CN206864632U - 一种基于bst基板的频率可调的毫米波天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于BST基板的频率可调的毫米波天线，其包括BST基板、设置在所述BST基板上的毫米波天线，所述BST基板包括第一表面与相对的第二表面，所述毫米波阵列天线系统设置在第一表面上，所述第一表面上设置有正电极，所述第二表面上设置有接地电极，所述BST基板上设置有与所述正电极连通的金属过孔。本实用新型解决了在有限的空间内集成多个天线的空间受限问题，提高了天线的支持频段，降低了成本。

Description

一种基于BST基板的频率可调的毫米波天线

技术领域

本实用新型涉及一种通讯天线，特别是涉及一种基于BST基板的频率可调的毫米波天线。

背景技术

波长为1~10毫米的电磁波称毫米波，它位于微波与远红外波相交叠的波长范围，因而兼有两种波谱的特点，为下一代通信的主要频段。毫米波阵列天线是通过等幅同相等方式实现的平面或者立体的天线阵列。目前还没有毫米波终端上市，毫米波主要的研究方向还是在基站或是单体天线的研究上，通信终端例如手机上的研究还停留在毫米波组阵阶段，主要是研究阵子和组阵的形式。

目前，随着移动终端技术的发展，终端所集成的功能模块也越来越多，导致移动终端的可用空间越来越小；同时，随着通信技术的更新换代，越来越多的制式和频段会被同时集成在天线上，包括主天线、分集天线、WBG天线等，天线所占的空间和面积也越来越大，可被用于制作天线的空间则越来越少，越来越多的天线也会造成研发成本和人力成本的升高。可以预见，在5G通信时代下，天线的可用空间会成为棘手的一个问题。

现有技术中采用的方案是：不同频的天线不同形。可以预见的是随着通信的发展，在不远的将来，终端中的天线种类和数量会越来越多，导致终端以及天线工程师不堪重负。

现有专利多是采用PIFA天线或LOOP天线来把所有的通信频段集成在终端上，过多的通信频段导致了天线设计的复杂性且占用了过多的终端空间，导致终端空间拥挤。毫米波天线所支持的频段的固定的，无法进行调谐，因此，一个毫米波天线只能支持某一特定频段，专利CN201410605282.8公开了一种在近场具有扁平带状波束的毫米波天线，可以用于毫米波段的通信，但是频段固定，无法改变。

因此，有必要提供一种新的基于BST基板的频率可调的毫米波天线来解决上述问题。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于提供一种基于BST基板的频率可调的毫米波天线，解决了在有限的空间内集成多个天线的空间受限问题，提高了天线的支持频段，降低了成本。

本实用新型通过如下技术方案实现上述目的：一种基于BST基板的频率可调的毫米波天线，其包括BST基板、设置在所述BST基板上的毫米波天线，所述BST基板包括第一表面与相对的第二表面，所述毫米波阵列天线系统设置在第一表面上，所述第一表面上设置有正电极，所述第二表面上设置有接地电极，所述BST基板上设置有与所述正电极连通的金属过孔。

进一步的，其用于集成在移动终端上，所述正电极通过所述金属过孔与直流电正电极连接在一起。

进一步的，所述接地电极通过主板与主板上的地连接连通在一起。

所述毫米波阵列天线系统包括若干呈正方形阵列分布的矩形金属贴片、与所述矩形金属贴片连通的第一馈电单元与第二馈电单元，阵列分布的所述矩形金属贴片形成阵列天线单元。

进一步的，所有的所述矩形金属贴片通过微带金属条连通。

进一步的，所述第一馈电单元与所述第二馈电单元分别位于所述阵列天线单元的相邻的两边且相互垂直设置。

进一步的，所述第一馈电单元与所述第二馈电单元均包含有两个馈电点。

进一步的，所述馈电点通过微带线和连接单元与所述阵列天线单元连通。

进一步的，所述微带线上设置有两段不同的宽度，靠近所述馈电点一端的宽度小。

与现有技术相比，本实用新型一种基于BST基板的频率可调的毫米波天线的有益效果在于：充分利用毫米波天线占用空间小、通信效果好的特点，并将其集成在BST材质的基板上，通过利用BST基板可带来对天线谐振频率变化的特征，通过BST材质实现对毫米波天线谐振频率的调整，从而实现了用一个天线实现多个频段的通话，避免了空间的拥挤，节省了占用空间；且本方案的频率可调的天线大大降低了天线设计的复杂程度，进而降低了人力成本和研发成本。

附图说明

图1为本实用新型实施例的结构示意图；

图2为本实用新型实施例中毫米波阵列天线系统在BST基板上的俯视结构示意图；

图3为本实用新型实施例中连接单元的结构图示意图；

图4为本实用新型实施例在水平极化方式下仿真的辐射方向图；

图5为本实用新型实施例在垂直极化方式下仿真的辐射方向图；

图中数字表示：

1BST基板，11第一表面，12第二表面；2毫米波阵列天线系统，21矩形金属贴片，22第一馈电单元，23第二馈电单元，24微带金属条，25微带线，26连接单元；P1、P2、P3、P4馈电点；3正电极；4接地电极；5金属过孔。

具体实施方式

实施例：

请参照图1，本实施例为基于BST基板的频率可调的毫米波天线，其包括BST基板1、设置在BST基板1上的毫米波阵列天线系统2，BST基板1包括第一表面11与相对的第二表面12，毫米波阵列天线系统2设置在第一表面11上，第一表面11上设置有正电极3，第二表面12上设置有接地电极4，BST基板1上设置有与正电极3连通的金属过孔5。

本实施例基于BST基板的频率可调的毫米波天线用于集成在移动终端上，正电极3通过金属过孔5与直流电正电极连接在一起；接地电极4通过主板与主板上的地连接连通在一起。当直流电源供电时，BST基板1的介电常数会发生变化，介电常数的变化量取决于BST材料可调特性和BST基板1两端所加电压的大小和极性。

请参照图2，毫米波阵列天线系统2包括若干呈正方形阵列分布的矩形金属贴片21、与矩形金属贴片21连通的第一馈电单元22与第二馈电单元23。阵列分布的矩形金属贴片21形成阵列天线单元。

所有的矩形金属贴片21通过微带金属条24连通。将矩形金属贴片21用金属条22连通，其作用是能够保证各个单元之间的联合馈电。

矩形金属贴片21的边长为1-4mm，具体的，当需要设计28GHZ的毫米波波段天线时，矩形金属贴片21的边长最优的选择为3-4 mm，这样能够保证单元的矩形金属贴片21产生的辐射谐振频率在对应的毫米波波段；当需要设计60GHZ的毫米波波段天线系统时，矩形金属贴片21的边长最优的取值为1-2mm。

相邻两个矩形金属贴片21之间的距离会显着影响各个单元之间的耦合特性，对最后阵列的整体方向图和波束赋形（波束赋形是一种基于天线阵列的信号预处理技术，波束赋形通过调整天线阵列中每个阵元的加权系数产生具有指向性的波束，从而能够获得明显的阵列增益）效果产生影响。因此，本实施例中，相邻两个矩形金属贴片21之间的纵向或横向距离为4-6mm，具体的，在28GHz频段设计时，以6mm为较好的间隔，在设计60GHz阵列时，单元的间隔要相应的等比例缩小，此时，选择4mm为最佳。

第一馈电单元22与第二馈电单元23结构相同，分别位于所述阵列天线单元的相邻的两边且相互垂直设置。第一馈电单元22与第二馈电单元23均包含有两个馈电点，分别为P1和P2、P3和P4，此双馈系统能够更好的调节输入阻抗，保证整个天线系统的匹配特性；且通过第一馈电单元22与第二馈电单元23的联合工作，天线能够产生圆极化（当无线电波的极化面与大地法线面之间的夹角从0~360°周期的变化，即电场大小不变，方向随时间变化，电场矢量末端的轨迹在垂直于传播方向的平面上投影是一个圆时，称为圆极化，在电场的水平分量和垂直分量振幅相等，相位相差90°或270°时，便可以得到圆极化。）特征，此时圆极化特性的产生机理为：当调整两组馈电单元中馈电点的相位差时，能够保证馈入天线系统的能量为90度相位差，另外，两组馈电点的位置决定了馈入的能量在空间上是正交的，以上所述两点满足了圆极化产生的条件，所以整个天线系统能够实现圆极化。所述馈电点通过微带线25和连接单元26与所述阵列天线单元连通。微带线25上设置有两段不同的宽度，靠近所述馈电点一端的宽度小。通过设置宽度不同的微带线25结构，能够实现馈电点的阻抗变化，保证馈电点阻抗和天线阻抗匹配，保证馈入能量尽量多的传到天线端并辐射出去，减少了损耗。

第一馈电单元22中的微带线25与第二馈电单元23中的微带线25相互垂直设置，且各自垂直于所述阵列天线单元中的对应边，以保证两组馈电点的位置上馈入的能量在空间上是正交的。

请参照图3，连接单元26为一个“回”字型金属片结构。连接单元26是一个呈回字形的微带型式四端口网络结构，所述端口依次定义为A、B、C、D端口，其中C、D端口馈入能量，A、B端口将能量直接传输给所述阵列天线单元，但是因为所述阵列天线单元中的金属贴片组阵的间隔较近，A、B端口之间会存严重的互耦，并且C端口除了向A端口馈电，不可避免的向B端口耦合，同样，D端口希望向B端口馈电，但是也不可避免的耦合到A端口上，通过以上的四端口匹配网络的设计，能够保证C端口绝大部分能量馈入A、D端口绝大部份能量馈入B端口，能够消除互耦对组阵的影响。四个所述端口分为两组分别位于连接单元26的一组对边上，且其中一组端口通过微带线25与所述馈电点连通，另外一组端口与矩形金属贴片21连通。

图4与图5分别为本实施例在水平、垂直极化方式下的辐射方向图，从图2与图3中可以看出水平和垂直两个极化方式的辐射方向图的定向性都非常好，最大辐射方向一致，都在0度方向，这表明整个天线系统实际上是实现了很好的圆极化辐射特性。且本实施例双馈式的圆极化毫米波阵列天线系统100的整体增益能够达到20DBI以上，实现了高增益特性。

BST基板介电常数的变化会带来制作在基板上的贴片天线的谐振频率的变化，谐振频率的变化量取决于BST材料特性和所加电压的大小与极性。毫米波阵列天线系统2谐振频率随BST基板1两端所加电压变化而变化，这样便可以用一个天线实现多个频段的通话，避免了空间的拥挤；且利用此类可调天线大大降低了天线设计的复杂程度，无需制作多个用于不同频段的天线，降低人力成本和研发成本。

本实施例通过在BST基板上集成毫米波阵列天线系统，且将毫米波阵列天线系统设计成双馈式的圆极化天线，其能够辐射圆极化波电磁波，在能够产生很好的波束赋形的基础之上，能够更好的提高收发效率，达到减小极化损失的目的。在不增加阵列数量的基础之上，设计圆极化特性的毫米波阵列天线，能够同时产生水平极化和垂直极化的电磁波，保证了天线系统在收发信号的同时，最大程度上的减少天线的极化损失，本方案中设计的圆极化形式的毫米波阵列不仅能够完美的解决3GPP组织对未来毫米波双极化特性的构想，同时也填补了终端天线一直没有真正意义上的圆极化天线的空白。

本实施例基于BST基板的频率可调的毫米波天线的有益效果在于：充分利用毫米波天线占用空间小、通信效果好的特点，并将其集成在BST材质的基板上，通过利用BST基板可带来对天线谐振频率变化的特征，通过BST材质实现对毫米波天线谐振频率的调整，从而实现了用一个天线实现多个频段的通话，避免了空间的拥挤，节省了占用空间；且本方案的频率可调的天线大大降低了天线设计的复杂程度，进而降低了人力成本和研发成本。

以上所述的仅是本实用新型的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于BST基板的频率可调的毫米波天线，其特征在于：其包括BST基板、设置在所述BST基板上的毫米波阵列天线系统，所述BST基板包括第一表面与相对的第二表面，所述毫米波阵列天线系统设置在第一表面上，所述第一表面上设置有正电极，所述第二表面上设置有接地电极，所述BST基板上设置有与所述正电极连通的金属过孔。

2.如权利要求1所述的基于BST基板的频率可调的毫米波天线，其特征在于：其用于集成在移动终端上，所述正电极通过所述金属过孔与直流电正电极连接在一起。

3.如权利要求2所述的基于BST基板的频率可调的毫米波天线，其特征在于：所述接地电极通过主板与主板上的地连接连通在一起。

4.如权利要求1所述的基于BST基板的频率可调的毫米波天线，其特征在于：所述毫米波阵列天线系统包括若干呈正方形阵列分布的矩形金属贴片、与所述矩形金属贴片连通的第一馈电单元与第二馈电单元，阵列分布的所述矩形金属贴片形成阵列天线单元。

5.如权利要求4所述的基于BST基板的频率可调的毫米波天线，其特征在于：所有的所述矩形金属贴片通过微带金属条连通。

6.如权利要求4所述的基于BST基板的频率可调的毫米波天线，其特征在于：所述第一馈电单元与所述第二馈电单元分别位于所述阵列天线单元的相邻的两边且相互垂直设置。

7.如权利要求4所述的基于BST基板的频率可调的毫米波天线，其特征在于：所述第一馈电单元与所述第二馈电单元均包含有两个馈电点。

8.如权利要求7所述的基于BST基板的频率可调的毫米波天线，其特征在于：所述馈电点通过微带线和连接单元与所述阵列天线单元连通。

9.如权利要求8所述的基于BST基板的频率可调的毫米波天线，其特征在于：所述微带线上设置有两段不同的宽度，靠近所述馈电点一端的宽度小。