CN209282394U - 一种基于基片集成波导的双频双极化天线 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于基片集成波导的双频双极化天线，包括介质基板，所述介质基板上表面设置相互正交的第一微带线及第二微带线，交点位于介质基板的中心点，所述介质基板的下表面设置缝隙辐射结构及集成波导腔体结构，所述缝隙辐射结构与集成波导腔体结构连接；所述缝隙辐射结构由四个相同结构的缝隙单元构成，四个缝隙单元分别位于两个相互正交的第一微带线及第二微带线构成的四个象限内；所述缝隙单元由半圆形缝隙、矩形缝隙及矩形缝隙延伸的两条窄圆弧构成，所述半圆形缝隙与矩形缝隙连接。本天线具有良好的辐射特性。
Description
技术领域
本实用新型涉及无线通信领域，具体涉及一种基于基片集成波导的双频双极化天线。
背景技术
随着社会的发展，科学技术的进步，无线通信在人们生活中发挥着愈来愈重要的作用，天线作为无线通信中必不可少的部分也得到了飞速发展。一方面多种无线通信制式系统并存；另一方面，为满足射频系统多频段的要求，天线需要具有多频特性。多频天线不仅能满足人与人之间大量的信息高速度传递的需求，并且可以使一副天线工作于多个通信系统频段，从而减少载体上天线的数目，实现通信设备的小型化。2009年9月IEEE官方定义了IEEE 802.11n标准，规定：2.4-2.4835GHz与5.15-5.85GHz为无线WiFi工作频段。WiFi是WLAN的重要组成部分，如今，WiFi技术已经成为人们生活必不可少的通信技术，而天线作为无线通信必不可少的部分，所以研究覆盖上述频段的双频双极化天线是非常有意义的。
基片集成波导技术是近年来提出的一种可以集成于介质基片中的具有低插损和低辐射等特性的新型波导结构，它是通过在上下底面为金属层的低损耗介质基片(如LTCC介质基片)上，开周期性金属化通孔阵列而实现。基片集成波导结构可以在介质基片上实现传统的金属波导传输特性，具有低辐射、低插损、高Q值、小型化和容易连接等优点，同时又能够有效的实现有源和无源集成，应用SIW实现滤波器和双工器等高Q值的无源器件，可以把整个微波毫米波系统制作在一个封装结构内，使微波毫米波系统小型化，而且基片集成波导结构可以利用PCB或LTCC工艺精确实现，与传统波导形式的微波器件相比，加工成本十分低廉，因此在微波毫米波集成电路设计和生产中有广阔的应用前景。
差分天线改变了传统天线的单端口馈电设计，采用双馈电端口，对两馈电端口直接输入差分信号。差分天线较传统天线有以下优势：1)不需要使用巴伦等转换器件将射频前端输出的差分信号转换为单端口信号，可以有效的减少信号在输入端口的损耗，提高天线的效率。2)差分天线可直接与射频前端系统输出的差分信号相接，使射频前端拥有更高的集成度。3)双极化天线采用差分馈电，可以获得较高的差分端口隔离度。
实用新型内容
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本实用新型提供一种基于基片集成波导的双频双极化天线。
本实用新型通过采用单层介质板、两条微带馈线、缝隙结构以及基片集成波导腔体结构进行组合,提出一种结构简单、端口隔离度高、便于制作实现的基片集成波导的双频双极化天线。
本实用新型采用如下技术方案：
一种基于基片集成波导的双频双极化天线，包括介质基板，所述介质基板上表面设置相互正交的第一微带线及第二微带线，交点位于介质基板的中心点，所述介质基板的下表面设置缝隙辐射结构及集成波导腔体结构，所述缝隙辐射结构与集成波导腔体结构连接；
所述缝隙辐射结构由四个相同结构的缝隙单元构成，四个缝隙单元分别位于两个相互正交的第一微带线及第二微带线构成的四个象限内；
所述缝隙单元由半圆形缝隙、矩形缝隙及矩形缝隙延伸的两条窄圆弧构成，所述半圆形缝隙与矩形缝隙连接。
所述四个相同结构的缝隙单元关于第一微带线、第二微带线及介质基板中心点对称。
所述缝隙辐射结构还包括一个正方形缝隙，所述正方形缝隙的四个连接点分别为四个半圆形缝隙的顶点。
本实用新型还包括外接的SMA头，所述外接的SMA头有两组，一组其内外导体分别接第一微带线和缝隙辐射结构来对缝隙进行馈电，形成垂直极化电磁波；
另一组其内外导体分别接缝隙辐射结构和第二微带线对缝隙进行馈电，形成水平极化电磁波。
所述第一微带线及第二微带线的结构尺寸相同，均由五段微带线连接构成。
所述集成波导腔体结构内设置金属化过孔。
所述两个窄圆弧缝隙的尺寸相同，其宽度为0.02λ0-0.15λ0，窄圆弧缝隙的末端距离矩形缝隙为0.1λ0-0.3λ0。其中λ0为该天线高频段中心谐振频率处所对应的自由空间波长。
所述缝隙辐射结构由差分信号馈电，直接馈入幅度相等且相位相差180度的差分信号。
本实用新型介质基板及集成波导腔体结构的厚度为0.03λ0-0.6λ0，其中λ0为该天线高频段中心谐振频率处所对应的自由空间波长。
所述矩形缝隙的长度为0.1λ0-0.3λ0，半圆形缝隙及矩形缝隙的总宽度为0.1λ0-0.3λ0，其中λ0为该天线高频段中心谐振频率处所对应的自由空间波长。
本实用新型的有益效果：
(1)本实用新型的基片集成波导的双频双极化天线完全覆盖WIFI频段,端口隔离度大于40dB,辐射方向图保持稳定,结构简单,剖面低，容易加工，容易集成,在无线通信领域有很好的应用前景；
(2)本实用新型的缝隙辐射结构中的矩形缝隙及半圆形缝隙提高高频段的覆盖能力，窄圆弧提高低频段的覆盖能力；
(3)本实用新型的基片集成波导腔体结构有效地降低了天线的剖面高度；
(4)本实用新型的差分馈电端口关于天线中心对称，提高了端口之间的隔离度。
附图说明
图1是本实用新型的结构示意图；
图2是图1的俯视图；
图3是图1的侧视图；
图4是图1中的缝隙辐射结构的俯视图；
图5是图1中第一微带线及第二微带线的俯视图；
图6是图1中的基片集成波导腔体结构；
图7是本实用新型的基片集成波导的双频双极化天线的阻抗带宽；
图8是本实用新型的基片集成波导的双频双极化天线的端口隔离度；
图9是本实用新型的基片集成波导的双频双极化天线在频率2.45GHz处的XOZ平面的辐射方向图；
图10是本实用新型的基片集成波导的双频双极化天线在频率5.5GHz处的XOZ平面的辐射方向图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本实用新型作进一步地详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。
实施例
如图1-图6所示，一种基于基片集成波导的双频双极化天线，包括介质基板1，所述介质基板上表面设置相互正交的的第一微带线3a及第二微带线3b，交点位于介质基板的中心点，第一微带线可以看做以介质基板中心点为原点的X轴，则第二微带线位于Y轴。所述介质基板下表面设置缝隙辐射结构2及基片集成波导腔体结构5，缝隙辐射结构位于介质基板与基片集成波导腔体结构的中间，且与基片集成波导腔体结构连接。
所述缝隙辐射结构由四个相同结构的缝隙单元构成，四个缝隙结构均匀设置在以介质基板中心点为圆心的圆上，四个缝隙单元具体位于两个相互正交的第一微带线及第二微带线构成的四个象限内，并关于第一微带线、第二微带线及介质基板中心点对称。
所述缝隙单元由半圆形缝隙、矩形缝隙及矩形缝隙延伸的两条窄圆弧构成，所述半圆形缝隙与矩形缝隙连接，半圆形缝隙的半圆弧朝向介质基板的中心点，本实施中半圆形缝隙的直径小于矩形缝隙的长，两条窄圆弧宽度相同，两条窄圆弧相隔一定距离，围成半圆形结构。
所述缝隙辐射结构还包括一个正方形缝隙，所述正方形缝隙的四个顶点分别为四个半圆形弧的顶点，使四个辐射单元连成一个整体。正方形缝隙的长w5为0.05λ0-0.15λ0，其中λ0为该天线高频段中心谐振频率处所对应的自由空间波长。
所述基片集成波导腔体结构内设置金属化过孔4，和缝隙辐射结构所在的金属层，以及集成波导腔体结构底部相连接。
所述介质基板长宽高为d1*d1*h1,所述基片集成波导腔体结构5位于介质基板下方并紧挨介质基板，大小d2*d2*h2。基片集成波导腔体结构中的金属化过孔4，金属化过孔4的直径范围为0.005λ0-0.2λ0，所述介质基板1和集成波导腔体结构5的相对介电常数范围为1-10,介质基板1和集成波导腔体结构5的厚度范围为0.03λ0-0.6λ0，其中λ0为该天线高频段中心谐振频率处所对应的自由空间波长。
所述第一微带线3a和第二微带线3b分别由五段微带线构成，两端的微带线的宽度长度相同，与两端最宽的微带线连接的微带线长度宽度相同，宽度最小的微带线位于中间，关于介质基板中心点对称。由介质基板边缘到介质基板中心点微带线的宽度由大到小，具体由长分别为s1、s2、s3、s4、s5和宽分别为g1、g2、g3、g4、g5微带线组成；所述第一微带线3a位于X轴上,所述第二微带线3b位于Y轴上,所述第一微带线3a及第二微带线3b的各参数范围为的范围为：s1的范围为0.1λ0-0.5λ0，s2的范围为0.1λ0-0.5λ0，s3的范围为0.2λ0-0.6λ0，s4的范围为0.2λ0-0.6λ0，s5的范围为0.2λ0-0.6λ0，g1的范围为0.01λ0-0.2λ0，g2的范围为0.01λ0-0.2λ0，g3的范围为0.01λ0-0.2λ0，g4的范围为0.01λ0-0.2λ0，g5的范围为0.001λ0-0.1λ0。
所述第一微带线3a组成与天线之间的阻抗匹配电路,所述第二微带线3b组成与天线之间的阻抗匹配电路。
还包括外接的SMA头，所述外接的SMA头有两组，一组其内外导体分别接第一微带线和缝隙辐射结构来对缝隙辐射结构的缝隙进行馈电，形成垂直极化电磁波；
另一组内外导体分别接缝隙辐射结构和第二微带线对缝隙进行馈电，形成水平极化电磁波。
所述缝隙辐射结构由差分信号馈电，直接馈入幅度相等且相位相差180度的差分信号。
本实施例中具体尺寸如下：
对照附图7给出当介质基板1、基片集成波导腔体结构5分别按照相对介电常数为3.48、3.55，厚度为0.76mm、4mm；缝隙辐射结构中w1为0.16λ0、w2为0.19λ0、w3为0.2λ0、w4为0.04λ0、w5为0.12λ0、s1为0.17λ0、s2为0.17λ0、s3为0.27λ0、s4为0.27λ0、s5为0.27λ0、g1为0.03λ0、g2为0.03λ0、g3为0.022λ0、g4为0.022λ0、g5为0.008λ0时,通过HFSS仿真软件计算的所述天线的反射系数和隔离度频率特性。
根据图7和图8的结果可见,基片集成波导双频双极化天线在工作频带为2.4GHz-2.5GHz，5.03GHz-5.88GHz时回波损耗达-10dB,隔离度超过40dB,具有高隔离度的工作特性。
附图9及图10给出了当介质基板面积为1.17λ0*1.17λ0、基片集成波导腔体面积为1.11λ0*1.11λ0时,利用HFSS软件仿真计算得到的天线在工作频率为2.45GHz和5.5GHz时,天线在XOZ面及YOZ面增益方向图。从图9及图10可见,天线具有良好的辐射特性。
上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于基片集成波导的双频双极化天线，其特征在于，包括介质基板，所述介质基板上表面设置相互正交的第一微带线及第二微带线，交点位于介质基板的中心点，所述介质基板的下表面设置缝隙辐射结构及集成波导腔体结构，所述缝隙辐射结构与集成波导腔体结构连接；
所述缝隙辐射结构由四个相同结构的缝隙单元构成，四个缝隙单元分别位于两个相互正交的第一微带线及第二微带线构成的四个象限内；
所述缝隙单元由半圆形缝隙、矩形缝隙及矩形缝隙延伸的两条窄圆弧构成，所述半圆形缝隙与矩形缝隙连接。
2.根据权利要求1所述的双频双极化天线，其特征在于，所述四个相同结构的缝隙单元关于第一微带线、第二微带线及介质基板中心点对称。
3.根据权利要求1所述的双频双极化天线，其特征在于，所述缝隙辐射结构还包括一个正方形缝隙，所述正方形缝隙的四个连接点分别为四个半圆形缝隙的顶点。
4.根据权利要求1-3任一项所述的双频双极化天线，其特征在于，还包括外接的SMA头，所述外接的SMA头有两组，一组其内外导体分别接第一微带线和缝隙辐射结构来对缝隙进行馈电，形成垂直极化电磁波；
另一组其内外导体分别接缝隙辐射结构和第二微带线对缝隙进行馈电，形成水平极化电磁波。
5.根据权利要求1所述的双频双极化天线，其特征在于，所述第一微带线及第二微带线的结构尺寸相同，均由五段微带线连接构成。
6.根据权利要求1所述的双频双极化天线，其特征在于，所述集成波导腔体结构内设置金属化过孔。
7.根据权利要求1所述的双频双极化天线，其特征在于，两个窄圆弧缝隙的尺寸相同，其宽度为0.02λ0-0.15λ0，窄圆弧缝隙的末端距离矩形缝隙为0.1λ0-0.3λ0，其中λ0为该天线高频段中心谐振频率处所对应的自由空间波长。
8.根据权利要求1所述的双频双极化天线，其特征在于，所述缝隙辐射结构由差分信号馈电，直接馈入幅度相等且相位相差180度的差分信号。
9.根据权利要求1所述的双频双极化天线，其特征在于，介质基板及集成波导腔体结构的厚度为0.03λ0-0.6λ0，其中λ0为该天线高频段中心谐振频率处所对应的自由空间波长。
10.根据权利要求1所述的双频双极化天线，其特征在于，所述矩形缝隙的长度为0.1λ0-0.3λ0，半圆形缝隙及矩形缝隙的总宽度为0.1λ0-0.3λ0，其中λ0为该天线高频段中心谐振频率处所对应的自由空间波长。
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