辐射单元的反射系数曲线示意图，可以看出反射系数小于-10dB(S11<-10dB)的带宽可以覆盖7.33-7.48GHz和34.3-36.2GHz,频率比大于4.8。
图6和图7所示为本发明天线低频和高频天线辐射单元隔离度的反射系数曲线示意图，可以看出低频天线辐射单元在辐射带宽内隔离度S12大于60dB，高频天线辐射单元在辐射带宽内隔离度S21大于55dB，高低频天线间具有很高的隔离度。
图8和图9所示为本发明高低频天线辐射单元的辐射方向图，可以看出天线辐射单元具有较高的增益并且辐射性能好。
综上，本发明采用接地共面波导馈电结构，高频天线辐射单元和低频天线辐射单元结构复用。巧妙的将高频天线辐射单元腔体嵌入到低频天线辐射单元中，从而可以减小天线的尺寸，使天线设计更加紧凑。高频天线辐射单元利用自身谐振特性而低频信号无法激励的特点可以有效抑制低频信号干扰，同时，低频天线辐射单元利用高频天线辐射单元腔体金属孔来消除高频信号的影响，通过此方案，不采用隔离措施可以实现很好的滤波效果，使得双频天线单元间的隔离度更高。高频天线辐射部分采用圆环和半圆环辐射缝隙，调节缝隙的半径可以改变高频辐射的频段，并且高频天线采用高阶模辐射特性，这样可以减少天线在加工过程中误差的影响，提高天线的辐射性能。低频天线辐射部分由四个矩形缝隙构成，四个缝隙所处的位置及大小会决定天线辐射的中心频率和匹配效果，四个矩形缝隙的设计还使得天线的增益相比传统的增益变大。此外，该天线设计可以在两个辐射单元的辐射缝隙上各自独立设计，从而具有比较好的独立可控性，并且能有效的减小天线的占地尺寸，有利于进行小型化的集成设计。本发明没有附加外加额外的滤波电路，此天线设计使双频天线之间隔离度增大，减小了高低频天线辐射单元信号间相互干扰的影响。该天线不仅满足了大频比双频段要求，而且馈电结构相对简单，具有很高的使用价值。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (2)

1.一种基于基片集成波导隔离双频天线，其特征在于，包括基片集成波导和馈电输入端口，所述基片集成波导包括上层金属板(1)、介质基板(11)、下层金属接地板(9)、多个第一金属通孔(4)和多个第二金属通孔(5)、第一接地共面波导馈电输入端(7)和第二接地共面波导馈电输入端(8)，
介质基板(11)位于上层金属板(1)和下层金属接地板(9)之间；
上层金属板(1)上设置有高频天线辐射单元和低频天线辐射单元，高频天线辐射单元包括由多个第二金属通孔(5)围拢形成的高频天线辐射腔体(3)和位于高频天线辐射腔体(3)内的毫米波圆环辐射缝隙单元；低频天线辐射单元包括由多个第一金属通孔(4)围拢形成的低频天线辐射腔体(2)，所述高频天线辐射单元位于低频天线辐射腔体(2)内，在低频天线辐射腔体(2)内且位于高频天线辐射单元的外侧设置有微波C波段辐射缝隙单元；
馈电输入端口用于给高频天线辐射单元和低频天线辐射单元馈电；所述毫米波圆环辐射缝隙单元包括多个同心设置的圆环缝隙；所述毫米波圆环辐射缝隙单元包括两个同心设置的半径不同的圆环缝隙，其中半径大的圆环缝隙位于半径小的圆环缝隙的外侧，且其中一个圆环缝隙封闭，另外一个圆环缝隙的两侧对称开口；所述微波C波段辐射缝隙单元包括4个矩形缝隙，且对称设置在高频天线辐射腔体(3)的两侧；高频天线辐射单元的辐射部分为上层金属板上设置的的两个圆环缝隙，其中一个圆环缝隙两侧对称开口，另一个圆环缝隙封闭，两个圆环缝隙可以用来调节高频天线单元辐射的频率范围，与此同时也可以提高高频天线辐射单元的增益；低频天线辐射部分由四个矩形缝隙构成，四个缝隙所处的位置及大小会决定天线辐射的中心频率和匹配效果，四个矩形缝隙还使得天线的增益变大；
双频天线在两个辐射单元的辐射缝隙上各自独立设计，具有独立可调性，能够在高低频辐射波段相互独立可调，灵活可调控，馈电方式简单，频率比大且能覆盖微波毫米波段，可应用于5G微波毫米波双频天线中；通过调整圆环缝隙的半径控制圆环缝隙的大小，进而调节高频天线辐射单元的工作频率；调节四个矩形缝隙的位置及宽度来调节低频天线的匹配；
下层金属接地板(9)的两侧分别开设有缝隙，两侧的缝隙与介质基板、上层金属板分别构成第一接地共面波导馈电输入端(7)和第二接地共面波导馈电输入端(8)，第一接地共面波导馈电输入端(7)用于给低频天线辐射单元馈电，第二接地共面波导馈电输入端(8)用于给高频天线辐射单元馈电。
2.根据权利要求1所述的一种基于基片集成波导隔离双频天线，其特征在于，上层金属板(1)和下层金属接地板(9)的材质均为铜。
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