CN114464998A - 一种共面波导馈电的毫米波双裂环缝隙天线 - Google Patents

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Abstract

一种共面波导馈电的毫米波双裂环缝隙天线，属于毫米波通信天线技术领域，解决现有的毫米波天线增益低的问题，通过在天线单元的第一矩形微带线的上、下两端的两个馈电端口输入等幅反相的激励实现差分馈电，此时在第一环形辐射缝隙与第二环形辐射缝隙中分别产生2个方向相反半圆形磁流，每个环形辐射缝隙中产生的两个方向相反半圆形磁流的y轴方向上的分量相位相反，所以不会产生有效辐射，而x轴方向上的分量相位相同，所以会产生有效的辐射，因此，4个半圆形磁流产生的辐射等效为4个振子所组成的阵列产生的辐射，从而实现天线单元的高增益，具有物理尺寸小、易于集成的优点。

Description

一种共面波导馈电的毫米波双裂环缝隙天线
技术领域
本发明属于毫米波通信天线技术领域，一种共面波导馈电的毫米波双裂环缝隙天线。
背景技术
随着5G时代的到来以及全球通信业务的迅速发展，作为未来通信主要手段的无线移动通信技术己引起了人们的极大关注，在整个无线通讯系统中，天线是将射频信号转化为无线信号的关键器件，其性能的优良对无线通信工程的成败起到重要作用。目前在天线领域中，毫米波宽带天线这类新型天线因传输速率高、系统容量大、空间分辨和目标识别能力强，尺寸小以集成等优点而备受关注。同时缝隙天线由于其结构简单，加工成本低，易于集成而受到广泛的研究，因此对于毫米波频段的缝隙天线的研究设计是非常重要的。现有技术中，Horng-Dean Chen提出了具有宽阻抗枝节的方形缝隙天线结构，将天线的工作相对带宽提升到超过60％，F.Muge在其研究基础上设计了1×4的天线阵列，但单元缝隙间耦合降低了阵列带宽和增益；Evangelos S.等学者提出了圆形和椭圆形缝隙结构的宽阻抗枝节的宽带缝隙天线，但其较大尺寸阻碍了高性能小型化的阵列设计；传统结构缝隙天线单无法实现良好的阵列效果，有些小型化的缝隙天线阵列则因过近的阵元相互耦合造成增益较低，有些具有较好增益的缝隙天线阵列则工作带宽较窄，无法适应宽带要求。因此，如何设计一种高增益的共面波导馈电的毫米波双裂环缝隙天线成为当务之急。
发明内容
本发明的目的在于设计一种共面波导馈电的毫米波双裂环缝隙天线，以解决现有的毫米波天线增益低的问题。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：
一种共面波导馈电的毫米波双裂环缝隙天线，包括：天线单元(10)；所述的天线单元(10)包括：共面波导结构、第一环形辐射缝隙(106)、第二环形辐射缝隙(107)、第一金属地板(108)、第二金属地板(109)；所述的共面波导结构包括：第一圆形金属片(101)、第二圆形金属片(102)、第一矩形微带线(103)、第二矩形微带线(104)、第三矩形微带线(105)；
所述的第一矩形微带线(103)是沿着y轴刻蚀出来的微带线，第一矩形微带线(103)的上、下两端分别作为天线单元(10)的两个馈电端口，两个馈电端口输入等幅反相的激励；
所述的第一圆形金属片(101)与第一金属地板(108)之间刻蚀出第一环形辐射缝隙(106)，所述的第二圆形金属片(102)与第二金属地板(109)之间刻蚀出第二环形辐射缝隙(107)；
所述的第二矩形微带线(104)的一端与第一矩形微带线(103)连接，第二矩形微带线(104)的另一端与第一圆形金属片(101)连接；第三矩形微带线(105)的一端与第一矩形微带线(103)连接，第三矩形微带线(105)的另一端与第二圆形金属片(102)连接；
第一圆形金属片(101)、第二矩形微带线(104)与第二圆形金属片(102)、第三矩形微带线(105)关于第一矩形微带线(103)的y轴方向的中心线左右轴对称；同时，第一圆形金属片(101)、第二圆形金属片(102)、第一矩形微带线(103)、第二矩形微带线(104)、第三矩形微带线(105)关于第一圆形金属片(101)的圆心、第二圆形金属片(102)的圆心的连线上下轴对称。
本发明的技术方案通过在天线单元(10)的第一矩形微带线(103)的上、下两端的两个馈电端口输入等幅反相的激励实现差分馈电，此时在第一环形辐射缝隙(106)与第二环形辐射缝隙(107)中分别产生2个方向相反半圆形磁流，每个环形辐射缝隙中产生的两个方向相反半圆形磁流的y轴方向上的分量相位相反，所以不会产生有效辐射，而x轴方向上的分量相位相同，所以会产生有效的辐射，因此，4个半圆形磁流产生的辐射等效为4个振子所组成的阵列产生的辐射，从而实现天线单元(10)的高增益。
进一步地，还包括：介质基板(20)、反射板(30)；所述的天线单元(10)与反射板(30)是介质基板(20)上、下表面的两块覆铜板。
进一步地，所述的第一环形辐射缝隙(106)、第二环形辐射缝隙(107)的环形的半径Rout的计算公式如下：
Figure BDA0003571935130000021
其中，c为光速，εr为介电常数，f为天线单元(10)的工作频点的频率值。
进一步地，所述的第一圆形金属片(101)与第二圆形金属片(102)的半径Rin为1.6mm，第一环形辐射缝隙(106)、第二环形辐射缝隙(107)的环形的半径Rout为1.8mm，第一矩形微带线(103)的宽度Wf为0.6mm，第二矩形微带线(104)、第三矩形微带线(105)的宽度W1为0.8mm。
进一步地，所述的天线单元(10)覆盖的频带为27GHz至29.5GHz。
进一步地，所述的天线单元(10)的尺寸：长为12mm，宽为8mm。
进一步地，所述的介质基板(20)采用Rogers5880板。
进一步地，所述的介质基板(20)的厚度h＝0.787mm，介电常数εr为2.2，介质基板的损耗角tanδ＝0.0009。
本发明的优点在于：
1)本发明的技术方案通过在天线单元(10)的第一矩形微带线(103)的上、下两端的两个馈电端口输入等幅反相的激励实现差分馈电，此时在第一环形辐射缝隙(106)与第二环形辐射缝隙(107)中分别产生2个方向相反半圆形磁流，每个环形辐射缝隙中产生的两个方向相反半圆形磁流的y轴方向上的分量相位相反，所以不会产生有效辐射，而x轴方向上的分量相位相同，所以会产生有效的辐射，因此，4个半圆形磁流产生的辐射等效为4个振子所组成的阵列产生的辐射，从而实现天线单元(10)的高增益。
2)本发明的技术方案通过设置反射板(30)，实现了天线单元(10)的单向辐射，进一步提高了天线单元(10)的增益。
3)本发明的天线具有物理尺寸小、易于集成的优点。
附图说明
图1是本发明实施例一的共面波导馈电的毫米波双裂环缝隙天线的结构示意图；
图2本发明实施例一的共面波导馈电的毫米波双裂环缝隙天线的天线单元的结构示意图；
图3本发明实施例一的共面波导馈电的毫米波双裂环缝隙天线的天线单元的工作原理图；
图4本发明实施例一的共面波导馈电的毫米波双裂环缝隙天线的天线单元的S11参数示意图；
图5本发明实施例一的共面波导馈电的毫米波双裂环缝隙天线的天线单元工作在28GHz时，E面与H面的实增益方向的示意图；
图6本发明实施例一的共面波导馈电的毫米波双裂环缝隙天线的实增益的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合说明书附图以及具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述：
实施例一
如图1所示，一种共面波导馈电的毫米波双裂环缝隙天线，包括：天线单元10、介质基板20、反射板30；所述的天线单元10包括：共面波导结构、第一环形辐射缝隙106、第二环形辐射缝隙107、第一金属地板108、第二金属地板109；天线单元10与反射板30是介质基板20上、下表面的两块覆铜板，在上表面的覆铜板上刻蚀出共面波导结构、第一环形辐射缝隙106、第二环形辐射缝隙107、第一金属地板108、第二金属地板109。
所述的介质基板20采用Rogers5880板；下表面的覆铜板作为反射板30，实现天线单元10的单向辐射，提高了天线单元10的增益。
如图2所示，所述的共面波导结构包括：第一圆形金属片101、第二圆形金属片102、第一矩形微带线103、第二矩形微带线104、第三矩形微带线105；所述的第一矩形微带线103是沿着y轴、在上表面的覆铜板中部刻蚀出来的一条矩形微带线，其长度与上表面的覆铜板的宽度相等，第一矩形微带线103的上、下两端分别作为天线单元10的两个馈电端口；第二矩形微带线104的右端与第一矩形微带线103连接，第二矩形微带线104的左端与第一圆形金属片101连接；第三矩形微带线105的左端与第一矩形微带线103连接，第三矩形微带线105的右端与第二圆形金属片102连接；第一矩形微带线103、第二矩形微带线104、第三矩形微带线105形成一个十字架结构；第一圆形金属片101、第二矩形微带线104与第二圆形金属片102、第三矩形微带线105关于第一矩形微带线103的y轴方向的中心线左右轴对称；同时，第一圆形金属片101、第二圆形金属片102、第一矩形微带线103、第二矩形微带线104、第三矩形微带线105关于第一圆形金属片101的圆心、第二圆形金属片102的圆心的连线(x轴方向)上下轴对称；采用轴对称结构，保证了天线单元10的辐射方向图的对称性。
所述的第一圆形金属片101与第一金属地板108之间刻蚀出第一环形辐射缝隙106，所述的第二圆形金属片102与第二金属地板109之间刻蚀出第二环形辐射缝隙107。
天线的工作原理：
如图3所示，所述的天线单元10通过第一矩形微带线103的上、下两端的两个馈电端口输入等幅反相的激励实现差分馈电，此时在第一环形辐射缝隙106与第二环形辐射缝隙107中分别产生2个方向相反半圆形磁流(如图3的箭头所示)，每个环形辐射缝隙中产生的两个方向相反半圆形磁流的y轴方向上的分量相位相反，所以不会产生有效辐射，而x轴方向上的分量相位相同，所以会产生有效的辐射，所以4个半圆形磁流产生的辐射等效为4个振子所组成的阵列产生的辐射，从而实现天线单元10的高增益。
下面以覆盖27-29.5GHz的频带为例，对本实施例进一步介绍：
如图2所示，设计天线单元10的尺寸：长为12mm，宽为8mm；介质基板20的厚度h＝0.787mm，介电常数εr为2.2，介质基板的损耗角tanδ＝0.0009；第一圆形金属片101与第二圆形金属片102的半径Rin为1.6mm，第一环形辐射缝隙106、第二环形辐射缝隙107的环形的半径Rout为1.8mm，第一矩形微带线103的宽度Wf为0.6mm，第二矩形微带线104、第三矩形微带线105的宽度W1为0.8mm。
如图4所示，由天线单元10的S参数可以看出，天线单元10的S11参数小于-10dB的范围为27-29.5GHz，所以本实施例设计的天线单元10可以覆盖27-29.5GHz频带。
通过改变第一环形辐射缝隙106、第二环形辐射缝隙107的环形的半径Rout的大小，便可以使天线单元10工作于其他频段，环形的半径Rout的计算公式如下：
Figure BDA0003571935130000051
其中，c为光速，εr为介电常数，f为天线单元10的工作频率。
通过上式计算出来的环形的半径Rout的可以得到第一环形辐射缝隙106、第二环形辐射缝隙107的周长约为工作频点的一个波长。
如图5所示，天线单元10在28GHz时E面与H面的方向图的示意图，可以看出天线单元10的两个面的方向图对称性较好，且没有副瓣，具有较好的辐射特性。
如图6所示，为天线单元10的实增益的示意图，可以看出天线单元10在工作频带内具有稳定的辐射增益。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种共面波导馈电的毫米波双裂环缝隙天线，其特征在于，包括：天线单元(10)；所述的天线单元(10)包括：共面波导结构、第一环形辐射缝隙(106)、第二环形辐射缝隙(107)、第一金属地板(108)、第二金属地板(109)；所述的共面波导结构包括：第一圆形金属片(101)、第二圆形金属片(102)、第一矩形微带线(103)、第二矩形微带线(104)、第三矩形微带线(105)；
所述的第一矩形微带线(103)是沿着y轴刻蚀出来的微带线，第一矩形微带线(103)的上、下两端分别作为天线单元(10)的两个馈电端口，两个馈电端口输入等幅反相的激励；
所述的第一圆形金属片(101)与第一金属地板(108)之间刻蚀出第一环形辐射缝隙(106)，所述的第二圆形金属片(102)与第二金属地板(109)之间刻蚀出第二环形辐射缝隙(107)；
所述的第二矩形微带线(104)的一端与第一矩形微带线(103)连接，第二矩形微带线(104)的另一端与第一圆形金属片(101)连接；第三矩形微带线(105)的一端与第一矩形微带线(103)连接，第三矩形微带线(105)的另一端与第二圆形金属片(102)连接；
第一圆形金属片(101)、第二矩形微带线(104)与第二圆形金属片(102)、第三矩形微带线(105)关于第一矩形微带线(103)的y轴方向的中心线左右轴对称；同时，第一圆形金属片(101)、第二圆形金属片(102)、第一矩形微带线(103)、第二矩形微带线(104)、第三矩形微带线(105)关于第一圆形金属片(101)的圆心、第二圆形金属片(102)的圆心的连线上下轴对称。
2.根据权利要求1所述的共面波导馈电的毫米波双裂环缝隙天线，其特征在于，还包括：介质基板(20)、反射板(30)；所述的天线单元(10)与反射板(30)是介质基板(20)上、下表面的两块覆铜板。
3.根据权利要求1所述的共面波导馈电的毫米波双裂环缝隙天线，其特征在于，所述的第一环形辐射缝隙(106)、第二环形辐射缝隙(107)的环形的半径Rout的计算公式如下：
Figure FDA0003571935120000011
其中，c为光速，εr为介电常数，f为天线单元(10)的工作频点的频率值。
4.根据权利要求3所述的共面波导馈电的毫米波双裂环缝隙天线，其特征在于，所述的第一圆形金属片(101)与第二圆形金属片(102)的半径Rin为1.6mm，第一环形辐射缝隙(106)、第二环形辐射缝隙(107)的环形的半径Rout为1.8mm，第一矩形微带线(103)的宽度Wf为0.6mm，第二矩形微带线(104)、第三矩形微带线(105)的宽度W1为0.8mm。
5.根据权利要求4所述的共面波导馈电的毫米波双裂环缝隙天线，其特征在于，所述的天线单元(10)覆盖的频带为27GHz至29.5GHz。
6.根据权利要求1所述的共面波导馈电的毫米波双裂环缝隙天线，其特征在于，所述的天线单元(10)的尺寸：长为12mm，宽为8mm。
7.根据权利要求2所述的共面波导馈电的毫米波双裂环缝隙天线，其特征在于，所述的介质基板(20)采用Rogers5880板。
8.根据权利要求7所述的共面波导馈电的毫米波双裂环缝隙天线，其特征在于，所述的介质基板(20)的厚度h＝0.787mm，介电常数εr为2.2，介质基板的损耗角tanδ＝0.0009。
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