CN115732915A - 一种w波段的单圆极化玻璃基天线单元及其辐射方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种W波段的单圆极化玻璃基天线单元及其辐射方法，属于馈电天线技术领域，解决了现有天线工作带宽和扫描性能受限的问题。本发明包括：第一层基板、第二层基板、第三层基板、第四层基板和同轴馈电端口；同轴馈电端口用于馈电，基板材料采用玻璃基板，设计双层贴片的结构增加单元带宽；设计贴片切角实现圆极化的辐射，通过设计H型缝隙的结构实现降低不同极化端口的隔离度。本发明可实现天线阵列在大角度扫描时仍然有较低的驻波，较低的极化隔离度，良好的轴比与辐射效率等电性能指标。

Description

一种W波段的单圆极化玻璃基天线单元及其辐射方法

技术领域

本发明涉及馈电天线技术领域，尤其涉及一种W波段的单圆极化玻璃基天线单元及其辐射方法。

背景技术

毫米波相控阵由于天线等结构较小，往往需要更为精细的加工工艺，国内外此类天线的主要实现是硅基或者PCB介质。

在毫米波天线系统中通常都是将天线与后端的芯片进行集成，因此设计的难度在于系统的集成与封装，天线结构往往都是采用简单的贴片天线等形式。

现有技术存在的缺点：1)基于硅基的天线阵，介电常数高，工作带宽和扫描性能受限。2)基于PCB介质的天线阵，仅实用于一维天线阵，阵列规模和扫描角度受限。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种W波段的单圆极化玻璃基天线单元及其辐射方法，用以解决现有工作带宽和扫描性能受限的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种W波段的单圆极化玻璃基天线单元，包括：第一层基板、第二层基板、第三层基板、第四层基板和同轴馈电端口；天线单元通过同轴馈电端口进行馈电。

进一步地，天线单元的基板采用玻璃基体；第一层基板、第二层基板和第三层基板的厚度小于第四层基板的厚度。

进一步地，第一层基板的上表面设置第一微带贴片；第一层基板的下表面设置第二微带贴片，且第二微带贴片位于第二层基板的上表面。

进一步地，第二微带贴片上设置有方孔，方孔用于调节天线单元的阻抗。

进一步地，第一微带贴片和第二微带贴片的边缘都设置切角。

进一步地，第三层基板的上表面设有H型缝隙；第三层基板的下表面设有耦合微带线，且耦合微带线设置在第四层基板的上方。

进一步地，天线单元内部还设有第一金属过孔和第二金属过孔；第一金属过孔贯穿第一层基板和第二层基板；第二金属过孔贯穿第三层基板和第四层基板。

进一步地，同轴馈电端口包括：馈电内芯和馈电外芯；馈电内芯和馈电外芯同轴设置；馈电内芯的上端连接至耦合微带线。

进一步地，第一层基板的上方设置第一金属地板；第二层基板的上方设置第二金属地板；第三层基板的上方设置第三金属地板；第四层基板的上方设置第四金属地板；第四层基板的底部设置第五金属地板。

第一金属过孔和第二金属过孔均为金属管；多个第一金属过孔围设在第二微带贴片的外侧，多个第二金属过孔围设在所述耦合微带线的外侧。

一种W波段的单圆极化玻璃基天线单元的辐射方法，包括：

步骤S1：馈电；

具体地，天线单元通过最底部的同轴馈电端口进行馈电；

步骤S2：电能转化成电磁信号

具体地，馈电电流通过馈电内芯5传递至耦合微带线401，并通过耦合微带线401转化为电磁信号；

步骤S3：进行电磁信号辐射；

具体地，耦合微带线通过H型缝隙将电磁信号耦合传输给第一微带贴片和第二微带贴片，并通过两层微带贴片进行电磁辐射。

本发明技术方案至少能够实现以下效果之一：

1.本发明提出一种W波段的单圆极化玻璃基天线单元，介质材料采用玻璃基板，通过设计双层贴片的结构增加单元带宽。

2.本发明提出一种W波段的单圆极化玻璃基天线单元，通过设计贴片切角实现圆极化的辐射，通过设计单元围腔开缝的结构实现降低不同极化端口的隔离度，可实现天线阵列在大角度扫描时仍然有较低的驻波，较低的极化隔离度、良好的轴比等良好的电性能指标，同时辐射效率高。

3.本发明的W波段的单圆极化玻璃基天线单元可用于构建毫米波W波段相控阵(二维阵列)天线。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明的W波段的单圆极化玻璃基天线单元的结构示意图；

图2为第一层基板的上表面；

图3为第二层基板的上表面；

图4为第三层基板的上表面；

图5为第四层基板的上表面；

图6为第四层基板的下表面。

附图标记：

1-第一层基板；2-第二层基板；3-第三层基板；4-第四层基板；5-馈电内芯；6-馈电外芯；7-第一金属过孔；8-第二金属过孔；

101-第一微带贴片；102-第一金属地板；

201-第二微带贴片；202-方孔；203-第二金属地板；

301-H型缝隙；302-第三金属地板；

401-耦合微带线；402第四金属地板。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本发明一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

本发明的一个具体实施例，公开了一种W波段的单圆极化玻璃基天线单元，如图1所示。

本发明的一种具体实施方式中，为了增加带宽和满足二维天线阵的性能要求，本发明的天线单元的介质材料采用介电常数较小的玻璃基板。为了降低加工难度与减少加工成本，本发明的天线单元总共设有四层介质，自上而下依次为：第一层基板1、第二层基板2、第三层基板3和第四层基板4。

本天线单元根据金属过孔的分布可以拆分为两个部分，上面两层介质组成的第一部分和下面两层介质组成的第二部分。

具体地，如图1所示，第一部分包括：第一层基板1和第二层基板2；第二部分包括：第三层基板3和第四层基板4。

(1)第一部分：

第一部分包含了两层切角的微带贴片。

具体地，第一层基板1和第二层基板2均为玻璃基体。

玻璃基体的介电常数比硅基低，而天线介质的介电常数越低，天线带宽越宽；因此，天线单元可获得更宽的带宽。为了进一步拓展天线单元的带宽，第一层基板1的上下两侧设有两层微带贴片：第一微带贴片101和第二微带贴片201。

进一步地，如图2、图3所示，第一微带贴片101和第二微带贴片201分别位于第一层基板1的上表面和下表面。

具体地，第一层基板1的上表面设有第一微带贴片101；第一层基板1的下表面设有第二微带贴片201，且第二微带贴片201位于第二层基板2的上表面。

具体地，第一微带贴片101和第二微带贴片201的边缘都设置切角，切角用于实现对天线单元的微扰，使得贴片产生高次模，高次模与基模正交并且相位差90°即可产生圆极化辐射的电磁波。

进一步地，如图2所示，第一层基板1的上表面的四个边角处设有四个L形的第一金属地板102。

进一步地，第二微带贴片201的中部设置方孔202；方孔202用于调节单圆极化天线单元的阻抗，进而调节天线单元在不同扫描状态下的驻波。

进一步地，如图3所示，第二层基板2的上表面的四个边角处设有四个L形的第二金属地板203。

进一步地，第一部分还设有多个贯穿的第一金属过孔7；第一金属过孔7为贯穿第一层基板1和第二层基板2的金属管，多个第一金属过孔7围设在第二微带贴片201的外侧，如图1、图2、图3所示。

(2)第二部分：

第二部分包括：第三层基板3和第四层基板4；

其中，第三层基板3上设有H型缝隙301。

具体地，H型缝隙301贯穿第三层基板3的上表面和下表面，如图4所示。

进一步地，第三层基板3的上表面设有第三金属地板302，具体地，第三金属地板302铺设于H型缝隙301的外侧，如图4所示。

进一步地，第一金属过孔7的上端连通至第一金属地板102，下端连通至第三金属地板302，如图1所示。

具体地，耦合微带线401位于第三层基板3的下表面，同时耦合微带线401位于第四层基板4的上表面；即耦合微带线401设置在第三层基板3和第四层基板4之间。

进一步地，第二部分设有多个贯穿的第二金属过孔8；第二金属过孔8为贯穿第三层基板3和第四层基板4的金属管，多个第二金属过孔8围设在所述耦合微带线401的外侧，如图1、图5所示。

本发明通过设置第一金属过孔7和第二金属过孔8，能够在实现天线阵列在大角度扫描的同时，实现较低的驻波、较低的极化隔离度。

进一步地，第四层基板4的上表面设置环形的第四金属地板402；第四金属地板402位于耦合微带线401的外侧。

进一步地，第四层基板4的下表面设置第五金属地板。

进一步地，第二金属过孔8的上端连通至第三层基板3的上表面，下端连通至第五金属地板。

本发明的一种具体实施方式中，W波段的单圆极化玻璃基天线单元通过同轴馈电端口进行馈电。

同轴馈电端口包括：馈电内芯5和馈电外芯6。

如图1、图6所示，馈电内芯5设置在馈电外芯6的内部，且二者同轴。

进一步地，馈电内芯5穿过第四层基板4连接到耦合微带线401。馈电外芯6连接到第四层基板4的下表面。具体地，同轴馈电端口的馈电外芯6的外侧与最底层的第五金属地板相连。

实施时，本发明的天线单元采用同轴馈电方式设置有馈电内芯5和馈电外芯6，通过调整馈电内芯5和馈电外芯6直径来调整同轴阻抗，同轴的阻抗范围设置为50±30欧姆。

考虑到，若上方三层介质采用更厚的厚度，将会带来两个问题：一个是介质本身有损耗，会降低天线的辐射效率；二是天线单元的带状馈线将更难向上耦合至贴片辐射能量，会降低天线的增益。因此，本发明的天线单元的介质厚度搭配为上方三层薄、第四层厚的模式。

具体地，如图1所示，第一层基板1、第二层基板2和第三层基板3采用统一的加工厚度。第四层基板4的厚度大于第一层基板1、第二层基板2和第三层基板3的厚度。

进一步地，本发明的单圆极化天线单元的介质材料采用玻璃基板，该介质的介电常数为5，介质损耗角正切为0.011。

本发明的单圆极化天线单元设计四层玻璃介质的基板，分别为：第一层基板1、第二层基板2、第三层基板3和第四层基板4。玻璃介质的厚度在0.1mm-0.3mm之间，最下层介质选用0.3mm的玻璃基板。上方的三层玻璃基板采用了统一的加工厚度0.15mm，天线的介质厚度搭配为0.15mm+0.15mm+0.15mm+0.30mm。也就是说：第一层基板1、第二层基板2、第三层基板3的厚度均为0.15mm，第四层基板4的厚度为0.3mm。

进一步地，本发明的单圆极化天线单元的金属地板的厚度均设置为0.02mm。

进一步地，本发明的单圆极化天线单元的大小为0.5λ*0.5λ，其中，λ为83GHz的电磁波在自由空间的波长。

天线单元中的金属过孔的直径、金属过孔之间的最小圆心距离，金属过孔边缘到金属边缘的最小距离，均按照加工厂的实际工艺水平进行设计。具体地，本发明的单圆极化天线单元中的接地金属过孔的直径均为0.06mm，金属过孔之间的最小圆心距离为0.12mm，金属过孔边缘到金属边缘的最小距离为0.03mm。

实施例2

本发明的一个具体实施例，提供一种实施例1中的W波段的单圆极化玻璃基天线单元的辐射方法，具体地，馈电过程如下：

步骤S1：馈电；

具体地，天线单元通过最底部的同轴馈电端口进行馈电；

步骤S2：电能转化成电磁信号

具体地，馈电内芯5是馈电部分，馈电内芯5直接延伸到第三层基板3上的耦合微带线401；馈电电流通过馈电内芯5传递至耦合微带线401，并通过耦合微带线401转化为电磁信号；

步骤S3：进行电磁信号辐射；

耦合微带线401通过H形缝隙301将电磁信号耦合传输给第一微带贴片101和第二微带贴片201，并通过两层微带贴片进行电磁辐射。

具体地，本发明的单圆极化天线单元采用同轴馈电，所述同轴馈电端口包括馈电内芯5和馈电外芯6，馈电内芯5和馈电外芯6同轴设置。

所述步骤S1中，设置同轴馈电端口的同轴阻抗为40欧姆，馈电内芯5的直径为0.09mm，馈电外芯6的直径为0.266mm。或者，同轴阻抗设置为50欧姆，馈电内芯5的直径为0.09mm，馈电外芯的直径为0.387mm。

进一步地，本发明的单圆极化天线单元能够扩展为双圆极化天线单元，通过两个同轴馈电端口进行馈电；采用两个同轴馈电端口进行馈电时，将同轴馈电端口的同轴阻抗设置为40欧姆。

进一步地，所述步骤S3中，挖孔的第二微带贴片201可以用来调节天线的阻抗。

本发明的W波段的单圆极化玻璃基天线单元，设定单圆极化天线单元工作频段为W波段79GHz-83GHz，在无限周期环境条件下仿真优化单圆极化天线单元，最终得到单圆极化天线单元的扫描驻波性能、扫描辐射效率性能和扫描轴比性能。

仿真结果表明，在W波段工作频带内，单圆极化天线单元在phi＝0°面与phi＝90°面扫描角度从0°增加至60°时，端口的驻波最差为2.30，辐射效率最低为69％。单圆极化天线单元在不扫描时候的轴比在工作频带内低于3dB，扫描角度增加至45°时轴比在工作频带内低于4dB，在扫描角度增加至60°时轴比低于5dB。

与现有技术相比，本实施例提供的技术方案至少具有如下有益效果之一：

1.本发明提出一种W波段的单圆极化玻璃基天线单元，介质材料采用介电常数较低的玻璃基板，并通过设计双层贴片的结构增加单元带宽。

2.本发明提出一种W波段的单圆极化玻璃基天线单元，通过设计贴片切角实现圆极化的辐射，通过设计H型缝隙301和单元围腔开缝的结构实现降低不同极化端口的隔离度，能够在实现天线阵列在大角度扫描的同时实现较低的驻波、较低的极化隔离度、以及良好的轴比等电性能指标，同时保证辐射效率。

3.本发明的单圆极化天线单元可用于构建W波段相控阵(二维)天线阵列，属于微型化广域毫米波无线通信系统技术，面向移动通信、超宽带、物联网等领域，具有广泛应用前景。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种W波段的单圆极化玻璃基天线单元，其特征在于，包括：第一层基板(1)、第二层基板(2)、第三层基板(3)、第四层基板(4)和同轴馈电端口；所述天线单元通过所述同轴馈电端口进行馈电；

所述天线单元的基板采用玻璃基体；

所述第一层基板(1)的上表面设置第一微带贴片(101)；所述第一层基板(1)的下表面设置第二微带贴片(201)，且第二微带贴片(201)位于所述第二层基板(2)的上表面；

所述第三层基板(3)的上表面设有H型缝隙(301)；

所述第三层基板(3)的下表面设有耦合微带线(401)，且所述耦合微带线(401)设置在第四层基板(4)的上方；

所述同轴馈电端口包括：馈电内芯(5)和馈电外芯(6)；

所述馈电内芯(5)和馈电外芯(6)同轴设置；所述馈电内芯(5)的上端连接至耦合微带线(401)；

所述天线单元内部还设有第一金属过孔(7)和第二金属过孔(8)；第一金属过孔(7)贯穿第一层基板(1)和第二层基板(2)；第二金属过孔(8)贯穿第三层基板(3)和第四层基板(4)。

2.根据权利要求1所述的W波段的单圆极化玻璃基天线单元，其特征在于，所述馈电外芯(6)连接至所述第四层基板(4)的下表面。

3.根据权利要求2所述的W波段的单圆极化玻璃基天线单元，其特征在于，所述第一层基板(1)的上方设置第一金属地板(102)。

4.根据权利要求3所述的W波段的单圆极化玻璃基天线单元，其特征在于，所述第二层基板(2)的上方设置第二金属地板(203)。

5.根据权利要求4所述的W波段的单圆极化玻璃基天线单元，其特征在于，所述第三层基板(3)的上方设置第三金属地板(302)。

6.根据权利要求5所述的W波段的单圆极化玻璃基天线单元，其特征在于，所述第四层基板(4)的上方设置第四金属地板(402)。

7.根据权利要求6所述的W波段的单圆极化玻璃基天线单元，其特征在于，所述第四层基板(4)的底部设置第五金属地板。

8.根据权利要求7所述的W波段的单圆极化玻璃基天线单元，其特征在于，第二微带贴片(201)上设置有方孔(202)。

9.根据权利要求1所述的W波段的单圆极化玻璃基天线单元，其特征在于，第一金属过孔(7)和第二金属过孔(8)均为金属管；多个第一金属过孔(7)围设在第二微带贴片(201)的外侧，多个第二金属过孔(8)围设在所述耦合微带线(401)的外侧。

10.一种权利要求1-9任一项所述的W波段的单圆极化玻璃基天线单元的辐射方法，其特征在于，包括：

步骤S1：馈电；

天线单元通过最底部的同轴馈电端口进行馈电；

步骤S2：电能转化成电磁信号

馈电电流通过馈电内芯(5)传递至耦合微带线(401)，并通过耦合微带线(401)转化为电磁信号；

步骤S3：进行电磁信号辐射；

耦合微带线通过H型缝隙(301)将电磁信号耦合传输给第一微带贴片(101)和第二微带贴片(201)，并通过第一微带贴片(101)和第二微带贴片(201)进行电磁辐射。

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