CN114665273A - 一种双频段毫米波平面天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双频段毫米波平面天线，包括介质基板、设置在所述介质基板上表面的金属辐射贴片、设置在所述介质基板下表面的金属地板，以及馈线，所述金属辐射贴片包括矩形且长宽尺寸相同的第一金属辐射贴片、第二金属辐射贴片和第三金属辐射贴片，所述第二金属辐射贴片和第三金属辐射贴片各个角设置有对称的L形槽，所述第三金属辐射贴片与所述馈线的连接部设置有凹槽。本发明可以解决双频段毫米波通信的需求，也就在一定程度上减少了天线数量，降低了系统复杂性，便于产品的小型化，提升了系统整体的可靠性。

Description

一种双频段毫米波平面天线
技术领域
本申请属于毫米波平面技术领域，尤其涉及一种双频段毫米波平面天线。
背景技术
毫米波是指波长在毫米量级的电磁波，因为其频率较高，绝对带宽较大，波长较短，探测精确更高，毫米波器件更易小型化等诸多优点而受到越来越多的关注。近年来，随着毫米波集成电路的迅猛发展，毫米波的应用场景也愈发广泛，例如，车载毫米波雷达、毫米波健康检测等。
但是，若要实现将PCB电路板和天线的集成，从而实现低成本、结构紧凑的毫米波无线通信系统，毫米波平面天线的设计就显得尤为重要，同样，毫米波天线的设计也是目前学术界和工业界研究的热点之一。
现有的毫米波平面天线，采用的是三片贴片级联的形式，但是只能在单一频段工作，不具有多频段的特性。对于多频段的毫米波应用场景，现有的技术不能完全适用，甚至还可能影响系统的整体性能。在需要同时覆盖多个频段时，例如需要63.5GHz和77GHz两个频段，则需要额外增加一个工作频段的新天线，导致增加了天线的数量，增强了天线间的互耦，增加了系统复杂性和成本。
发明内容
本申请的目的是提供一种双频段毫米波平面天线，以满足多频段的毫米波应用场景，降低成本。
为了实现上述目的，本申请技术方案如下：
一种双频段毫米波平面天线，包括介质基板、设置在所述介质基板上表面的金属辐射贴片、设置在所述介质基板下表面的金属地板，以及馈线，所述金属辐射贴片包括矩形且长宽尺寸相同的第一金属辐射贴片、第二金属辐射贴片和第三金属辐射贴片，所述第二金属辐射贴片和第三金属辐射贴片各个角设置有对称的L形槽，所述第三金属辐射贴片与所述馈线的连接部设置有凹槽。
进一步的，所述馈线远离所述金属辐射贴片的一端的宽度大于用于连接所述金属辐射贴片的一端的宽度。
进一步的，所述馈线远离所述金属辐射贴片的一端的宽度为0.18毫米，连接所述金属辐射贴片的一端的宽度为0.1毫米。
进一步的，所述馈线宽度小的一端包括用于连接所述第一金属辐射贴片的第一段、用于连接所述第二金属辐射贴片的第二段和用于连接所述第三金属辐射贴片的第三段，所述第二段的长度大于第一段，所述第三段的长度小于第一段。
进一步的，所述第一段的长度为1.13毫米，所述第二段的长度为1.23毫米，所述第三段的长度为1.1毫米。
进一步的，所述介质基板上表面对应所述馈线远离所述金属辐射贴片的一端设置有表层金属地面板，所述表层金属地面板位于所述馈线的两侧，形成便于所述馈线经过的缺口。
进一步的，所述缺口的宽度为0.522毫米，所述表层金属地面板的宽度为1.23毫米。
进一步的，所述表层金属地面板上设置有若干与所述金属地板连接的金属化过孔。
进一步的，所述L形槽自所述第二金属辐射贴片或第三金属辐射贴片任意一个长边上下两侧，向贴片内部延伸并向贴片中部延伸，所述第二金属辐射贴片或第三金属辐射贴片的L形槽沿贴片两个中线两两对称。
进一步的，所述L形槽的宽度为0.05毫米，所述L形槽向贴片内部延伸的横向宽度为0.26毫米，所述L形槽向贴片中部延伸的纵向宽度为0.3毫米，所述L形槽与金属辐射贴片短边边缘之间的距离为0.03毫米。
本申请提出的一种双频段毫米波平面天线，可以同时覆盖63.5GHz和77GHz两个频段，并且方向图具有较好的一致性，可以广泛应用于多频段毫米波通信的场景。本申请主要是利用微带贴片天线开槽的方法，实现了一种工作于毫米波频段的多频段平面天线，开槽的方法主要会影响贴片天线辐射体上的电流分布，进而影响天线的辐射特性以及工作频段。本申请设计的天线可以同时工作于63.5GHz和77GHz两个频段，这与现阶段常见的毫米波器件的工作频率是吻合的。也就是说，这样一副天线就可以解决双频段毫米波通信的需求，也就在一定程度上减少了天线数量，降低了系统复杂性，便于产品的小型化，提升了系统整体的可靠性。并且该天线工作于不同频段时的辐射方向图也具有良好的一致性，所以在实际投入使用时，不需要对产品的使用场景和工作模式可能对天线性能的影响做过多的额外考虑，所以这就有助于进一步提高系统的稳定性和可靠性。
附图说明
图1为本申请一种双频段毫米波平面天线结构示意图；
图2为本申请实施例双频段毫米波平面天线尺寸示意图；
图3为本申请实施例金属辐射贴片尺寸示意图；
图4为本申请平面天线回波损耗曲线；
图5为本申请平面天线77GHz的E面方向图；
图6为本申请平面天线77GHz的H面方向图；
图7为本申请平面天线63.5GHz的E面方向图；
图8为本申请平面天线63.5GHz的H面方向图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在一个实施例中，如图1所示，本申请一种双频段毫米波平面天线，包括介质基板1、设置在所述介质基板1上表面的金属辐射贴片、设置在所述介质基板1下表面的金属地板，以及馈线3。
对于平面天线来说，金属辐射贴片设置在介质基板1的上表面，以电磁波能量的形式发射或接收电磁波能量，特别是无线电毫米波信号。金属辐射贴片(简称贴片)采用印刷电路板技术印制在介质基板1的中间部位。优选的，金属辐射贴片采用辐射性能较好的金属片形成，如铜或者金等。介质基板1未绝缘薄板，用于承载金属辐射贴片，介质基板1优选的采用介电常数较低的介质板，较低的介电常数有利于增加天线带宽。在一个具体的实施例中，介质基板1的介电常数为3.66，损耗角正切是0.0015。
金属地板的大小和介质基板1的大小相同，金属地板位于介质基板1的下表面，图1为俯视图，未示出金属地板。
在一个优选的具体实施例中，介质基板1的宽度为10.52mm，长度为24.08mm，厚度为0.25mm。
而馈线3用于为金属辐射贴片提供信号馈电，为了便于连接外部信号，馈线3远离金属辐射贴片的一端一般沿着介质基板1长度方向的一个边沿向金属辐射贴片方向延伸。当有多个金属辐射贴片时，金属辐射贴片之间也通过馈线连接。
在本实施例中，所述金属辐射贴片包括矩形且长宽尺寸相同的第一金属辐射贴片4、第二金属辐射贴片5和第三金属辐射贴片6，所述第二金属辐射贴片5和第三金属辐射贴片6各个角设置有对称的L形槽，所述第三金属辐射贴片6与所述馈线3的连接部设置有凹槽。
本实施例设置有三个大小相同的矩形金属辐射贴片，第一金属辐射贴片4为一个完整的金属贴片，在其上方并没有设置任何缺口或图形形状。第二金属辐射贴片5的外形也是矩形，与第一金属辐射贴片4不同的是，第二金属辐射贴片5的任意一个长边上下两侧，在距离两个短边预设距离的位置分别向内开设有一个条形槽，条形槽向贴片内部延伸后并向贴片中部延伸，形成一个L形槽。形成的四个L形槽分别沿贴片两个中线两两对称。同样的，第三金属辐射贴片6各个角设置有对称的L形槽，与第二金属辐射贴片5的L形槽一致。
本实施例开槽采用L形槽，可以改变贴片上的电流分布，以便形成双频段工作特性。
所不同的是，如图3所示，第三金属辐射贴片6相比第二金属辐射贴片5，在面向馈线3的一侧长边上还设置有一凹槽，馈线3穿过该凹槽的中部与第三金属辐射贴片6连接。本实施例凹槽的作用主要是用于馈线和金属贴片的阻抗匹配。
在一个具体的实施例中，如图2、图3所示，金属辐射贴片的长度P_L为1.55mm，宽度P_W为0.88mm。L形槽的宽度为G_H为0.05mm，L形槽向贴片内部延伸的横向宽度G_L_X为0.26mm，L形槽向贴片中部延伸的纵向宽度G_L_Y为0.3mm。L形槽与金属辐射贴片短边边缘之间的距离G_W为0.03mm。
第三金属辐射贴片6凹槽的深度P3_G_W为0.2mm，凹槽的长度为0.3mm。馈线3经过凹槽与第三金属辐射贴片连接，凹槽的两边距离馈线3的距离P3_G_L为0.1mm。
在一个具体的实施例中，所述馈线3远离所述金属辐射贴片的一端的宽度大于用于连接所述金属辐射贴片的一端的宽度。
为了便于连接外部馈电信号，本实施例馈线3用于连接外部馈电信号的部分宽度大于用于连接金属辐射贴片的部分。如图2所示，馈线3用于连接外部馈电信号的部分宽度F_W1为0.18mm(毫米)；用于连接金属辐射贴片的部分较窄，其宽度F_W2为0.1mm。本实施例馈线3的不同宽度是用来进行阻抗匹配，馈线3较宽的一端的特性阻抗应控制在50欧姆左右。
在一个具体的实施例中，所述馈线3宽度小的一端包括用于连接所述第一金属辐射贴片4的第一段、用于连接所述第二金属辐射贴片5的第二段和用于连接所述第三金属辐射贴片6的第三段，所述第二段的长度大于第一段，所述第三段的长度小于第一段。
如图2所示，第一段的长度F_W2_L1为1.13mm，第二段的长度F_W2_L2为1.23mm，第三段的长度F_W2_L3为1.1mm。
需要说明的是，馈线3各段的具体长度是仿真优化的结果，上述实施例仅为一个具体的实例，本领域技术人员可以根据实际的应用需要进行优化。
在另一个具体的实施例中，所述介质基板1上表面对应所述馈线3远离所述金属辐射贴片的一端设置有表层金属地面板2，所述表层金属地面板2位于所述馈线3的两侧，形成便于所述馈线3经过的缺口。
如图2所示，表层金属地面板2位于馈线3的两侧，其宽度W_TOP_GND为1.23mm。表层金属地面板2中间的缺口宽度G_F为0.522mm。
在另一个具体的实施例中，所述表层金属地面板2上设置有若干与所述金属地板连接的金属化过孔7。
如图2所示，金属化过孔7的直径R_V是0.15mm。表层金属地面板2以及金属化过孔的存在主要是考虑高频PCB设计时，需要尽量提高走线之间的隔离度，表层金属地面板的存在会减少走线之间的串扰。
本申请双频段毫米波平面天线回波损耗曲线如图4所示，从仿真结果图中可以看到，在63.5GHz和77GHz的频点上，天线的回波损耗均小于-10dB，满足天线在这些频点的工作需求。
本申请双频段毫米波平面天线在77GHz仿真得到的方向图如图5和图6所示，其中图5是仿真得到的E面方向图，可以看到天线在77GHz的最大辐射方向在Theta＝2°时，基本就是在天线阵面的法线方向，并且天线的最大增益约为7.7dB。图6是仿真得到的天线在77GHz的H面方向图，可以看到H面的增大辐射方向仍然在天线阵面的法线方向，H面的最大增益也约为7.7dB，H面的3dB波瓣宽度约为100°。
本申请双频段毫米波平面天线在63.5GHz仿真得到的方向图如图7和图8所示。其中图7是仿真得到的E面方向图，可以看到天线在63.5GHz的最大辐射大约在Theta＝26°时，即最大辐射方向相比于天线阵面的法线方向发生了稍微的偏转，天线的最大增益约为6.7dB。图8是仿真得到的Theta＝26°平面的天线方向图，在该平面内，天线的最大增益仍然约为6.7dB，并且在该平面内的天线波瓣宽度约为150°，可以实现较好的覆盖范围。
根据上述仿真结果，表明本申请双频段毫米波平面天线可以实现双频段工作特性，并且在63.5GHz和77GHz的辐射方向图具有较好的一致性，这对于毫米波无线通信产品的实际使用具有重要的意义。本申请在低剖面和不额外增加天线尺寸的前提下，实现了双频段的工作特性，对于毫米波双频段工作需求的应用场景，可以减少天线的使用数量，另外，毫米波平面天线的形式，也非常便于天线与PCB电路板的集成，这就有利于降低系统复杂性和成本，从而实现产品的小型化、轻量化，以及提高系统的稳定性。
需要说明的是，本申请实施例中给出了一些具体的尺寸，仅仅是在所述频段工作性能较好的一种特殊情况。本申请属于共面波导的结构，主要通过控制馈线的线宽和馈线与两侧金属地的距离来控制馈线的特性阻抗。然而本领域技术人员容易理解的是，本领域技术人员可以根据具体的频段和方向图要求，对上述尺寸进行适应的调整，以满足所设计天线的增益和方向图需求。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种双频段毫米波平面天线，包括介质基板(1)、设置在所述介质基板(1)上表面的金属辐射贴片、设置在所述介质基板(1)下表面的金属地板，以及馈线(3)，其特征在于，所述金属辐射贴片包括矩形且长宽尺寸相同的第一金属辐射贴片(4)、第二金属辐射贴片(5)和第三金属辐射贴片(6)，所述第二金属辐射贴片(5)和第三金属辐射贴片(6)各个角设置有对称的L形槽，所述第三金属辐射贴片(6)与所述馈线(3)的连接部设置有凹槽。
2.根据权利要求1所述的双频段毫米波平面天线，其特征在于，所述馈线(3)远离所述金属辐射贴片的一端的宽度大于用于连接所述金属辐射贴片的一端的宽度。
3.根据权利要求2所述的双频段毫米波平面天线，其特征在于，所述馈线(3)远离所述金属辐射贴片的一端的宽度为0.18毫米，连接所述金属辐射贴片的一端的宽度为0.1毫米。
4.根据权利要求2所述的双频段毫米波平面天线，其特征在于，所述馈线(3)宽度小的一端包括用于连接所述第一金属辐射贴片(4)的第一段、用于连接所述第二金属辐射贴片(5)的第二段和用于连接所述第三金属辐射贴片(6)的第三段，所述第二段的长度大于第一段，所述第三段的长度小于第一段。
5.根据权利要求4所述的双频段毫米波平面天线，其特征在于，所述第一段的长度为1.13毫米，所述第二段的长度为1.23毫米，所述第三段的长度为1.1毫米。
6.根据权利要求1所述的双频段毫米波平面天线，其特征在于，所述介质基板(1)上表面对应所述馈线(3)远离所述金属辐射贴片的一端设置有表层金属地面板(2)，所述表层金属地面板(2)位于所述馈线(3)的两侧，形成便于所述馈线(3)经过的缺口。
7.根据权利要求6所述的双频段毫米波平面天线，其特征在于，所述缺口的宽度为0.522毫米，所述表层金属地面板的宽度为1.23毫米。
8.根据权利要求3所述的双频段毫米波平面天线，其特征在于，所述表层金属地面板(2)上设置有若干与所述金属地板连接的金属化过孔(7)。
9.根据权利要求1所述的双频段毫米波平面天线，其特征在于，所述L形槽自所述第二金属辐射贴片(5)或第三金属辐射贴片(6)任意一个长边上下两侧，向贴片内部延伸并向贴片中部延伸，所述第二金属辐射贴片(5)或第三金属辐射贴片(6)的L形槽沿贴片两个中线两两对称。
10.根据权利要求9所述的双频段毫米波平面天线，其特征在于，所述L形槽的宽度为0.05毫米，所述L形槽向贴片内部延伸的横向宽度为0.26毫米，所述L形槽向贴片中部延伸的纵向宽度为0.3毫米，所述L形槽与金属辐射贴片短边边缘之间的距离为0.03毫米。
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