CN115149279A - 一种5g毫米波宽频段微带阵列天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种5G毫米波宽频段微带阵列天线，属于天线技术领域。本天线由两块双面镀铜PCB板构成；所述两块双面镀铜PCB板包括辐射金属贴片、上层介质层、谐振金属贴片、PP层、缝隙金属接地层、下层介质层、金属馈电网络、眼镜型缝隙；所述第一块双面镀铜PCB板中间设置了上层介质层，上下两面分别对应设置了辐射金属贴片和谐振金属贴片；所述第二块双面镀铜PCB板中间设置了下层介质层，上下两面分别对应设置了缝隙金属接地层、眼镜型缝隙和金属馈电网络；所述PP层设置在谐振金属贴片和缝隙金属接地层的中间；本发明在保证天线体积小、剖面低的情况下，实现宽频段、高速率通信，以及大规模的批量加工和生产。
Description
技术领域
本发明涉及天线技术领域，具体为一种5G毫米波宽频段微带阵列天线。
背景技术
微带天线最早由德尚(Deschamps)于1953年提出，但是直到20世纪70年代初，随着相对成熟的理论模型的建立以及对敷铜或敷金的介质基片光刻技术发展出来，微带天线才真正被实际制作应用。相对于普通天线，微带天线在可集成方面具有突出优势：体积小、重量轻、易与载体表面共形，且电性能多样化，尤其在制造方面具有加工简单、成本低、适合批量生产的特点。
然而微带天线的缺点是谐振特性尖锐、带宽窄，虽然随着新技术、新材料的不断出现和提高，也发展出了一些拓展微带天线带宽的方法，但是相继也出现了增大空间体积、剖面高、组成阵列复杂等一系列的问题。
根据天线带宽BW与Q值的关系公式：
可知在给定天线VSWR下，天线的Q值越高，天线的带宽越窄，因此微带天线通常可以从降低天线Q值的方式来进行拓宽带宽。当前降低天线Q值的主要方式有降低基板介质的介电常数εr、增大介质损耗正切角tanδ和增加基板厚度h等。此外，天线也可以通过附加阻抗匹配网络、添加寄生贴片、采用多层贴片等方法来拓宽天线的带宽。
然而，降低基板介质的介电常数εr虽然可以降低Q值，但会使天线所需基材的尺寸增大，加大了天线的实际尺寸；增大介质损耗正切角tanδ则会降低天线的效率，导致天线增益的损失；增加基板厚度h虽然可以起到增加带宽的作用，但基板厚度过大则会导致贴片引起表面波，且对于天线厚度受限的情况下带宽增加有限。而采用多层贴片的方法虽然可以带来10％左右的带宽拓展，但更宽的场景则需要更高的高度，失去了微带天线低剖面的特性。给天线附加匹配网络和在天线贴片附近添加寄生贴片则都会增加天线的复杂性，不利于组成阵列天线。
并且，传统的低频段在通信传播过程的应用中，受杂波影响较大，对沙尘、烟雾穿透性不强，在雨、雪、尘埃等气候条件下不具有良好的传播特性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种5G毫米波宽频段微带阵列天线，以解决上述背景技术中提出的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种5G毫米波宽频段微带阵列天线，该天线由两块双面镀铜PCB板构成；所述两块双面镀铜PCB板还包括了辐射金属贴片、上层介质层、谐振金属贴片、PP层、缝隙金属接地层、下层介质层、金属馈电网络、眼镜型缝隙；所述第一块双面镀铜PCB板中间设置了上层介质层，上下两面分别对应设置了辐射金属贴片和谐振金属贴片；所述第二块双面镀铜PCB板中间设置了下层介质层，上下两面分别对应设置了缝隙金属接地层、眼镜型缝隙和金属馈电网络；所述PP层设置在谐振金属贴片和缝隙金属接地层的中间；本发明在保证天线体积小、剖面低的情况下，实现宽频段、高速率通信，以及大规模的批量加工和生产。
进一步的，所述辐射金属贴片采用矩形形式，用于耦合射频信号辐射到空间中。
进一步的，所述谐振金属贴片用于耦合射频信号辐射到辐射金属贴片上，与辐射金属贴片中心位置呈上下垂直状态，通过调整辐射金属贴片和谐振金属贴片的尺寸使谐振点相互靠近达到天线具有多个频段的特性，从而进一步实现拓展带宽的功能。
进一步的，所述带缝隙金属接地层用于抑制金属馈电网络与辐射金属贴片、谐振金属贴片在传递信号过程中产生的相互干扰，并且在所述缝隙金属接地层还设置了眼镜型缝隙。
所述眼镜型缝隙中间较窄，两头则为圆形较宽，与传统矩形缝隙相比较，既有了宽矩形缝隙带宽宽的优点，又避免了缝隙过宽不利于阻抗匹配的缺点；
所述眼镜型缝隙用于将射频信号耦合到谐振金属贴片上，采用缝隙耦合馈电技术，通过调整眼镜型缝隙的尺寸，达到拓展宽频段的驻波比特性，使5G毫米波宽频段微带阵列天线既拥有宽频段的特性，同时也达到实际中的高度要求；所述眼镜型缝隙为设置在金属馈电网络振子馈电端的上方，位于带缝隙金属接地层上开的槽，并且处于辐射金属贴片、谐振金属贴片的中心位置的上下垂直方向上。
进一步的，所述金属馈电网络用于传输射频信号，通过眼镜型缝隙，采用缝隙耦合馈电技术，从而实现金属馈电网络与谐振金属贴片、辐射金属贴片之间的电磁耦合；
所述金属馈电网络与辐射金属贴片、谐振金属贴片分处于不同的几何平面上，使5G毫米波宽频段微带阵列天线在构造上简单化，实现5G毫米波宽频段微带阵列天线满足大规模的批量加工和生产的需求。
进一步的，所述PP层使用的材料是FR4材质的半固化胶片，用于将谐振金属贴片所在双面镀铜PCB板面与缝隙金属接地层所在双面镀铜PCB板面经过高温牢固在一起，从而将两块双面镀铜PCB板构成为四层镀铜PCB板。
进一步的，所述四层镀铜PCB板，使用了四层镀铜的PCB板叠层技术，充分利用了材料的每一层，并且总高度满足0-1mm的要求，该四层镀铜PCB板包括第一层铜层、第二层铜层、第三层铜层、第四层铜层；
所述第一层铜层厚度是1oz，设置辐射金属贴片；所述第二层铜层厚度是1oz，设置谐振金属贴片；所述第三层铜层厚度是1oz，设置缝隙金属接地层；所述第四层铜层厚度是1oz，设置金属馈电网络。
进一步的，所述上层介质层设置在第一层铜层和第二层铜层之间；所述下层介质层设置在第三层铜层和第四层铜层之间；所述上层介质层和下层介质层均使用泰康利tly-5材料，厚度为10mil。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明使用了缝隙耦合馈电和添加谐振片相结合的方式，极大的提高了天线的带宽；采用了新型“眼镜型”耦合缝隙，进一步拓展了天线的带宽；使用业内射频电路常用的板材进行叠层，并使用微带线进行馈电，方便与射频电路集成；在保持天线宽频段特性的同时，满足厚度不超过1mm的要求，保证了微带天线低剖面的特性；由两块普通的双面镀铜板加工形成，结构简单，可大批量一体加工形成，且方便批量生产。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明一种5G毫米波宽频段微带阵列天线的结构示意图；
图2是本发明一种5G毫米波宽频段微带阵列天线的整体示意图；
图3是本发明一种5G毫米波宽频段微带阵列天线的辐射金属贴片和谐振金属贴片的尺寸示意图；
图4是本发明一种5G毫米波宽频段微带阵列天线的眼睛型缝隙长度示意图；
图5是本发明一种5G毫米波宽频段微带阵列天线的金属馈电网络示意图；
图6是本发明一种5G毫米波宽频段微带阵列天线的驻波比仿真结果图；
图7是本发明一种5G毫米波宽频段微带阵列天线的增益仿真结果图；
图中：1、辐射金属贴片；2、上层介质层；3、谐振金属贴片；4、PP层；5、缝隙金属接地层；6、下层介质层；7、金属馈电网络；8、眼镜型缝隙；9、两块双面镀铜PCB板；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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做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。
请参阅图1-图5，本发明提供技术方案：一种5G毫米波宽频段微带阵列天线，本天线由两块双面镀铜PCB板9构成；所述两块双面镀铜PCB板9还包括了辐射金属贴片1、上层介质层2、谐振金属贴片3、PP层4、缝隙金属接地层5、下层介质层6、金属馈电网络7、眼镜型缝隙8；
所述辐射金属贴片1和所述谐振金属贴片3分别设置在两块双面镀铜PCB板9其中一块的两面；所述缝隙金属接地层5设置在两块双面镀铜PCB板9另一块的一面；所述金属馈电网络7设置在两块双面镀铜PCB板9另一块的另一面；所述上层介质层2介于辐射金属贴片1和谐振金属贴片3之间；所述下层介质层6介于缝隙金属接地层5和金属馈电网络7之间；所述PP层4介于谐振金属贴片3和缝隙金属接地层5之间；所述眼镜型缝隙8设置在金属馈电网络7振子馈电端(如图5)的上方开的用于耦合的槽，位于缝隙金属接地层5上；所述眼镜型缝隙8、谐振金属贴片3、辐射金属贴片1的中心位置呈上下垂直状态；
所述辐射金属贴片1采用矩形形式，用于耦合射频信号辐射到空间中；
所述谐振金属贴片3用于耦合射频信号辐射到辐射金属贴片1上，与辐射金属贴片1的中心位置呈上下垂直状态，通过调整辐射金属贴片1和谐振金属贴片3的尺寸使谐振点相互靠近达到天线具有多个频段的特性，从而进一步实现拓展带宽的功能；
所述缝隙金属接地层5用于抑制金属馈电网络7与辐射金属贴片1、谐振金属贴片3在耦合信号过程中产生的相互干扰，缝隙金属接地层5还设置了眼镜型缝隙8；所述眼镜型缝隙8用于将射频信号耦合到谐振金属贴片3上，采用缝隙耦合馈电技术，通过调整眼镜型缝隙8的尺寸，达到拓展宽频段的驻波比特性，实现射频信号在传输过程中的电磁耦合，使5G毫米波宽频段微带阵列天线既拥有宽频段的特性，同时也达到实际中的高度要求；所述眼镜型缝隙8是金属馈电网络7振子馈电端的上方开的用于耦合的槽，设置在缝隙金属接地层5上，位于辐射金属贴片1、谐振金属贴片3的中心位置的上下垂直方向上；
所述金属馈电网络7用于传输射频信号，通过眼镜型缝隙8，采用缝隙耦合馈电技术，从而实现与辐射金属贴片1、谐振金属贴片3之间的电磁耦合；所述金属馈电网络7与辐射金属贴片1、谐振金属贴片3分处于不同的几何平面上，进一步使5G毫米波宽频段微带阵列天线在构造上简单化，实现5G毫米波宽频段微带阵列天线满足大规模的批量加工和生产的需求；
所述PP层7使用的材料是FR4材质的半固化胶片，PP层4厚度为0.352mm，用于将谐振金属贴片3所在双面镀铜PCB板9面与缝隙金属接地层5所在双面镀铜PCB板9面经过高温牢固在一起，从而将两块双面镀铜PCB板9构成为四层镀铜PCB板；所述四层镀铜PCB板，使用了四层镀铜的PCB板叠层技术，该技术包括第一层铜层、第二层铜层、第三层铜层、第四层铜层；所述第一层铜层厚度是1oz，设置辐射金属贴片1；所述第二层铜层厚度是1oz，设置谐振金属贴片3；所述第三层铜层厚度是1oz，设置缝隙金属接地层5；所述第四层铜层厚度是1oz，设置金属馈电网络7；所述四层镀铜PCB板加工简单，充分利用了材料的每一层，并且总高度满足0-1mm的要求；
所述上层介质层2设置在第一层铜层和第二层铜层之间，使用泰康利tly-5材料，厚度为10mil；
所述下层介质层6设置在第三层铜层和第四层铜层之间，使用泰康利tly-5材料，厚度为10mil；
该方案的仿真分析：
所述辐射金属贴片1和谐振金属贴片3的初步仿真尺寸计算如下：
式中，W1、W1分别为辐射金属贴片1和谐振金属贴片3的宽度，f1、f2分别为辐射金属贴片1和谐振金属贴片3的谐振频率，c为真空中光速，ε1、ε2分别为上层介质层2和PP层7基材介质的相对介电常数，h1、h2分别为上层介质层2和PP层7基材介质的高度；
式中，L1、L2分别为辐射贴片和谐振贴片的长度；
式中，Ls为眼镜型缝隙8的长度，Ls1为眼镜型缝隙8两边同等圆的直径，Ls2为连接眼镜型缝隙8两边同等圆的中间部分的长度，λ0为自由空间波长，εe为等效介电常数，ε1为上层介质层2和下层介质层6的辐射基材介质的介电常数，ε2为PP层4的辐射基材介质的介电常数；
根据上层介质层2、下层介质层6，以及PP层4的厚度和基材所用介电常数已知，即ε1和ε2已知，且c也已知，通过选择适当的谐振频率可计算出辐射金属贴片1和谐振金属贴片3初步仿真尺寸为：f1＝40GHz，L1＝2.62mm，W1＝1.6mm；f2＝50GHz，L2＝2.38mm，W2＝1.1mm；眼镜型缝隙8初步设计长度尺寸为：Ls1＝0.45mm，Ls2＝0.6mm；带入到HFSS中仿真可得到驻波确有两个谐振频率，但谐振贴片3的谐振频率较50GHz频率偏高，这是由于仿真模型中谐振贴片3的辐射环境与理想公式计算环境不同导致实际工作尺寸有偏差。通过HFSS仿真软件对天线模型进行优化仿真后，可得到辐射贴片1和谐振贴片3最佳尺寸为：L1＝2.8mm，W1＝1.7mm；L2＝1.6mm，W2＝1.1mm，眼镜型缝隙8长度尺寸Ls1＝0.8mm，Ls2＝0.6mm。该尺寸下5G毫米波宽频段微带阵列天线仿真结果如图5所示，增益仿真结果如图6所示。最终结果显示该方案下5G毫米波宽频段微带阵列天线在频段38.19至54.05GHz内，驻波比VSWR保持在0-2之间，保证了阵列天线厚度在0-1mm之间的情况下，阻抗带宽达到34％以上，并且在频带内拥有高增益。
在初步设计尺寸的基础上，利用软件进行仿真，得出实际操作时的数据。
本发明的工作原理：本发明一种5G毫米波宽频段微带阵列天线，本天线由两块双面镀铜PCB板9构成；所述两块双面镀铜PCB板9设置了包括辐射金属贴片1、上层介质层2、谐振金属贴片3、PP层4、缝隙金属接地层5、下层介质层6、金属馈电网络7、眼镜型缝隙8；
所述四层镀铜PCB板，使用了四层镀铜的PCB板叠层技术，通过PP层经过高温粘固而成，包括第一层铜层、第二层铜层、第三层铜层、第四层铜层，其中第一层铜层和第二层铜层形成两块双面镀铜PCB板9的其中一块，第三铜层和第四层铜层形成两块双面镀铜PCB板9的另一块，辐射金属贴片1设置在双面镀铜PCB板9其中一块的一面，谐振金属贴片3设置在两块双面镀铜PCB板9其中一块的另一面，缝隙金属接地层5设置在两块双面镀铜PCB板9另一块的一面，金属馈电网络7设置在两块双面镀铜PCB板9另一块的另一面，上层介质层2介于辐射金属贴片1和谐振金属贴片3之间，下层介质层6介于缝隙金属接地层5和金属馈电网络7之间，PP层4介于谐振金属贴片3和缝隙金属接地层5之间，眼镜型缝隙8、谐振金属贴片3、辐射金属贴片1的中心位置呈上下垂直状态；
所述眼镜型缝隙8，使用了缝隙耦合馈电技术，在射频信号传输、耦合，以及辐射的过程中，射频信号经过金属馈电网络7，通过眼镜型缝隙8耦合到谐振金属贴片3上，再经由谐振金属贴片3耦合辐射到辐射金属贴片1上，最后由辐射金属贴片1辐射到大气中，从而完成5G毫米波宽频段微带阵列天线的辐射，通过调整眼镜型缝隙8、谐振金属贴片3，以及辐射金属贴片1的尺寸，保证了5G毫米波宽频段微带阵列天线拥有小体积、低剖面，以及宽频段的特性；
所述上层介质层2、下层介质层6，以及PP层4，采用了不同介电常数的介质和满足要求的厚度，进一步保证了5G毫米波宽频段微带阵列天线在宽频段中进行高速率通信工作。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，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。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种5G毫米波宽频段微带阵列天线，其特征在于：该天线由两块双面镀铜PCB板(9)构成；所述两块双面镀铜PCB板(9)还包括辐射金属贴片(1)、上层介质层(2)、谐振金属贴片(3)、PP层(4)、缝隙金属接地层(5)、下层介质层(6)、金属馈电网络(7)、眼镜型缝隙(8)；
所述辐射金属贴片(1)和所述谐振金属贴片(3)分别设置在两块双面镀铜PCB板(9)其中一块的两面；所述缝隙金属接地层(5)和所述金属馈电网络(7)分别设置在两块双面镀铜PCB板(9)另一块的两面；所述上层介质层(2)介于辐射金属贴片(1)和谐振金属贴片(3)之间；所述下层介质层(6)介于缝隙金属接地层(5)和金属馈电网络(7)之间；所述PP层(4)介于谐振金属贴片(3)和缝隙金属接地层(5)之间，用于将两块双面镀铜PCB板(9)牢固在一起；所述眼镜型缝隙(8)设置在缝隙金属接地层(5)中；所述眼镜型缝隙(8)、谐振金属贴片(3)、辐射金属贴片(1)的中心位置呈上下垂直状态。
2.根据权利要求1所述的一种5G毫米波宽频段微带阵列天线，其特征在于：所述辐射金属贴片(1)用于耦合射频信号辐射到大气中。
3.根据权利要求1所述的一种5G毫米波宽频段微带阵列天线，其特征在于：所述谐振金属贴片(3)用于将射频信号耦合到辐射金属贴片(1)上。
4.根据权利要求1所述的一种5G毫米波宽频段微带阵列天线，其特征在于：所述天线在设计制作时调整辐射金属贴片(1)和谐振金属贴片(3)的尺寸使谐振点相互靠近；
所述设计辐射金属贴片(1)和谐振金属贴片(3)的尺寸的计算方式相同，具体公式如下：
其中，W为辐射金属贴片(1)和谐振金属贴片(3)的宽度，L为辐射金属贴片(1)和谐振金属贴片(3)的长度，fr为辐射金属贴片(1)和谐振金属贴片(3)的谐振频率，c为真空中光速，εr为辐射金属贴片(1)和谐振金属贴片(3)的基材介质的相对介电常数，h为辐射金属贴片(1)和谐振金属贴片(3)的基材介质的高度，εe为等效介电常数，Δl为辐射金属贴片(1)和谐振金属贴片(3)长度的等效延长量。
5.根据权利要求1所述的一种5G毫米波宽频段微带阵列天线，其特征在于：所述缝隙金属接地层(5)用于抑制金属馈电网络(7)与辐射金属贴片(1)、谐振金属贴片(3)之间传递信号过程中产生的相互干扰；所述缝隙金属接地层(5)还设置了眼镜型缝隙(8)。
6.根据权利要求5所述的一种5G毫米波宽频段微带阵列天线，其特征在于：用于让射频信号可以穿过带缝隙金属接地板(5)耦合到谐振金属贴片(3)上，采用缝隙耦合馈电技术，调整眼镜型缝隙(8)的尺寸，改变射频信号在传输过程中的带宽。
7.根据权利要求6所述的一种5G毫米波宽频段微带阵列天线，其特征在于：所述调整眼镜型缝隙(8)的设计尺寸的计算方式如下：
其中，Ls为眼镜型缝隙(8)的长度，Ls1为眼镜型缝隙(8)两边同等圆的直径，Ls2为连接眼镜型缝隙(8)两边同等圆的中间部分的长度，λ0为自由空间波长，εe为等效介电常数，ε1为上层介质层(2)和下层介质层(6)的辐射基材介质的介电常数，ε2为PP层(4)的辐射基材介质的介电常数。
8.根据权利要求1所述的一种5G毫米波宽频段微带阵列天线，其特征在于：所述金属馈电网络(7)用于传输射频信号；所述金属馈电网络(7)与辐射金属贴片(1)、谐振金属贴片(3)分处于不同的几何平面上。
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