CN117748143A - 一种介质类微波毫米波共口径天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种介质类微波毫米波共口径天线，将毫米波方形介质镶嵌在十字形介质的四个凹角处，结合方环形金属壁和L形金属壁的电壁作用、方环形通槽的磁壁作用以及T形微带馈线对毫米波辐射体间互耦的扰动作用，实现介质类微波毫米波共口径天线，具有共口径频比高、可基片集成、口径利用率较高、剖面相对低及可组阵的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种微波通信器件，尤其涉及一种介质类微波毫米波共口径天线。
背景技术
通信技术的兼容同时需要微波天线与毫米波天线，在有限空间内最大程度地将微波天线与毫米波天线融合，形成共口径天线是移动通信天线系统的一个发展趋势。微波毫米波共口径天线相比传统共口径天线，具有更高的频率比，天线之间的口径差异大，一定程度上能够更好地将毫米波天线融入到微波天线中。介质天线在毫米波频段具有导体损耗小、辐射效率高的优点，同时随着通信技术的发展，微波的工作频段也从Sub-6G开始向高频延伸，导体损耗对天线性能的影响开始加剧，因此介质类微波毫米波共口径天线，能够在保持天线共口径优点的同时，在双频带上都能获得较好的辐射效率。
目前介涉及到介质类的毫米波共口径天线主要有两个，第一个是将多个Ka波段长方体介质谐振器围绕在K波段长方体介质谐振器周围，实现了Ka与K波段的介质类毫米波共口径天线，但是整体的口径利用率低，天线整体平面尺寸较大，并且没有考虑基片集成，可生产性和实用性低，组装误差大。第二个是将N79波段圆柱形介质谐振器悬架于WiFi-6E波段圆形介质谐振器之上，实现了N79与WiFi-6E波段的介质类微波单元共口径，但是存在天线整体剖面较高、无法形成阵列、以及无法实现基片集成等问题。因此有必要研究介质类微波毫米波共口径天线的实现方法，实现微波频段与毫米波频段的介质天线共口径，并提高口径利用率，保持低剖面，能够实现阵列以及基片集成。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术，提出一种介质类微波毫米波共口径天线，解决共口径频比低、无法基片集成、口径利用率低、剖面高及无法组阵的问题。
技术方案：一种介质类微波毫米波共口径天线，包括微波介质天线辐射体、四个毫米波介质天线辐射体、T形微带馈线、四个微带馈线；所示微波介质天线辐射体的辐射介质为十字形，四个毫米波介质天线辐射体嵌在所述微波介质天线辐射体的四个凹角处，整体组成微波毫米波共口径辐射体；微波信号从T形微带馈线馈入，毫米波信号从四个微带馈线馈入，耦合至所述微波毫米波共口径辐射体，整体形成微波单元辐射及毫米波阵列辐射。
进一步的，所述天线包括从上而下依次设置的顶层金属结构、上层介质基板结构、中间层介质基板结构、中间层金属结构、下层介质基板结构、底层金属结构，还包括方环形金属壁和四个L形金属壁；
顶层金属结构由一个方环形金属贴片构成；方环形金属壁穿过上层介质基板结构以及中间层介质基板结构；四个L形金属壁位于方环形金属壁内侧四角，在方环形金属壁中央形成十字形介质；在四角的方形区域内分别设置方环形通槽，从而在每个方形区域内形成中央的方形介质以及外层的方环形介质，并且方环形介质、方环形通槽及方形介质由外向内同心排布；
中间层金属结构为金属地，金属地上开设一个长槽和四个短槽；长槽位于中间层金属结构正中下方位置；四个短槽平行对称环绕于长槽的四角，并分别对应位于各方形介质的中心正下方；
底层金属结构包含四个金属条带和一个顶部为T形的金属条带；各金属条带分别对应位于短槽的正下方，并与短槽垂直设置；顶部为T形的金属条带位于长槽的正下方，并与长槽垂直设置；
所述方环形介质、方环形通槽、方形介质、方环形金属壁、L形金属壁、中间层介质基板结构以及中间层金属结构组成所述四个毫米波介质天线辐射体；所述十字形介质、方环形金属壁、L形金属壁、中间层介质基板结构、中间层金属结构组成所述微波介质天线辐射体；所述金属条带、下层介质基板结构及中间层金属结构组成毫米波天线单元的所述微带馈线；所述顶部为T形的金属条带、下层介质基板结构及中间层金属结构组成微波天线单元的所述T形微带馈线。
进一步的，所述方环形金属贴片的内圈边长在0.3λ01-0.34λ01之间，λ01为微波频段中心频率对应的自由空间波长；所述方环形金属壁的内侧边长在0.28λ01-0.32λ01之间；所述方环形介质的外侧边长在0.3λ02-0.34λ02之间，λ02为毫米波频段中心频率对应的自由空间波长，方环形通槽的槽宽在0.034λ02-0.038λ02之间，方形介质边长在0.16λ02-0.2λ02之间。
进一步的，所述长槽的长度在0.12λ01-0.16λ01之间，所述短槽的长度在0.2λ02-0.24λ02之间。
有益效果：现有的介质类天线只实现了毫米波频段或微波频段的共口径，没有实现微波毫米波共口径，不具备基片集成的特点，并且存在口径利用率低、剖面高或无法组阵的问题。本发明将毫米波方形介质镶嵌在十字形介质的四个凹角处，结合方环形金属壁和L形金属壁的电壁作用、方环形通槽的磁壁作用以及T形微带馈线对毫米波辐射体间互耦的扰动作用，实现介质类微波毫米波共口径天线，具有共口径频比高、可基片集成、口径利用率较高、剖面相对低及可组阵的特点。
具体的，方环形介质、方环形通槽及方形介质由外向内同心排布，与相邻的L形金属壁和方环形金属壁组成毫米波天线单元辐射主体，上下毫米波天线单元通过底层微带线同相馈电，左右毫米波天线单元通过底层微带线反相馈电，形成毫米波阵列，毫米波阵列的电场在方环形通槽的作用下束缚在毫米波辐射体内，能够获得微波端口对毫米波信号的良好隔离。
十字形介质紧邻L形金属壁和方环形金属壁，微波信号对应的电场不仅分布在十字形介质内，而且在四角的方环形介质与方环形通槽靠近L形金属壁的区域内亦存在，能够极大的降低微波频段的工作频率，但是方环形通槽的作用下，在方形介质内部的微波电场分布非常弱，能够保证毫米波端口对微波信号的隔离。
T形微带馈线位于长槽中心正下方，能够通过长槽将微波信号向共口径辐射体进行耦合激励，并能扰动毫米波辐射体之间的耦合路径，从而降低毫米波辐射体之间的互耦，实现正常的毫米波阵列辐射，并降低其旁瓣水平。
附图说明
图1为本发明介质类微波毫米波共口径天线的剖面结构示意图；
图2为本发明介质类微波毫米波共口径天线的顶层金属结构示意图；
图3为本发明介质类微波毫米波共口径天线的上层介质基板结构示意图；
图4为本发明介质类微波毫米波共口径天线的中间层介质基板结构示意图；
图5为本发明介质类微波毫米波共口径天线的中间层金属结构示意图；
图6为本发明介质类微波毫米波共口径天线的底层金属结构示意图；
图7为本发明介质类微波毫米波共口径天线的电场分布图，其中(a)为微波端口激励时天线在上层介质基板中的水平面电场分布，(b)为微波端口激励时天线在A-A’剖面和B-B’剖面的电场分布，(c)为毫米波端口全激励时天线在上层介质基板中的水平面电场分布，(d)为毫米波端口全激励时天线在C-C’剖面的电场分布；
图8为本发明介质类微波毫米波共口径天线的S参数及增益仿真结果，其中(a)对应微波频段，(b)对应毫米波频段；
图9为本发明介质类微波毫米波共口径天线在微波频段(6.99GHz)处的E面和H面辐射方向图，其中(a)为E面方向图，(b)为H面方向图；
图10为毫米波天线阵列的仿真辐射方向图，其中(a)为24GHz处的E面辐射方向图，(b)为24GHz处的H面辐射方向图，(c)为24.5GHz处的E面辐射方向图，(d)为24.5GHz处的H面辐射方向图，(e)为25GHz处的E面辐射方向图，(f)为25GHz处的H面辐射方向图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1至图6所示，一种介质类微波毫米波共口径天线，包括从上而下依次设置的顶层金属结构1、上层介质基板结构2、中间层介质基板结构3、中间层金属结构4、下层介质基板结构5、底层金属结构6，还包括方环形金属壁701和4个L形金属壁702。其中，上层介质基板结构2的介电常数远大于中间层介质基板结构3和下层介质基板结构5。
顶层金属结构1仅含有1个方环形金属贴片101，内圈边长在0.3λ01-0.34λ01之间，λ01为微波频段中心频率对应的自由空间波长。
方环形金属壁701穿过上层介质基板结构2以及中间层介质基板结构3。方环形金属壁701的内侧边长在0.28λ01-0.32λ01之间。4个L形金属壁702位于方环形金属壁701内侧四角，在方环形金属壁701中央形成十字形介质201；在四角的方形区域内分别开设方环形通槽203，从而在每个方形区域内形成中央的方形介质204以及外层的方环形介质202，并且方环形介质202、方环形通槽203及方形介质204由外向内同心排布。其中，方环形介质202的外侧边长在0.3λ02-0.34λ02之间，λ02为毫米波频段中心频率对应的自由空间波长，方环形通槽203的槽宽在0.034λ02-0.038λ02之间，方形介质204边长在0.16λ02-0.2λ02之间。
中间层金属结构4为金属地，金属地上开设1个长槽401和4个短槽402。长槽401位于中间层金属结构4正中下方位置，长度在0.12λ01-0.16λ01之间；四个短槽402平行对称环绕于长槽401的四角，并分别对应位于各方形介质204的中心正下方，长度在0.2λ02-0.24λ02之间。
底层金属结构6包含4个金属条带601和1个顶部为T形的金属条带602。各金属条带601分别对应位于短槽402的正下方，并与短槽402垂直设置。顶部为T形的金属条带602位于长槽401的正下方，并与长槽401垂直设置。
上述结构中，方环形介质202、方环形通槽203、方形介质204、方环形金属壁701、L形金属壁702、中间层介质基板结构3以及中间层金属结构4组成4个毫米波介质天线辐射体。十字形介质201、方环形金属壁701、L形金属壁702、中间层介质基板结构3、中间层金属结构4组成微波介质天线辐射体。毫米波和微波介质天线辐射体共享方环形金属壁701、L形金属壁702、中间层介质基板结构3和中间层金属结构4，4个毫米波介质天线辐射体嵌在微波介质天线辐射体的4个凹角处，整体组成微波毫米波共口径辐射体。金属条带601、下层介质基板结构5及中间层金属结构4组成毫米波天线单元的微带馈线。顶部为T形的金属条带602、下层介质基板结构5及中间层金属结构4组成微波天线单元的T形微带馈线。
对于本发明的介质类微波毫米波共口径天线，微波信号从T形微带馈线馈入，毫米波信号从四个微带馈线馈入，经过金属地的长槽和短槽耦合至微波毫米波共口径辐射体，整体形成微波单元辐射及毫米波阵列辐射。在此过程中，共口径天线的微波端口激励时，上层介质基板结构的场分布以及A-A’剖面和B-B’剖面内的场分布，分别如图7的(a)和(b)所示，可见微波信号对应的电场不仅分布在十字形介质内，而且在四角的方环形介质与方环形通槽靠近L形金属壁的区域内亦存在。在十字形介质内的电场分布与传统的TE11δ模式相接近，对微波工作频段的水平极化及增益有主要影响，保证了天线在微波频段的基础工作形态；四角处的电场分布延展了微波信号场的分布范围，能够极大的降低微波频段的工作频率，并且此时方形介质基础谐振频率在毫米波频段，结合方环形通槽对介质体的分割截断作用，其方形介质内部的微波电场分布非常弱，因此能够保证毫米波端口对微波信号的隔离。
共口径天线的四个毫米波端口激励时，如图3所示的平面内，上下单元同相馈电，左右单元反相馈电，此时上层介质基板结构的场分布和C-C’剖面内的场分布分别如图7的(c)和(d)所示，可见毫米波信号对应的电场主要分布在方形介质与方环形通槽中，分布与传统的TE11δ模式相接近，因此能够保证微波端口对毫米波信号的隔离，并且保证毫米波工作频率不受其它介质部分的影响而降低，有利于保持较大的毫米波频率与微波频率之比。方环形通槽对毫米波信号有一定的磁壁作用，提高了共口径天线在毫米波频段的辐射效率，同时对毫米波信号的场有较好的束缚作用。
另外，由于长槽在水平面上分布在四个毫米波介质天线辐射体中间，对毫米波辐射体之间的信号传递或耦合有一定的扰动作用，将T形微带线作为微波信号的馈线，能够调整毫米波辐射体间的耦合路径，从而降低毫米波辐射体之间的互耦，实现正常的毫米波阵列辐射，并降低其旁瓣水平。
与现有最好技术相比，本发明能够实现微波频段与毫米波频段介质天线的共口径，具有共口径频比高、可基片集成、口径利用率高、剖面相对低及可组阵的优点。下面列出了本发明的一个设计案例，其天线结构示意图如图1至图6所示。本实施例上层介质基板的相对介电常数为10.2，中间层和底层介质基板的相对介电常数为3.55，天线辐射体的电尺寸为0.3λ01×0.3λ01×0.07λ01，整体天线结构简单可用多层板工艺实现，集成度较高。该实施例S参数及增益的仿真曲线如图8所示，其中端口1为微波单元的馈电端口，端口2、3、4、5为4个毫米波单元的馈电端口。从图8可以看出，该实施例在微波频段的工作频带覆盖6.94～7.04GHz，相对带宽1.4％，工作频带内的最大增益为5.26dBi，工作频带内的辐射效率为85.3～85.9％，毫米波端口对微波频带信号的隔离度大于40dB。毫米波频段阵列的工作频带覆盖23.76～25.4GHz，相对带宽6.7％，工作频带内的最大增益12.28dBi，工作频带内的辐射效率为88～91.6％，微波端口对毫米波频带信号的隔离度大于15dB。图9的(a)和(b)分别给出了天线在微波频段6.99GHz处的E面和H面辐射方向图，从图中可以看出，天线在E面和H面的3-dB波束宽度分别为108°和84.9°，E面和H面的交叉极化水平分别为-115dB和-49dB。图10的(a)-(f)分别给出了毫米波阵列在24GHz、24.5GHz和25GHz处的E面和H面辐射方向图，在中心频率24.5GHz处，E面和H面的3-dB波束宽度分别为37.3°和38.9°，E面和H面的交叉极化水平分别为-115dB和-46dB，旁瓣水平分别为-9dB和-12.9dB。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种介质类微波毫米波共口径天线，其特征在于，包括微波介质天线辐射体、四个毫米波介质天线辐射体、T形微带馈线、四个微带馈线；所示微波介质天线辐射体的辐射介质为十字形，四个毫米波介质天线辐射体嵌在所述微波介质天线辐射体的四个凹角处，整体组成微波毫米波共口径辐射体；微波信号从T形微带馈线馈入，毫米波信号从四个微带馈线馈入，耦合至所述微波毫米波共口径辐射体，整体形成微波单元辐射及毫米波阵列辐射。
2.根据权利要求1所述的介质类微波毫米波共口径天线，其特征在于，所述天线包括从上而下依次设置的顶层金属结构(1)、上层介质基板结构(2)、中间层介质基板结构(3)、中间层金属结构(4)、下层介质基板结构(5)、底层金属结构(6)，还包括方环形金属壁(701)和四个L形金属壁(702)；
顶层金属结构(1)由一个方环形金属贴片(101)构成；方环形金属壁(701)穿过上层介质基板结构(2)以及中间层介质基板结构(3)；四个L形金属壁(702)位于方环形金属壁(701)内侧四角，在方环形金属壁(701)中央形成十字形介质(201)；在四角的方形区域内分别设置方环形通槽(203)，从而在每个方形区域内形成中央的方形介质(204)以及外层的方环形介质(202)，并且方环形介质(202)、方环形通槽(203)及方形介质(204)由外向内同心排布；
中间层金属结构(4)为金属地，金属地上开设一个长槽(401)和四个短槽(402)；长槽(401)位于中间层金属结构(4)正中下方位置；四个短槽(402)平行对称环绕于长槽(401)的四角，并分别对应位于各方形介质(204)的中心正下方；
底层金属结构(6)包含四个金属条带(601)和一个顶部为T形的金属条带(602)；各金属条带(601)分别对应位于短槽(402)的正下方，并与短槽(402)垂直设置；顶部为T形的金属条带(602)位于长槽(401)的正下方，并与长槽(401)垂直设置；
所述方环形介质(202)、方环形通槽(203)、方形介质(204)、方环形金属壁(701)、L形金属壁(702)、中间层介质基板结构(3)以及中间层金属结构(4)组成所述四个毫米波介质天线辐射体；所述十字形介质(201)、方环形金属壁(701)、L形金属壁(702)、中间层介质基板结构(3)、中间层金属结构(4)组成所述微波介质天线辐射体；所述金属条带(601)、下层介质基板结构(5)及中间层金属结构(4)组成毫米波天线单元的所述微带馈线；所述顶部为T形的金属条带(602)、下层介质基板结构(5)及中间层金属结构(4)组成微波天线单元的所述T形微带馈线。
3.根据权利要求2所述的介质类微波毫米波共口径天线，其特征在于，所述方环形金属贴片(101)的内圈边长在0.3λ01-0.34λ01之间，λ01为微波频段中心频率对应的自由空间波长；所述方环形金属壁(701)的内侧边长在0.28λ01-0.32λ01之间；所述方环形介质(202)的外侧边长在0.3λ02-0.34λ02之间，λ02为毫米波频段中心频率对应的自由空间波长，方环形通槽(203)的槽宽在0.034λ02-0.038λ02之间，方形介质(204)边长在0.16λ02-0.2λ02之间。
4.根据权利要求3所述的介质类微波毫米波共口径天线，其特征在于，所述长槽(401)的长度在0.12λ01-0.16λ01之间，所述短槽(402)的长度在0.2λ02-0.24λ02之间。
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2023
- 2023-12-28 CN CN202311827448.6A patent/CN117748143B/zh active Active
Patent Citations (4)
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN117748143B (zh) | 2024-07-30 |
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