CN114243276A - 一种新型的自双工多频段太赫兹天线 - Google Patents

一种新型的自双工多频段太赫兹天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种新型的自双工多频段太赫兹天线，属于无线通信领域，具体由FR4介质基板、Y形缝隙槽、接地板和微带线组成；所述的FR4介质基板底部全面覆铜，形成接地板；顶部镀铜至距边缘1/8～1/6处结束，且在正中心刻蚀槽包括三段枝节的Y形缝隙槽，进一步将顶层的镀铜区域分为三部分。在顶层镀铜区域的边缘部分，与FR4介质基板的边缘之间，布有三段微带线，形成三个区域对应的馈电端口；Y形缝隙槽不同的开槽尺寸，会在三个端口分别激发三种不同的谐振模式，实现了106.4～108.6GHz、103.5～106.4GHz和101.6～103.7GHz三个不同频段的覆盖。本发明消除了对高阶双工器的需求，提高了天线的工作频率。

Description

一种新型的自双工多频段太赫兹天线
技术领域
本发明属于无线通信的天线领域，具体涉及一种新型的自双工多频段太赫兹天线。
背景技术
近些年，随着移动通信技术的蓬勃发展，信息的快速传递已经成为当今社会的标志。微波毫米波通信技术的飞速发展以及无线产品的大量普及，特别是手机等无线通信设备，包含的功能越来越多，操作也越来越方便，对作为通信系统关键部件的天线也提出了更高的要求，比如通信的质量要好、成本要低、质量更轻以及更易于加工等；但是，传统天线在高频段的表面波和导体损耗比较严重，严重制约了天线的发展。
这些年，一种新型的介质谐振器天线(DRA：Dielectric Resonator Antenna)因为其优越的性能受到了研究学者的广泛关注。相较于常规天线，介质谐振器天线具有许多优点：如结构尺寸小，重量轻，馈电方式比较简单，可以使用探针，微带线以及共面波导，且DRA没有导体和表面波损耗，所以在微波毫米波频段受到了越来越多的开发和应用。
如文献1：A Compact Self-Triplexing Antenna Using HMSIW Cavity中公开了：天线由HMSIW(half mode substrate integrated waveguide)腔、倒V形槽和三个微带馈线组成。如图1所示，倒V形槽蚀刻在HMSIW腔体的顶面上，形成两个八模腔谐振器和一个QM腔谐振器。每个谐振腔由单独的微带馈电线激励辐射在三个不同的频率。这种天线的设计频率是三个不同的WLAN频段；采用在半模谐振腔上开V形槽的方式，虽然实现了多频段化和高隔离度，但是工作频率仅为6GHz以下，工作频率较低，而且天线结构不具有可调节性，并不能通过改变某个尺寸来提高频率，不具有灵活性和可塑性。
当前人们追求的目标是易于集成、重量轻、容易加工、成本低的天线和无源器件；虽然金属波导组件已被广泛用于微波和毫米波通信系统，但其成本相对较高且难以集成，因此无法用于低成本器件的大批量使用严重制约了微波毫米波电路的集成化和小型化发展。
因此，发展和探索一种具有良好传输性能和高度集成的新型平面结构就成了大势所趋，基片集成波导(SIW：Substrate Integrated Waveguide)是一类可以集成在介质基片上的拥有低插损、低辐射、高Q值等特性的新型导波结构，通过在介质基片中制作两排金属化的介质孔，呈周期性排列，介质基片上下两层的金属面和两排介质孔形成了类波导结构。
与传统金属波导相比，基片集成波导其实是一个平面电路，设计的成本较低，结构的体积也比较小，容易和其他的平面电路集成；与微带结构的比较方面，SIW近似是一个封闭结构，泄漏的电磁能量很少，而且损耗也很小，在高频方面的优势很明显。
结合现代的纳米工艺，印刷电路板(PCB)工艺和低温共烧陶瓷(LTCC：LowTemperature Co-fire Ceramic)技术，基于基片集成波导结构的介质谐振器天线将会在微波毫米波电路和系统的集成化方面表现出良好的性能和应用前景。
发明内容
针对当前天线工作频率低的问题，本发明提出了一种新型的自双工多频段太赫兹天线，实现了106.4～108.6GHz、103.5～106.4GHz和101.6～103.7GHz三个不同频段的覆盖。
所述的自双工多频段太赫兹天线由FR4介质基板、Y形缝隙槽、接地板和微带线组成；
所述的FR4介质基板为正方形，底部全面覆铜，形成接地板；顶部以正方形中心为核心，开始镀铜，直至距FR4介质基板的边缘1/8～1/6处结束，且在正中心刻蚀Y形缝隙槽。
Y形缝隙槽包括三段槽，分别对应三段枝节：枝节A和枝节B为Y的头部，之间的夹角Φ2＝90°；枝节C为Y的底部；枝节B和枝节C之间的夹角Φ1＝135°；枝节A和枝节C之间的夹角Φ3＝135°。三个枝节将顶层的镀铜区域分为三部分：区域I、区域II和区域III。
区域I为枝节B和枝节C之间的区域，区域II为枝节A和枝节B之间的区域，区域III为枝节A和枝节C之间的区域；
在三个镀铜区域的边缘部分，与FR4介质基板的边缘之间，布有三段微带线，形成三个区域对应的馈电端口；具体为：区域I的FR4介质基板边缘，开有port1波端口；在区域II的FR4介质基板边缘，开有port2波端口；在区域III的FR4介质基板边缘，开有port3波端口；port1波端口与port3波端口位于同一个水平线上，且port2波端口位于其垂直平分线上。
三个端口选用50Ω微带线独立馈电；
由于Y形缝隙槽的开槽尺寸不同，会激发三种不同的谐振模式：
在port1波端口的激励下，电流流向区域I，表面电流在天线区域I占主导地位，区域II和区域III的表面电流忽略不计，形成的阻抗带宽为106.4～108.6GHz；
同理，在port2波端口的激励下，电流流向区域II，表面电流在天线区域II占主导地位，区域I和区域III的表面电流忽略不计，形成的阻抗带宽为103.5～106.4GHz；
在port3波端口的激励下，电流流向区域III，表面电流在天线区域III占主导地位，区域I和区域II的表面电流忽略不计，形成的阻抗带宽为101.6～103.7GHz。
Y形缝隙槽中枝节A的缝隙宽度影响相邻区域II和区域III的谐振频率，而对区域I没有影响；同理，枝节B的缝隙宽度影响相邻区域I和区域II的谐振频率，而对区域III没有影响；枝节C的缝隙宽度影响相邻区域I和区域III的谐振频率，而对区域II没有影响；
三个枝节A，B和C缝隙长度的增加，对谐振频率没有影响。
在上层镀铜区域的边缘，除去三个端口的位置，四周均匀开有若干金属过孔，将上层镀铜与底层接地板相连接，形成SIW谐振腔；金属过孔在工作带宽内提高S参数的隔离度，同时还将阻抗带宽的中心频率f1、f2和f3移向更高频率。
在区域I内，位于port1波端口与port3波端口的水平连线上，靠近枝节C的部位开有一个金属过孔，用于改变SIW谐振腔内的电流方向，扰乱电流分布，通过调整该金属过孔的位置，增大或减小该金属过孔与Y形缝隙槽中心点之间的距离，从而改变port1波端口被激励时的覆盖频段。
本发明的优点在于：
本发明提出了一种新型的自双工多频段太赫兹天线，消除了对高阶双工器的需求，从而通过减少元件数量使得射频前端系统更加紧凑，高效和低成本。Y形缝隙槽的设计将谐振腔分为三部分，每一部分都由微带线馈电，由于每一部分谐振腔的结构和尺寸不同，被激励时，可以产生不同的谐振频率。
附图说明
图1为现有文献中由HMSIW腔、倒V形槽和三个微带馈线组成的天线结构图；
图2为本发明一种新型的自双工多频段太赫兹天线的结构示意图；
图3为本发明一种新型的自双工多频段太赫兹天线的结构尺寸图；
图4为本发明天线谐振腔激发的三种不同谐振模式下的表面电流分布图；
图5为本发明天线槽长、宽度和通孔位置对S参数的影响示意图；
图6为本发明天线在不同的谐振频率下仿真得到的S参数图；
图7为本发明仿真和测试的E/H平面辐射方向图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明，以使本发明的目的和优势更加清晰。以下说明仅为示例，并非限制本发明的使用范围。
随着现代无线通信系统的快速发展，对低成本、小型化和高性能平面多频天线的需求也在不断增加。紧凑型无线手持设备在各种通信标准和卫星收发系统中运行，上行或下行频率都需要高隔离度的双频天线，双工天线的发展消除了对高阶双工器的需求，从而通过减少元件数量使得射频前端系统更加紧凑，高效和低成本。因此，本发明提出了一种新型的自双工多频段太赫兹天线，采用基片集成波导结构，在介质表面开一个Y形缝隙将谐振腔分为三部分，分别采用三个微带线进行馈电，通过HFSS仿真找到最佳工作结构模型。
所述的自双工多频段太赫兹天线如图2所示，由FR4介质基板、Y形缝隙槽、接地板和微带线组成；
所述的FR4介质基板为正方形基片集成波导，厚度为0.3mm；底部全面覆铜，形成接地板；顶部以正方形中心为核心，开始镀铜，直至距FR4介质基板的边缘1/8～1/6处结束，且在正中心刻蚀Y形缝隙槽，共形成了三层结构。
Y形缝隙槽包括三段槽，分别对应三段枝节：枝节A和枝节B为Y的头部，之间的夹角Φ2＝90°；枝节C为Y的底部；枝节B和枝节C之间的夹角Φ1＝135°；枝节A和枝节C之间的夹角Φ3＝135°。三个枝节将顶层的镀铜区域分为三部分：区域I、区域II和区域III。
区域I为枝节B和枝节C之间的区域，区域II为枝节A和枝节B之间的区域，区域III为枝节A和枝节C之间的区域；
在三个镀铜区域的边缘部分，与FR4介质基板的边缘之间，布有三段微带线，形成三个区域对应的馈电端口；具体为：区域I的FR4介质基板边缘，开有port1波端口；在区域II的FR4介质基板边缘，开有port2波端口；在区域III的FR4介质基板边缘，开有port3波端口；port1波端口与port3波端口位于同一个水平线上，且port2波端口位于其垂直平分线上。
三个端口选用50Ω微带线独立馈电；
由于天线顶部平面上刻蚀的Y形缝隙槽的开槽尺寸不同，在谐振腔内会激发三种不同的谐振模式：
在port1波端口的激励下，电流流向区域I，表面电流在天线区域I占主导地位，区域II和区域III的表面电流忽略不计，形成的阻抗带宽为106.4～108.6GHz；
同理，在port2波端口的激励下，电流流向区域II，表面电流在天线区域II占主导地位，区域I和区域III的表面电流忽略不计，形成的阻抗带宽为103.5～106.4GHz；
在port3波端口的激励下，电流流向区域III，表面电流在天线区域III占主导地位，区域I和区域II的表面电流忽略不计，形成的阻抗带宽为101.6～103.7GHz。
在上层镀铜区域的边缘，除去三个端口的位置，四周均匀开有若干金属过孔，将上层镀铜与底层接地板相连接，形成SIW腔作为谐振器，空腔的侧壁由金属通孔形成，天线由谐振腔边上的三个50Ω微带线连接共面波导(CPW)进行独立馈电，在工作带宽内提高了S参数的隔离度，且将阻抗带宽的中心频率移向更高频率。
实施例：
如图3所示，本实例选择的FR4介质基板，选择厚度为0.508mm的Rogers RT 5880；其中εr＝2.2，tanδ＝0.0009。边长为8.8mm；FR4介质基板的底面镀厚度为0.05mm的铜通过单层PCB工艺设计加工。
在FR4介质基板的顶部平面同样镀有厚度为0.05mm的正方形铜层，铜层的边长为a＝6.4mm，铜层中心刻蚀一个Y形缝隙槽，枝节A的宽度w1＝0.8mm；枝节B的宽度w2＝0.7mm；枝节C的宽度w3＝0.95mm；三个枝节的长度相同，均为L1＝L2＝L3＝3.8mm；
在区域I中靠近枝节C的部位开有金属通孔，该通孔在垂直方向上到Y形缝隙槽中心点的尺寸b＝0.65mm，在水平方向上到Y形缝隙槽中心点的尺寸c＝0.5mm；该通孔的设计改变了谐振腔内电流方向，扰乱了电流分布，通过改变过孔的位置，可以改变端口1被激励时的覆盖频段。
SIW谐振腔的侧壁由等间距分布在上层正方形铜层边缘的金属通孔形成，连接上导电平面和下导电平面，金属通孔的直径d＝0.25mm，相邻两通孔中心的间距为p＝0.15mm。
天线由谐振腔边上的三个50Ω微带线连接共面波导(CPW)进行独立馈电，馈电端口分别为port1波端口，port2波端口和port3波端口。
由于开槽的尺寸不同，当三个端口分别被激励时，在谐振腔内将会激发三种不同的谐振模式。天线表面的电场分布如图4所示，通过图(a)可以看出，在port1波端口的激励下，表面电流在天线右半部占主导地位，左边和上边的表面电流几乎可以忽略不计。从这一事实可以明显看出，在这个谐振频率下，右边部分是辐射的关键因素，而上边部分和左边部分的作用可以忽略。
在第二个谐振频率处的辐射特性可以用类似的方法解释，其中表面电流主要集中在上半部分，即图(b)。在这种情况下，port2波端口被激发并且通过上边部分产生辐射，而左边部分和右边部分对其影响可忽略。同理可得，port3波端口被激励时，表面电流主要集中在左半部分，产生了第三个谐振频率。
为了研究各种参数对谐振频率的影响，利用HFSS电磁模拟器进行了参数研究。
三种不同的谐振模式下，谐振频率的中心频率点(f1、f2和f3)随Y形缝隙槽的槽长(l1)、宽度(w1、w2、w3)和通孔位置(b、c)的变化，如图5所示：图5(a)显示共振频率的中心频率点(f2，f3)随着参数w1的增加而增加，f1几乎保持不变。图5(b)显示共振频率的中心频率点(f1，f2)随着参数w2的增加而增加，f3几乎保持不变。图5(c)显示，谐振频率的中心频率点(f1，f3)随着参数w3的增加而增加，f2几乎保持不变。因此，Y形缝隙槽的缝隙宽度可以影响相邻两腔的谐振频率，而对另一腔没有影响。
如图5(d)所示，随着缝隙长度的增加，谐振频率几乎没有变化。
通孔位置b和c的影响分别如图5(e)和图5(f)所示，增大c和减小b可导致f1的增加。
金属过孔对S参数的影响如图5(g)和5(h)所示，可以清楚地看出，金属过孔可以在工作带宽内提高S12、S13和S23的隔离度。此外，过孔还可用于将f1、f2和f3移向更高频率。
如图6所示，为最终的S参数仿真结果，由图可知，当port1波端口被激励而其他两个端口匹配终止时，谐振频率的中心频率点f1为107.6GHz；当port2波端口被激励而其他两个端口匹配终止时，谐振频率的中心频率点f2为105.1GHz；当port3波端口被激励而其他两个端口匹配终止时，谐振频率的中心频率点f3为102.7GHz；对应的阻抗带宽分别为106.4～108.6GHz、103.5～106.4GHz和101.6～103.7GHz。
仿真和测试的E/H平面辐射方向图如图7所示。在谐振点107.6GHz、105.1GHz、102.7GHz天线增益可分别达到10.7dBi、8.08dBi、14.9dBi，且每两个端口之间具有隔离度优于20dB。
本发明基片集成波导是一类可以集成在介质基片上的拥有低插损、低辐射、高Q值等特性的新型导波结构，在介质基片中制作两排金属化的介质孔，这两排介质孔呈周期性排列，介质基片上下两层的金属面和两排介质孔就形成了类波导结构。与传统金属波导相比，基片集成波导其实是一个平面电路，而且设计的成本较低，结构的体积也比较小，容易和其他的平面电路集成，在与微带结构的比较方面，SIW近似是一个封闭结构，泄漏的电磁能量很少，而且损耗也很小，在高频方面的优势很明显。
自双工天线的设计消除了对高阶双工器的需求，从而通过减少元件数量使得射频前端系统更加紧凑，高效和低成本。Y形缝隙槽的设计将谐振腔分为三部分，每一部分都由微带线馈电，由于每一部分谐振腔的结构和尺寸不同，被激励时，可以产生不同的谐振频率。
本发明采用循序渐进的方法，主要分为技术调研、理论研究和验证测试三个阶段。在技术调研的过程中主要完成对能够实现现有多频段技术、MIMO技术、基片集成波导等特定性能的技术调研和总结，了解已有技术的特点优势，并在此基础上根据项目需要开展研究。同时进行仿真实验和理论验证，对于成熟有效的技术方法可以开展系统的设计和实现工作，借助高效便捷的开发工具和灵活的设计手段。最后在暗室测试环境中完成性能测试，并根据测试结果来进一步修正理论及设计方法。实施过程中采用理论研究和天线结构设计实现同步进行的策略，使得天线设计过程中理论方法和实现技术之间可以互相交流和调整，能够同时协调进步。

Claims (7)

1.一种新型的自双工多频段太赫兹天线，其特征在于，具体包括FR4介质基板、Y形缝隙槽、接地板和微带线；
FR4介质基板底部全面覆铜，形成接地板；顶部镀铜后在正中心刻蚀Y形缝隙槽；
Y形缝隙槽由三段枝节组成，将顶层的镀铜区域分为三部分：区域I、区域II和区域III；
在三个镀铜区域的边缘部分，与FR4介质基板的边缘之间，布有三段微带线，形成三个区域对应的馈电端口；Y形缝隙槽不同的开槽尺寸，激发三种不同的谐振模式，形成的阻抗带宽为106.4～108.6GHz，103.5～106.4GHz和101.6～103.7GHz；
在上层镀铜区域的边缘，除去三个端口的位置，四周均匀开有若干金属过孔，将上层镀铜与底层接地板相连接，形成SIW谐振腔。
2.如权利要求1所述的一种新型的自双工多频段太赫兹天线，其特征在于，所述的FR4介质基板为正方形基片集成波导，顶部以正方形中心为核心，开始镀铜，直至距FR4介质基板的边缘1/8～1/6处结束。
3.如权利要求1所述的一种新型的自双工多频段太赫兹天线，其特征在于，所述的Y形缝隙槽的三段枝节具体为：枝节A和枝节B为Y的头部，之间的夹角Φ2＝90°；枝节C为Y的底部；枝节B和枝节C之间的夹角Φ1＝135°；枝节A和枝节C之间的夹角Φ3＝135°；三个枝节将顶层的镀铜区域分为三部分：区域I、区域II和区域III；
区域I为枝节B和枝节C之间的区域，区域II为枝节A和枝节B之间的区域，区域III为枝节A和枝节C之间的区域。
4.如权利要求1所述的一种新型的自双工多频段太赫兹天线，其特征在于，所述的三个馈电端口选用50Ω微带线独立馈电，具体为：区域I的FR4介质基板边缘，开有port1波端口；在区域II的FR4介质基板边缘，开有port2波端口；在区域III的FR4介质基板边缘，开有port3波端口；port1波端口与port3波端口位于同一个水平线上，且port2波端口位于其垂直平分线上。
5.如权利要求1所述的一种新型的自双工多频段太赫兹天线，其特征在于，所述的三种不同的谐振模式具体为：
在port1波端口的激励下，电流流向区域I，表面电流在天线区域I占主导地位，区域II和区域III的表面电流忽略不计，谐振频率的中心频率点f1为107.6GHz；
同理，在port2波端口的激励下，电流流向区域II，表面电流在天线区域II占主导地位，区域I和区域III的表面电流忽略不计，谐振频率的中心频率点f2为105.1GHz；
在port3波端口的激励下，电流流向区域III，表面电流在天线区域III占主导地位，区域I和区域II的表面电流忽略不计，谐振频率的中心频率点f3为102.7GHz。
6.如权利要求1所述的一种新型的自双工多频段太赫兹天线，其特征在于，所述的Y形缝隙槽中枝节A的缝隙宽度影响相邻区域II和区域III的谐振频率，而对区域I没有影响；同理，枝节B的缝隙宽度影响相邻区域I和区域II的谐振频率，而对区域III没有影响；枝节C的缝隙宽度影响相邻区域I和区域III的谐振频率，而对区域II没有影响；
三个枝节A，B和C缝隙长度的增加，对谐振频率没有影响。
7.如权利要求1所述的一种新型的自双工多频段太赫兹天线，其特征在于，所述的区域I内，位于port1波端口与port3波端口的水平连线上，靠近枝节C的部位开有一个金属过孔，用于改变SIW谐振腔内的电流方向，扰乱电流分布，通过调整该金属过孔的位置，增大或减小该金属过孔与Y形缝隙槽中心点之间的距离，从而改变port1波端口被激励时的覆盖频段。
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