CN115173067A - 一种基于siw的宽带毫米波平面圆极化开口环天线 - Google Patents
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Abstract
本发明属于无线通信的天线技术领域，具体涉及一种基于SIW的宽带毫米波平面圆极化开口环天线，包括两层介质板，三个金属层，其由下至上依次为第一金属层、下层介质板、第二金属层、上层介质板和第三金属层；所述上层介质板设有金属化过孔；第二金属层、上层介质板和第三金属层构成第一结构，第一结构包括接地共面波导、过渡段、基片集成波导以及辐射单元；所述辐射单元包括内开口圆环、外开口圆环和短微带线；所述短微带线连接内、外开口圆环，形成环‑缝隙‑环的辐射结构；第一金属层与下层介质板组成第二结构，用于使天线产生定向辐射；本发明的天线减少了剖面高度，提升了带宽。
Description
技术领域
本发明属于无线通信的天线技术领域，具体涉及一种基于SIW的宽带毫米波平面圆极化开口环天线。
背景技术
无线通信技术的发展，在给人们带来舒适生活的同时，也对无线通信系统数据传输速率提出了越来越高的要求。提升无线传输速率大致有两种方法，一是提高频谱利用率，二是增加频谱带宽，前者需要用到更高阶和复杂的信号调制方式或利用多入多出分集技术，会大幅增加系统的复杂度和对电路灵敏度的要求，相比于前者，后者相对比较简单。但是，传统微波频段通信所用的6GHz以下频段的频谱资源越来越紧缺，频段内不同系统之间的相互干扰也愈加严重，这使得人们将目光投向6-300GHz频段，尤其是毫米波频段。毫米波频段仍有大量频谱资源尚未被开发利用，这就解决了频段内不同系统之间相互干扰的问题。同时由于其频率较高，在相同的相对带宽下，相比于低频微波段，毫米波频段的绝对带宽更宽。这使得毫米波通信系统具有高信息传输速率的天然优势。
其中，天线作为无线通信系统的最前端组件，其性能可以影响整个无线通信系统的表现，包括信噪比、信号覆盖范围等。尤其是最近第五代(5G)通信应用即将商用，使得毫米波天线获得了更加广泛的关注。其中，天线按常见的极化方式可以分为两类，分别是线极化和圆极化。不同种类的天线适用于不同的应用场景，但是对于包括卫星通信在内的很多通信系统，通信的对象不再局限于固定的目标，随着目标的移动，天线的极化方向可能会发生变化，而线极化天线只能接受同向极化的电磁波，非同向的极化会造成极化失配，故其在高速移动通信中有比较大的劣势。而圆极化天线对目标的位置和姿态不敏感，因此圆极化天线是移动通信比较好的选择。同时圆极化天线还具有旋向正交性；抑制雨雾干扰和抗多径干扰；避免极化失配等特性，这些优点使得圆极化天线在民用通信以及军事电子对抗等领域中得到广泛研究与应用。
除了极化方式，带宽也是毫米波天线不可忽略的一项指标，由于低频段存在大量工作频段相近的天线，这些天线相互产生一些影响，降低通信系统的整体性能。因此，毫米波天线需要具备较宽的带宽，达到使用一种天线能够满足多种场景需求的效果。同时，在通信频段向宽带高频发展的时候，通信系统也朝着微型化，小型化的方向发展。天线作为无线通信系统的最前端组件，也有着小型化、平面化的要求。天线的尺寸与波长是息息相关的，尽管毫米波频段的天线尺寸相比于微波频段有了明显的改进，但大部分天线为了保证其性能，仍然有着相对较大的体积和剖面高度，不利于与现代微型化电路进行集成。
环天线由于其结构简单，性能稳定等特点，是一种重要的天线类别。闭环天线是线极化辐射，在对其加入微扰，即在合适位置开环后，天线由线极化辐射转变为圆极化辐射。但是传统的开口环天线的带宽较窄，为了展宽带宽，可以采用双环天线，该类天线通过增加一个环来增加谐振点，使工作带宽展宽。现有技术中，R.Li等人提出的"Development of aCavity-Backed Broadband Circularly Polarized Slot/Strip Loop Antenna With aSimple Feeding Structure"文献中的天线由于采用了背腔，使天线的整体剖面高度过高，不满足平面化的要求，M.Sumi的"Dual-Band Dual-Rectangular-Loop CircularPolarization Metasurface Antenna for GNSS Receivers"文献中，其天线所实现的是双频工作，对单个工作频率来说，其工作带宽较窄。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种基于SIW的宽带毫米波平面圆极化开口环天线，包括两层介质板，三个金属层，其由下至上依次为第一金属层、下层介质板、第二金属层、上层介质板和第三金属层；所述上层介质板设有金属化过孔；第二金属层、上层介质板和第三金属层构成第一结构，第一结构包括接地共面波导、过渡段、基片集成波导以及辐射单元；所述辐射单元包括内开口圆环、外开口圆环和短微带线；所述短微带线连接内、外开口圆环，形成环-缝隙-环的辐射结构；第一金属层与下层介质板组成第二结构，用于使天线产生定向辐射。
进一步的，接地共面波导中包括有等宽微带线，等宽微带线的上下侧各设一排金属化过孔，便于与端口进行阻抗匹配；将接地共面波导中等宽微带线替换为渐变微带线，构成过渡段；过渡段紧邻接地共面波导。。
进一步的，所述两层介质板都采用介电常数为2.2的Rogers 5880介质板；其中上层介质板厚度为0.254mm，下层介质板厚度为1.575mm。
进一步的，为了保证匹配，外开口圆环的一端通过渐变的微带线与基片集成波导相连，外开口圆环的另一端为自由端；内开口圆环设置在外开口圆环内部且与外开口圆环同心。
进一步的，内、外开口圆环的开口方向相同，内开口圆环的开口大小为54°，外开口圆环的开口大小为58°。
进一步的，在上层介质板的上、下表面各设置有一个辐射单元。位于上层介质板上表面的辐射单元的外开口圆环的开口方向，与位于上层介质板下表面的辐射单元的外开口圆环的开口方向呈180°。
本发明的有益效果：
本发明提供了一种基于SIW的宽带毫米波平面圆极化开口环天线，该天线的剖面高度为1.934mm(0.248λg)，λg是中心频率为26GHz，介电常数2.2的波导波长。天线的S11(＜-10dB)带宽为84％，AR(＜3dB)带宽为35％，重合带宽为35％。相比于R.Li等人的参考文献1中剖面高度12mm(0.36λg)，重合带宽19％，以及M.Sumi的参考文献2中重合带宽分别为4.1％和5.2％有了很大提升。
附图说明
图1为本发明实施例的天线侧视图；
图2为本发明实施例的天线俯视图示例一；
图3为本发明实施例的天线俯视图示例二；
图4为本发明实施例的开口环天线改进过程示意图；
图5为本发明实施例的S11随频率变化的曲线图；
图6为本发明实施例的AR随频率变化的曲线图；
图7为本发明实施例的Gain随频率变化的曲线图；
其中，1-第一金属层，2-下层介质板，3-第二金属层，4-上层介质板，5-第三金属层，6-辐射单元，7-等宽微带线，8-渐变微带线100-接地共面波导，200-过渡段，300-基片集成波导。
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。
本发明提出一种基于SIW的宽带毫米波平面开口环圆极化天线。包含“基片集成波导(SIW)”和“环-缝隙-环”两种新机制，这两种新机制分别致力于解决以下两个问题：
(1)通过平面化的馈电结构来解决天线剖面高度过高的问题；
(2)通过“环-缝隙-环”的结构增加谐振点，解决天线带宽较窄的问题。
在一实施例中，如图1的天线侧视图所示，一种基于SIW的宽带毫米波平面圆极化开口环天线，包括两层介质板，三个金属层；所述两层介质板由上层介质板4和下层介质板2构成；三个金属层包括第一金属层1、第二金属层3和第三金属层5；从图1看出，整体结构由下至上依次为第一金属层1、下层介质板2、第二金属层3、上层介质板4和第三金属层5；所述上层介质板4设有金属化过孔；第二金属层3、上层介质板4和第三金属层5构成第一结构，如图3所示，第一结构包括接地共面波导(GCPW)100、过渡段200、基片集成波导(SIW)300以及辐射单元6；所述辐射单元6包括内开口圆环、外开口圆环和短微带线；所述短微带线连接内、外开口圆环，形成环-缝隙-环的辐射结构；第一金属层1与下层介质板2组成第二结构，用于使天线产生定向辐射。
具体地，所述两层介质板都采用介电常数为2.2的Rogers 5880介质板；其中上层介质板4厚度为0.254mm，下层介质板2厚度为1.575mm。
具体地，如图1所示，所述第一金属层1与下层介质板2大小相同；下层介质板2与第一金属层1是为了实现天线的单向辐射。
在一实施例中，如图2所示，接地共面波导100中还包括有等宽微带线7，等宽微带线7上下两侧各设有一排金属化过孔，便于与端口进行阻抗匹配；每排金属化过孔与等宽微带线之间设有一条矩形缝隙；将接地共面波导100中等宽微带线7替换为渐变微带线8，同时将每排金属化过孔与渐变微带线之间的矩形缝隙替换为渐变缝隙，构成过渡段200；过渡段200紧邻接地共面波导100。
相比于传统微带线以及同轴线，SIW具有低传输损耗，平面结构易于集成等特点，因此采用SIW作为天线的馈线，有效的降低剖面高度，使天线便于集成，又保证天线的增益没有剧烈恶化。除此之外，由于基片集成波导的特性，利用其上下表面电流反向的特点，对天线进行平衡馈电，展宽带宽。
具体地，如图3所示，SIW，即基片集成波导300是在介质填充波导的基础上，设置两排金属化过孔替代电壁。
在一实施例中，如图3所示，整个天线可以分为传输区、过渡区和辐射区三个部分，传输区主要是由接地共面波导100和基片集成波导300构成，过渡区主要是由过渡段200构成，剩余部分为辐射区。
具体地，GCPW结构使天线从端口到SIW能够进行良好的匹配，传输区进行信号的传输，最后由辐射区进行辐射。天线最左侧上下两角设置的两个大的通孔是为了固定天线，便于测量。
如图4(a)所示，单个开口环天线尽管能够实现圆极化，但其工作带宽较窄，因此可以通过在其内部再加入一个环，通过外环来耦合内环，使内环在其对应的频率上谐振，进而展宽天线的带宽，如图4(b)所示。但双环天线的带宽仍不够宽，为了进一步提升带宽，即再增加谐振点，如果按照之前的思路，再增加一个开口环来展宽带宽，虽然理论上可以增加一个谐振点，但由于环之间存在着互耦效应，实际工程中较难实现，因此在双环天线的基础上，增加一条短微带线对两环进行连接，使内环由之前通过外环耦合进行谐振的工作模式转变为使用微带线馈电进行谐振的工作模式，同时激励双环之间的缝隙，产生一个新的谐振点。如图4(c)所示，整体天线形成了“环—缝隙—环”的结构，进一步展宽了天线的工作带宽。
具体地，为了保证匹配，辐射单元6中外开口圆环的一端通过渐变的微带线与SIW相连，外开口圆环的另一端为自由端；内开口圆环设置在外开口圆环内部且与外开口圆环同心，且外开口圆环的周长近似于23GHz的一个介质波长，内开口圆环的周长近似于29GHz的一个介质波长，内、外开口圆环的开口方向相同，内开口圆环的开口大小分别为54°，外开口圆环的开口大小为58°，两环通过短微带线连接。
具体地，在上层介质板的上、下表面各设置有一个辐射单元，两个辐射单元大小相同。
具体地，位于上层介质板4上表面的辐射单元6的外开口圆环的开口方向，与位于上层介质板4下表面的辐射单元6的外开口圆环的开口方向呈180°。
在一实施例中，如图5所示，图中记录了S11随频率变化的曲线，从图中可以明显的看到天线具有很宽的S11(＜-10dB)带宽，在34GHz之后仍满足要求，S11带宽可达84％。如图6所示，图中记录了AR随频率变化的曲线，从图中可以看到，天线在22.7-32.2GHz频带内AR小于3dB，天线的轴比带宽为35％。如图7所示，图中记录了Gain随频率变化的曲线，从图中可以看到，天线峰值增益为9.2dBic。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋转”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (7)
1.一种基于SIW的宽带毫米波平面圆极化开口环天线，其特征在于，包括两层介质板，三个金属层，其由下至上依次为第一金属层、下层介质板、第二金属层、上层介质板和第三金属层；所述上层介质板设有金属化过孔；第二金属层、上层介质板和第三金属层构成第一结构，第一结构包括接地共面波导、过渡段、基片集成波导以及辐射单元；所述辐射单元包括内开口圆环、外开口圆环和短微带线；所述短微带线连接内、外开口圆环，形成环-缝隙-环的辐射结构；第一金属层与下层介质板组成第二结构，用于使天线产生定向辐射。
2.根据权利要求1所述的一种基于SIW的宽带毫米波平面圆极化开口环天线，其特征在于，接地共面波导中包括有等宽微带线，等宽微带线的上下两侧设有一排金属化过孔；将接地共面波导中的等宽微带线替换成渐变微带线，构成过渡段；过渡段紧邻接地共面波导。
3.根据权利要求1所述的一种基于SIW的宽带毫米波平面圆极化开口环天线，其特征在于，所述两层介质板都采用介电常数为2.2的Rogers 5880介质板；其中上层介质板厚度为0.254mm，下层介质板厚度为1.575mm。
4.根据权利要求1所述的一种基于SIW的宽带毫米波平面圆极化开口环天线，其特征在于，外开口圆环的一端通过渐变的微带线与基片集成波导相连，外开口圆环的另一端为自由端；内开口圆环设置在外开口圆环内部且与外开口圆环同心。
5.根据权利要求1所述的一种基于SIW的宽带毫米波平面圆极化开口环天线，其特征在于，内、外开口圆环的开口方向相同，内开口圆环的开口大小为54°，外开口圆环的开口大小为58°。
6.根据权利要求1所述的一种基于SIW的宽带毫米波平面圆极化开口环天线，其特征在于，在上层介质板的上、下表面各设置有一个辐射单元。
7.根据权利要求6所述的一种基于SIW的宽带毫米波平面圆极化开口环天线，其特征在于，位于上层介质板上表面的辐射单元的外开口圆环的开口方向，与位于上层介质板下表面的辐射单元的外开口圆环的开口方向呈180°。
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115173067B (zh) | 2024-10-01 |
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