CN114824779A - 一种单层低剖面宽带双极化贴片天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单层低剖面宽带双极化贴片天线，包括：第一介质基板；主辐射单元，主辐射单元设置在第一介质基板的第一表面；Y形带条组，Y形带条组设置在第一介质基板的第一表面，且均匀环绕主辐射单元；第二介质基板，第二介质基板平行于第一介质基板设置；接地单元，接地单元设置在第二介质基板的第一表面与第一介质基板的第二表面之间；馈电结构，馈电结构设置在第二介质基板的第二表面；导电结构，导电结构用于连接主辐射单元和馈电结构。本发明的单层低剖面宽带双极化贴片天线能够在低剖面的条件下极大得提升了天线带宽，具有宽带、低剖面及结构简单的优点。

Description

一种单层低剖面宽带双极化贴片天线

技术领域

本发明涉及贴片天线技术领域，特别涉及一种单层低剖面宽带双极化贴片天线。

背景技术

随着无线通信速率的提升，毫米波天线及通信系统在自动驾驶、工厂自动化、城市智慧化以及第五代移动通信等领域都有广泛的应用前景。低剖面和宽带是高品质毫米波天线的两个重要要求，前者主要为了降低加工要求、降低成本、便于实现封装天线，后者主要为了覆盖相应毫米波应用带宽，而通常低剖面与宽带是两个相互矛盾的要求，因此同时实现低剖面和宽带特点是毫米波天线的挑战之一。与此同时，单层金属辐射体以及双极化工作是高品质毫米波天线的另外两个重要要求，前者有利于降低结构复杂度、降低加工成本、提高成品率，后者有利于提高毫米波天线的极化适应性及应用的广泛性。因此，单层低剖面宽带双极化毫米波天线及其毫米波通信系统具有重要的研究意义及工程价值，但是同时实现上述四个特点也是毫米波天线面临的重要挑战。

贴片天线结构简单、剖面低，易于利用两个正交模式构成毫米波双极化天线设计，然而目前已报道的大多数贴片天线的工作带宽与天线剖面高度之间存在相互矛盾，无法同时实现宽带低剖面的毫米波天线设计。通过在贴片上加载U型槽或者使用E型贴片等宽带贴片天线技术能在一定程度上改善贴片天线剖面高度与带宽的矛盾，但是此类技术破坏了贴片天线的对称性，无法实现双极化设计。此外，已有一些宽带双极化贴片天线被报道，例如采用改进型探针馈电的宽带双极化贴片天线，但是此类技术需要采用多层电路结构，同时需要多个盲孔和埋孔，增加了设计的复杂性和制造成本；采用叠层贴片实现的双极化贴片天线也能实现宽带的工作效果，但是天线剖面高并且需要采用多层结构，不利于低成本的实现；采用槽耦合馈电的双极化贴片天线通过引入槽模达到增加带宽的效果，然而需要使用复杂的多层馈电结构，并且存在背向辐射不利于毫米波通信系统集成。因此，现有技术中的双极化贴片天线目前难以同时满足单层、低剖面、宽带及双极化的要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种单层低剖面宽带双极化贴片天线，以解决现有技术中的贴片天线难以同时兼顾单层、低剖面、宽带及双极化的要求的问题。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

一种单层低剖面宽带双极化贴片天线，包括：

第一介质基板；

主辐射单元，所述主辐射单元设置在所述第一介质基板的第一表面；

Y形带条组，所述Y形带条组设置在所述第一介质基板的第一表面，且均匀环绕所述主辐射单元；

第二介质基板，所述第二介质基板平行于所述第一介质基板设置；

接地单元，所述接地单元设置在所述第二介质基板的第一表面与所述第一介质基板的第二表面之间；

馈电结构，所述馈电结构设置在所述第二介质基板的第二表面；

导电结构，所述导电结构用于连接所述主辐射单元和所述馈电结构。

进一步的：所述Y形带条组包括4n个Y形带条，其中，n为不小于1的整数；

所述Y形带条包括互相垂直的两条侧边和一条主边，所述主边沿着所述主辐射单元的对角线延长线设置且远离所述主辐射单元，两条所述侧边靠近所述主辐射单元。

进一步的：所述侧边的长度为0.05λ，所述主边的长度为0.025λ，其中λ为导波波长。

进一步的：两条所述侧边与所述主辐射单元的距离为0.028λ-0.033λ，其中λ为导波波长。

进一步的：所述馈电结构包括等长的第一馈电线和第二馈电线，所述导电结构包括第一导电结构和第二导电结构，

所述第一馈电线一端通过所述第一导电结构与所述主辐射单元连接，所述第一馈电线另一端延伸至所述第二介质基板的第二表面边缘且所述第一馈电线与该边缘垂直；

所述第二馈电线与所述第一馈电线垂直且不相交设置，所述第二馈电线一端通过所述第二导电结构与所述主辐射单元连接，所述第二馈电线另一端延伸至所述第二介质基板的第二表面边缘。

进一步的：所述主辐射单元包括正方形金属贴片，所述主辐射单元的中心与所述第一介质基板的中心同轴重叠。

进一步的：所述第一介质基板和所述第二介质基板形状相同且中心同轴重叠。

进一步的：所述接地单元包括金属大地，所述接地单元的形状与所述第一介质基板形状相同且中心同轴重叠；

所述金属大地上设置有两个大地通孔，所述第一导电结构和所述第二导电结构分别穿过一个所述大地通孔且两端连接所述主辐射单元和所述馈电结构。

进一步的：所述第一导电结构和所述第二导电结构均为金属通孔。

采用上述技术方案，由于设置有Y形带条组，主辐射单元与Y形带条组构成双极化单层金属辐射体，在每个极化上能够获得三模工作支持辐射，最终在低剖面的条件下极大得提升了天线带宽。

附图说明

图1为本发明实施例的贴片天线的俯视图；

图2为本发明实施例中图1中单点划线a-a'的剖视图；

图3为本发明实施例的贴片天线中第一Y形带条的结构示意图；

图4为本发明实施例的贴片天线中接地单元的俯视图；

图5为本发明实施例的贴片天线中第二介质基板的仰视图；

图6为本发明实施例的贴片天线的仿真匹配增益曲线图；

图7为本发明实施例的贴片天线的在激励端口1时28GHz处的仿真E面辐射方向图；

图8为本发明实施例的贴片天线的在激励端口1时28GHz处的仿真H面辐射方向图；

图9为本发明实施例的贴片天线的在激励端口2时28GHz处的仿真E面辐射方向图；

图10为本发明实施例的贴片天线的在激励端口2时28GHz处的仿真E面辐射方向图。

图中，1-第一介质基板，2-主辐射单元，31-第一Y形带条，311-侧边，312-主边，32-第二Y形带条，33-第三Y形带条，34-第四Y形带条，4-接地单元，5-第二介质基板，61-第一馈电线，62-第二馈电线，71-第一导电结构，72-第二导电结构，8-大地通孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

应当理解的是，说明书中的用辞仅用于描述特定的实施例，并不旨在限定本发明。说明书使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)除非另外定义，均具有本领域技术人员通常理解的含义。为简明和/或清楚起见，公知的功能或结构可以不再详细说明。

说明书使用的单数形式“一”、“所述”和“该”除非清楚指明，均包含复数形式。说明书使用的用辞“包括”、“包含”和“含有”表示存在所声称的特征，但并不排斥存在一个或多个其它特征。说明书使用的用辞“和/或”包括相关列出项中的一个或多个的任意和全部组合。

在说明书中，诸如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“高”、“低”等的空间关系用辞可以说明一个特征与另一特征在附图中的关系。应当理解的是，空间关系用辞除了包含附图所示的方位之外，还包含装置在使用或操作中的不同方位。例如，在附图中的装置倒转时，原先描述为在其它特征“下方”的特征，此时可以描述为在其它特征的“上方”。装置还可以以其它方式定向(旋转90°或在其它方位)，此时将相应地解释相对空间关系。

应当理解的是，虽然术语第一、第二等可以在本文中用于描述各种元件，但是这些元件不应受这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个元件和另一个元件。例如，第一元件可以被称为第二元件，并且类似地，第二元件可以被称为第一元件，而不偏离本发明的范围。如本文所使用的，术语“和/或”包括相关联的列出项目中的一个或多个的任何和所有组合。

在所有附图中，相同的附图标记表示相同的元件。在附图中，为清楚起见，某些特征的尺寸可以进行变形。

实施例

图1示出了本发明实施例的贴片天线的俯视图，图2为图1中单点划线a-a'的剖视图。

如图2所示，贴片天线包括两层介质基板和由两层介质基板分开的三层金属层。

上述两层介质基板自上而下分别为第一介质基板1和第二介质基板5，两层介质基板形状尺寸相同且中心同轴重叠，各介质基板分别具有第一表面和与第一表面相对置的第二表面，在本发明的实施例中，第一表面为上表面，第二表面为下表面。

在本发明的实施例中，两层介质基板均为正方形介质基板，介质基板的材料为现有技术中常用的介质基板，在此不做限定。

如图1所示，第一介质基板1的第一表面上设置有主辐射单元2和Y形带条组，且Y形带条组均匀环绕辐射单元设置，主辐射单元2用于基于馈电信号生成主辐射单元2的波导模式，Y形带条组可以为天线增加两个工作模式。

在本发明的实施例中，主辐射单元2为正方形金属贴片，且主辐射单元2的中心与第一介质基板1的中心同轴重叠。

Y形带条组包括4n个Y形带条，其中，n为不小于1的整数，在本发明的实施例中，以n=1为例进行说明，即Y形带条组包括四个Y形带条：第一Y形带条31，第二Y形带条32，第三Y形带条33和第四Y形带条34，四个Y形带条的形状大小相同，因此在此以第一Y形带条31为例做具体说明，如图3所示：第一Y形带条31包括互相垂直的两条侧边311和一条主边312，主边312沿着主辐射单元2的对角线延长线设置且远离主辐射单元2，两条侧边311靠近主辐射单元2，即第一Y形带条31的两个侧边311之间形成直角，且该直角与主辐射单元2的一直角对应设置，两条侧边311与主辐射单元2的两边平行，因此当Y形金属带条工作于第一奇模和第一偶模时，与极化方向平行的两个Y形金属带条的两个相对金属线上获得同向电流。

在本发明的实施例中，第一Y形带条31两个侧边311的长度相同，均为为0.05λ，主边312的长度为0.025λ，其中λ为导波波长。

第一Y形带条31与主辐射单元2之间保留一定的间距，在本发明的实施例中，该间距为0.028λ-0.033λ，相邻两个Y形带条之间的间距为0.09λ-0.11λ，其中λ为导波波长。

第一介质基板1的第二表面与第二介质基板5的第一表面之间设置有接地单元4，在本发明的实施例中，接地单元4为金属大地，如图4所示，金属大地的形状与三个介质基板的形状相同，尺寸一致，即金属大地也为正方形结构。

为了方便主辐射单元2通过导电结构与馈电结构连接，在金属大地上设置有大地通孔8。

在第二介质基板5的第二表面设置有馈电结构，如图5所示，馈电结构包括等长的第一馈电线61和第二馈电线62，导电结构包括第一导电结构71和第二导电结构72，相应的在金属大地上设置有两个大地通孔8。

第一馈电线61和第二馈电线62均为金属带。

第一馈电线61是这样设置的：第一馈电线61一端通过第一导电结构71与主辐射单元2连接，第一馈电线61另一端延伸至第二介质基板5的第二表面边缘且与该边缘垂直，在本发明的实施例中，第一馈电线61为水平设置的。

第二馈电线62与第一馈电线61垂直且不相交设置，第二馈电线62一端通过第二导电结构72与主辐射单元2连接，第二馈电线62另一端延伸至第二介质基板5的第二表面边缘，在本发明的实施例中，第二馈电线62为垂直设置的。

在本发明的实施例中，第一导电结构71和第二导电结构72均为金属通孔，金属通孔为本领域常用的技术方案，在此不再赘述。

本发明的贴片天线，当天线水平极化工作时，信号通过水平方向微带线即第一馈电线61进入，经由第一导电结构71传导到主辐射单元2上，从而激励出主辐射单元2的TM₁₀模式，该模式信号通过主辐射单元2辐射并与4个Y形金属带条进行耦合，从而同时激励出Y形金属带条的第一个模式（奇模）和第二个模式（偶模），Y形金属带条工作在奇模时，电流从Y形金属带条的一个侧边311流向另一个侧边311；Y形金属带条工作在偶模时，电流从Y形金属带条的两个侧边311流向主边312。

在此两种工作模式下的Y形金属条带的水平方向上具有同向电流，因此通过三个模式的耦合并同时参与有效辐射，使得天线带宽得到较好的提升。

当天线垂直极化工作时，信号通过垂直方向微带线即第二馈电线62进入，经由第二导电结构72传导到主辐射单元2上，从而激励出主辐射单元2的TM₀₁模式，该模式信号通过主辐射单元2辐射并与4个Y形金属带条进行耦合，从而同时激励出Y形金属带条的第一个模式（奇模）和第二个模式（偶模），Y形金属带条工作在奇模时，电流从Y形金属带条的一个侧边311流向另一个侧边311；Y形金属带条工作在偶模时，电流从Y形金属带条的两个侧边311流向主边312。

在此两种工作模式下的Y形金属条带的垂直方向上具有同向电流，因此通过三个模式的耦合并同时参与有效辐射，也能使得天线带宽得到较好的提升。可以获得单层辐射体、低剖面、宽带和双极化的工作特性。

本发明的贴片天线由于主辐射单元2与四个Y形金属带条等间隔共面，形成双极化单层金属辐射体，每个极化上可获得三个工作模式包括正方形贴片的TM₀₁/TM₁₀模式、Y形金属带条的第一奇模和第一偶模，因此实现单层低剖面宽带的毫米波双极化边射天线。

仿真实验

本实施例中采用介电常数为3.66，损耗角为0.0037的基板，天线辐射体的厚度为0.608mm，即在中心频率27.75GHz时的剖面高度为0.056λ₀的参数对贴片天线进行仿真实验。

图6为实施例1的贴片天线的仿真匹配增益曲线图，从图中可见，其10-dB匹配带宽频率范围为23.6–31.9GHz，即相对带宽达到了29.9%，频带内的最大增益为7.3 dBi。图7和图8分别是天线在激励端口1时（即天线水平极化工作时）28GHz处的E面辐射方向图和H面辐射方向图，图9和图10分别为天线在激励端口2时（即天线垂直极化工作时）28GHz处的E面辐射方向图和H面辐射方向图，可见天线两个端口的3dB波束带宽在E面与H面上分别为81°和109.8°。并且带宽内波束宽度稳定。

以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种单层低剖面宽带双极化贴片天线，其特征在于：包括：

第一介质基板；

主辐射单元，所述主辐射单元设置在所述第一介质基板的第一表面；

Y形带条组，所述Y形带条组设置在所述第一介质基板的第一表面，且均匀环绕所述主辐射单元；

第二介质基板，所述第二介质基板平行于所述第一介质基板设置；

接地单元，所述接地单元设置在所述第二介质基板的第一表面与所述第一介质基板的第二表面之间；

馈电结构，所述馈电结构设置在所述第二介质基板的第二表面；

导电结构，所述导电结构用于连接所述主辐射单元和所述馈电结构。

2.根据权利要求1的单层低剖面宽带双极化贴片天线，其特征在于：所述Y形带条组包括4n个Y形带条，其中，n为不小于1的整数；

所述Y形带条包括互相垂直的两条侧边和一条主边，所述主边沿着所述主辐射单元的对角线延长线设置且远离所述主辐射单元，两条所述侧边靠近所述主辐射单元。

3.根据权利要求2的单层低剖面宽带双极化贴片天线，其特征在于：所述侧边的长度为0.05λ，所述主边的长度为0.025λ，其中λ为导波波长。

4.根据权利要求3的单层低剖面宽带双极化贴片天线，其特征在于：所述侧边与所述主辐射单元的距离为0.028λ-0.033λ，其中λ为导波波长。

5.根据权利要求4的单层低剖面宽带双极化贴片天线，其特征在于：所述馈电结构包括等长的第一馈电线和第二馈电线，所述导电结构包括第一导电结构和第二导电结构；

所述第一馈电线一端通过所述第一导电结构与所述主辐射单元连接，所述第一馈电线另一端延伸至所述第二介质基板的第二表面边缘且所述第一馈电线与该边缘垂直；

所述第二馈电线与所述第一馈电线垂直且不相交设置，所述第二馈电线一端通过所述第二导电结构与所述主辐射单元连接，所述第二馈电线另一端延伸至所述第二介质基板的第二表面边缘。

6.根据权利要求2-5任一项的单层低剖面宽带双极化贴片天线，其特征在于：所述主辐射单元包括正方形金属贴片，所述主辐射单元的中心与所述第一介质基板的中心同轴重叠。

7.根据权利要求6的单层低剖面宽带双极化贴片天线，其特征在于：所述第一介质基板和所述第二介质基板形状相同且中心同轴重叠。

8.根据权利要求7的单层低剖面宽带双极化贴片天线，其特征在于：所述接地单元包括金属大地，所述接地单元的形状与所述第一介质基板形状相同且中心同轴重叠；

所述金属大地上设置有两个大地通孔，所述第一导电结构和所述第二导电结构分别穿过一个所述大地通孔且两端连接所述主辐射单元和所述馈电结构。

9.根据权利要求8的单层低剖面宽带双极化贴片天线，其特征在于：所述第一导电结构和所述第二导电结构均为金属通孔。

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