CN114843763A - 一种基于多层pcb结构的侧向辐射栅格阵列天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于多层PCB结构的侧向辐射栅格阵列天线，包括位于顶层的第一介质基板(1)、位于中间层的第二介质基板及位于底层的第三介质基板(8)，第一介质基板(1)、第二介质基板及第三介质基板(8)的一侧长边上均设置金属通孔阵列(9)，所述第二介质基板上的金属通孔阵列(9)的右侧设置辐射体(10)，辐射体(10)呈栅格阵列状，第一介质基板(1)和第三介质基板(8)上均设置微带馈电结构(11)，所述辐射体(10)分别与第一介质基板(1)及第三介质基板(8)上的微带馈电结构(11)电连接；本发明的优点在于：实现了侧向辐射的特性功能。

Description

一种基于多层PCB结构的侧向辐射栅格阵列天线
技术领域
本发明涉及微波天线技术领域，更具体涉及一种多层PCB结构的侧向辐射栅格阵列天线。
背景技术
随着第五代移动通信的发展，人们对使用60GHz频段的高速无线通信提出了更高的期望，毫米波天线的研究变得尤为重要。平面栅格阵列天线因其低成本，结构简单，馈电方便等特点得到了广泛应用，但其在高频段和层叠式的立体结构中应用很少。
中国专利公开号CN113708088 A，公开了宽带共面波导结构栅格阵列天线，包括辐射体、介质基板、金属通孔、地平面以及金属贴片；地平面位于介质基板下侧，辐射体和金属贴片分别位于介质基板上侧，金属通孔贯穿介质基板，金属通孔一端连接地平面、另一端连接金属贴片，通过金属通孔将金属贴片与地平面电连接；辐射体呈栅格列阵，金属贴片与介质基板形成共面波导结构。该专利申请将传统栅格阵列天线进行变形，设计一种共面波导结构栅格阵列天线，实现了宽带特性，基于栅格阵列天线实现更多天线功能，增加设计自由度。但是上述专利申请主要是将栅格阵列天线应用于平面结构实现宽带特性，无法实现侧向辐射的特性功能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于现有技术栅格天线结构无法实现侧向辐射特性功能。
本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：一种基于多层PCB结构的侧向辐射栅格阵列天线，包括位于顶层的第一介质基板(1)、位于中间层的第二介质基板及位于底层的第三介质基板(8)，第一介质基板(1)、第二介质基板及第三介质基板(8)的一侧长边上均设置金属通孔阵列(9)，第一介质基板(1)的下方和第三介质基板(8)的上方均设置第一金属贴片，所述金属通孔阵列(9)与第一金属贴片构成参考地；所述第二介质基板上的金属通孔阵列(9)的右侧设置辐射体(10)，辐射体(10)呈栅格阵列状，第一介质基板(1)和第三介质基板(8)上均设置微带馈电结构(11)，所述辐射体(10)分别与第一介质基板(1)及第三介质基板(8)上的微带馈电结构(11)电连接。
本发明基于传统平面栅格阵列天线进行结构变形，呈栅格阵列状的辐射体(10)层叠结构的基板结合且天线主体结构设置在层叠结构的右侧，形成一种层叠式侧向辐射天线，实现了侧向辐射的特性功能。
进一步地，所述第二介质基板包括依次层叠排布于第一介质基板(1)和第三介质基板(8)之间的相同介电常数的第一子基板(2)至第六子基板(7)，第一子基板(2)至第六子基板(7)的一侧长边上均设置金属通孔阵列(9)。
更进一步地，所述辐射体(10)包括第二金属贴片(101)至第五金属贴片(104)以及在第二金属贴片(101)至第五金属贴片(104)所在区域开设的第一金属通孔(105)至第七金属通孔(111)，第一子基板(2)的上方设置第二金属贴片(101)、第三子基板(4)的上方设置第三金属贴片(102)、第四子基板(5)的下方设置第四金属贴片(103)及第六子基板(7)的下方设置第五金属贴片(104)，第一子基板(2)和第二子基板(3)通过第一金属通孔(105)以及第二金属通孔(106)贯穿，第三子基板(4)和第四子基板(5)通过第三金属通孔(107)、第四金属通孔(108)及第五金属通孔(109)贯穿，第五子基板(6)和第六子基板(7)通过第六金属通孔(110)及第七金属通孔(111)贯穿，所述辐射体(10)位于金属通孔阵列(9)右侧，从整个天线的右侧面看所述第一金属通孔(105)至第七金属通孔(111)呈栅格阵列状排布。
更进一步地，所述微带馈电结构(11)包括第六金属贴片(1101)及开设在第六金属贴片(1101)所在区域的第八金属通孔(1102)，第一介质基板(1)的上方和第三介质基板(8)的下方均设置一个第六金属贴片(1101)，第一介质基板(1)上方的第三金属贴片(1101)通过一个第八金属通孔(1102)与第一子基板(2)上方的第二金属贴片(101)电连接，第三介质基板(8)的下方的第六金属贴片(1101)通过另一个第八金属通孔(1102)与第六子基板(7)下方的第五金属贴片(104)电连接。
更进一步地，所述第一介质基板(1)和第三介质基板(8)为长方体，其规格相同，长度均为Sx＝22mm，宽度均为Sy＝4.15mm，厚度均为0.254mm，介电常数εr＝2.2，介质基板的损耗角正切值为0.0009；第一子基板(2)至第六子基板(7)均为长方体，长度均为Gx＝22mm，宽度均为Gy＝5mm，厚度均为0.787mm，介电常数εr＝2.2，介质基板的损耗角正切值为0.0009。
更进一步地，所述金属通孔阵列(9)的每个金属通孔半径d1＝0.2mm，金属通孔中心间距为dd1＝0.25，每排金属通孔上下方都有一个长为Sx＝Gx＝22mm，宽为d1＝0.2mm的金属贴片联通金属通孔；第一金属贴片为矩形，长度为lx＝Sx＝22mm，宽度ly＝3.95mm。
更进一步地，所述第二金属贴片(101)和第五金属贴片(104)的长l＝5mm,宽为w＝0.4mm,第三金属贴片(102)和第四金属贴片(103)的长为2*l＝10mm,宽为w＝0.4mm；第一金属通孔(105)至第七金属通孔(111)的通孔直径均为d2＝0.3mm且通孔距离其所在位置处的金属通孔阵列(9)的横向距离均为dl1＝0.75mm。
更进一步地，所述第六金属贴片(1101)为差分馈电，由三节子金属贴片顺次连接而成，三节子金属贴片的宽度分别为lw1＝0.73mm,lw2＝0.36mm,lw3＝0.1mm,长度分别为ll1＝1mm,ll2＝2mm,ll3＝1.15mm。
更进一步地，两个所述第八金属通孔(1102)的直径均为d3＝0.1mm。
更进一步地，所述第一介质基板(1)、第二介质基板及第三介质基板(8)都平行于空间直角坐标系o-xyz的xoy面，所述空间直角坐标系o-xyz包括原点o、x轴、y轴、z轴。
本发明的优点在于：
(1)本发明基于传统平面栅格阵列天线进行结构变形，呈栅格阵列状的辐射体(10)层叠结构的基板结合且天线主体结构设置在层叠结构的右侧，形成一种层叠式侧向辐射天线，实现了侧向辐射功能。
(2)本发明基于层叠式天线和平面栅格阵列天线实现更多天线功能，增加设计自由度。
附图说明
图1为本发明实施例所提供的一种基于多层PCB结构的侧向辐射栅格阵列天线的分层三维结构示意图；
图2为本发明实施例所提供的一种基于多层PCB结构的侧向辐射栅格阵列天线的分层三维结构尺寸标准示意图；
图3为本发明实施例所提供的一种基于多层PCB结构的侧向辐射栅格阵列天线的顶视图；
图4为本发明实施例所提供的一种基于多层PCB结构的侧向辐射栅格阵列天线的反射系数示意图；
图5为本发明实施例所提供的一种侧向辐射的栅格阵列天线在60GHz的E面方向图；
图6为本发明实施例所提供的一种基于多层PCB结构的侧向辐射栅格阵列天线在60GHz的H面方向图；
图7为本发明实施例所提供的一种基于多层PCB结构的侧向辐射栅格阵列天线在61GHz的E面方向图；
图8为本发明实施例所提供的一种基于多层PCB结构的侧向辐射栅格阵列天线在61GHz的H面方向图；
图9为本发明实施例所提供的一种基于多层PCB结构的侧向辐射栅格阵列天线在60GHz的时E面交叉极化方向图；
图10为本发明实施例所提供的一种基于多层PCB结构的侧向辐射栅格阵列天线在60GHz的时H面交叉极化方向图；
图中标号如下：
Figure BDA0003621376540000061
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。
如图1所示，一种基于多层PCB结构的侧向辐射栅格阵列天线，包括位于顶层的第一介质基板1、位于中间层的第二介质基板及位于底层的第三介质基板8。所述第二介质基板包括依次层叠排布于第一介质基板1和第三介质基板8之间的相同介电常数的第一子基板2、第二子基板3、第三子基板4、第四子基板5、第五子基板6及第六子基板7。
如图2所示，所述第一介质基板1、第二介质基板及第三介质基板8都平行于空间直角坐标系o-xyz的xoy面，所述空间直角坐标系o-xyz包括原点o、x轴、y轴、z轴。所述第一介质基板1和第三介质基板8为长方体，其规格相同，长度均为Sx＝22mm，宽度均为Sy＝4.15mm，厚度h1＝h8＝0.254mm，介电常数εr＝2.2，介质基板的损耗角正切值tanδ＝0.0009；第一子基板至第六子基板(图中标号分别为2、3、4、5、6、7)均为长方体，长度均为Gx＝22mm，宽度均为Gy＝5mm，厚度h2＝h3＝h4＝h5＝h6＝h7＝0.787mm，介电常数εr＝2.2，介质基板的损耗角正切值tanδ＝0.0009。
图1结合图3，第一介质基板1、第一子基板2至第六子基板7及第三介质基板8的一侧长边上均设置金属通孔阵列9。第一介质基板1的下方和第三介质基板8的上方均设置第一金属贴片(图未示)，所述金属通孔阵列9与第一金属贴片构成参考地，第一金属贴片是接地的，金属通孔阵列9与第一金属贴片连接，金属通孔阵列9的每个金属通孔都是由与通孔等宽的金属贴片串接的，上下每层的金属通孔阵列9也通过金属化孔和等宽的金属贴片连接导通，这样上下八层金属通孔阵列9的金属通孔整体上都是连接导通的，整体与第一金属贴片构成参考地。所述金属通孔阵列9的每个金属通孔半径d1＝0.2mm，金属通孔中心间距为dd1＝0.25，每排金属通孔上下方都有一个长为Sx＝Gx＝22mm，宽为d1＝0.2mm的金属贴片联通金属通孔；第一金属贴片(图未示)为矩形，长度为lx＝Sx＝22mm，宽度ly＝3.95mm。
参阅图1，所述第二介质基板上的金属通孔阵列9的右侧设置辐射体10，辐射体10呈栅格阵列状。所述辐射体10包括第二金属贴片至第五金属贴片(图中标号分别为101、102、103、104)以及在第二金属贴片至第五金属贴片(图中标号分别为101、102、103、104)所在区域开设的第一金属通孔至第七金属通孔(图中标号分别为105、106、107、108、109、110、111)，第一子基板2的上方设置第二金属贴片101、第三子基板4的上方设置第三金属贴片102、第四子基板5的下方设置第四金属贴片103及第六子基板7的下方设置第五金属贴片104，第一子基板2和第二子基板3通过第一金属通孔105以及第二金属通孔106贯穿，第三子基板4和第四子基板5通过第三金属通孔107、第四金属通孔108及第五金属通孔109贯穿，第五子基板6和第六子基板7通过第六金属通孔110及第七金属通孔111贯穿，所述辐射体10位于金属通孔阵列9右侧，从整个天线的右侧面看所述第一金属通孔至第七金属通孔(图中标号分别为105、106、107、108、109、110、111)呈栅格阵列状排布。
参阅图3，使用HFSS优化仿真后所述第二金属贴片101和第五金属贴片104的长l＝5mm,宽为w＝0.4mm,第三金属贴片102和第四金属贴片103的长为2*l＝10mm,宽为w＝0.4mm；第一金属通孔至第七金属通孔105、106、107、108、109、110、111的通孔直径均为d2＝0.3mm且通孔距离其所在位置处的金属通孔阵列9的横向距离均为dl1＝0.75mm。
参阅图1，第一介质基板1和第三介质基板8上均设置微带馈电结构11，所述辐射体10分别与第一介质基板1及第三介质基板8上的微带馈电结构11电连接。所述微带馈电结构11包括第六金属贴片1101及开设在第六金属贴片1101所在区域的第八金属通孔1102，第一介质基板1的上方和第三介质基板8的下方均设置一个第六金属贴片1101，第一介质基板1上方的第三金属贴片1101通过一个第八金属通孔1102与第一子基板2上方的第二金属贴片101电连接，第一子基板2和第二子基板3通过第一金属通孔105以及第二金属通孔106贯穿，第三子基板4的上方设置第三金属贴片102，这样第二金属贴片101通过第一金属通孔105以及第二金属通孔106与第三子基板4上的第三金属贴片102实现电连接。第三子基板4和第四子基板5通过第三金属通孔107、第四金属通孔108及第五金属通孔109贯穿，第四子基板5的下方设置第四金属贴片103，这样通过第三金属通孔107、第四金属通孔108及第五金属通孔109使得第四子基板5的下方第四金属贴片103与第三子基板4上的第三金属贴片102实现电连接。第五子基板6和第六子基板7通过第六金属通孔110及第七金属通孔111贯穿，第六子基板7的下方设置第五金属贴片104，这样通过第六金属通孔110及第七金属通孔111贯穿能够与到达第五子基板6上方也即第四子基板5的下方与第四金属贴片103接触，从而使得第六子基板7的下方的第五金属贴片104与第四子基板5的下方第四金属贴片103实现电连接，第三介质基板8的下方的第六金属贴片1101通过另一个第八金属通孔1102与第六子基板7下方的第五金属贴片104电连接，从而实现了辐射体10分别与第一介质基板1及第三介质基板8上的微带馈电结构11电连接。
所述第六金属贴片1101为差分馈电，由三节子金属贴片顺次连接而成，使用HFSS优化仿真后三节子金属贴片的宽度分别为lw1＝0.73mm,lw2＝0.36mm,lw3＝0.1mm,长度分别为ll1＝1mm,ll2＝2mm,ll3＝1.15mm。两个所述第八金属通孔1102的直径均为d3＝0.1mm。
使用HFSS仿真后，对应反射系数如图4所示，-10dB相对带宽为6.4％(57.53GHz-61.38GHz)，对应图5和图6为该侧向辐射天线在60GHz时的E面方向图，H面方向图；对应图7和图8为该侧向辐射天线的在61GHz时的E面方向图，H面方向图，从方向图可以看出该天线具有良好的低副瓣特性，在其主瓣最大值方向均能达到11dBi的增益水平；对应的图9和图10为该侧向辐射天线在60GHz的E面和H面交叉极化方向图，从图中可以看出E面和H面得交叉极化水平低于-50dB的要求。根据结果可知，本发明实现了较低副瓣和低交叉极化水平的功能。
通过以上技术方案，本发明基于传统平面栅格阵列天线进行结构变形，呈栅格阵列状的辐射体10层叠结构的基板结合且天线主体结构设置在层叠结构的右侧，形成一种多层PCB的侧向辐射栅格阵列天线，实现了侧向辐射的特性功能。
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 (10)

1.一种基于多层PCB结构的侧向辐射栅格阵列天线，其特征在于，包括位于顶层的第一介质基板(1)、位于中间层的第二介质基板及位于底层的第三介质基板(8)，第一介质基板(1)、第二介质基板及第三介质基板(8)的一侧长边上均设置金属通孔阵列(9)，第一介质基板(1)的下方和第三介质基板(8)的上方均设置第一金属贴片，所述金属通孔阵列(9)与第一金属贴片构成参考地；所述第二介质基板上的金属通孔阵列(9)的右侧设置辐射体(10)，辐射体(10)呈栅格阵列状，第一介质基板(1)和第三介质基板(8)上均设置微带馈电结构(11)，所述辐射体(10)分别与第一介质基板(1)及第三介质基板(8)上的微带馈电结构(11)电连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于多层PCB结构的侧向辐射栅格阵列天线，其特征在于，所述第二介质基板包括依次层叠排布于第一介质基板(1)和第三介质基板(8)之间的相同介电常数的第一子基板(2)至第六子基板(7)，第一子基板(2)至第六子基板(7)的一侧长边上均设置金属通孔阵列(9)。
3.根据权利要求2所述的一种基于多层PCB结构的侧向辐射栅格阵列天线，其特征在于，所述辐射体(10)包括第二金属贴片(101)至第五金属贴片(104)以及在第二金属贴片(101)至第五金属贴片(104)所在区域开设的第一金属通孔(105)至第七金属通孔(111)，第一子基板(2)的上方设置第二金属贴片(101)、第三子基板(4)的上方设置第三金属贴片(102)、第四子基板(5)的下方设置第四金属贴片(103)及第六子基板(7)的下方设置第五金属贴片(104)，第一子基板(2)和第二子基板(3)通过第一金属通孔(105)以及第二金属通孔(106)贯穿，第三子基板(4)和第四子基板(5)通过第三金属通孔(107)、第四金属通孔(108)及第五金属通孔(109)贯穿，第五子基板(6)和第六子基板(7)通过第六金属通孔(110)及第七金属通孔(111)贯穿，所述辐射体(10)位于金属通孔阵列(9)右侧，从整个天线的右侧面看所述第一金属通孔(105)至第七金属通孔(111)呈栅格阵列状排布。
4.根据权利要求3所述的一种基于多层PCB结构的侧向辐射栅格阵列天线，其特征在于，所述微带馈电结构(11)包括第六金属贴片(1101)及开设在第六金属贴片(1101)所在区域的第八金属通孔(1102)，第一介质基板(1)的上方和第三介质基板(8)的下方均设置一个第六金属贴片(1101)，第一介质基板(1)上方的第三金属贴片(1101)通过一个第八金属通孔(1102)与第一子基板(2)上方的第二金属贴片(101)电连接，第三介质基板(8)的下方的第六金属贴片(1101)通过另一个第八金属通孔(1102)与第六子基板(7)下方的第五金属贴片(104)电连接。
5.根据权利要求4所述的一种基于多层PCB结构的侧向辐射栅格阵列天线，其特征在于，所述第一介质基板(1)和第三介质基板(8)为长方体，其规格相同，介电常数εr＝2.2，介质基板的损耗角正切值为0.0009；第一子基板(2)至第六子基板(7)均为长方体，介电常数εr＝2.2，介质基板的损耗角正切值为0.0009。
6.根据权利要求4所述的一种基于多层PCB结构的侧向辐射栅格阵列天线，其特征在于，所述金属通孔阵列(9)中的每个金属通孔半径相等，相邻金属通孔中心间距相等，每排金属通孔阵列(9)上下方都有一个金属贴片联通各金属通孔。
7.根据权利要求4所述的一种基于多层PCB结构的侧向辐射栅格阵列天线，其特征在于，所述第一金属贴片为矩形，所述第二金属贴片(101)和第五金属贴片(104)为规格相同的矩形,第三金属贴片(102)和第四金属贴片(103)为规格相同的矩形；第一金属通孔(105)至第七金属通孔(111)的通孔直径均相等且通孔距离其所在位置处的金属通孔阵列(9)的横向距离均相等。
8.根据权利要求4所述的一种基于多层PCB结构的侧向辐射栅格阵列天线，其特征在于，所述第六金属贴片(1101)为差分馈电，由三节子金属贴片顺次连接而成。
9.根据权利要求4所述的一种基于多层PCB结构的侧向辐射栅格阵列天线，其特征在于，两个所述第八金属通孔(1102)的直径均相等。
10.根据权利要求4所述的一种基于多层PCB结构的侧向辐射栅格阵列天线，其特征在于，所述第一介质基板(1)、第二介质基板及第三介质基板(8)都平行于空间直角坐标系o-xyz的xoy面，所述空间直角坐标系o-xyz包括原点o、x轴、y轴、z轴。
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