CN115425415B - 一种基于短路针和二极管加载的毫米波频率可调贴片天线 - Google Patents

一种基于短路针和二极管加载的毫米波频率可调贴片天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于短路针和二极管加载的毫米波频率可调贴片天线，其微带天线本体包括顶层介质基板（1）、中间层介质基板（2）、底层介质基板（3）、第一接地板（4）、内辐射贴片（5）、外辐射贴片（6）、第二接地板（7）、馈电线（8）、馈电同轴（9）、短路针（10）、偏置通孔（11）、二极管（12），内辐射贴片、顶层介质基板、第一接地板、中间层介质基板、第二接地板、底层介质基板、馈电线依次贴合地设置，馈电同轴和偏置通孔贯穿顶层介质基板、底层介质基板设置，短路针贯穿顶层介质基板设置，二极管跨接在内辐射贴片和外辐射贴片之间而设置。本发明具有馈电简单、结构简单等特点，不需要设计一些额外的结构来拓展带宽。

Description

一种基于短路针和二极管加载的毫米波频率可调贴片天线
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种基于短路针和二极管加载的毫米波频率可调贴片天线。
背景技术
随着通信技术的不断发展，5G移动通信技术已经正式开始商用，然而现在商用的5G通信利用的频段主要还是处在低于6GHz的Sub-6G频段，未来的频段会不断升高到24.25GHz～27.5GHz和26.5GHz～29.5GHz这两个世界主流的毫米波频段。天线作为通信系统信息收发的关键组件，一方面需要适应24.25GHz～27.5GHz和26.5GHz～29.5GHz这两个双频毫米波频段；另一方面需求适应于天线模组小型化和高集成度的毫米波微带贴片天线。
现有技术CN111370867A公开了一种基于单层介质低剖面及多根短路针的双频毫米波微带天线，包括微带天线本体，所述微带天线本体包括单层介质基板、分别设置在单层介质基板两侧端面的接地板及辐射贴片、贯穿单层介质基板设置的馈电同轴及三根短路针；所述馈电同轴及三根所述短路针一端固定在辐射贴片与单层介质基板贴合的一侧端面上，另一端固定在接地板与单层介质基板贴合的一侧端面上；本发明在传统的TM10模和TM12模谐振模式的基础上，增加原本没有的2阶和3阶零模谐振模式，从而拓展带宽；同时，通过调整多根短路针的位置来调节2阶和3阶零模谐振模式与原有TM10模和TM12模谐振模式的分布，使得TM10模和2阶零模谐振靠近形成一个频带，TM12模和3阶零模谐振靠近形成另一个频带。
但现有技术中天线存在不能在不增加天线复杂度前提下获得足够带宽的频带来覆盖未来毫米波波段的主流频段，即无法很好的达成26GHz和28GHz的双频带效果的问题，且不易于集成，容易占据大量空间的问题。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种基于短路针和二极管加载的毫米波频率可调贴片天线，其通过加载短路针引入了新的零模谐振，其选择了在内辐射贴片和第一接地板之间加载短路针，短路针的添加会增加内辐射贴片表面的电流零点，从而形成新的零模谐振；原有的传统谐振模式与新增的零模的分布情况可以通过调整短路针的位置来调节，最终使得原有谐振模式与其附近的2阶零模相互靠近，如TM10模和2阶零模谐振靠近可以形成一个拓宽的频带，从而实现了双频天线单频带宽拓展的效果；同时在内辐射贴片和外辐射贴片的角部之间加载二极管，通过二极管的导通和关断两个状态调控天线的等效谐振长度，从而进一步使TM10模和2阶零模在频谱上整体搬移，进一步拓展带宽以覆盖未来毫米波波段的主流频段，其具有馈电简单、结构简单等特点，不需要设计一些额外的结构来拓展带宽。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于短路针和二极管加载的毫米波频率可调贴片天线，其包括微带天线本体，微带天线本体包括顶层介质基板(1)、中间层介质基板(2)、底层介质基板(3)、第一接地板(4)、内辐射贴片(5)、外辐射贴片(6)、第二接地板(7)、馈电线(8)、馈电同轴(9)、短路针(10)、偏置通孔(11)、二极管(12)，顶层介质基板的上侧面贴合地设置有内辐射贴片、外辐射贴片，顶层介质基板的下侧面贴合地设置有第一接地板，第一接地板的下侧面贴合地设置有中间层介质基板，中间层介质基板的下侧面贴合地设置有第二接地板，第二接地板的下侧面贴合地设置有底层介质基板，底层介质基板的下侧面贴合地设置有馈电线，馈电同轴和偏置通孔贯穿顶层介质基板、中间层介质基板、底层介质基板设置，短路针贯穿顶层介质基板设置，二极管跨接在内辐射贴片和外辐射贴片之间而设置，该微带天线本体的工作频率为24GHz～26.65GHz和25.6GHz～29.6GHz。
进一步地，所述顶层介质基板、中间层介质基板和底层介质基板呈扁形长方体结构，长度为5.2mm，宽度为5mm，厚度分别为0.508mm、0.202mm、0.254mm，顶层介质基板和底层介质基板选用的材料为Rogers 4350，其介电常数εr＝3.48，损耗角正切tanδ＝0.0037，中间层介质基板选用的材料为Rogers 4450，其介电常数εr＝3.52，损耗角正切tanδ＝0.004。
进一步地，所述第一接地板和第二接地板与顶层介质基板、中间层介质基板、底层介质基板的形状及尺寸相同，第一接地板的材料为铜并与顶层介质基板和中间层介质基板贴合地设置，第二接地板的材料为铜并与底层介质基板和中间层介质基板贴合地设置。
进一步地，所述内辐射贴片的外轮廓呈矩形结构，长度为2.6mm，宽度为2.5mm，内辐射贴片的材料为铜；外辐射贴片的外轮廓呈U形结构，长度为3mm，宽度为2.9mm，外辐射贴片的材料为铜，内辐射贴片与外辐射贴片之间的缝隙宽度为0.1-0.15mm。
进一步地，所述馈电同轴及偏置通孔与顶层介质基板的下侧面垂直设置，馈电同轴一端固定在内辐射贴片的与顶层介质基板贴合的一侧端面上，另一端固定在第二接地板的与底层介质基板贴合的一侧端面上；偏置通孔的第一通孔一端固定在内辐射贴片的与顶层介质基板贴合的一侧端面上，另一端固定在第二接地板的与底层介质基板贴合的一侧端面上；偏置通孔的第二通孔一端固定在外辐射贴片的与顶层介质基板贴合的一侧端面上，另一端固定在第二接地板的与底层介质基板贴合的一侧端面上；馈电同轴、第一通孔、第二通孔共线设置；其中，馈电同轴的内轮廓及外轮廓均呈圆形结构，内径为0.3mm，外径为0.8mm，馈电同轴的材料为铜；偏置通孔的材料为铜，直径为0.2mm。
进一步地，所述短路针与顶层介质基板的下侧端面垂直设置，其一端固定在内辐射贴片的与顶层介质基板贴合的一侧端面上，另一端固定在第一接地板的与顶层介质基板贴合的一侧端面上，短路针直径为0.1mm，材料为铜；短路针与馈电同轴的连线垂直于第一通孔与第二通孔、馈电同轴的连线，且短路针与二极管中心的连线与第一通孔与第二通孔之间的连线的夹角为40-45°。
进一步地，所述二极管与内辐射贴片和外辐射贴片平行设置，二极管一端固定在内辐射贴片的上侧端面，另一端固定在外辐射贴片的上侧端面，二极管设置于内辐射贴片、外辐射贴片的角部，二极管是PIN二极管。
本发明的一种基于短路针和二极管加载的毫米波频率可调贴片天线，其通过加载短路针引入了新的零模谐振，其选择了在内辐射贴片和第一接地板之间加载短路针，短路针的添加会增加内辐射贴片表面的电流零点，从而形成新的零模谐振；原有的传统谐振模式与新增的零模的分布情况可以通过调整短路针的位置来调节，最终使得原有谐振模式与其附近的2阶零模相互靠近，如TM10模和2阶零模谐振靠近可以形成一个拓宽的频带，从而实现了双频天线单频带宽拓展的效果；同时在内辐射贴片和外辐射贴片的角部之间加载二极管，通过二极管的导通和关断两个状态调控天线的等效谐振长度，从而进一步使TM10模和2阶零模在频谱上整体搬移，进一步拓展带宽以覆盖未来毫米波波段的主流频段，其具有馈电简单、结构简单等特点，不需要设计一些额外的结构来拓展带宽。
附图说明
图1为本发明基于短路针和二极管加载的毫米波频率可调贴片天线主视结构示意图；
图2为本发明基于短路针和二极管加载的毫米波频率可调贴片天线俯视结构示意图；
图3为本发明基于短路针和二极管加载的毫米波频率可调贴片天线的PIN二极管导通前后的回波损耗参照图；
图4为本发明基于短路针和二极管加载的毫米波频率可调贴片天线的输入阻抗参照图。
图中：顶层介质基板1、中间层介质基板2、底层介质基板3、第一接地板4、内辐射贴片5、外辐射贴片6、第二接地板7、馈电线8、馈电同轴9、短路针10、偏置通孔11、二极管12。
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。
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1-4所示，一种基于短路针和二极管加载的毫米波频率可调贴片天线，其包括微带天线本体，微带天线本体包括顶层介质基板1、中间层介质基板2、底层介质基板3、第一接地板4、内辐射贴片5、外辐射贴片6、第二接地板7、馈电线8、馈电同轴9、短路针10、偏置通孔11、二极管12，顶层介质基板1的上侧面贴合地设置有内辐射贴片5、外辐射贴片6，顶层介质基板1的下侧面贴合地设置有第一接地板4，第一接地板4的下侧面贴合地设置有中间层介质基板2，中间层介质基板2的下侧面贴合地设置有第二接地板7，第二接地板7的下侧面贴合地设置有底层介质基板3，底层介质基板3的下侧面贴合地设置有馈电线8，馈电同轴9和偏置通孔11贯穿顶层介质基板1、中间层介质基板2、底层介质基板3设置，短路针10贯穿顶层介质基板1设置，二极管12跨接在内辐射贴片5和外辐射贴片6之间而设置，该微带天线本体的工作频率为24GHz～26.65GHz和25.6GHz～29.6GHz。
进一步地，顶层介质基板1、中间层介质基板2和底层介质基板3呈扁形长方体结构，长度为5.2mm，宽度为5mm，厚度分别为0.508mm、0.202mm、0.254mm，顶层介质基板1和底层介质基板3选用的材料为Rogers 4350，其介电常数εr＝3.48，损耗角正切tanδ＝0.0037，中间层介质基板2选用的材料为Rogers 4450，其介电常数εr＝3.52，损耗角正切tanδ＝0.004。
进一步地，第一接地板4和第二接地板7与顶层介质基板1、中间层介质基板2、底层介质基板3的形状及尺寸相同，第一接地板4的材料为铜并与顶层介质基板1和中间层介质基板2贴合地设置，第二接地板7的材料为铜并与底层介质基板3和中间层介质基板2贴合地设置。
进一步地，内辐射贴片5的外轮廓呈矩形结构，长度为2.6mm，宽度为2.5mm，内辐射贴片5的材料为铜；外辐射贴片6的外轮廓呈U形结构，长度为3mm，宽度为2.9mm，外辐射贴片6的材料为铜，内辐射贴片5与外辐射贴片6之间的缝隙宽度为0.1-0.15mm。
进一步地，馈电同轴9及偏置通孔11与顶层介质基板1的下侧面垂直设置，馈电同轴9一端固定在内辐射贴片5的与顶层介质基板1贴合的一侧端面上，另一端固定在第二接地板7的与底层介质基板3贴合的一侧端面上；偏置通孔11的第一通孔一端固定在内辐射贴片5的与顶层介质基板1贴合的一侧端面上，另一端固定在第二接地板7的与底层介质基板3贴合的一侧端面上；偏置通孔11的第二通孔一端固定在外辐射贴片6的与顶层介质基板1贴合的一侧端面上，另一端固定在第二接地板7的与底层介质基板3贴合的一侧端面上；馈电同轴9、第一通孔、第二通孔共线设置；其中，馈电同轴9的内轮廓及外轮廓均呈圆形结构，内径为0.3mm，外径为0.8mm，馈电同轴9的材料为铜；偏置通孔11的材料为铜，直径为0.2mm。
进一步地，短路针10与顶层介质基板1的下侧端面垂直设置，其一端固定在内辐射贴片5的与顶层介质基板1贴合的一侧端面上，另一端固定在第一接地板4的与顶层介质基板1贴合的一侧端面上，短路针10直径为0.1mm，材料为铜。短路针10与馈电同轴9的连线垂直于第一通孔与第二通孔、馈电同轴9的连线，且短路针10与二极管12中心的连线与第一通孔与第二通孔之间的连线的夹角为40-45°。
进一步地，二极管12与内辐射贴片5和外辐射贴片6平行设置，二极管12一端固定在内辐射贴片5的上侧端面，另一端固定在外辐射贴片6的上侧端面，二极管12设置于内辐射贴片5的角部，二极管12是PIN二极管。
本发明通过在内辐射贴片5和第一接地板4之间加载短路针10的作用是改变内辐射贴片5表面的原始电流路径并增加电流零点，从而可以达到增加新的2阶零模谐振模式的效果，并可以通过调整短路针10的位置来调节原有传统的TM10模与新增的2阶零模谐振模式的分布情况，使得TM10模和2阶零模谐振靠近，进而改变微带天线本体的辐射特性，实现对天线带宽的拓展。同时，在内辐射贴片5和外辐射贴片6的角部之间加载二极管12的作用是改变天线的等效谐振长度，使得TM10模和2阶零模在频谱上整体搬移，从而进一步拓展带宽以实现n257和n258频段的覆盖。
本实施例对基于短路针10和二极管12加载的毫米波频率可调贴片天线进行了具体的实验，其实验结果如图3、图4所示。其中，图3和图4为本发明的微带天线本体的回波损耗及输入阻抗对照图，可以看出此微带天线本体具有频率可调的特性，回波损耗低于-10dB的工作带宽可以分别覆盖24GHz～26.65GHz，25.6GHz～29.6GHz，且输入阻抗在此范围内也比较稳定。
本发明通过加载短路针10引入了新的零模谐振，其选择了在内辐射贴片5和第一接地板4之间加载短路针10，短路针10的添加会增加内辐射贴片5表面的电流零点，从而形成新的零模谐振；原有的传统谐振模式与新增的零模的分布情况可以通过调整短路针10的位置来调节，最终使得原有谐振模式与其附近的2阶零模相互靠近，如TM10模和2阶零模谐振靠近可以形成一个拓宽的频带，从而实现了双频天线单频带宽拓展的效果；同时在内辐射贴片5和外辐射贴片6的角部之间加载二极管12，通过二极管12的导通和关断两个状态调控天线的等效谐振长度，从而进一步使TM10模和2阶零模在频谱上整体搬移，进一步拓展带宽以覆盖未来毫米波波段的主流频段，其具有馈电简单、结构简单等特点，不需要设计一些额外的结构来拓展带宽。
上述实施方式是对本发明的说明，不是对本发明的限定，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，本发明的保护范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (1)

1.一种基于短路针和二极管加载的毫米波频率可调贴片天线，其包括微带天线本体，微带天线本体包括顶层介质基板(1)、中间层介质基板(2)、底层介质基板(3)、第一接地板(4)、内辐射贴片(5)、外辐射贴片(6)、第二接地板(7)、馈电线(8)、馈电同轴(9)、短路针(10)、偏置通孔(11)、二极管(12)，顶层介质基板的上侧面贴合地设置有内辐射贴片、外辐射贴片，顶层介质基板的下侧面贴合地设置有第一接地板，第一接地板的下侧面贴合地设置有中间层介质基板，中间层介质基板的下侧面贴合地设置有第二接地板，第二接地板的下侧面贴合地设置有底层介质基板，底层介质基板的下侧面贴合地设置有馈电线，馈电同轴和偏置通孔贯穿顶层介质基板、中间层介质基板、底层介质基板设置，短路针贯穿顶层介质基板设置，二极管跨接在内辐射贴片和外辐射贴片之间而设置，该微带天线本体的工作频率为24GHz～26.65GHz和25.6GHz～29.6GHz；
所述第一接地板和第二接地板与顶层介质基板、中间层介质基板、底层介质基板的形状及尺寸相同，第一接地板的材料为铜并与顶层介质基板和中间层介质基板贴合地设置，第二接地板的材料为铜并与底层介质基板和中间层介质基板贴合地设置；所述馈电同轴及偏置通孔与顶层介质基板的下侧面垂直设置，馈电同轴一端固定在内辐射贴片的与顶层介质基板贴合的一侧端面上，另一端固定在第二接地板的与底层介质基板贴合的一侧端面上；偏置通孔的第一通孔一端固定在内辐射贴片的与顶层介质基板贴合的一侧端面上，另一端固定在第二接地板的与底层介质基板贴合的一侧端面上；偏置通孔的第二通孔一端固定在外辐射贴片的与顶层介质基板贴合的一侧端面上，另一端固定在第二接地板的与底层介质基板贴合的一侧端面上；馈电同轴、第一通孔、第二通孔共线设置；
所述顶层介质基板、中间层介质基板和底层介质基板呈扁形长方体结构，长度为5.2mm，宽度为5mm，厚度分别为0.508mm、0.202mm、0.254mm，顶层介质基板和底层介质基板选用的材料为Rogers 4350，其介电常数εr＝3.48，损耗角正切tanδ＝0.0037，中间层介质基板选用的材料为Rogers 4450，其介电常数εr＝3.52，损耗角正切tanδ＝0.004；所述内辐射贴片的外轮廓呈矩形结构，长度为2.6mm，宽度为2.5mm，内辐射贴片的材料为铜；外辐射贴片的外轮廓呈U形结构，长度为3mm，宽度为2.9mm，外辐射贴片的材料为铜，内辐射贴片与外辐射贴片之间的缝隙宽度为0.1-0.15mm；其中，馈电同轴的内轮廓及外轮廓均呈圆形结构，内径为0.3mm，外径为0.8mm，馈电同轴的材料为铜；偏置通孔的材料为铜，直径为0.2mm；所述短路针与顶层介质基板的下侧端面垂直设置，其一端固定在内辐射贴片的与顶层介质基板贴合的一侧端面上，另一端固定在第一接地板的与顶层介质基板贴合的一侧端面上，短路针直径为0.1mm，材料为铜；短路针与馈电同轴的连线垂直于第一通孔与第二通孔、馈电同轴的连线，且短路针与二极管中心的连线与第一通孔与第二通孔之间的连线的夹角为40-45°；所述二极管与内辐射贴片和外辐射贴片平行设置，二极管一端固定在内辐射贴片的上侧端面，另一端固定在外辐射贴片的上侧端面，二极管设置于内辐射贴片、外辐射贴片的角部，二极管是PIN二极管。
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