CN116613533A - 嵌入式无反射微波天线 - Google Patents

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CN116613533A CN202310736779.2A CN202310736779A CN116613533A CN 116613533 A CN116613533 A CN 116613533A CN 202310736779 A CN202310736779 A CN 202310736779A CN 116613533 A CN116613533 A CN 116613533A
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Abstract

本发明公开一种嵌入式无反射微波天线，包括由上至下依次层叠的顶层金属结构、介质基板和底层金属结构，还包括金属化过孔和金属探针，金属化过孔贯穿介质基板；金属探针依次贯通底层金属结构和介质基板。该嵌入式无反射微波天线不额外增加天线尺寸，并具有双波束辐射、结构简单、损耗小、带外无反射带宽较宽等优点。

Description

嵌入式无反射微波天线
技术领域
本发明一般涉及通信领域，具体涉及微波通信领域，尤其涉及一种嵌入式无反射微波天线。
背景技术
有源器件和天线是无线通信系统的必要器件，传统天线对带外信号通常呈现失配状态，使得带外信号在天线端口被迫反射，造成有源器件工作不稳定。此时，传统方式是加入隔离器、环形器或衰减器等微波器件减小反射信号的影响，但是这样会增加整体系统的体积、器件数和成本。无反射天线是一种能在工作频带内外都呈现无反射状态的天线，其工作频带内由于天线阻抗呈现匹配状态形成无反射，工作频带外的信号被吸收而形成无反射。目前将无反射天线放在有源器件后面，无需加入隔离器、环形器或衰减器等微波器件，不但能吸收天线端口带外反射信号，而且相对传统方式能够减少整体系统的体积、器件数和成本。
现有的无反射天线按照辐射类型主要分为边射型无反射天线和端射型无反射天线，存在天线结构复杂、尺寸较大、损耗大、带外无反射带宽窄等问题，目前就双波束辐射、以嵌入方式实现的无反射天线未有相关报道或研究。
发明内容
鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种嵌入式无反射微波天线。
本发明实施例提供一种嵌入式无反射微波天线，包括由上至下依次层叠的顶层金属结构、介质基板和底层金属结构，还包括金属化过孔和金属探针；
所述顶层金属结构包括在所述介质基板上共面设置的矩形金属贴片、方形金属贴片、第一金属条带、第二金属条带、第三金属条带以及接地电阻；
所述矩形金属贴片设有哑铃形槽，所述哑铃形槽包括在第一方向上顺次相连的第一槽区、第二槽区和第三槽区，所述第一槽区在第二方向上的宽度、所述第三槽区在所述第二方向上的宽度均大于所述第二槽区在所述第二方向上的宽度，所述方形金属贴片设置在所述第二槽区内，所述第一方向为所述矩形金属贴片的长度方向，所述第二方向与所述第一方向垂直；
在所述哑铃形槽内，自所述第二槽区往所述第一槽区或所述第三槽区的方向上，所述方形金属贴片、所述第一金属条带、所述第三金属条带、所述接地电阻和所述第二矩形金属条带在所述第一方向上顺次相连，所述第一金属条带沿第一方向延伸，所述第二金属条带沿所述第二方向延伸，所述第二金属条带与所述第一金属条带相连；
所述第三金属条带内设有在所述第二方向上弯曲的弓字形槽，所述弓字形槽的两个端部及中心均位于所述第三金属条带靠近所述第二槽区的一侧；
所述金属化过孔贯穿所述介质基板以将所述接地电阻、所述第二金属条带分别与所述底层金属结构相连；
所述金属探针依次贯通所述底层金属结构、所述介质基板以与所述方形金属贴片相连。
在一些示例中，所述弓字形槽包括顺次相连的第一段、第二段、第三段、第四段、第五段、第六段和第七段，所述第一段、所述第三段、所述第五段和所述第七段等长且均沿所述第一方向延伸，所述第二段、所述第四段和所述第六段等长且均沿所述第二方向延伸，所述第二段、所述第六段均较所述第四段远离所述第二槽区。
在一些示例中，所述哑铃形槽在所述第一方向上关于所述矩形金属贴片的中心呈轴对称结构。
在一些示例中，所述第一槽区、所述第二槽区和所述第三槽区均为矩形。
在一些示例中，所述哑铃形槽的长度方向垂直于所述第二方向，宽度方向垂直于所述第一方向；
所述哑铃形槽的长度为0.85λg-0.92λg，所述哑铃形槽的最大宽度为0.20λg-0.21λg，λg为中心频率对应的微带波长；
所述第二槽区的长度为0.12λg-0.14λg，所述第二槽区的宽度为0.14λg-0.15λg，λg为中心频率对应的微带波长。
在一些示例中，所述底层金属结构包括金属大地，金属大地上设有圆形通孔，所述金属探针绝缘穿过所述圆形通孔以与所述方形金属贴片相连。
在一些示例中，所述哑铃形槽、所述方形金属贴片、所述金属大地、所述圆形通孔以及所述金属探针均共轴线设置。
在一些示例中，所述底层金属结构在所述介质基板上的正投影与所述介质基板重合，所述矩形金属贴片在介质基板上的正投影落在介质基板内部。
在一些示例中，所述介质基板的材质为RO4003C。
本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
本发明实施例提供的嵌入式无反射微波天线，金属探针与方形金属贴片构成馈电结构；矩形金属贴片、哑铃形槽、介质基板以及金属大地构成内嵌哑铃槽的贴片辐射体；内嵌弓字形槽的金属条带、介质基板以及金属大地构成带阻滤波器；第一金属条带、第二金属条带、金属化过孔、介质基板以及金属大地构成T形微带传输结构，内嵌弓字形槽的带阻滤波器、T形微带传输结构及接地电阻串接组成吸收结构，在天线内部实现吸收结构的嵌入，不额外增加天线尺寸，天线具有双波束辐射、结构简单、损耗小、带外无反射带宽较宽等优点。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明实施例提供的嵌入式无反射微波天线的侧视示意图；
图2为本发明实施例提供的嵌入式无反射微波天线的俯视示意图；
图3为本发明实施例提供的嵌入式无反射微波天线与传统双波束天线的匹配仿真结果的对比示意图；
图4为本发明实施例提供的嵌入式无反射微波天线的辐射效率图；
图5为本发明实施例提供的嵌入式无反射微波天线的增益图；
图6为本发明实施例提供的嵌入式无反射微波天线在中心频率处的仿真E面辐射方向图。
附图标记说明：
1-顶层金属结构，101-矩形金属贴片，102-哑铃形槽，103-方形金属贴片，104-第一金属条带，105-第二金属条带，106-弓字形槽，107-第三金属条带，108-接地电阻，
2-介质基板，
3-底层金属结构，301-金属大地，
4-金属化过孔，
5-金属探针，
x-第一方向，y-第二方向，z-第三方向。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
下面参考附图描述本发明实施例的嵌入式无反射微波天线。
如图1和图2所示，本发明实施例提供一种嵌入式无反射微波天线，包括由上至下依次层叠的顶层金属结构1、介质基板2和底层金属结构3，还包括金属化过孔4和金属探针5；
顶层金属结构1包括在介质基板2上共面设置的矩形金属贴片101、方形金属贴片103、第一金属条带104、第二金属条带105、第三金属条带107以及接地电阻108；矩形金属贴片101设有哑铃形槽102，哑铃形槽102包括在第一方向上顺次相连的第一槽区、第二槽区和第三槽区，第一槽区在第二方向上的宽度、第三槽区在第二方向上的宽度均大于第二槽区在第二方向上的宽度，方形金属贴片102设置在第二槽区内，第二方向与第一方向垂直，第一方向为矩形金属贴片101的长度方向；
在哑铃形槽102内，自第二槽区往第一槽区或第三槽区的方向上，方形金属贴片103、第一金属条带104、第三金属条带107和接地电阻108在第一方向上顺次相连，第一金属条带104沿第一方向延伸，第二金属条带105沿第二方向延伸，第二金属条带105与第一金属条带104相连；
第三金属条带107内设有在第二方向上弯曲的弓字形槽106，弓字形槽106的两个端部及中心均位于第三金属条带107靠近第二槽区的一侧；
金属化过孔4贯穿介质基板2以将接地电阻108、第二金属条带105分别与底层金属结构3相连；
金属探针5依次贯通底层金属结构3、介质基板2以与方形金属贴片103相连。
为方便描述嵌入式无反射微波天线，引入两两相互垂直的第一方向、第二方向和第三方向以更好地描述天线的结构。参照图1和图2，x表示第一方向即矩形金属贴片101的长度方向，y表示第二方向，z表示第三方向即天线的厚度方向，具体为顶层金属结构1、介质基板2和底层金属结构3的层叠方向。
图2中，哑铃形槽102在第一方向x上为中间窄两边宽的槽，自左至右依次为第一槽区、第二槽区和第三槽区。图2示例的自第二槽区往第一槽区方向上，方形金属贴片103、第一金属条带104、第三金属条带107和接地电阻108在第一方向x上顺次相连。
其中，金属探针5与方形金属贴片103构成馈电结构；矩形金属贴片101、哑铃形槽102、介质基板2以及金属大地3构成内嵌哑铃槽的贴片辐射体；内嵌弓字形槽106的金属条带107、介质基板2以及金属大地3构成带阻滤波器；第一金属条带104、第二金属条带105、金属化过孔4、介质基板2以及金属大地301构成T形微带传输结构。内嵌弓字形槽106的带阻滤波器、T形微带传输结构及接地电阻串接组成吸收结构，在天线内部实现吸收结构的嵌入。
该实施例中，信号通过馈电结构进入天线，一部分信号耦合到内嵌哑铃槽的贴片辐射体，一部分信号通过T形微带传输结构以及带阻滤波器进入接地电阻108，在整体结构作用下，形成嵌入式无反射天线，具有不额外增加天线尺寸、结构简单、损耗小、带外无反射带宽较宽等优点。
T形微带传输结构主要用于调节天线支路与滤波支路组合后的整体阻抗，该嵌入式无反射微波天线中设置T形微带传输结构，带外阻抗虚部为零的频率向工作频带移动，且带外阻抗实部增加向50Ω靠拢，工作频带内的匹配也会改善；同时，采用T形微带传输结构后，整体用于匹配的电路尺寸较小，能够嵌入在天线内部，对天线的工作影响较小。
该实施例中，矩形金属贴片101内设置哑铃形槽102，金属探针5和方形金属贴片103组成的馈电结构，通过与哑铃形槽102的第二槽区在第二方向y上相对的两金属边进行耦合，从而激励内嵌哑铃槽贴片天线的准TM20模，此时矩形金属贴片101表面电流含有两个最大值且方向相反，满足双波束辐射。虽然馈电结构与天线结构都左右对称，但是不能采用两个带阻滤波器左右对称放置，否则将导致带外吸收零点远离中心频率，带外无反射效果差等问题。
进一步地，弓字形槽106包括顺次相连的第一段、第二段、第三段、第四段、第五段、第六段和第七段，第一段、第三段、第五段和第七段等长且均沿第一方向延伸，第二段、第四段和第六段等长且均沿第二方向延伸，第二段、第六段均较第四段远离第二槽区。
图2中，自上至下依次为第一段、第二段、第三段、第四段、第五段、第六段和第七段，第一段、第三段、第五段和第七段均沿第一方向(对应图2的水平方向)延伸，第二段、第四段和第六段均沿第二方向(对应图2的竖直方向)延伸，第二段、第六段靠近第一槽区的左侧分布，第四段靠近第一槽区的右侧分布。
其中，弓字形槽106的中心点为第四段的中心，弓字形槽106的两短路端分别为第一段远离第二段的一端、第七段远离第六段的一端。带阻滤波器内弓字形槽106的两短路端与中心点在同一侧，并且弓字形槽106边沿的电流在短路端最强，在中心处最弱。这样的结构及电流排布能够使带阻响应获得较高的Q值(品质因数)及减小带阻滤波器的长度，其中高Q值有利于带阻滤波器获得较好的频率选择性，以及提升对电流的束缚能力以便减少与天线准TM20模之间的耦合，从而提升整体天线的带外吸收效果，而较短的带阻滤波器有利于实现嵌入式的无反射天线，避免过长无法放置于天线内。
进一步地，哑铃形槽102在第一方向上关于矩形金属贴片101的中心呈轴对称结构，使得嵌入式无反射微波天线满足双波束辐射。
进一步地，第一槽区、第二槽区和第三槽区均为矩形，能够降低哑铃形槽102的形成难度，简化矩形金属贴片101的加工难度。
进一步地，哑铃形槽102的长度方向垂直于第二方向，宽度方向垂直于第一方向；
哑铃形槽102的长度为0.85λg-0.92λg，哑铃形槽102的最大宽度为0.20λg-0.21λg，λg为中心频率对应的微带波长；
第二槽区的长度为0.12λg-0.14λg，第二槽区的宽度为0.14λg-0.15λg，λg为中心频率对应的微带波长。
槽长过短将导致无法将吸收结构嵌入天线内部，并且出现较多的交叉极化电流，而槽长过长将造成准TM20模极化电流的流失；槽宽过宽将造成准TM20模极化电流流失，辐射方向图变形，增益减小等问题，而槽宽过窄则造成吸收结构无法嵌入天线内部，或者带阻滤波器与贴片天线之间产生过强的耦合，减弱带外无反射效果。哑铃形槽102整体对称内嵌于矩形金属贴片101，为了兼顾整体天线的可嵌入方式、极化电流量的保持、辐射方向图和增益的维持，哑铃形槽102的长度保持在0.85λg-0.92λg之间，宽度保持在0.20λg-0.21λg之间。
第二槽区的长度为0.12λg-0.14λg，第二槽区的宽度为0.14λg-0.15λg，即第二槽区在第一方向上的长度为0.12λg-0.14λg，第二槽区在第二方向上的长度为0.14λg-0.15λg，确保方形金属贴片103设置在第二槽区内，而金属探针5和方形金属贴片104组成馈电结构，如此馈电结构与第二槽区在第二方向上相对的两金属边进行耦合，激励内嵌哑铃槽贴片天线的准TM20模，实现双波束辐射。
进一步地，底层金属结构3包括金属大地301，金属大地301上设有圆形通孔，金属探针5绝缘穿过圆形通孔以与方形金属贴片103相连。如此确保金属探针5与金属大地301之间无电性连接，确保信号从金属探针5馈入，送入方形金属贴片103。
进一步地，哑铃形槽102、方形金属贴片103、金属大地301、圆形通孔以及金属探针5均共轴线设置。如此在第三方向z上金属探针5呈柱状，确保信号从金属探针5馈入，送入方形金属贴片103。
进一步地，底层金属结构3在介质基板2上的正投影与介质基板2重合，矩形金属贴片101在介质基板2上的正投影落在介质基板2内部。这样设置，介质基板2起到良好的承载及支撑的作用；底层金属结构3主体为金属大地301。
进一步地，介质基板的材质为RO4003C，相对介电常数为3.55，低损耗，在不同频率下具有稳定的电特性，且成本低，从而确保天线的性能且减小天线的生产成本。
下面结合图3-图6，来说明一下上述嵌入式无反射微波天线的仿真情况。
图3为本发明实施例提供的嵌入式无反射微波天线与传统双波束天线的匹配仿真结果的对比示意图，在整个观察频带内，-10dB以下共覆盖了三个频段，其中5.71GHz-5.87GHz为工作频段，3.50GHz-5.26GHz和6.18GHz-6.77GHz为带外无反射频段，实现了高达40.5％的带外无反射相对带宽，而传统双波束天线-10dB以下仅覆盖了5.75GHz-5.85GHz，为传统双波束天线的工作频段，不存在带外无反射性能。图4、图5分别为本发明实施例提供的嵌入式无反射微波天线的辐射效率图、增益图，其中最大辐射效率为84.3％，最大增益为5.78dBi。图6为本发明实施例提供的嵌入式无反射微波天线在中心频率处的仿真E面辐射方向图，图6中两个波束指向+45°和-44°，3dB波束宽度为57.7°，交叉极化水平低于-20dB。上述仿真过程中采用的是相对介电常数为3.55，厚度为0.055λg的RO4003C基板，尺寸为0.914λg×0.582λg的矩形金属贴片。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
本发明采用第一、第二等来描述各种信息，但这些信息不应局限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如在不脱离本发明范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以上描述仅为本发明的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本发明中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本发明中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (9)

1.一种嵌入式无反射微波天线，其特征在于，包括由上至下依次层叠的顶层金属结构(1)、介质基板(2)和底层金属结构(3)，还包括金属化过孔(4)和金属探针(5)；
所述顶层金属结构(1)包括在所述介质基板(2)上共面设置的矩形金属贴片(101)、方形金属贴片(103)、第一金属条带(104)、第二金属条带(105)、第三金属条带(107)以及接地电阻(108)；
所述矩形金属贴片(101)设有哑铃形槽(102)，所述哑铃形槽(102)包括在第一方向上顺次相连的第一槽区、第二槽区和第三槽区，所述第一槽区在第二方向上的宽度、所述第三槽区在所述第二方向上的宽度均大于所述第二槽区在所述第二方向上的宽度，所述方形金属贴片(102)设置在所述第二槽区内，所述第一方向为所述矩形金属贴片(101)的长度方向，所述第二方向与所述第一方向垂直；
在所述哑铃形槽(102)内，自所述第二槽区往所述第一槽区或所述第三槽区的方向上，所述方形金属贴片(103)、所述第一金属条带(104)、所述第三金属条带(107)和所述接地电阻(108)在所述第一方向上顺次相连，所述第一金属条带(104)沿第一方向延伸，所述第二金属条带(105)沿所述第二方向延伸，所述第二金属条带(105)与所述第一金属条带(104)相连；
所述第三金属条带(107)内设有在所述第二方向上弯曲的弓字形槽(106)，所述弓字形槽(106)的两个端部及中心均位于所述第三金属条带(107)靠近所述第二槽区的一侧；
所述金属化过孔(4)贯穿所述介质基板(2)以将所述接地电阻(108)、所述第二金属条带(105)分别与所述底层金属结构(3)相连；
所述金属探针(5)依次贯通所述底层金属结构(3)、所述介质基板(2)以与所述方形金属贴片(103)相连。
2.根据权利要求1所述的嵌入式无反射微波天线，其特征在于，所述弓字形槽(106)包括顺次相连的第一段、第二段、第三段、第四段、第五段、第六段和第七段，所述第一段、所述第三段、所述第五段和所述第七段等长且均沿所述第一方向延伸，所述第二段、所述第四段和所述第六段等长且均沿所述第二方向延伸，所述第二段、所述第六段均较所述第四段远离所述第二槽区。
3.根据权利要求1所述的嵌入式无反射微波天线，其特征在于，所述哑铃形槽(102)在所述第一方向上关于所述矩形金属贴片(101)的中心呈轴对称结构。
4.根据权利要求3所述的嵌入式无反射微波天线，其特征在于，所述第一槽区、所述第二槽区和所述第三槽区均为矩形。
5.根据权利要求3所述的嵌入式无反射微波天线，其特征在于，所述哑铃形槽(102)的长度方向垂直于所述第二方向，宽度方向垂直于所述第一方向；
所述哑铃形槽(102)的长度为0.85λg-0.92λg，所述哑铃形槽(102)的最大宽度为0.20λg-0.21λg，λg为中心频率对应的微带波长；
所述第二槽区的长度为0.12λg-0.14λg，所述第二槽区的宽度为0.14λg-0.15λg，λg为中心频率对应的微带波长。
6.根据权利要求3所述的嵌入式无反射微波天线，其特征在于，所述底层金属结构(3)包括金属大地(301)，金属大地(301)上设有圆形通孔，所述金属探针(5)绝缘穿过所述圆形通孔以与所述方形金属贴片(103)相连。
7.根据权利要求6所述的嵌入式无反射微波天线，其特征在于，所述哑铃形槽(102)、所述方形金属贴片(103)、所述金属大地(301)、所述圆形通孔以及所述金属探针(5)均共轴线设置。
8.根据权利要求1所述的嵌入式无反射微波天线，其特征在于，所述底层金属结构(3)在所述介质基板(2)上的正投影与所述介质基板(2)重合，所述矩形金属贴片(101)在介质基板(2)上的正投影落在介质基板(2)内部。
9.根据权利要求1所述的嵌入式无反射微波天线，其特征在于，所述介质基板的材质为RO4003c。
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