CN113972482B - 基于色散结构的基片集成端射天线 - Google Patents

基于色散结构的基片集成端射天线 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于色散结构的基片集成端射天线，包括介质辐射部和包覆在介质辐射部外的金属腔体，介质辐射部包括三层平行堆叠设置的上介质板、中间介质板和下介质板，在上介质板和下介质板远离中间介质板的侧面设置有外金属镀层，在上介质板和下介质板靠近中间介质板的侧面设置有中间金属镀层，中间金属镀层包括间隔设置的两部分，由所述外金属镀层和中间金属镀层围成的空间为介质传输结构，中间金属镀层靠近上介质板和下介质板一侧设置有色散结构。本发明将电磁辐射从边辐射改变为面辐射，提出了一种端面辐射的毫米波通信技术，既增加了毫米波通信系统的工作带宽，又减小了集成天线的尺寸，并引入色散结构保证在高工作频率的性能。

Description

基于色散结构的基片集成端射天线
技术领域
本发明涉及毫米波通信技术领域，尤其是指一种基于色散结构的基片集成端射天线。
背景技术
近年来，随着世界各国陆续发布第五代移动通信(5G)毫米波频谱规划，在全球范围内毫米波通信研发和产业化步入快速发展轨道，与传统微波通信相比，毫米波因其波长短，带宽较宽的特点，可有效解决6GHz以下微波无线通信中频谱紧张的问题，实现超高速率无线通信。随着工作频率的升高，传统微波频段通信系统中基于微带线、共面波导等传输线结构的天线形式遭受了严重的传输线损耗，因此基于低损耗毫米波传输线，如矩形波导、间隙波导、基片集成波导等的天线成为了研究热点。毫米波通信系统具有多样化、宽频带的特点，从而对天线辐射方向、阻抗带宽提出了要求。此外，工作频率升高会使得天线物理尺寸减小，各类加工技术在实现小尺寸精准加工也面临了极大的挑战。因此毫米波天线的设计需要兼顾天线辐射性能与工程结构加工的可行性。
近年来，己有学者提出了不同类型的宽带毫米波天线，例如电磁偶极子天线、差分平面口径天线腔体背射天线、螺旋天线、连续旋转馈电型天线，在结构尺寸、加工难度、阻抗轴比带宽、加工成本等方面各具优势，但其辐射方向均为边射形式，然而在将边射型天线集成在设备的过程中，由于边射型天线的传输特性使得集成在设备上的尺寸较大，被迫增大集成设备尺寸，并且容易使通信设备受到受到的外界物体干扰。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中边射型天线存在的技术缺陷，提供一种基于色散结构的基片集成端射天线，将电磁辐射从边辐射改变为面辐射，提出了一种端面辐射的毫米波通信技术，既增加了毫米波通信系统的工作带宽，又减小了集成天线的尺寸，并引入色散结构保证在高工作频率的性能。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于色散结构的基片集成端射天线，包括介质辐射部和包覆在介质辐射部外的金属腔体，所述介质辐射部包括三层平行堆叠设置的上介质板、中间介质板和下介质板，在所述上介质板和下介质板远离所述中间介质板的侧面设置有外金属镀层，在所述上介质板和下介质板靠近所述中间介质板的侧面设置有中间金属镀层，所述中间金属镀层包括间隔设置的两部分，由所述外金属镀层和中间金属镀层围成的空间为介质传输结构，所述中间金属镀层靠近上介质板和下介质板一侧设置有色散结构。
在本发明的一个实施例中，所述色散结构为与中间金属镀层接触的金属凸台，在所述金属凸台上涂覆有色散材料。
在本发明的一个实施例中，沿所述上介质板、中间介质板和下介质板的延伸方向，在介质板的一端设置有金属转换结构，在介质板的另一端设置有辐射偶极子结构。
在本发明的一个实施例中，输入信号以TE10模式从所述金属转换结构进入到介质传输结构中，在介质传输结构内TE10模式产生的沿着介质板堆叠方向的磁流转化为发射到空间中的电磁信号，形成介质板平面的端射辐射；由TE10模式在外金属镀层和中间金属镀层表面形成的电流，沿着末端连接的辐射偶极子结构进一步传输，形成沿着介质板宽度方向的介质板侧面上的端射辐射。
在本发明的一个实施例中，所述辐射偶极子结构带动引向器产生电流，与金属镀层表面形成的电流合并共同形成沿着介质板宽度方向的介质板侧面上的端射辐射。
在本发明的一个实施例中，所述金属腔体上开设有供所述金属转换结构穿过的输入端口和供所述辐射偶极子结构穿过的连接端口。
在本发明的一个实施例中，在所述上介质板、中间介质板、下介质板、外金属镀层、中间金属镀层和色散结构上均开设有多个贯通的金属化过孔。
在本发明的一个实施例中，所述金属化过孔根据所需介质传输结构的形状阵列分布。
在本发明的一个实施例中，在所述金属化过孔中电镀金属介质，实现外金属镀层、中间金属镀层和色散结构的连接。
在本发明的一个实施例中，所述外金属镀层和中间金属镀层为金属板。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
本发明所述的基于色散结构的基片集成端射天线，通过多层堆叠设置的介质板以及金属镀层的约束，形成了沿介质板长度方向延伸的介质传输结构，在介质传输结构的外周，即多层介质板的上下平面以及多层介质板堆叠的侧面均产生了端面辐射，从而将电磁辐射从边辐射改变为面辐射，提出了一种端面辐射的毫米波通信技术，既增加了毫米波通信系统的工作带宽，又减小了集成天线的尺寸，因此，本发明的端射型天线可放置于通信设备的侧面边缘位置，可以减小设备整体的剖面尺寸，将天线放置于设备的侧面位置，在许多应用场景中如毫米波室内高速无线接入、终端设备、智能家居等应用场景中，可以有效减小通信设备受到的外界物体干扰；在卫星通信、大宽带回传基站应用中通常需要使用高增益反射面天线，端射天线具有更小的口径尺寸，因此反射面天线通常会采用端射天线作为馈源，以减小馈源的遮挡。
本发明的基片集成端射天线还引入色散结构保证性能，与传统的多层板结构天线不同，本次设计的端射天线在板层之间引入了色散结构来保证在高工作频率的性能，且与普通介质板结构相同，仍然具有结构简单、紧凑、易于加工的优势。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1是本发明的基于色散结构的基片集成端射天线的整体结构示意图；
图2是介质辐射部的整体结构示意图；
图3是介质辐射部的爆炸结构示意图；
图4是本发明的基于色散结构的基片集成端射天线的S参数的仿真结果图；
图5是本发明的基于色散结构的基片集成端射天线的增益仿真结果图；
图6是本发明的基于色散结构的基片集成端射天线的主极化与交叉极化的辐射方向图仿真结果图。
说明书附图标记说明：1、介质辐射部；11、上介质板；12、中间介质板；13、下介质板；14、外金属镀层；15、中间金属镀层；16、色散结构；17、金属化过孔；2、金属腔体；3、金属转换结构；4、辐射偶极子结构。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
参照图1-图3所示，本发明的一种基于色散结构的基片集成端射天线，包括介质辐射部1和包覆在介质辐射部1外的金属腔体2，所述介质辐射部1包括三层平行堆叠设置的上介质板11、中间介质板12和下介质板13，所述上介质板11、中间介质板12和下介质板13的形状和大小相同，在所述上介质板11和下介质板13远离所述中间介质板12的侧面设置有外金属镀层14，在所述上介质板11和下介质板13靠近所述中间介质板12的侧面设置有中间金属镀层12，所述中间金属镀层12包括间隔设置的两部分，由所述外金属镀层14和中间金属镀层15围成的空间为介质传输结构；
具体地，沿所述上介质板11、中间介质板12和下介质板13的延伸方向，在介质板的一端设置有金属转换结构3，在介质板的另一端设置有辐射偶极子结构4，采用沿E面的端射偶极子，利用TE10模式沿E面电流反相特性，激励宽带偶极子，输入信号以TE10模式从所述金属转换结构3进入到介质传输结构中，本实施例中所述TE10是沿传播方向有磁场分量而没有电场分量的标准矩形波导管中的电磁波，其中1指的是电磁场在矩形波导管宽边方向上有半波变化，0指的是在窄边上均匀分布，在介质传输结构内TE10模式产生的沿着介质板堆叠方向的磁流转化为发射到空间中的电磁信号，形成介质板平面的端射辐射；由TE10模式在外金属镀层和中间金属镀层表面形成的电流，沿着末端连接的辐射偶极子结构进一步传输，形成沿着介质板宽度方向的介质板侧面上的端射辐射，上述两个电磁信号合并形成端射天线整体的电磁辐射；
具体地，为了进一步增强沿着介质板宽度方向的介质板侧面上的端射辐射，在辐射偶极子端引入引向器，所述辐射偶极子结构4带动引向器产生电流，与金属镀层表面形成的电流合并共同形成沿着介质板宽度方向的介质板侧面上的端射辐射，进一步增强带宽性能，实现了端射天线较宽的工作带宽要求；
本实施例通过多层堆叠设置的介质板以及金属镀层的约束，形成了沿介质板长度方向延伸的介质传输结构，在介质传输结构的外周，即多层介质板的上下平面以及多层介质板堆叠的侧面均产生了端面辐射，从而将电磁辐射从边辐射改变为面辐射，提出了一种端面辐射的毫米波通信技术，既增加了毫米波通信系统的工作带宽，又减小了集成天线的尺寸，因此，本发明的端射型天线可放置于通信设备的侧面边缘位置，可以减小设备整体的剖面尺寸，将天线放置于设备的侧面位置，在许多应用场景中如毫米波室内高速无线接入、终端设备、智能家居等应用场景中，可以有效减小通信设备受到的外界物体干扰；在卫星通信、大宽带回传基站应用中通常需要使用高增益反射面天线，端射天线具有更小的口径尺寸，因此反射面天线通常会采用端射天线作为馈源，以减小馈源的遮挡。
具体地，所述中间金属镀层15靠近上介质板11和下介质板13一侧设置有色散结构16，所述色散结构16为与中间金属镀层15接触的金属凸台，在所述金属凸台上涂覆有色散材料；本实施例的基片集成端射天线引入色散结构16保证性能，与传统的多层板结构天线不同，本次设计的端射天线在板层之间引入了色散结构16来保证在高工作频率的性能，且与普通介质板结构相同，仍然具有结构简单、紧凑、易于加工的优势。
具体地，所述金属腔体2上开设有供所述金属转换结构3穿过的输入端口和供所述辐射偶极子结构4穿过的连接端口。
具体地，为了限制介质传输结构在介质辐射部内的传输方向，在所述上介质板11、中间介质板12、下介质板13、外金属镀层14、中间金属镀层15和色散结构16上均开设有多个贯通的金属化过孔17，所述金属化过孔17根据所需介质传输结构的形状阵列分布，在所述金属化过孔17中电镀金属介质，实现外金属镀层14、中间金属镀层15和色散结构16的连接，在所述阵列分布的金属化过孔17之间形成介质传输结构。
具体地，本实施例中的所述外金属镀层14和中间金属镀层15均为金属板。
为了验证本实施例的基于色散结构的基片集成端射天线，能够实现端面辐射，实现稳定的带宽增益，按照以下步骤进行试验和电场、磁场分布监测：
输入信号以TE10模式输入至输入端口，在经过传输后到达金属转换结构3部分，并且通过介质板末端的转换结构进入介质辐射部1；
通过金属镀层的约束，信号在介质内部的传输结构内继续传输；
在传输过程中对电场和磁场的分布状态进行监控，能够清楚的看到当能量传输至末端附近时时，介质内的由TE10模式产生的沿着介质板堆叠方向的磁流转化为发射到空间中的电磁信号，形成介质板平面的端射辐射；由TE10模式在外金属镀层14和中间金属镀层15表面形成的电流，沿着末端连接的辐射偶极子结构进一步传输，形成沿着介质板宽度方向的介质板侧面上的端射辐射；
最终信号通过端射天线产生的辐射，从传输结构内向空间中发射出去。
参照图4-图6所示，为上述试验的测试结果：
图4为该实施例中的端射天线的S参数的仿真结果图，图5为该实施例中的天线的增益仿真结果图；从图4可以看出，圆极化天线的S参数小于-10dB的覆盖频率带宽为82GHz-130GHz，同时图5显示频率带宽内增益大于8.3dBi，实现了带宽内稳定的增益。
图6为该实施例中的天线在85GHz、90GHz以及95GHz频点时，在E与H面上，主极化与交叉极化的辐射方向图仿真结果图；从图中可以看出两个面上的辐射方向图，包括主极化覆盖角度范围以及交叉极化的幅度，其中，半功率波束宽度在两个面上都达到了60度，同时交叉极化水平小于-45dB，实现了较宽的波束范围。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (6)

1.一种基于色散结构的基片集成端射天线，包括介质辐射部和包覆在介质辐射部外的金属腔体，其特征在于：
所述介质辐射部包括三层平行堆叠设置的上介质板、中间介质板和下介质板，在所述上介质板和下介质板远离所述中间介质板的侧面设置有外金属镀层，在所述上介质板和下介质板靠近所述中间介质板的侧面设置有中间金属镀层，每层所述中间金属镀层均包括间隔设置的两部分，由所述外金属镀层和中间金属镀层围成的空间为介质传输结构，所述中间金属镀层靠近上介质板和下介质板一侧设置有色散结构；
沿所述上介质板、中间介质板和下介质板的延伸方向，在介质板的一端设置有金属转换结构，在中间介质板的另一端设置有辐射偶极子结构；所述金属腔体上开设有供所述金属转换结构穿过的输入端口和供所述辐射偶极子结构穿过的连接端口；
在所述上介质板、中间介质板、下介质板、外金属镀层、中间金属镀层和色散结构上均开设有多个贯通的金属化过孔，在所述金属化过孔中电镀金属介质，实现外金属镀层、中间金属镀层和色散结构的连接。
2.根据权利要求1所述的基于色散结构的基片集成端射天线，其特征在于：所述色散结构为与中间金属镀层接触的金属凸台，在所述金属凸台上涂覆有色散材料。
3.根据权利要求1所述的基于色散结构的基片集成端射天线，其特征在于：输入信号以TE10模式从所述金属转换结构进入到介质传输结构中，在介质传输结构内TE10模式产生的沿着介质板堆叠方向的磁流转化为发射到空间中的电磁信号，形成介质板平面的端射辐射；由TE10模式在外金属镀层和中间金属镀层表面形成的电流，沿着末端连接的辐射偶极子结构进一步传输，形成沿着介质板宽度方向的介质板侧面上的端射辐射。
4.根据权利要求3所述的基于色散结构的基片集成端射天线，其特征在于：所述辐射偶极子结构带动引向器产生电流，与金属镀层表面形成的电流合并共同形成沿着介质板宽度方向的介质板侧面上的端射辐射。
5.根据权利要求1所述的基于色散结构的基片集成端射天线，其特征在于：所述金属化过孔根据所需介质传输结构的形状阵列分布。
6.根据权利要求1所述的基于色散结构的基片集成端射天线，其特征在于：所述外金属镀层和中间金属镀层为金属板。
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