CN116864975A - 一种基于siw的宽带毫米波平面圆极化磁电偶极子天线 - Google Patents
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Abstract
本发明属于无线通信的天线技术领域，具体涉及一种基于SIW的宽带毫米波平面圆极化磁电偶极子天线，包括：两层介质板、两层金属层以及辐射单元；所述两层介质板包括上层介质板和下层介质板；所述两层金属层包括第一金属层和第二金属层；其至上到下依次由辐射单元与大小相同的上层介质板、第一金属层、下层介质板和第二金属层紧密贴合组成。本发明的一种基于SIW的宽带毫米波平面圆极化磁电偶极子天线，通过设计的“王”字形的耦合缝隙的馈电结构增加了天线阻抗带宽，通过设计“大小扇形贴片”的结构增加谐振点增大了天线轴比带宽。
Description
技术领域
本发明属于无线通信的天线技术领域，具体涉及一种基于SIW的宽带毫米波平面圆极化磁电偶极子天线。
背景技术
无线通信技术的发展，在给人们带来舒适生活的同时，也对无线通信系统数据传输速率提出了越来越高的要求。提升无线传输速率大致有两种方法，一是提高频谱利用率，二是增加频谱带宽，前者需要用到更高阶和复杂的信号调制方式或利用多入多出分集技术，会大幅增加系统的复杂度和对电路灵敏度的要求，相比于前者，后者相对比较简单。但是，传统微波频段通信所用的6GHz以下频段的频谱资源越来越紧缺，频段内不同系统之间的相互干扰也愈加严重，这使得人们将目光投向6-300GHz频段，尤其是毫米波频段。毫米波频段仍有大量频谱资源尚未被开发利用，这就解决了频段内不同系统之间相互干扰的问题。同时由于其频率较高，在相同的相对带宽下，相比于低频微波段，毫米波频段的绝对带宽更宽。这使得毫米波通信系统具有高信息传输速率的天然优势。
其中，天线作为无线通信系统的最前端组件，其性能可以影响整个无线通信系统的表现，包括信噪比、信号覆盖范围等。尤其是最近第五代(5G)通信应用即将商用，使得毫米波天线获得了更加广泛的关注。其中，天线按常见的极化方式可以分为两类，分别是线极化和圆极化。不同种类的天线适用于不同的应用场景，但是对于包括卫星通信在内的很多通信系统，通信的对象不再局限于固定的目标，随着目标的移动，天线的极化方向可能会发生变化，而线极化天线只能接受同向极化的电磁波，非同向的极化会造成极化失配，故其在高速移动通信中有比较大的劣势。而圆极化天线对目标的位置和姿态不敏感，因此圆极化天线是移动通信比较好的选择。同时圆极化天线还具有旋向正交性；抑制雨雾干扰和抗多径干扰；避免极化失配等特性，这些优点使得圆极化天线在民用通信以及军事电子对抗等领域中得到广泛研究与应用。
除了极化方式，带宽也是毫米波天线不可忽略的一项指标，由于低频段存在大量工作频段相近的天线，这些天线相互产生一些影响，降低通信系统的整体性能。因此，毫米波天线需要具备较宽的带宽，达到使用一种天线能够满足多种场景需求的效果。同时，在通信频段向宽带高频发展的时候，通信系统也朝着微型化，小型化的方向发展。天线作为无线通信系统的最前端组件，也有着小型化、平面化的要求。天线的尺寸与波长是息息相关的，尽管毫米波频段的天线尺寸相比于微波频段有了明显的改进，但大部分天线为了保证其性能，仍然有着相对较大的体积和剖面高度，不利于与现代微型化电路进行集成。
磁电偶极子天线由于其结构简单，单向稳定的辐射方向图等特点，是一种重要的天线类别。传统的磁电偶极子天线是线极化辐射，通过改变贴片形状，即在电偶极子合适位置加入微扰后，天线由线极化辐射转变为圆极化辐射。但是传统的磁电偶极子天线的圆极化带宽较窄，为了展宽带宽，可以采用特殊形状的贴片，比如在矩形贴片的边缘加入L形弯折微带线，使轴比带宽展宽。现有技术中，Yujian Li等人提出的"A 60-GHz WidebandCircularly Polarized Aperture Coupled Magneto-Electric Dipole Antenna Array"文献中的天线采用了两个相连的矩形贴片和两个不连接的矩形贴片，该天线的整体带宽过窄，组成阵列以后带宽进一步恶化，不满足宽带应用的要求，Jun Xu的"Low-CostMillimeter-Wave Circularly-Polarized Planar Integrated Magneto-ElectricDipole and Its Arrays with Low-Profile Feeding Structures"文献中，其天线结构较为简单，但对单个天线单元来说，其工作带宽较窄。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种基于SIW的宽带毫米波平面圆极化磁电偶极子天线，包括：两层介质板、两层金属层以及辐射单元；
所述两层介质板包括上层介质板和下层介质板；所述两层金属层包括第一金属层和第二金属层；
其至上到下依次由辐射单元与大小相同的上层介质板、第一金属层、下层介质板和第二金属层紧密贴合组成；
所述辐射单元包括两对对称的大、小扇形辐射贴片，两个大扇形辐射贴片尾部相连，两个小扇形辐射贴片不相连，两个大扇形辐射贴片开有中心对称形状的缝隙，小扇形贴片无开缝；
所述上下层介质板均设有金属化过孔，其中，上层介质板开设两个金属化过孔作为磁电偶极子天线的等效磁偶极子，下层介质板开设有多个金属化过孔形成基片集成波导结构(SIW)；
所述基片集成波导结构(SIW)的波导端口为所述下层介质板没有开设金属化过孔的一方，在所述下层介质板中部开设有“王”字型开窗作为所述基片集成波导结构(SIW)的耦合馈电缝隙。
本发明的磁电偶极子天线通过设计的“王”字形的耦合缝隙的馈电结构增加了天线阻抗带宽，通过设计“大小扇形贴片”的结构增加谐振点增大了天线轴比带宽；
本发明设计的一种基于SIW的宽带毫米波平面圆极化磁电偶极子天线，该天线的剖面高度(即上下两层基板厚度)为2.575mm(0.42λg)，λg是中心频率为33GHz，介电常数2.2的波导波长；天线的反射系数S11(＜-10dB)带宽为42.7％，AR(＜3dB)带宽为52.4％，重合带宽为42.7％。相比于Yujian Li等人的参考文献1中剖面高度1.574mm(0.467λg)，单元重合带宽25.9％，以及Jun Xu的参考文献2中重合带宽为8.29％有了很大提升。
附图说明
图1为本发明实施例的天线整体结构示意图；
图2为本发明实施例的天线俯视图；
图3为本发明实施例的天线下层介质基板俯视图；
图4为本发明实施例的天线与传统天线辐射单元对比图；
图5为本发明实施例的S11随频率变化的曲线图；
图6为本发明实施例的AR随频率变化的曲线图；
图7为本发明实施例的Gain随频率变化的曲线图；
其中，1-辐射单元，2-上层介质板，3-金属化过孔，4-第一金属层，5-下层介质板，6-第二金属层，7-耦合缝隙，8-匹配过孔，基片集成波导100。
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在没有做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。
一种基于SIW的宽带毫米波平面圆极化磁电偶极子天线，包括：两层介质板、两层金属层以及辐射单元；
所述两层介质板包括上层介质板和下层介质板；所述两层金属层包括第一金属层和第二金属层；
其至上到下依次由辐射单元与大小相同的上层介质板、第一金属层、下层介质板和第二金属层紧密贴合组成；
所述辐射单元包括两对对称的大、小扇形辐射贴片，两个大扇形辐射贴片尾部相连，两个小扇形辐射贴片不相连，两个大扇形辐射贴片开有中心对称形状的缝隙，小扇形贴片无开缝；
所述上下层介质板均设有金属化过孔，其中，上层介质板开设两个金属化过孔作为磁电偶极子天线的等效磁偶极子，下层介质板开设有多个金属化过孔形成基片集成波导结构(SIW)；
所述基片集成波导结构(SIW)的波导端口为所述下层介质板没有开设金属化过孔的一方，在所述下层介质板中部开设有“王”字型开窗作为所述基片集成波导结构(SIW)的耦合馈电缝隙。
在本发明实施例中，所述两层介质板都采用介电常数为2.2的Rogers 5880介质板；其中上层介质板2厚度为1.575mm，下层介质板5厚度为1mm。
在本发明实施例中，如图1所示，所述辐射单元1位于上层介质板2上表面；下层介质板5与其上下表面的两个金属层以及耦合缝隙7是为了对天线进行耦合馈电。
在本发明实施例中，如图2所示，所述四个扇形辐射贴片两两对称，大扇形贴片尾部相连，小扇形贴片没有相连；大扇形贴片开有中心对称形状的缝隙，缝隙宽度为0.4mm，内径为0.5mm，外径为0.9mm，角度为35°，小扇形贴片没有开缝；大、小扇形辐射贴片的半径和扇面角度不同，在所述上层介质基板上表面的位置也不同；大扇形贴片的扇面角度为26°、半径为4mm；在所述上层介质基板上表面的位置以基片集成波导的中轴线为零度位置逆时针旋转42°；小扇形贴片的扇面角度为25.5°、内径为0.5mm、外径为3mm，在所述上层介质基板上表面的位置以基片集成波导的中轴线为零度位置逆时针旋转115°；所述大、小扇形辐射贴片旋转角度分别设置为42°、115°是以更低的轴比为目的优化出来的结果，该结果可以让贴片表面电流矢量叠加的结果更符合圆极化所要求的正交且相位相差90°。
在本发明实施例中，两个金属化过孔既进行馈电也充当等效磁偶极子，金属化过孔位于大扇形辐射单元的中轴线，且两个金属化过孔相距1.1mm。
相比于传统微带线以及同轴线，SIW具有低传输损耗，平面结构易于集成等特点，因此采用SIW作为天线的馈线，有效的降低剖面高度，使天线便于集成，又保证天线的增益没有剧烈恶化。除此之外，利用基片集成波导表面电流分布的特点，在其上表面开缝对天线进行耦合馈电，实现180°相位差进而展宽带宽。
具体地，如图3所示，SIW，即基片集成波导100是在介质填充波导的基础上，设置两排金属化过孔替代电壁。
在本发明实施例中，如图3所示，波导端口位于最左边；耦合缝隙形状为“王”字形，即水平矩形缝隙左右两端加三角形缝隙，再在中心位置加竖直矩形缝隙；其中三角形缝隙的添加可以提高阻抗带宽，竖直缝隙可以展宽高频处的轴比带宽；缝隙左右各有两组金属化过孔，用于提高阻抗带宽；左边两个通孔直径为0.3mm,间距3.4mm，右边两个通孔直径为0.4mm，间距为1.6mm。
如图4(a)所示矩形贴片磁电偶极子天线尽管能够实现圆极化，但其工作带宽较窄，因此可以通过采用渐变形状的贴片来增加谐振点，进而展宽天线的带宽，如图4(b)所示。将矩形贴片换成扇形贴片后，阻抗带宽得以展宽，但轴比带宽仍不够宽，可以通过采用大小不同的两队贴片并在大贴片表面适当位置开缝可以进一步展宽轴比带宽。如图4(c)所示，调整扇形贴片大小并按一定角度进行旋转后，整体天线的辐射单元形成了倾斜的四个辐射贴片的结构，进一步展宽了天线的工作带宽。
具体地，在上层介质板的上表面设置四个辐射单元，四个扇形辐射贴片两两对称，大扇形贴片尾部相连，小扇形贴片没有相连。
在本发明实施例中，如图5所示，图中记录了S11随频率变化的曲线，从图中可以明显的看到天线具有S11(＜-10dB)带宽为42.7％(26.7～40.8)。如图6所示，图中记录了AR随频率变化的曲线，从图中可以看到，天线在26.7-44GHz频带内AR小于3dB，天线具有很宽的轴比带宽为52.4％。如图7所示，图中记录了Gain随频率变化的曲线，从图中可以看到，天线的增益比较稳定，峰值增益为8.1dBic。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，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，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (6)
1.一种基于SIW的宽带毫米波平面圆极化磁电偶极子天线，其特征在于，包括：两层介质板、两层金属层以及辐射单元；
所述两层介质板包括上层介质板和下层介质板；所述两层金属层包括第一金属层和第二金属层；
其至上到下依次由辐射单元、上层介质板、第一金属层、下层介质板和第二金属层紧密贴合组成；
所述辐射单元包括两对对称的大、小扇形辐射贴片，两个大扇形辐射贴片尾部相连，两个小扇形辐射贴片不相连，两个大扇形辐射贴片开有中心对称形状的缝隙，小扇形贴片无开缝；
所述上下层介质板均设有金属化过孔，其中，上层介质板开设两个金属化过孔作为磁电偶极子天线的等效磁偶极子，下层介质板开设有多个金属化过孔形成基片集成波导结构(SIW)；
所述基片集成波导结构(SIW)的波导端口为所述下层介质板没有开设金属化过孔的一方，在所述下层介质板中部开设有“王”字型开窗作为所述基片集成波导结构(SIW)的耦合馈电缝隙。
2.根据权利要求1所述的一种基于SIW的宽带毫米波平面圆极化磁电偶极子天线，其特征在于，所述两层介质板都采用介电常数为2.2的Rogers 5880介质板；其中上层介质板厚度为1.575mm，下层介质板厚度为1mm。
3.根据权利要求1所述的一种基于SIW的宽带毫米波平面圆极化磁电偶极子天线，其特征在于，所述大、小扇形辐射贴片的半径和扇面角度不同，在所述上层介质基板上表面的位置也不同；其中，大扇形贴片的扇面角度为26°、半径为4mm；在所述上层介质基板上表面的位置以基片集成波导的中轴线为零度位置逆时针旋转42°；小扇形贴片的扇面角度为25.5°、内径为0.5mm、外径为3mm，在所述上层介质基板上表面的位置以基片集成波导的中轴线为零度位置逆时针旋转115°。
4.根据权利要求1所述的一种基于SIW的宽带毫米波平面圆极化磁电偶极子天线，其特征在于，所述基片集成波导结构(SIW)中还设置有两对用于阻抗匹配的金属通孔，分别位于耦合馈电缝隙两边，一对用于阻抗匹配的金属通孔设置为直径0.3mm、间距3.4mm；另一对用于阻抗匹配的金属通孔设置为直径0.4mm、间距1.6mm。
5.根据权利要求1所述的一种基于SIW的宽带毫米波平面圆极化磁电偶极子天线，其特征在于，所述上层介质板设有的两个金属化过孔位于大扇形辐射贴片的中轴线，且两个金属化过孔间距设置为1.1mm。
6.根据权利要求1所述的一种基于SIW的宽带毫米波平面圆极化磁电偶极子天线，其特征在于，所述上层介质板、第一金属层、下层介质板和第二金属层的大小相同。
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