CN210926321U - 一种带状线馈电的宽带毫米波天线单元 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种带状线馈电的宽带毫米波天线单元，包括介质基板本体，以及贯通所述介质基板本体上下表面的多个金属化通孔；其特征在于，所述介质基板本体由依次叠合在一起的多层介质基板组成，在相邻两层所述介质基板之间、以及所述介质基板本体的上、下表面分别设有金属覆铜层，设置在所述介质基板本体下表面的金属覆铜层为全覆盖的大面积覆铜层，设置在最下两层所述介质基板之间的金属覆铜层为长条形带状线，剩下的各所述金属覆铜层均为蚀刻有矩形缝隙的大面积覆铜层，所述金属化通孔将各所述大面积覆铜层电气连接。本实用新型实现宽带的适用于PCB加工的高增益毫米波天线单元，具有高增益、高效率、宽带化、平面化、低成本、易于量产等优点。

Description

一种带状线馈电的宽带毫米波天线单元

技术领域

本实用新型涉及天线设计技术领域，具体涉及一种带状线馈电的宽带毫米波天线单元。

背景技术

天线是通信系统的重要组成部分，天线的性能将直接影响通信的质量。其中，毫米波频段是现代通信的重要频段。由于毫米波的频率较高，其路径损耗更大，在通信系统中一般需要使用高增益的毫米波天线。使用天线单元进行组阵来提升整体天线的增益是常用的方法，阵列中，单元的性能设计对整体阵列性能有决定性影响。

对于毫米波天线而言，其波长为毫米量级，因而对天线的加工精度提出了更高的要求。金属腔体天线虽然能实现较好的成品稳定性，但由于需要高精度机械加工，其成本较为昂贵。而采用平面加工工艺的印制电路板(PCB)技术、低温共烧陶瓷(LTCC)技术等，在实现较高成品精度的同时其成本较低，是毫米波天线的一个重要发展方向。

带状传输线是常用的平面结构的微波传输线，具备易于平面工艺加工、无色散的TEM场模式、低辐射泄露等优点。对于带状线馈电的天线单元，需要将带状线的传输电磁波高效率地转化为空间辐射电磁波。此外，随着通信系统不断地提升通信速率要求，具有宽带特性的天线越来越广泛地应用于天线设计中。

基于上述背景，在实际应用中需要一种带状线馈电的宽带毫米波天线单元，以满足现代毫米波通信中对天线宽带化、高效率、低加工成本等方面的需求。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种带状线馈电的宽带毫米波天线单元。该天线具有宽带化、高效率、低加工成本、平面化、易于量产等优点。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案。

一种带状线馈电的宽带毫米波天线单元，包括介质基板本体，以及贯通所述介质基板本体上下表面的多个金属化通孔；其特征在于，所述介质基板本体由依次叠合在一起的多层介质基板组成，在相邻两层所述介质基板之间、以及所述介质基板本体的上、下表面分别设有金属覆铜层，设置在所述介质基板本体下表面的金属覆铜层为全覆盖的大面积覆铜层，设置在最下两层所述介质基板之间的金属覆铜层为长条形带状线，剩下的各所述金属覆铜层均为蚀刻有矩形缝隙的大面积覆铜层，所述金属化通孔将各所述大面积覆铜层电气连接。

更为优选的是，各所述介质基板的长度不超过天线单元辐射波的1个自由空间波长。

更为优选的是，所述金属化通孔的数量多于八个，沿所述介质基板本体的一条水平线对称分布，各所述矩形缝隙介于两排所述金属化通孔之间，所述长条形带状线介于两列所属金属化通孔之间。

更为优选的是，所述水平线为水平中心线。

更为优选的是，所述长条形带状线设置在所述介质基板本体的竖直中心线上，各所述金属化通孔沿所述竖直中心线对称分布。

更为优选的是，各所述矩形缝隙和所述长条形带状线在所述下表面上的正投影有重合，且位于下侧的所述矩形缝隙开口尺寸小于位于上侧的所述矩形缝隙开口尺寸。

更为优选的是，相邻两行及相邻两列所述金属化通孔之间的间距小于天线单元辐射波的1/2介质波长。

更为优选的是，相邻两所述介质板之间通过半固化片以层压叠合在一起，所述长条形带状线的一端暴露在所述介质基板本体的侧部。

更为优选的是，所述宽带毫米波天线单元的工作频段为22-30GHz。

本实用新型采用上述技术解决方案所能达到的有益效果是：

介质基板本体采用多层设计，并在各层之间及介质基板本体的上下表面分别设置相应的金属覆铜层，仅结合金属化过孔就能实现宽带毫米波天线单元，避免了盲孔加工的难度和较高的成本；且使用带状线馈电，整体结构易于使用PCB加工，可以广泛应用于阵列天线的设计。实际使用时，通过设计各金属覆铜层缝隙尺寸和金属化通孔的位置，就可实现宽带的适用于PCB加工的高增益毫米波天线单元，具有高增益、高效率、宽带化、平面化、低成本、易于量产等优点。

附图说明

图1为本实用新型的天线的一个实施例的结构整体示意图；

图2为本实用新型的天线的结构俯视示意图；

图3为本实用新型的天线的回波损耗频率曲线图；

图4为本实用新型的天线的增益随频率变化的曲线图；

图5为本实用新型的天线的中心频率的磁场面辐射方向图；

图6为本实用新型的天线的中心频率的电场面辐射方向图。

附图标记说明：

1：第一金属覆铜层，11：第一矩形缝隙，21：第二矩形缝隙，2：第二金属覆铜层，3：第三金属覆铜层，4：第四金属覆铜层，5：金属化通孔，61：第一介质基板，62：第二介质基板，63：第三介质基板。

具体实施方式

在本实用新型的描述中，需要说明的是，对于方位词，如有术语“中心”，“横向”、“纵向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示方位和位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定方位构造和操作，不能理解为限制本实用新型的具体保护范围。

此外，如有术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”特征可以明示或者隐含包括一个或者多个该特征，在本实用新型描述中，“至少”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除另有明确规定和限定，如有术语“组装”、“相连”、“连接”术语应作广义去理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；也可以是机械连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介相连，可以是两个元件内部相连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述的术语在本实用新型中的具体含义。

在实用新型中，除非另有规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一特征和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“之下”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅是表示第一特征水平高度高于第二特征的高度。第一特征在第二特征“之上”、“之下”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度低于第二特征。

下面结合说明书的附图，对本实用新型的具体实施方式作进一步的描述，使本实用新型的技术方案及其有益效果更加清楚、明确。下面通过参考附图描述实施例是示例性的，旨在解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

如图1、图2所示，一种带状线馈电的宽带毫米波天线单元，包括：从上到下依次层压在一起的第一介质基板61、第二介质基板62和第三介质基板63，以及贯通各所述介质基板的金属化通孔5；在第一介质基本61的上表面、第一介质基板61和第二介质基板62之间、第二介质基板62和第三介质基板63之间、以及第三介质基板63的下表面分别设有第一金属覆铜层1、第二金属覆铜层2、第三金属覆铜层3和第四金属覆铜层4，所述第一金属覆铜层1、第二金属覆铜层2和第四金属覆铜层4为全覆盖的大面积覆铜层，所述金属化通孔5将各大面积覆铜层电气连接，所述第三金属覆铜层3为长条形带状线；在所述第一金属覆铜层1和所述第二金属覆铜层2上分别蚀刻有第一矩形缝隙11和第二矩形缝隙21。

其中，所述第三金属覆铜层3和上下侧的第二金属覆铜层2、第四金属覆铜层4组成带状传输线。所述第二矩形缝隙21用来将金属化通孔5在第二介质基板62和第三介质基板63内的谐振能量耦合至第一介质基板61。所述第一矩形缝隙11用来使耦合能量转化为空间辐射电磁波，调节匹配。这样，通过调整各矩形缝隙尺寸、金属化通孔5的位置以及各介质基板的厚度，就可以实现宽带的适用于PCB加工的高增益毫米波天线单元。

参见图2所示，金属化通孔5的通孔数量一般多于4个，关于水平方向对称。金属化通孔5的相邻间距一般小于1/2介质波长，从而可以近似为电壁，限制电磁波在垂直方向的扩散。因而金属化通孔5可以实现两个作用：首先，金属化通孔5在第二介质基板62和第三介质基板63的部分可看作一个金属谐振腔，第三金属覆铜层3等组成的带状传输线进行馈电激励形成谐振，通过第二矩形缝隙21将谐振能量耦合至第一介质基板61；其次，金属化通孔5在第一介质基板61的部分与第一矩形缝隙11一同可视为组成了喇叭天线结构，电磁波从第二矩形缝隙21耦合进来，通过该等效喇叭天线结构辐射至自由空间。

各结构对于天线性能的影响是：通过调节金属化通孔5的位置和第二矩形缝隙21的尺寸，可以调节谐振的频率和带宽；通过调节金属化通孔5的位置、第三金属覆铜层3和第一矩形缝隙11的尺寸，可以调节天线的匹配。通过选择合适的尺寸参数以及介质板材料和厚度，可以实现宽带的天线单元性能。

根据本申请的一个实施例，设计于工作在26GHz的带状线馈电的宽带毫米波天线单元。介质61至63均选用相对介电常数为3.0的介质基板，损耗角正切0.003，介质61和62的厚度为0.529mm，介质63的厚度为1.542mm，介质板的面积均为9mm×9mm。为了在相邻介质板之间有一块0.1mm厚度的半固化片以进行层压加工。馈电带状线3宽度选择为0.6mm，天线单元辐射场的电场方向即沿带状线方向。矩形缝隙21的尺寸为3.2mm×0.6mm，矩形缝隙11的尺寸为6.5mm×3.25mm。金属化通孔5的直径为0.5mm，相邻通孔距离为1mm，对角通孔沿带状线方向的距离为4.5mm，沿垂直于带状线方向的距离为4mm。

本实用新型的效果可以通过该实施例的仿真结果进一步说明。

参见图3所示，其是本实施例仿真所得的回波损耗S11的频率曲线图。从该图可以看到，本实施例提供的毫米波天线在23～29GHz之间都实现了-10dB以下的回波损耗性能，相对带宽23％，具有良好的宽带匹配特性。

图4为本实施例仿真所得的增益随频率变化的曲线图。从该图可以看到，本实施例提供的毫米波天线在22～30GHz之间都实现了6.5dB以上的天线增益，在宽频带内实现了较高的增益和效率。

图5为本实施例仿真所得的各频点的磁场面主极化辐射方向图。从该图可以看到，对于中心频点和边缘频点，本实施例提供的毫米波天线的磁场面方向图在主瓣范围内都非常稳定。

图6为本实施例仿真所得各频点的电场面主极化辐射方向图。从该图可以看到，对于中心频点和边缘频点，本实施例提供的毫米波天线的电场面方向图稍有波动，但在±45度范围内都较为稳定，没有栅瓣的产生。综合图5和图6的结果，本实施例提供的毫米波天线单元设计具有宽带的稳定的辐射方向图。

通过上述的结构和原理的描述，所属技术领域的技术人员应当理解，本实用新型不局限于上述的具体实施方式，在本实用新型基础上采用本领域公知技术的改进和替代均落在本实用新型的保护范围，本实用新型的保护范围应由各权利要求项及其等同物限定之。具体实施方式中未阐述的部分均为现有技术或公知常识。

Claims (9)

1.一种带状线馈电的宽带毫米波天线单元，包括介质基板本体，以及贯通所述介质基板本体上下表面的多个金属化通孔；其特征在于，所述介质基板本体由依次叠合在一起的三层介质基板组成，在相邻两层所述介质基板之间、以及所述介质基板本体的上、下表面分别设有金属覆铜层，设置在所述介质基板本体下表面的金属覆铜层为全覆盖的大面积覆铜层，设置在最下两层所述介质基板之间的金属覆铜层为长条形带状线，剩下的各所述金属覆铜层均为蚀刻有矩形缝隙的大面积覆铜层，所述金属化通孔将各所述大面积覆铜层电气连接。

2.根据权利要求1所述的一种带状线馈电的宽带毫米波天线单元，其特征在于，各所述介质基板的长度不超过天线单元辐射波的1个自由空间波长。

3.根据权利要求1所述的一种带状线馈电的宽带毫米波天线单元，其特征在于，所述金属化通孔的数量多于八个，沿所述介质基板本体的一条水平线对称分布，各所述矩形缝隙介于两排所述金属化通孔之间，所述长条形带状线介于两列所属金属化通孔之间。

4.根据权利要求3所述的一种带状线馈电的宽带毫米波天线单元，其特征在于，所述水平线为水平中心线。

5.根据权利要求3所述的一种带状线馈电的宽带毫米波天线单元，其特征在于，所述长条形带状线设置在所述介质基板本体的竖直中心线上，各所述金属化通孔沿所述竖直中心线对称分布。

6.根据权利要求1或3所述的一种带状线馈电的宽带毫米波天线单元，其特征在于，各所述矩形缝隙和所述长条形带状线在所述下表面上的正投影有重合，且位于下侧的所述矩形缝隙的开口尺寸小于位于上侧的所述矩形缝隙的开口尺寸。

7.根据权利要求3所述的一种带状线馈电的宽带毫米波天线单元，其特征在于，相邻两行及相邻两列所述金属化通孔之间的间距小于天线单元电磁波的1/2介质波长。

8.根据权利要求1所述的一种带状线馈电的宽带毫米波天线单元，其特征在于，相邻两所述介质基板之间通过半固化片以层压叠合在一起。

9.根据权利要求1所述的一种带状线馈电的宽带毫米波天线单元，其特征在于，所述长条形带状线的一端暴露在所述介质基板本体的侧部。

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