CN116742352B - 一种毫米波双向辐射介质端射天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种毫米波双向辐射介质端射天线，包括从上往下依次设置的金属顶层、上层介质基片、第一金属中间层、中间层介质基片、下层介质基片和金属底层；第一金属中间层包括对称设置的两矩形金属一和具有半椭圆缺口的矩形金属二，上层介质基片的一侧设置有第二金属中间层，第二金属中间层包括阶梯型共面耦合结构和均匀共面耦合结构，上层介质基片和下层介质基片均为矩形介质条，且矩形介质条的中部设置若干圆形空气孔一；金属顶层、上层介质基片、中间层介质基片、矩形金属一、下层介质基片和金属底层之间通过位于两侧的对称设置的若干金属化过孔连接。本发明具有导体损耗低，并兼具小尺寸、结构简单以及印刷电路板可集成等特点。

Description

一种毫米波双向辐射介质端射天线

技术领域

本发明涉及微波通信技术领域，具体来说，涉及一种毫米波双向辐射介质端射天线。

背景技术

双向辐射端射天线是端射天线的一种，其与传统端射天线的区别是最大辐射方向在原始端射方向的左右两侧，且在原始端射方向上为辐射零点。因此，双向辐射端射天线能够有效解决波束覆盖区域单一的问题，以较少的天线覆盖多个辐射方向，减少天线个数及对应的干扰，提高通信链路质量并能有效克服多径衰落效应。双向辐射端射天线与介质结合，利用介质作为实现双向端射辐射的主体，能够有效降低天线的导体损耗，特别是在毫米波频段由于趋肤效应的影响导致导体损耗增加，因此可以以介质端射天线实现毫米波双向辐射，即毫米波双向辐射介质端射天线。

目前毫米波双向辐射端射天线主要是金属类天线，其设计方法是在端射偶极子的前方或两侧单独或整体添加周期性结构来调整有效折射率，或者采用特殊金属结构如雪花状结构使得电流集中在两侧，从而实现双向端射辐射。由于天线构成和设计方法的原因，此类天线在毫米波频段的导体损耗较大，并且部分天线结构尺寸较大，部分天线结构复杂无法基于印刷电路板实现集成化。基于介质实现的毫米波双向辐射端射天线，目前还没有相关报道，因此有必要设计一种毫米波双向辐射介质端射天线，以便在降低导体损耗的同时，有效控制天线尺寸、结构复杂度及可集成性。

发明内容

针对相关技术中的问题，本发明提出一种毫米波双向辐射介质端射天线，以解决现有的毫米波双向辐射端射天线，普遍导体损耗大，部分天线平面尺寸大，部分天线结构复杂无法基于印刷电路板实现集成化的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种毫米波双向辐射介质端射天线，包括从上往下依次设置的金属顶层、上层介质基片、中间层介质基片、第一金属中间层、下层介质基片和金属底层；所述第一金属中间层包括对称设置的两矩形金属一和具有半椭圆缺口的矩形金属二，两所述矩形金属一分别连接于所述矩形金属二的半椭圆缺口的两端部；所述上层介质基片的一侧设置有第二金属中间层，所述第二金属中间层包括阶梯型共面耦合结构和均匀共面耦合结构，所述阶梯型共面耦合结构的前端与所述上层介质基片连接，所述阶梯型共面耦合结构的后端与所述均匀共面耦合结构连接；所述金属顶层、所述上层介质基片、所述中间层介质基片、所述矩形金属一、所述下层介质基片和所述金属底层之间通过位于两侧的若干金属化过孔连接。

其中，所述金属顶层和所述金属底层均由两矩形金属三构成，且所述金属顶层的两矩形金属三的水平方向外侧和垂直方向外侧均与所述上层介质基片的边缘对齐；所述金属底层的两矩形金属三的水平方向外侧和垂直方向外侧均与所述下层介质基片的边缘对齐。

其中，所述上层介质基片和所述下层介质基片均包括矩形介质条和若干圆形空气孔一，所述圆形空气孔一位于所述矩形介质条的中部；且所述上层介质基片的矩形介质条的尺寸和位置与所述下层介质基片的矩形介质条的尺寸和位置相对应，所述上层介质基片的圆形空气孔一的尺寸和位置与所述下层介质基片的圆形空气孔一的尺寸和位置相对应。

其中，所述中间层介质基片上与所述圆形空气孔一对应的位置设置有圆形空气孔二；所述圆形空气孔二的尺寸与所述圆形空气孔一的尺寸相同。

可选的，所述矩形金属一的宽度为0.13~0.17/>，所述矩形金属一的长度为0.43/>~0.47/>，所述矩形金属二的半椭圆缺口弦长为0.77/>~0.81/>，所述矩形金属二的半椭圆缺口弦高为0.16/>~0.2/>。

可选的，所述阶梯型共面耦合结构的前端长度为0.21~0.25/>，所述阶梯型共面耦合结构的前端阻抗为98Ω~102Ω，所述阶梯型共面耦合结构的后端长度为0.16/>~0.2/>，所述阶梯型共面耦合结构的后端阻抗为105Ω~109Ω。

可选的，所述均匀共面耦合结构的长度为0.48~0.52/>。

可选的，所述金属化过孔为圆柱形金属化过孔，且所述圆柱形金属化过孔的直径为0.018~0.022/>。

可选的，所述矩形介质条的长度为0.77~0.81/>，所述矩形介质条的宽度为0.21/>~0.25/>，且所述矩形介质条的下边缘与所述矩形金属二的前边缘之间的距离为0.21/>~0.25/>。

可选的，所述圆形空气孔一和所述圆形空气孔二的直径均为0.06~0.1/>。

有益效果：本发明将中间的圆形空气孔、依附于矩形金属的圆柱形金属化过孔以及半椭圆缺口作用于上下层矩形介质条和中间层介质基片组成的介质谐振器，从而调整介质谐振器内两侧电场圈同向水平分量与中间电场圈反向水平分量的强度比以及对应的后向波反射总相位，在远场端射方向上抵消形成辐射零点，实现毫米波双向辐射介质端射天线，整体天线导体损耗低，并兼具小尺寸、结构简单以及印刷电路板可集成等特点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明实施例的一种毫米波双向辐射介质端射天线的侧面结构示意图；

图2是根据本发明实施例的一种毫米波双向辐射介质端射天线的分解结构示意图；

图3是根据本发明实施例的未加入两侧矩形金属、圆柱形金属化过孔和中间区域圆形空气孔的介质谐振器在天线中电场演变过程示意图；

图4是根据本发明实施例的未加入中间区域圆形空气孔的介质谐振器在天线中电场演变过程示意图；

图5是根据本发明实施例的毫米波双向辐射介质端射天线的电场演变过程示意图；

图6是根据本发明实施例的天线的匹配和增益仿真曲线图；

图7是根据本发明实施例的天线的辐射效率仿真曲线图；

图8是根据本发明实施例的26.61GHz处的E面主极化的天线归一化仿真方向图；

图9是根据本发明实施例的27GHz处的E面主极化的天线归一化仿真方向图；

图10是根据本发明实施例的27.47GHz处的E面主极化的天线归一化仿真方向图。

图中：

1、金属顶层；2、上层介质基片；3、中间层介质基片；4、第一金属中间层；5、下层介质基片；6、金属底层；7、矩形金属一；8、矩形金属二；9、第二金属中间层；10、阶梯型共面耦合结构；11、均匀共面耦合结构；12、金属化过孔；13、矩形金属三；14、矩形介质条；15、圆形空气孔一；16、圆形空气孔二。

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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

根据本发明的实施例，提供了一种毫米波双向辐射介质端射天线。

如图1-2所示，根据本发明实施例的一种毫米波双向辐射介质端射天线，包括从上往下依次设置的金属顶层1、上层介质基片2、中间层介质基片3、第一金属中间层4、下层介质基片5和金属底层6；所述第一金属中间层4包括对称设置的两矩形金属一7和具有半椭圆缺口的矩形金属二8，两所述矩形金属一7分别连接于所述矩形金属二8的半椭圆缺口的两端部；所述上层介质基片2的一侧设置有第二金属中间层9，所述第二金属中间层9包括阶梯型共面耦合结构10和均匀共面耦合结构11，所述阶梯型共面耦合结构10的前端与所述上层介质基片2连接，所述阶梯型共面耦合结构10的后端与所述均匀共面耦合结构11连接；所述金属顶层1、所述上层介质基片2、所述中间层介质基片3、所述矩形金属一7、所述矩形金属二8、所述下层介质基片5和所述金属底层6之间通过位于两侧的1x4排布的金属化过孔12连接。

在一个实施例中，所述金属顶层1和所述金属底层6均由两矩形金属三13构成，且所述金属顶层1的两矩形金属三13的水平方向外侧和垂直方向外侧均与所述上层介质基片2的边缘对齐；所述金属底层6的两矩形金属三13的水平方向外侧和垂直方向外侧均与所述下层介质基片5的边缘对齐。

在一个实施例中，所述上层介质基片2和所述下层介质基片5均包括矩形介质条14和2x2排布的圆形空气孔一15，所述圆形空气孔一15位于所述矩形介质条14的中部；且所述上层介质基片2的矩形介质条14的尺寸和位置与所述下层介质基片5的矩形介质条14的尺寸和位置相对应，所述上层介质基片2的圆形空气孔一15的尺寸和位置与所述下层介质基片5的圆形空气孔一15的尺寸和位置相对应。

在一个实施例中，所述中间层介质基片3上与所述圆形空气孔一15对应的位置设置有圆形空气孔二16；所述圆形空气孔二16的尺寸与所述圆形空气孔一15的尺寸相同。

具体应用时，所述矩形金属一7的宽度为0.13~0.17/>，所述矩形金属一7的长度为0.43/>~0.47/>，所述矩形金属二8的半椭圆缺口弦长为0.77/>~0.81/>，所述矩形金属二8的半椭圆缺口弦高为0.16/>~0.2/>。所述阶梯型共面耦合结构10的前端长度为0.21/>~0.25/>，所述阶梯型共面耦合结构10的前端阻抗为98Ω~102Ω，所述阶梯型共面耦合结构10的后端长度为0.16/>~0.2/>，所述阶梯型共面耦合结构10的后端阻抗为105Ω~109Ω。所述均匀共面耦合结构11的长度为0.48/>~0.52。所述金属化过孔12为圆柱形金属化过孔，且所述圆柱形金属化过孔的直径为0.018/>~0.022/>。所述矩形介质条14的长度为0.77/>~0.81/>，所述矩形介质条14的宽度为0.21/>~0.25/>，且所述矩形介质条14的下边缘与所述矩形金属二8的前边缘之间的距离为0.21/>~0.25/>。所述圆形空气孔一15和所述圆形空气孔二16的直径均为0.06/>~0.1/>。其中，/>为中心频率对应的自由空间波长。

具体使用时，矩形介质条14、中间层介质基片3、矩形金属一7、矩形金属三13、金属化过孔12及圆形空气孔一15、圆形空气孔二16组成介质谐振器。均匀共面耦合结构11、中间层介质基片3以及具有半椭圆缺口的矩形金属二8组成100Ω耦合微带线。而阶梯型共面耦合结构10和中间层介质基片3组成阶梯型共面耦合线。具有半椭圆缺口的矩形金属二8为反射金属地。对于所提出的毫米波双向辐射介质端射天线，差分信号从100Ω耦合微带线馈入，经过阶梯型共面耦合线，进入介质谐振器，在反射金属地的作用下实现双向端射辐射。

在此过程中，如果谐振器未加入两侧矩形金属一7、矩形金属三13、金属化过孔12和中间区域圆形空气孔一15、圆形空气孔二16，天线中谐振器内的电场如图3所示，其工作模式为模式，对应的场分布特点为在水平方向上存在三个电场圈，并且在介质前方左右两侧的电场圈水平电场分量同向，但是与中间电场圈的水平分量反向。因此左右两侧的水平同向电场总和强于中间部分的水平反向电场，导致在远场端射方向的辐射依然较强，无法实现双向辐射。

当加入两侧矩形金属一7、矩形金属三13、金属化过孔12后，由于周期性金属化过孔等效的电壁效应，介质谐振器内左右两侧的电场圈被转变为电场半圈，如图4所示，即介质谐振器的工作模式变成了模式。此时，介质前方左右两侧的水平同向电场总和变弱，可以在远场端射方向上更好地抵消中间部分反向电场引起的端向辐射，所以天线开始出现双向辐射的趋势。然而，由于左右两侧的水平同向电场削弱过多，中间部分的反向电场相对较强，导致虽有双向辐射的趋势，但是不够理想，比如双向辐射的增益较低，端射方向辐射零点不够明显。

当继续加入中间区域圆形空气孔一15、圆形空气孔二16后，天线中介质谐振器内的中间电场圈占比减小，两侧的电场半圈占比增大，通过设置合理的圆形空气孔尺寸，可以控制介质前方左右两侧的水平同向电场与中间部分反向电场的强度比，当强度相当时端射方向辐射零点更加明显，双向辐射的增益得到改善，实现较好的双向辐射。

矩形金属二8的半椭圆缺口主要用于调整左右电场半圈及中间电场圈各自的后向波反射总相位，获得更好的双向辐射及合适的辐射阻抗。阶梯型共面耦合结构10能够将双向辐射的辐射阻抗转换为与耦合微带馈线相当的阻抗，实现天线的阻抗匹配，减少天线的反射。

对整体天线而言，在保持介质谐振器长宽比不变的条件下，可以通过调整介质谐振器的长度改变天线的工作频率。半椭圆缺口的弦高、介质谐振器下边缘到矩形金属二8前边缘的距离、中间的圆形空气孔孔径可以调整双向辐射的形态及端射方向辐射零点的深度。阶梯型共面耦合线调节匹配，耦合微带线实现馈电。

为了方便理解本发明的上述技术方案，以下通过具体案例对本发明的上述技术方案进行进一步说明。

以图1和图2所显示天线为例，图6是该天线的匹配和增益仿真曲线图，从图6可以看出，该案例的工作频带覆盖26.61~27.47GHz，相对带宽为3.2%，工作频带内的最大增益为5.5 dBi。图7是天线的辐射效率响应曲线，整个工作频带内的辐射效率均高于92.4%，说明天线的低导体损耗有利于提高天线的效率。图8-10给出了天线在26.61GHz、27GHz和27.47GHz处的E面仿真辐射方向图，中心频率（27GHz）处两个波束指向±69°，3dB波束宽度为62°；在整个工作频带内，双向辐射的指向波动小于7°，3dB波束宽度波动小于2°，因此双向辐射较为稳定。本案例采用的上下层及中间层介质基片的相对介电常数分别为10.2和3.38。整体天线水平方向长度为1.08，介质谐振器上边缘到半椭圆缺口中点的距离为0.63/>。

由此可见，本发明将中间的圆形空气孔、依附于矩形金属的圆柱形金属化过孔以及半椭圆缺口作用于上下层矩形介质条和中间层介质基片组成的介质谐振器，从而调整介质谐振器内两侧电场圈同向水平分量与中间电场圈反向水平分量的强度比以及对应的后向波反射总相位，在远场端射方向上抵消形成辐射零点，实现毫米波双向辐射介质端射天线，整体天线导体损耗低，并兼具小尺寸、结构简单以及印刷电路板可集成等特点。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种毫米波双向辐射介质端射天线，包括从上往下依次设置的金属顶层、上层介质基片、中间层介质基片、第一金属中间层、下层介质基片和金属底层；其特征在于，所述第一金属中间层包括对称设置的两矩形金属一和具有半椭圆缺口的矩形金属二，两所述矩形金属一分别连接于所述矩形金属二的半椭圆缺口的两端部；所述上层介质基片的一侧设置有第二金属中间层，所述第二金属中间层包括阶梯型共面耦合结构和均匀共面耦合结构，所述阶梯型共面耦合结构的前端与所述上层介质基片连接，所述阶梯型共面耦合结构的后端与所述均匀共面耦合结构连接；所述金属顶层、所述上层介质基片、所述中间层介质基片、所述矩形金属一、所述下层介质基片和所述金属底层之间通过位于两侧的若干金属化过孔连接；所述金属顶层和所述金属底层均由两矩形金属三构成；所述上层介质基片和所述下层介质基片均包括矩形介质条和若干圆形空气孔一，所述圆形空气孔一位于所述矩形介质条的中部；所述上层介质基片的圆形空气孔一的尺寸和位置与所述下层介质基片的圆形空气孔一的尺寸和位置相对应；所述中间层介质基片上与所述圆形空气孔一对应的位置设置有圆形空气孔二；所述圆形空气孔二的尺寸与所述圆形空气孔一的尺寸相同。

2.根据权利要求1所述的毫米波双向辐射介质端射天线，其特征在于，所述金属顶层的两矩形金属三的水平方向外侧和垂直方向外侧均与所述上层介质基片的边缘对齐；所述金属底层的两矩形金属三的水平方向外侧和垂直方向外侧均与所述下层介质基片的边缘对齐。

3.根据权利要求2所述的毫米波双向辐射介质端射天线，其特征在于，所述上层介质基片的矩形介质条的尺寸和位置与所述下层介质基片的矩形介质条的尺寸和位置相对应。

4.根据权利要求3所述的毫米波双向辐射介质端射天线，其特征在于，所述矩形金属一的宽度为0.13~0.17/>，所述矩形金属一的长度为0.43/>~0.47/>，所述矩形金属二的半椭圆缺口弦长为0.77/>~0.81/>，所述矩形金属二的半椭圆缺口弦高为0.16/>~0.2，/>为中心频率对应的自由空间波长。

5.根据权利要求4所述的毫米波双向辐射介质端射天线，其特征在于，所述阶梯型共面耦合结构的前端长度为0.21~0.25/>，所述阶梯型共面耦合结构的前端阻抗为98Ω~102Ω，所述阶梯型共面耦合结构的后端长度为0.16/>~0.2/>，所述阶梯型共面耦合结构的后端阻抗为105Ω~109Ω。

6.根据权利要求5所述的毫米波双向辐射介质端射天线，其特征在于，所述均匀共面耦合结构的长度为0.48~0.52/>。

7.根据权利要求6所述的毫米波双向辐射介质端射天线，其特征在于，所述金属化过孔为圆柱形金属化过孔，且所述圆柱形金属化过孔的直径为0.018~0.022/>。

8.根据权利要求7所述的毫米波双向辐射介质端射天线，其特征在于，所述矩形介质条的长度为0.77~0.81/>，所述矩形介质条的宽度为0.21/>~0.25/>，且所述矩形介质条的下边缘与所述矩形金属二的前边缘之间的距离为0.21/>~0.25/>。

9.根据权利要求8所述的毫米波双向辐射介质端射天线，其特征在于，所述圆形空气孔一和所述圆形空气孔二的直径均为0.06~0.1/>。