CN116487875B - 一种宽带毫米波天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽带毫米波天线，该毫米波天线由纯金属制成，分为上下两层金属，上层金属为辐射层，下层金属为馈电层；上层金属刻蚀横向的缝隙进行辐射，同时在上层辐射缝隙的两侧引入了若干金属钉阵列提高天线单元的增益和前后比，下层金属的周期性金属钉阵列和上层金属的底面组成间隙波导对辐射缝隙进行馈电，且间隙波导终端的短边是开放的，下层金属设置两级阶梯过渡的间隙波导到WR12波导口的转换结构；本发明采用金属制成的间隙波导馈电，缝隙辐射，具有工作频带宽、损耗小、高增益、高辐射效率、大前后比和结构坚固的优点。
Description
技术领域
本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种宽带毫米波天线。
背景技术
随着毫米波技术的不断发展，许多应用程序在毫米波波段出现，例如，第五代无线通信，车载雷达，点对点通信链路等。而毫米波天线作为毫米波系统的重要部件，决定了毫米波系统的性能，因此高性能的毫米波天线越来越吸引人们的注意。在毫米波系统的前端，通常使用宽带、高增益、高辐射效率的天线。
X. Yi and H. Wong等人（文献1：A Wideband Substrate IntegratedWaveguide-Fed Open Slot Antenna,” in IEEE Transactions on Antennas andPropagation, vol. 68, no. 3, pp. 1945-1952, March 2020，文献2：WidebandSubstrate Integrated Waveguide Fed Open Slot Antenna Array,” in IEEE Access,vol. 8, pp. 74167-74174, 2020）设计了一种单层的基片集成波导（SIW）缝隙天线，在SIW的终端，SIW的两个短边是开放式的，辐射缝隙也是开放式的，天线的阻抗匹配带宽分别为59.3%和32.3%。Q. -Y. Guo and H. Wong等人（文献3：Design of an Air-Filled SlotAntenna and Array for Millimeter-Wave Applications,” in IEEE Transactions onAntennas and Propagation, vol. 70, no. 8, pp. 7217-7222, Aug. 2022.）设计了一种空气填充的SIW缝隙天线，SIW的终端也是开放式的，辐射缝隙为“工”字形且缝隙周围将基板的介质挖去，天线的阻抗匹配带宽为36.6%。然而，SIW在毫米波频段存在介质损耗，会降低天线的辐射效率；电磁波经过缝隙辐射之后会在SIW的上表面产生行波，SIW上表面所传播的行波会分担天线的法向辐射，恶化天线的辐射方向图和背瓣。
发明内容
本发明的目的在于提供一种宽带毫米波天线，解决背景技术存在的问题。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
本发明提供一种宽带毫米波天线，由上下两层独立金属组件构成，具体包括上层辐射层和下层馈电层；
辐射层包括上层金属地板、延上层金属地板横向的辐射缝隙以及位于辐射缝隙两侧的第一金属钉阵列；馈电层包括下层金属地板、位于下层金属地板上端的“凸”状凹槽以及位于凹槽“凸”状底端的转换结构，所述凹槽上设有三组第二金属钉阵列，其中两组第二金属钉阵列以转换结构中轴线的垂线对称分布，其中另一组第二金属钉阵列位于所述两组第二金属钉阵列远离转换结构的一侧；
所述凹槽上的三组第二金属钉阵列之间区域与上层金属地板之间形成间隙波导，所述转换结构用于WR12波导口到间隙波导的转换。
进一步改进在于，所述辐射缝隙的横向宽度大于所述间隙波导的宽度。
进一步改进在于，所述辐射层上设有矩形槽，辐射缝隙位于矩形槽内，所述横辐射缝隙和所述矩形槽形成台阶状结构。
进一步改进在于，所述下层金属地板的厚度大于上层金属地板的厚度。
进一步改进在于，所述间隙波导的终端宽度变大，且所述间隙波导终端的短边为开放式、长边短路。
进一步改进在于，所述转换结构具体为两级台阶。
进一步改进在于，所述凹槽的四周与下层金属地板形成金属围墙，所述上层金属地板的底面与所述金属围墙相接。
进一步改进在于，所述上层金属地板和所述下层金属地板上均设有若干螺钉孔、定位孔、定位销钉、WR12波导转换器固定孔。
进一步改进在于，所述第一金属钉阵列的高度大于第二金属钉阵列的高度。
本发明的有益效果在于：
该毫米波天线，采用间隙波导馈电，具有损耗小，辐射效率高的优点；缝隙辐射、间隙波导终端的短边为开放式，使得天线具有较宽的工作带宽；辐射缝隙两侧金属钉阵列的引入提高了天线的增益，提高了天线辐射方向图的对称性，提高了天线的前后比；两级台阶过渡的WR12波导口到间隙波导的转换结构，具有较高的转换带宽和较低的插入损耗。
附图说明
图1是本发明实施例中宽带毫米波天线立体结构图；
图2是本发明实施例中宽带毫米波天线侧视图；
图3是本发明实施例中图1爆炸图；
图4是本发明实施例中WR12波导口到间隙波导结构剖面图；
图5是本发明实施例中上层金属俯视图；
图6为本发明实施例中下层金属俯视图；
图7为本发明实施例1中宽带毫米波天线的驻波比和辐射效率随频率的变化图；
图8为本发明实施例1中宽带毫米波天线带金属钉阵列和不带金属钉阵列的增益和辐射效率随频率的变化图；
图9为本发明实施例1中宽带毫米波天线带金属钉阵列和不带金属钉阵列在67，75，81GHz时的辐射方向图；
图中：1、辐射层；2、馈电层；3、上层金属地板；4、辐射缝隙；5、第一金属钉阵列；6、下层金属地板；7、第二金属钉阵列；8、转换结构；9、间隙波导；10、矩形槽；11、短边；12、长边；13、两级台阶；14、金属围墙。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步详细描述，有必要在此指出的是，以下具体实施方式只用于对本申请进行进一步的说明，不能理解为对本申请保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述申请内容对本申请作出一些非本质的改进和调整。
如图1-6所示，本发明公开了一种宽带毫米波天线，该宽带毫米波天线由纯金属制成，分为上、下两层金属，且上、下两层为独立金属组件，通过组装组成宽带毫米波天线，上层为辐射层1，下层为馈电层2；
辐射层1包括上层金属地板3、延上层金属地板3横向的辐射缝隙4以及位于辐射缝隙4两侧的第一金属钉阵列5；馈电层2包括下层金属地板6、位于下层金属地板6上端的“凸”状凹槽以及位于凹槽“凸”状底端的转换结构8，所述凹槽上设有三组第二金属钉阵列7，其中两组第二金属钉阵列7以转换结构8中轴线的垂线对称分布，其中另一组第二金属钉阵列7位于所述两组第二金属钉阵列7远离转换结构8的一侧；
所述凹槽上的三组第二金属钉阵列7之间区域与上层金属地板3之间形成间隙波导9，所述转换结构8用于WR12波导口（外置WR12波导转换器的接口）到间隙波导9的转换。进一步的，横向辐射缝隙4的宽度大于间隙波导9的宽度。
进一步的，横向辐射缝隙4位于矩形槽10内，横向辐射缝隙4和矩形槽10呈台阶状。
进一步的，横向辐射缝隙4上部开口前后均设置两个第一金属钉阵列5。
进一步的，间隙波导9的终端宽度变大，且间隙波导9终端的短边11为开放式、长边12短路。
进一步的，WR12波导口到间隙波导9的转换结构8，分为两级台阶13过渡。
进一步的，下层金属地板6的凹槽周围存在一定高度的金属围墙14，上层金属地板3的底面与下层的金属围墙14相接。
进一步的，上层金属地板3和下层金属地板6上存在若干螺钉孔、定位孔、定位销钉、WR12波导转换器固定孔。
本发明采用间隙波导9馈电，具有损耗小，辐射效率高的优点；缝隙辐射、间隙波导9终端的短边11为开放式，使得天线具有较宽的工作带宽；辐射缝隙4两侧第一金属钉阵列5的引入提高了天线的增益，提高了天线辐射方向图的对称性，提高了天线的前后比；两级台阶13过渡的WR12波导口到间隙波导9的转换结构8，具有较高的转换带宽和较低的插入损耗。
实施例1
本实施例提供了一种工作在62-87.5GHz的宽度毫米波天线，它包含了上、下两层金属，高度分别为2.1mm和2.35mm，上层第一金属钉阵列5高度为1.1mm，下层第二金属钉阵列7高度为0.75mm。上层第一金属钉阵列5的引入大大提高了天线的增益和辐射方向图的对称性。
辐射缝隙4的长和宽分别为8.05mm，0.85mm；天线采用间隙波导9馈电，间隙波导9长边12和短边11分别为2.85mm，0.85mm长，下层第二金属钉阵列7和上层金属地板3的底面的间距为0.1mm；间隙波导9终端短边11开放处的距离为0.94mm，间隙波导9短边11开放和辐射缝隙4共同作用使得天线具有较低的Q值，天线因此获得较宽的带宽；采用两级台阶13的WR12波导口到间隙波导9垂直过渡转换结构8具有较高的转换带宽和较低的插入损耗，经仿真计算，转换结构8的反射系数在61-90GHz频段内小于-20dB，插入损耗在0.07dB附近。
本实施例中的宽度毫米波天线，具有较宽的阻抗带宽，较高的增益，较为对称和高前后比的辐射方向图。经仿真计算，天线的驻波比和辐射效率随频率的变化如图7所示，当驻波比小于2时，天线的带宽为61.5-88.5GHz，辐射效率超过了93%；天线增益和前后比随频率的变化如图8所示，在62-87.5GHz内，天线的增益在10-13.5dBi之间，前后比在33-43dB；天线在67、75、81GHz三个频点的辐射方向图如图9所示，辐射方向图的对称性较好，背瓣较低。
综上所述，上述实施例的宽度毫米波天线，采用间隙波导9馈电，具有损耗小，辐射效率高的优点；缝隙辐射、间隙波导9终端的短边11为开放式，使得天线具有较宽的工作带宽；辐射缝隙4两侧金属钉阵列的引入提高了天线的增益，提高了天线辐射方向图的对称性，提高了天线的前后比；两级台阶过渡的WR12波导口到间隙波导9的转换结构，具有较高的转换带宽和较低的插入损耗。
表1本发明设计与背景技术参考文献的比较
以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种宽带毫米波天线，其特征在于，由上下两层独立金属组件构成，具体包括上层辐射层（1）和下层馈电层（2）；
辐射层（1）包括上层金属地板（3）、延上层金属地板（3）横向的辐射缝隙（4）以及位于辐射缝隙（4）两侧的第一金属钉阵列（5）；馈电层（2）包括下层金属地板（6）、位于下层金属地板（6）上端的“凸”状凹槽以及位于凹槽“凸”状底端的转换结构（8），所述凹槽上设有三组第二金属钉阵列（7），其中两组第二金属钉阵列（7）以转换结构（8）中轴线的垂线对称分布，其中另一组第二金属钉阵列（7）位于所述两组第二金属钉阵列（7）远离转换结构（8）的一侧；
所述凹槽上的三组第二金属钉阵列（7）之间区域与上层金属地板（3）之间形成间隙波导（9），所述转换结构（8）用于WR12波导口到间隙波导（9）的转换。
2.根据权利要求1所述的一种宽带毫米波天线，其特征在于：所述辐射缝隙（4）的横向宽度大于所述间隙波导（9）的宽度。
3.根据权利要求1所述的一种宽带毫米波天线，其特征在于：所述辐射层（1）上设有矩形槽（10），辐射缝隙（4）位于矩形槽（10）内，所述辐射缝隙（4）和所述矩形槽（10）形成台阶状结构。
4.根据权利要求1所述的一种宽带毫米波天线，其特征在于：所述下层金属地板（6）的厚度大于上层金属地板（3）的厚度。
5.根据权利要求1所述的一种宽带毫米波天线，其特征在于：所述间隙波导（9）的终端宽度变大，且所述间隙波导（9）终端的短边（11）为开放式、长边（12）短路。
6.根据权利要求1所述的一种宽带毫米波天线，其特征在于：所述转换结构（8）具体为两级台阶（13）。
7.根据权利要求1所述的一种宽带毫米波天线，其特征在于：所述凹槽的四周与下层金属地板（6）形成金属围墙（14），所述上层金属地板（3）的底面与所述金属围墙（14）相接。
8.根据权利要求1所述的一种宽带毫米波天线，其特征在于：所述上层金属地板（3）和所述下层金属地板（6）上均设有若干螺钉孔、定位孔、定位销钉、WR12波导转换器固定孔。
9.根据权利要求1所述的一种宽带毫米波天线，其特征在于：所述第一金属钉阵列（5）的高度大于第二金属钉阵列（7）的高度。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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