CN210092348U - 一种圆极化基片集成介质天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种圆极化基片集成介质天线，它的工作频段是V波段，该天线包括分布在下层介质基板的半模基片集成波导结构和分布在上层介质基板中由空气孔围成的圆柱形介质谐振器。其中间金属层开有“X”形槽缝。半模基片集成波导与开槽缝接地平面相互耦合，电磁波能量从半模基片集成波导通过交叉槽缝耦合到上面的圆柱形介质谐振器中，在介质谐振器中激励起两个幅度近似相等，相位相差90度的正交简并模，产生圆极化辐射及良好的辐射特性。本实用新型依托多层印刷电路板技术，能够实现介质谐振器和半模基片集成波导的一体化和平面化。该天线具有低剖面、高增益、高效率、易与平面电路集成等优势，在无线通讯系统中具有较好的使用前景。

Description

一种圆极化基片集成介质天线

技术领域

本实用新型属于光学、微波、无线通信与测试仿真技术领域，具体涉及一种圆极化基片集成介质天线。

背景技术

随着通信信息技术的不断发展，为了提高通信系统的通讯速率，目前通信频段越来越向高频段发展，工作在高频段要求天线具有尺寸小、增益高、集成度高、易与平面电路集成等相关特性。介质谐振器天线因为其优良的辐射特性例如带宽较宽、体积较小、辐射效率高等被广泛关注和应用，但是这些介质谐振器通常采用陶瓷制作，高度与直径的尺寸都比较大，从而表现出较高的剖面，制作工艺复杂且精度要求很高，成品率较低，导致成本较高，使得这些介质谐振器天线不能很好的与平面电路集成，也不适合基于印刷电路板工艺的低剖面加工和应用。

微带天线具有平面电路结构，易与微波毫米波电路集成，加工设计简便，但其传输损耗大，功率容量小，也不适于全面推广。基片集成波导因为其自身低剖面的结构而容易与平面电路相集成，可以通过印刷电路板技术实现基片集成波导技术。但是在较低的微波频段时，基片集成波导结构占用较大的印刷电路板尺寸，造成很大的浪费，在一定程度上限制了其应用。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对现有技术的不足而提供的一种圆极化基片集成介质天线，本实用新型采用第一介质基板、第二介质基板构成，通过第二介质基板上的数个通孔与第三金属层上的圆形孔构成一个圆柱形介质谐振器；通过第一介质基板的金属棒分别与第一金属层及第二金属层导通构成一个半模基片集成波导结构，并通过第二金属层上的“Ｘ”形槽缝实现馈电并得到圆极化辐射。本实用新型半模基片集成波导结构，不仅继承了基片集成波导的损耗低、品质因数高、功率容量大的优点，而且还具有微带天线的低轮廓、易集成、低成本及高可靠性的优势。本实用新型的圆柱形介质谐振器结构，不仅具有剖面低、易与平面电路集成的优点，且具有体积小、辐射效率高及带宽较宽的优点。本实用新型实现天线的一体化，从而易实现天线结构与平面电路的衔接，具有集成度高、精度高且易于加工的优点。

实现本实用新型目的的具体技术方案是：

一种圆极化基片集成介质天线，其特点包括第一介质基板、第二介质基板、第一金属层、第二金属层及第三金属层；

所述第一介质基板为矩形板，其板上沿中轴线分割的一侧边设有呈“L”形排列的数个通孔，且每个通孔内均嵌有金属棒；

所述第二介质基板为矩形板，其板面上设有第二圆心及与第二圆心同心的圆圈，沿圆圈的圆周均布设有数个通孔；

所述第一金属层为刀把形板，其板面为第一介质基板的一半，且沿第一介质基板的中轴线分割，刀把形板的一端设有长条的刀把；

所述第二金属层为矩形板，其板面上设有第四圆心，圆心上设有镂空的“Ｘ”形的槽缝；

所述第三金属层为矩形板，其板面上设有第五圆心及与第五圆心同心的镂空的圆形孔；

所述第三金属层、第二介质基板、第二金属层及第一介质基板由上向下依次叠加贴合，且第三金属层上的第五圆心、第二介质基板上的第二圆心及第二金属层上的第四圆心重合；

第一金属层与第一介质基板贴合，且第一金属层覆盖第一介质基板上呈“L”形排列的数个通孔。

所述第一介质基板的两面分别与第一金属层及第二金属层贴合，第一介质基板的金属棒分别与第一金属层及第二金属层导通，第一介质基板呈“L”形排列的金属棒与第一金属层及第二金属层构成一个半模基片集成波导结构。

所述第二介质基板的上表面与第三金属层贴合，第二介质基板上沿圆圈均布的数个通孔与第三金属层上的圆形孔构成一个圆柱形介质谐振器。

所述第二金属层为金属接地层，第二金属层上构成“Ｘ”形槽缝的一撇一捺相互交叉，且一撇一捺为一长一短，且一撇一捺与第二金属层矩形板的边线呈±45º的夹角。

所述第一金属层为馈电层，第一金属层上的刀把构成梯形转接器。

所述第一介质基板及第二介质基板分别选用Rogers RT5880介质基片及RogersRT6010介质基片。

所述第一金属层、第二金属层及第三金属层的材质为铜材。

本实用新型采用第一介质基板、第二介质基板构成，通过第二介质基板上的数个通孔与第三金属层上的圆形孔构成一个圆柱形介质谐振器；通过第一介质基板的金属棒分别与第一金属层及第二金属层导通构成一个半模基片集成波导结构，并通过第二金属层上的“Ｘ”形槽缝实现馈电并得到圆极化辐射。本实用新型半模基片集成波导结构，不仅继承了基片集成波导的损耗低、品质因数高、功率容量大的优点，而且还具有微带天线的低轮廓、易集成、低成本及高可靠性的优势。本实用新型的圆柱形介质谐振器结构，不仅具有剖面低、易与平面电路集成的优点，且具有体积小、辐射效率高及带宽较宽的优点。本实用新型实现天线的一体化，从而易实现天线结构与平面电路的衔接，具有集成度高、精度高且易于加工的优点。

本实用新型的有益效果是，本实用新型采用半模基片集成波导和开了交叉槽缝的接地金属面进行耦合，在上层的圆柱体介质谐振器产生圆极化辐射。其半模基片集成波导结构和圆柱体介质谐振器结构能够通过印刷电路板工艺有效地集成在一起，从而能够很容易地实现天线结构与平面电路结构的衔接，易加工且加工精度高。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型第一金属层的结构示意图；

图3为本实用新型第一介质基板的结构示意图；

图4为本实用新型第二金属层的结构示意图；

图5为本实用新型第二介质基板的结构示意图；

图6为本实用新型第三金属层的结构示意图；

图7为本实用新型的回波损耗结果图；

图8为本实用新型的轴比结果图；

图9为本实用新型在58GHz时E面和H面的辐射方向图；

图10为本实用新型的增益结果图；

图11为本实用新型的结构参数表。

具体实施方式

参阅图1，本实用新型包括第一介质基板1、第二介质基板2、第一金属层3、第二金属层4及第三金属层5。

参阅图1、图3，所述第一介质基板1为矩形板，其板上沿中轴线分割的一侧边设有呈“L”形排列的数个通孔，且每个通孔内均嵌有金属棒11。

参阅图1、图5，所述第二介质基板2为矩形板，其板面上设有第二圆心及与第二圆心同心的圆圈，沿圆圈的圆周均布设有数个通孔21。

参阅图1、图2，所述第一金属层3为刀把形板，其板面为第一介质基板1的一半，且沿第一介质基板1的中轴线分割，刀把形板的一端设有长条的刀把31。

参阅图1、图4，所述第二金属层4为矩形板，其板面上设有第四圆心，圆心上设有镂空的“Ｘ”形的槽缝41。

参阅图1、图6，所述第三金属层5为矩形板，其板面上设有第五圆心及与第五圆心同心的镂空的圆形孔51。

参阅图1，所述第三金属层5、第二介质基板2、第二金属层4及第一介质基板1由上向下依次叠加贴合，且第三金属层5上的第五圆心、第二介质基板2上的第二圆心及第二金属层4上的第四圆心重合。

第一金属层3与第一介质基板1贴合，且第一金属层3覆盖第一介质基板1上呈“L”形排列的数个通孔。

参阅图1，所述第一介质基板1的两面分别与第一金属层3及第二金属层4贴合，第一介质基板1的金属棒11分别与第一金属层3及第二金属层4导通，第一介质基板1呈“L”形排列的金属棒11与第一金属层3及第二金属层4构成一个半模基片集成波导结构。

参阅图1，所述第二介质基板2的上表面与第三金属层5贴合，第二介质基板2上沿圆圈均布的数个通孔21与第三金属层5上的圆形孔51构成一个圆柱形介质谐振器。

参阅图1、图4，所述第二金属层4为金属接地层，第二金属层4上构成“Ｘ”形槽缝41的一撇一捺相互交叉，且一撇一捺为一长一短，且一撇一捺与第二金属层4矩形板的边线呈±45º的夹角。

参阅图1、图2，所述第一金属层3为馈电层，第一金属层3上的刀把31构成梯形转接器。

参阅图1、图3、图5，所述第一介质基板1及第二介质基板2分别选用Rogers RT5880介质基片及RogersRT6010介质基片。

所述第一金属层3、第二金属层4及第三金属层5的材质为铜材。

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明。

参阅图1，本实用新型为一种单端口馈电的多层结构的天线，其工作频段是V波段。

本实用新型由第一介质基板1、第二介质基板2、第一金属层3、第二金属层4及第三金属层5构成；且第三金属层5、第二介质基板2、第二金属层4、第一介质基板1及第一金属层3依次贴合而成。

参阅图1、图5、图6，本实用新型的第二介质基板2的上表面与第三金属层5贴合，第二介质基板2上沿圆圈均布的数个通孔21与第三金属层5上的圆形孔51构成一个圆柱形介质谐振器。

参阅图1、图2、图3、图4，本实用新型的第一介质基板1的两面分别与第一金属层3及第二金属层4贴合，且设于第一介质基板1上的金属棒11分别与第一金属层3及第二金属层4导通，由第一介质基板1呈“L”形排列的金属棒11与第一金属层3及第二金属层4构成一个半模基片集成波导结构，并通过第二金属层4上的“Ｘ”形槽缝41实现馈电并得到圆极化辐射。

参阅图4，为提高圆极化辐射的效率，本实用新型第二金属层4上构成“Ｘ”形槽缝41的一撇一捺相互交叉，且一撇一捺为一长一短，且一撇一捺与第二金属层4矩形板的边线呈±45º的夹角。

参阅图1、图4、图5、图6，本实用新型半模基片集成波导结构与接地的第二金属层4相互耦合，电磁波能量通过“Ｘ”形槽缝41耦合到上方第二介质基板2及第三金属层5构成的圆柱形介质谐振器并被辐射出去，电磁波能量通过“Ｘ”形槽缝41产生90°的相位差从而激励圆极化。

本实用新型在该天线的阻抗带宽是从57.4GHz到59.8GHz，相对带宽为4.1%，在58.3GHz处回波损耗达到-25dB以下，表现出较好的谐振特性。天线在整个工作频段内增益都高于5dBic，并且在58.5GHz的时候达到了峰值7.8dBic。天线的轴比带宽是56.8GHz到59.0GHz，达到3.8%。

参阅图1、图3、图5，本实用新型第一介质基板1选用Rogers RT5880介质基片，其介电常数为2.2，损耗角正切为0.0013，其厚度为0.127mm；第二介质基板2选用RogersRT6010介质基片，其介电常数为11.2，损耗角正切为0.0013，其厚度为0.635mm。

参阅图1、图2、图11，本实用新型第一金属层3为刀把形板，其板面为第一介质基板1的一半，且沿第一介质基板1的中轴线分割，刀把形板的一端设有长条的刀把31；第一金属层3为馈电层，第一金属层3上的刀把31构成梯形转接器。本实用新型馈电层及梯形转接器设计，通过梯形转接器使半模基片集成波导与天线外的微带线相连，实现工作模式的过渡和匹配。l_t和w_t分别代表梯形转接器的长度和宽度。

参阅图1、图4、图11，本实用新型第二金属层4为矩形板，其板面上设有第四圆心，圆心上设有镂空的“Ｘ”形的槽缝41；交叉槽缝41的一撇一捺为一长一短，且一撇一捺与第二金属层矩形板的边线呈±45º的夹角。本实用新型采用一对长度不相等的交叉槽缝41进行激励，槽缝41的长度分别是l₁和l₂，宽度均为w_s，交叉槽缝的中心距离半模基片集成波导短路端的距离为D。电磁场能量通过这对交叉槽缝41从半模基片集成波导中耦合到介质谐振器天线中，并在介质谐振器天线中激励起两个幅度近似相等，相位相差90°的正交简并模，从而产生圆极化辐射。

参阅图1、图3、图11，本实用新型第一介质基板1为矩形板，其板上沿中轴线分割的一侧边设有呈“L”形排列的数个通孔，且每个通孔内均嵌有金属棒11；其中，W_hm为“L”形排列的宽度，L_hm为“L”形排列的长度，d_via为通孔的孔径， s为通孔的孔距。

参阅图1、图5、图11，本实用新型第二介质基板2为矩形板，其板面上设有第二圆心及与第二圆心同心的圆圈，沿圆圈的圆周均布设有数个通孔21；

第二介质基板2上的通孔21为对应圆柱形介质谐振器天线填充空气介质的孔径。在第二介质基板2上设置通孔21并填充空气介质，d1为通孔21的孔径，通孔21中的空气将中间的介质隔离出来，形成近似于圆柱体的介质谐振器，沿圆圈的圆周均布的通孔21等效于孤立的圆柱形介质谐振器周边的空气区域，这就形成了基片集成式的介质谐振器天线。

参阅图6，本实用新型第三金属层5为矩形板，其板面上设有第五圆心及与第五圆心同心的镂空的圆形孔51；圆形孔51的设置，使得空气能进入并填充第二介质基板的通孔21内。

参阅图7，本实用新型在频段内实现了左圆极化，本实用新型的阻抗带宽是从57.4GHz到59.8GHz，达到4.1%，本实用新型在58.3GHz处回波损耗达到-25dB以下，表现出较好的谐振特性。

参阅图8，本实用新型的轴比带宽是从56.8GHz到59.0GHz，达到3.8%，本实用新型的轴比带宽几乎与阻抗带宽重叠，在工作频段内实现了有效的圆极化辐射。

参阅图9，本实用新型的主极化方向为左旋圆极化，其中,图9a为 E面电场的辐射方向图，即电场主极化方向为左旋圆极化的示意图；图9b为 H面磁场的辐射方向图，即磁场主极化方向为左旋圆极化的示意图；由图9a的E面及图9b的 H面可看出，右旋圆极化在3dB波束宽度内几乎都低于-20 dB，表现出较低的交叉极化电平。

参阅图10，本实用新型在整个工作频段内增益都高于5dBic，并且在58.5GHz的时候达到了峰值7.8dBic，具有较高的增益。

以上所述,仅是本实用新型的较优案例,并非对本实用新型作任何形式上的限制,虽然本实用新型已经对实施案例做了详细的阐述,然而并非用以限定本实用新型,任何熟悉该领域专业人士,在不脱离本实用新型技术方案范围内,当可利用上述揭示的方法及技术内容做出些许的更改或修饰为同等变化的等效实施案例,但凡是未脱离本实用新型技术方案的内容,根据本实用新型的技术实质对上实施案例所作的任何简单修改,等同变化与修饰,仍属本实用新型技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种圆极化基片集成介质天线，其特征在于，它包括第一介质基板（1）、第二介质基板（2）、第一金属层（3）、第二金属层（4）及第三金属层（5）；

所述第一介质基板（1）为矩形板，其板上沿中轴线分割的一侧边设有呈“L”形排列的数个通孔，且每个通孔内均嵌有金属棒（11）；

所述第二介质基板（2）为矩形板，其板面上设有第二圆心及与第二圆心同心的圆圈，沿圆圈的圆周均布设有数个通孔（21）；

所述第一金属层（3）为刀把形板，其板面为第一介质基板（1）的一半，且沿第一介质基板（1）的中轴线分割，刀把形板的一端设有长条的刀把（31）；

所述第二金属层（4）为矩形板，其板面上设有第四圆心，圆心上设有镂空的“Ｘ”形的槽缝（41）；

所述第三金属层（5）为矩形板，其板面上设有第五圆心及与第五圆心同心的镂空的圆形孔（51）；

所述第三金属层（5）、第二介质基板（2）、第二金属层（4）及第一介质基板（1）由上向下依次叠加贴合，且第三金属层（5）上的第五圆心、第二介质基板（2）上的第二圆心及第二金属层（4）上的第四圆心重合；

第一金属层（3）与第一介质基板（1）贴合，且第一金属层（3）覆盖第一介质基板（1）上呈“L”形排列的数个通孔。

2.根据权利要求1所述的一种圆极化基片集成介质天线，其特征在于，所述第一介质基板（1）的两面分别与第一金属层（3）及第二金属层（4）贴合，第一介质基板（1）的金属棒（11）分别与第一金属层（3）及第二金属层（4）导通，第一介质基板（1）呈“L”形排列的金属棒（11）与第一金属层（3）及第二金属层（4）构成一个半模基片集成波导结构。

3.根据权利要求1所述的一种圆极化基片集成介质天线，其特征在于，所述第二介质基板（2）的上表面与第三金属层（5）贴合，第二介质基板（2）上沿圆圈均布的数个通孔（21）与第三金属层（5）上的圆形孔（51）构成一个圆柱形介质谐振器。

4.根据权利要求1所述的一种圆极化基片集成介质天线，其特征在于，所述第二金属层（4）为金属接地层，第二金属层（4）上构成“Ｘ”形槽缝（41）的一撇一捺相互交叉，且一撇一捺为一长一短，且一撇一捺与第二金属层（4）矩形板的边线呈±45º的夹角。

5.根据权利要求1所述的一种圆极化基片集成介质天线，其特征在于，所述第一金属层（3）为馈电层，第一金属层（3）上的刀把（31）构成梯形转接器。

6.根据权利要求1所述的一种圆极化基片集成介质天线，其特征在于，所述第一介质基板（1）及第二介质基板（2）分别选用Rogers RT5880介质基片及RogersRT6010介质基片。

7.根据权利要求1所述的一种圆极化基片集成介质天线，其特征在于，所述第一金属层（3）、第二金属层（4）及第三金属层（5）的材质为铜材。

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