CN206040963U - 多层pcb电小惠更斯源天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种多层PCB电小惠更斯源天线，包括由上到下依次设置的上层介质基板、第一中层介质基板、第二中层介质基板、下层介质基板，每相邻两层介质基板之间设置有半固化片，上层介质基板的上表面和第一中间介质基板的下表面贴设有磁偶极子贴片，第一中间介质基板的上表面贴设有电偶极子贴片，下层介质基板上设置有激励源。通过上述技术方案，一方面，采用多层PCB工艺，制作简单，重量轻；另一方面，利用近场寄生耦合馈电的方式，将电偶极子嵌入到磁偶极子中，并利用下层介质基板上的激励条带激励电偶极子和磁偶极子协同工作，尽可能地实现了电小惠更斯源天线的平面边射特性设计和电小特性设计，具有非常良好的定向辐射特性和辐射效率。

Description

多层PCB电小惠更斯源天线

技术领域

本实用新型涉及天线技术领域，具体地，涉及一种多层PCB电小惠更斯源天线。

背景技术

随着无线通信的飞速发展，通信设备对天线的高型能和小型化要求越来越高。电小惠更斯源天线因其天生具有的高方向性，宽波束，小尺寸等特点而备受关注。然而，考虑到电小惠更斯源天线必须同时实现电偶极子和磁偶极子的同幅同相激励，因而具有较强的设计难度。目前的电小惠更斯源天线的设计包括两大类：一是利用双端口双天线的结构形式来实现，这样的设计方式无法避免两个端口间的隔离度问题，并且双端口双天线不易于匹配，不易与后端设备集成；二是利用单个端口直接激励，但是目前的单端口馈电设计的电小惠更斯源天线都是3-D立体结构，不易加工，需要繁琐的安装流程，且机械性能差。考虑到电小惠更斯源天线的发展史，一款平面结构的，高方向性的边射电小惠更斯源天线设计具有重要的科研和工程意义。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供具有高定向辐射特性的多层PCB惠更斯源天线。

为了实现上述目的，本实用新型提供一种多层PCB电小惠更斯源天线，包括：上层介质基板，其上设置有第一转接孔和第二转接孔；第一中层介质基板，其上设置有第三转接孔和第四转接孔；下层介质基板，其上设置有第一馈线通孔和第二馈线通孔；第一半固化片，位于所述上层介质基板和所述第一中层介质基板之间，其上设置有第五转接孔和第六转接孔；第二半固化片，设置在所述第一中层介质基板和所述下层介质基板之间；上层磁偶极子贴片，贴设于所述上层介质基板的上表面；第一下层磁偶极子贴片和第二下层磁偶极子贴片，贴设于所述第一中层介质基板的下表面且二者之间具有间隙，所述第一下层磁偶极子贴片通过所述第三转接孔、所述第五转接孔和所述第一转接孔连接于所述上层磁偶极子贴片，所述第二下层磁偶极子贴片通过所述第四转接孔、第六转接孔和第二转接孔连接于所述上层磁偶极子贴片；电偶极子贴片，贴设于所述第一中层介质基板的上表面；第一激励条带和第二激励条带，设置在所述下层介质基板上。

可选地，所述上层磁偶极子贴片为正方形，所述第一下层磁偶极子贴片和所述第二下层磁偶极子贴片为矩形。

可选地，所述上层磁偶极子贴片的边长为1.2mm-1.8mm。

可选地，所述电偶极子贴片为工字形，并且包括主臂和位于该主臂两端的两个支臂，所述主臂的中心与所述上层磁偶极子贴片的中心对齐，且所述主臂的长度不小于所述上层磁偶极子贴片的边长。

可选地，所述第一转接孔、所述第二转接孔、所述第三转接孔、所述第四转接孔、所述第五转接孔以及所述第六转接孔的数量均为两个。

可选地，还包括位于所述第二半固化片和所述下层介质基板之间的第二中间介质基板和第三半固化片，所述第三半固化片位于所述第二中间介质基板和所述下层介质基板之间。

可选地，所述上层介质基板、所述第二中间介质基板以及所述下层介质基板厚度相同，所述第二中间介质基板的厚度大于所述上层介质基板的厚度。

可选地，所述第一激励条带包括贴设在所述下层介质基板上表面的第一馈线和开设在所述下层介质基板的第一馈线通孔，所述第一馈线与所述第一馈线通孔相连；所述第二激励条带包括贴设在所述下层介质基板上表面的第二馈线和开设在所述下层介质基板的第二馈线通孔，所述第二馈线的一端与所述第二馈线通孔相连。

可选地，所述第一馈线通孔与同轴电缆的外导体相连，所述第二馈线通孔与同轴电缆的内导体相连。

可选地，所述第一下层磁偶极子贴片和所述第二下层磁偶极子贴片之间的间隙为0.1mm-0.3mm。

通过上述技术方案，一方面，该电小惠更斯源天线采用多层PCB工艺，制作简单，重量轻，易于加工，制作成本低；另一方面，该电小惠更斯源天线利用近场寄生耦合馈电的方式，将电偶极子贴片嵌入到两层磁偶极子贴片中，并利用下层介质基板上的激励条带激励电偶极子和磁偶极子协同工作，尽可能地实现了电小惠更斯源天线的平面边射特性设计和电小特性设计，该电小惠更斯源天线方向性、前后比较高并且具有非常良好的定向辐射特性和较高的辐射效率。

本实用新型的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本实用新型，但并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1是根据本实用新型的一个实施方式的多层PCB电小惠更斯源天线介质基板的爆炸图；

图2是根据本实用新型的一个实施方式的多层PCB电小惠更斯源天线的上层介质基板的俯视图；

图3是根据本实用新型的一个实施方式的多层PCB电小惠更斯源天线的第一中间介质基板的俯视图；

图4是根据本实用新型的一个实施方式的多层PCB电小惠更斯源天线的第一中间介质基板的仰视图；

图5是根据本实用新型的一个实施方式的多层PCB电小惠更斯源天线的下层介质基板的俯视图；

图6是根据本实用新型的一个实施方式的多层PCB电小惠更斯源天线的安装结构示意图；

图7是根据本实用新型的一个实施方式的多层PCB电小惠更斯源天线的反射系数|S₁₁|和频率的关系曲线图；

图8是根据本实用新型的一个实施方式的多层PCB电小惠更斯源天线的谐振点的仿真辐射特性。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限制本实用新型。

如图1和图6所示，本实用新型提供的一种多层PCB电小惠更斯源天线，包括：由上到下依次设置的上层介质基板1、第一中层介质基板2、第二中层介质基板3、下层介质基板4，相邻两层介质基板之间均设置有半固化片，以用于粘连相邻的两层介质基板。其中，上层介质基板1上设置有第一转接孔11和第二转接孔12；第一中层介质基板2上设置有第三转接孔21和第四转接孔22；下层介质基板4上设置有第一馈电孔43和第二馈电孔44；本实用新型中，第一半固化片5位于上层介质基板1和第一中层介质基板2之间，其上设置有第五转接孔51和第六转接孔52；第二半固化片6设置在第一中层介质基板3和下层介质基板4之间。另外，在本实用新型中，第一中间介质基板2与下层介质基板4中间还设置有第二中间介质基板3，这里，第二中间介质基板3主要的用于调节第一中间介质基板2与下层介质基板4的间隔距离，即，调节激励条带与偶极子的耦合距离。相应地，第二半固化片6设置在第一中间介质基板2与第二介质基板3之间，并且第二中间介质基板3与下层介质基板4之间设置有第三半固化片7。

如图2、图3所示，上层介质基板1的上表面贴设有上层磁偶极子贴片13，第一中间介质基板2的下表面贴设有第一下层磁偶极子贴片23和第二下层磁偶极子贴片24，并且第一下层磁偶极子贴片23和第二下层磁偶极子贴片24之间可以具有一定距离的间隙，该间隙的设计是基于容性裂口谐振环的原理。另外，第一下层磁偶极子贴片23通过第三转接孔21、第五转接孔51和第一转接孔11连接于上层磁偶极子贴片13，第二下层磁偶极子贴片24通过第四转接孔22、第六转接孔52和第二转接孔12连接于上层磁偶极子贴片13；即，磁偶极子是由贯穿上层介质基板1和第一中层介质基板2的转接孔连接位于上层介质基板1的上表面和第一中层介质基板2的下表面金属贴片而得到。这里，需要说明的是，本实用新型中，所有转接孔均为金属过孔，即，可以在介质基板的通孔的内壁表面贴设有金属贴片以形成金属过孔。第一转接孔11、第二转接孔12、第三转接孔21、第四转接孔22、第五转接孔51和第六转接孔52、上层磁偶极子贴片13、第一下层磁偶极子贴片23和第二下层磁偶极子贴片24共同组成磁偶极子。

电偶极子贴片25贴设于第一中层介质基板2的上表面，即电偶极子贴片25相当于嵌套在上层磁偶极子13和下层磁偶极子之间。另外，本实用新型中还设置有第一激励源和第二激励源，设置在下层介质基板4上。

具体地，在本实用新型提供的一个实施方式中，如图2和图3所示，上层磁偶极子贴片13可以为正方形贴片，第一下层磁偶极子贴片23和第二下层磁偶极子贴片24可以为相同大小的矩形；在惠更斯源天线实际制造过程中，为了加工方便，节省时间，可以优先选用两片尺寸相同的正方形贴片，并且，第一中间介质基板2下表面的正方形贴片可以沿竖直中心线方向开设沟槽以形成矩形结构的第一下层磁偶极子贴片23和第二下层磁偶极子贴片24，本实用新型中，上层磁偶极子贴片13的边长为1.2mm-1.8mm，第一下层磁偶极子贴片23和第二下层磁偶极子贴片24之间的间隙为0.1mm-0.3mm，电偶极子贴片25为工字形的设计结构，并且包括主臂和位于该主臂两端的两个支臂，主臂的中心与上层磁偶极子贴片13的中心对齐，且主臂的长度不小于上层磁偶极子贴片13的边长，这里。电偶极子贴片25的主臂伸出上层磁偶极子13和两个下层磁偶极子的两个支臂为主要的辐射部分，这里，两个支臂也可以做成半圆形，其原理与目的类似以上描述，此处不再一一赘述。

另外，在本实用新型提供的一个实施方式中，如图2和图3所示，第一转接孔11、第二转接孔12、第三转接孔21、第四转接孔22、第五转接孔51以及第六转接孔52的数量均为两个，这里，由于磁偶极子的设计采用的是基片集成波导技术，并且受到惠更斯源天线本身结构尺寸的限制，所以作为一种优选的实施方式，转接孔的数量均设置为两个孔，其他的变形方式中，如果将该惠更斯源天线应用在低频段，转接孔也可以设计为多个，其目的与原理类似以上描述，此处不再一一赘述。另外，上层磁偶极子贴片13、第一下层磁偶极子贴片23、第二下层磁偶极子贴片24、以及电偶极子贴片25均采用金属贴片，具体可以均为厚度相同的覆铜薄膜。

具体地，如图4所示，第一激励条带包括贴设在下层介质基板4上的第一馈线41和贯穿下层介质基板4的第一馈线通孔43，第一馈线41与第一馈线通孔43相连；第二激励条带包括下层介质基板4上的第二馈线42和贯穿下层介质基板4的第二馈线通孔44，第二馈线42与第二馈线通孔44相连，这里，第一馈线41为与第二馈线42均为金属贴片，该金属贴片由半圆形金属贴片和矩形金属贴片构成；第一馈线通孔43与第二馈线通孔44亦为金属通孔，并且第一馈线通孔43与同轴电缆8的外导体相连，第二馈线通孔44与同轴电缆8的内导体相连，第一馈线通孔43和第二馈线通孔44大小的设计可以根据具体的同轴电缆8的接头型号进行设计。

如图1和图6所示，本实用新型提供的一个实施方式中，上层介质基板1、第二中层介质基板3、下层介质基板4厚度相同，并且，第一中间介质基板2厚度大于上层介质基板1，这样，可以保证电偶极子和磁偶极子的相位中心尽可能的靠近，上层介质基板1与第一中间层介质基板2的厚度比具体可以根据实际工作需要合理地配置。

通过上述技术方案，一方面，该电小惠更斯源天线采用多层PCB工艺，制作简单，重量轻，易于加工，制作成本低；另一方面，该电小惠更斯源天线利用近场寄生耦合馈电的方式，将电偶极子贴片嵌入到两层磁偶极子贴片中，并利用下层介质基板上的激励条带激励电偶极子和磁偶极子协同工作，尽可能地实现了电小惠更斯源天线的平面边射特性设计和电小特性设计，该电小惠更斯源天线方向性、前后比较高并且具有非常良好的定向辐射特性和较高的辐射效率。

本实用新型的提供一个具体实施例，上层介质基板1、第二中间介质基板3、下层介质基板4厚度均为0.127mm，第一中间介质基板2的厚度为0.387mm，

第一半固化片5、第二半固化片6以及第三半固化片7采用厚度为0.9mm的FastriseFR-27半固化片进行粘连，第一转接孔11、第二转接孔12、第三转接孔21、第四转接孔22、第五转接孔51以及第六转接孔52半径均为0.2mm，其他尺寸参数可以参照表1，根据上述参数，可以使用HFSS13.0对所设计的多层PCB惠更斯源天线的反射系数|S₁₁|的特性参数进行仿真分析，给出了该多层PCB惠更斯源天线工作在28GHz附近的一个仿真实施例。

参数曲线如图6和图7所示，该天线的10-dB相对阻抗带宽为2.58％，通带内的辐射效率在84.22％-93.18％之间，峰值可实现增益在3.28-4.61dB之间，前后比在3.18-14.77dB之间，可见该多层PCB惠更斯源天线在具有紧凑结构的同时，还具有良好的辐射性能以及较高方向性和较高的前后比，并且该多层PCB惠更斯天线可以运用于5G通信的Ka频段。

表1各参数最佳尺寸表

以上结合附图详细描述了本实用新型的优选实施方式，但是，本实用新型并不限于上述实施方式中的具体细节，在本实用新型的技术构思范围内，可以对本实用新型的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本实用新型的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本实用新型对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本实用新型的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本实用新型的思想，其同样应当视为本实用新型所公开的内容。

Claims (10)

1.一种多层PCB电小惠更斯源天线，其特征在于，包括：

上层介质基板，其上设置有第一转接孔和第二转接孔；

第一中层介质基板，其上设置有第三转接孔和第四转接孔；

下层介质基板，其上设置有第一馈线通孔和第二馈线通孔；

第一半固化片，位于所述上层介质基板和所述第一中层介质基板之间，其上设置有第五转接孔和第六转接孔；

第二半固化片，设置在所述第一中层介质基板和所述下层介质基板之间；

上层磁偶极子贴片，贴设于所述上层介质基板的上表面；

第一下层磁偶极子贴片和第二下层磁偶极子贴片，贴设于所述第一中层介质基板的下表面且二者之间具有间隙，所述第一下层磁偶极子贴片通过所述第三转接孔、所述第五转接孔和所述第一转接孔连接于所述上层磁偶极子贴片，所述第二下层磁偶极子贴片通过所述第四转接孔、第六转接孔和第二转接孔连接于所述上层磁偶极子贴片；

电偶极子贴片，贴设于所述第一中层介质基板的上表面；

第一激励条带和第二激励条带，设置在所述下层介质基板上。

2.根据权利要求1所述的多层PCB电小惠更斯源天线，其特征在于，所述上层磁偶极子贴片为正方形，所述第一下层磁偶极子贴片和所述第二下层磁偶极子贴片为矩形。

3.根据权利要求2所述的多层PCB电小惠更斯源天线，其特征在于，所述上层磁偶极子贴片的边长为1.2mm-1.8mm。

4.根据权利要求1所述的多层PCB电小惠更斯源天线，其特征在于，所述电偶极子贴片为工字形，并且包括主臂和位于该主臂两端的两个支臂，所述主臂的中心与所述上层磁偶极子贴片的中心对齐，且所述主臂的长度不小于所述上层磁偶极子贴片的边长。

5.根据权利要求1所述的多层PCB电小惠更斯源天线，其特征在于，所述第一转接孔、所述第二转接孔、所述第三转接孔、所述第四转接孔、所述第五转接孔以及所述第六转接孔的数量均为两个。

6.根据权利要求1所述的多层PCB电小惠更斯源天线，其特征在于，还包括位于所述第二半固化片和所述下层介质基板之间的第二中间介质基板和第三半固化片，所述第三半固化片位于所述第二中间介质基板和所述下层介质基板之间。

7.根据权利要求6所述的多层PCB电小惠更斯源天线，其特征在于，所述上层介质基板、所述第二中间介质基板以及所述下层介质基板厚度相同，所述第二中间介质基板的厚度大于所述上层介质基板的厚度。

8.根据权利要求1所述的多层PCB电小惠更斯源天线，其特征在于，所述第一激励条带包括贴设在所述下层介质基板上表面的第一馈线和开设在所述下层介质基板的第一馈线通孔，所述第一馈线与所述第一馈线通孔相连；所述第二激励条带包括贴设在所述下层介质基板上表面的第二馈线和开设在所述下层介质基板的第二馈线通孔，所述第二馈线的一端与所述第二馈线通孔相连。

9.根据权利要求8所述的多层PCB电小惠更斯源天线，其特征在于，所述第一馈线通孔与同轴电缆的外导体相连，所述第二馈线通孔与同轴电缆的内导体相连。

10.根据权利要求1所述的多层PCB电小惠更斯源天线，其特征在于，所述第一下层磁偶极子贴片和所述第二下层磁偶极子贴片之间的间隙为0.1mm-0.3mm。