CN212209732U - 一种新型毫米波低剖面平面差分双螺旋天线 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种新型毫米波低剖面平面差分双螺旋天线，该双螺旋天线由三部分组成，第一部分为馈电结构，由位于同一介质板正底两面的带线实现差分馈电，且正底两面完全对称；第二部分为平面螺旋结构。螺旋的一端与带线相连，另一端轴向延伸。平面螺旋由印刷在介质板正、底两面的金属条带与金属化过孔交错相连而实现，且为双螺旋结构，螺旋的直径逐渐变大，介质板正底两面的结构呈180度旋转对称；第三部分为寄生结构，由金属化过孔和印刷在介质板正底两面的金属条带组成。寄生单元设置在螺旋的周围。本实用新型具有剖面低、带宽宽、圆极化增益较稳定、辐射方向性好，结构简单、易于加工等优点，在5G毫米波频段具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本实用新型涉及5G毫米波天线技术领域，具体涉及一种新型毫米波低剖面平面差分双螺旋天线。
背景技术
随着无线通信技术的飞速发展，人们对通信质量要求也不断提高。由于微波频段的日益利用与发展，微波频段变得越来越拥挤，可分配使用的带宽也变得越来越窄。毫米波技术是近年来无线技术发展的重要方向，在军事、民用和工业领域具有非常重要的价值，得到学术界与产业界的广泛关注。特别是随着5G时代的到来，5G毫米波天线的研究与发展变得至关重要。
现代通信系统需要在复杂的环境和条件下实现稳定的通信,这对天线的稳定性和抗干扰性有很高的要求。圆极化天线具有很多独特性质,圆极化天线可以接收任意极化的电磁波从而避免极化损失,还可以抑制多径散射和多径干扰,同时可以避免产生法拉第旋转效应。由于独特优势,圆极化天线系统具有良好的可靠性和稳定性。圆极化天线的种类有很多，如交叉偶极子天线、微带天线、螺旋天线等。其中，螺旋天线具有良好的圆极化和带宽宽的优点。然而，传统的螺旋天线通常都是立体结构，但其不易安装和使用，特别是在毫米波频段对器件的高集成度的要求下，传统的螺旋天线的使用受限。
为了解决这一问题，“Z.Chen,…“Planar Helical Antenna of CircularPolarization,”in IEEE Transactions on Antennas and Propagation,vol.63,no.10,pp.4315-4323,Oct.2015.J.P.”提出了一种用印刷金属带与金属化过孔相连组成的平面螺旋结构，其水平方向的印刷条带提供水平极化，垂直方向的金属化过孔提供垂直极化，通过调节螺旋结构的尺寸与角度，使水平极化与垂直极化的幅度相等、相位相差90度，从而产生良好的圆极化辐射。随后，“Aqeel Hussain Naqvi,…“V-Band Planar Helical Antennausing TGSV Technology”,2018International Symposium on Antennas andPropagation(ISAP),2018.”、“Jin Huang,…“The low-profile end-fire antenna withcircular polarization at S band,”2017IEEE International Symposium on Antennasand Propagation&USNC/URSI National Radio Science Meeting,2017.”提出了应用于V频段和S频段的平面螺旋天线。“Zhenxin Hu…“Low-Profile Helical Quasi-YagiAntenna Array With Multibeams at the Endfire Direction,”IEEE Antennas andWireless Propagation Letters,vol:16,2017.”提出了一种端射多波束螺旋型准八木天线阵，该天线用平面法向模式的螺旋型准八木天线来实现定向辐射。“Qiaoyu Chen，…“APlanar Compact Helical Log-Periodic Array,”2018IEEE International Symposiumon Antennas and Propagation&USNC/URSI National Radio Science Meeting,2018”提出了一种螺旋对数周期阵列天线，该天线采用印刷的平面螺旋偶极子作为其天线单元，与传统的对数周期偶极子阵列相比，具有结构紧凑，易于制造的优点。然而，以上提出的平面螺旋天线均是单端的，当连接到差分的射频前端的时候，需要一个巴伦来实现单端信号到差分信号的转换，这就意味着会增大天线的尺寸和较高的损耗和成本。此外，以上提出的天线因为单螺旋结构的局限性，天线的辐射方向性差，方向图不对称且会出现偏移端射方向的情况。因此，本实用新型将提出一种差分的平面双螺旋天线，使之适用于5G毫米波频段，使毫米波天线在5G频段的应用更加丰富与灵活。
综上所述，现有天线结构技术问题总结如下：
1、立体螺旋天线：剖面高，难集成，很难应用于毫米波频段中；
2、平面螺旋天线：单螺旋结构，主辐射方向易偏移且方向图不对称；
3、单端结构,在差分的射频前端环境下应用需要接巴伦，增大体积、损耗和成本。
4、现存的平面螺旋天线不能与带线直接相接。
实用新型内容
本实用新型的目的是为了克服现有技术中的上述缺陷，提供一种新型毫米波低剖面平面差分双螺旋天线，解决现存单端的平面螺旋天线不能应用于差分的射频前端，且方向图不对称、辐射方向性差和增益不稳定等问题，并适用于5G毫米波频段，使毫米波天线在5G频段的应用更加丰富与灵活。
本实用新型的目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种新型毫米波低剖面平面差分双螺旋天线，该差分双螺旋天线刻制在同一块介质板上，所述的差分双螺旋天线包括馈电结构、双螺旋结构和寄生结构，其中，
所述的馈电结构为位于介质板正面的相连接的端口1和带线，以及位于介质板底面的相连接的端口2和带线；
所述的双螺旋结构包括与介质板正面的带线相连的第一螺旋和与介质板底面相连的第二螺旋，第一螺旋与第二螺旋由印刷在介质板正、底两面的金属条带与金属化过孔交错相连而实现，且两螺旋的圈数均为n≥3的整数；
所述的寄生结构由金属化过孔和印刷在介质板正、底两面的金属条带组成，共有m个寄生单元，m个寄生单元对称地设置在双螺旋结构的周围，m取值为大于等于4的偶数。
进一步地，输入的差分信号经端口1和端口2同时馈入两条带线，经带线传输到双螺旋结构，经由双螺旋结构辐射到自由空间。
进一步地，分别位于介质板正面的和介质板底面的馈电结构完全对称设置。
进一步地，所述的差分双螺旋天线还包括金属地，该金属地位于带线左右两侧且印刷于介质板正底两面，该金属地在靠近双螺旋结构的一端采用阶梯形结构。
进一步地，所述的第一螺旋与第二螺旋均由印刷在介质板正、底两面的金属条带与金属化过孔交错相连而实现。印刷金属条带提供水平极化，金属化过孔提供垂直极化，通过调节螺旋结构的尺寸与角度，使水平极化与垂直极化的幅度相等、相位相差90度，从而产生圆极化辐射，从而平面螺旋结构得以实现。
进一步地，所述的双螺旋结构的直径由介质板中心向介质板边缘逐渐增大，从而有效提高高频处的圆极化增益。
进一步地，所述的第一螺旋与第二螺旋在介质板的正面和底面呈180度旋转对称。
进一步地，每个寄生单元的长度为【λ0/5，λ0/3】λ0/4，λ0为自由空间波长，寄生单元的长度定义为分别位于介质板正面、底面的金属条带的长度与金属化过孔的长度之和，通过合理地调节寄生单元的长度及位置，可以有效提高天线的垂直极化辐射，从而对天线因介质板的厚度较小而引起垂直极化受限进行改善。
进一步地，该天线的所有元器件全部刻制在同一块介质板上，天线的剖面即为介质板的厚度，本实用新型的介质板厚度约为0.14λ0，属于低剖面结构。
本实用新型公开的毫米波低剖面平面差分双螺旋天线相对于现有技术具有如下的优点及效果：
1、结构简单、剖面低，易加工、易集成，满足毫米波频段的易集成需求。
2、采用差分结构，介质板的正面、底面180度旋转对称，实现良好的辐射方向性和完全对称的辐射方向图，同时能满足差分射频前端的应用需要。
3、带宽宽，易匹配，工作频带内的增益稳定。
4、工作在5G毫米波频段，丰富5G毫米波通信的实际应用。
5、实现螺旋天线能够与带线直接相接的功能。
附图说明
图1是本实用新型中寄生单元立体结构图；
图2是本实用新型中低剖面平面差分双螺旋天线立体图；
图3是本实用新型中低剖面平面差分双螺旋天线顶视图；
图4是本实用新型中低剖面平面差分双螺旋天线底视图；
图5是本实用新型中低剖面平面差分双螺旋天线S参数图；
图6是本实用新型中低剖面平面差分双螺旋天线轴比图；
图7是本实用新型中低剖面平面差分双螺旋天线右旋圆极化增益图；
图8是本实用新型中低剖面平面差分双螺旋天线YZ平面远场方向图；
图9是本实用新型中低剖面平面差分双螺旋天线XY平面远场方向图。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
实施例一
本实施例公开了一种新型毫米波低剖面平面差分双螺旋天线，该差分双螺旋天线为平面结构，由三部分组成，第一部分为馈电结构，由位于同一介质板正面、底面的带线实现差分馈电，分别位于介质板正面、底面的馈电结构完全对称，端口1位于介质板的正面，并且与介质板正面的带线连接，端口2位于介质板的底面，并且与介质板底面的带线连接；第二部分为平面螺旋结构，螺旋的一端与带线相连，与介质板正面的带线相连的螺旋称为第一螺旋，与介质板底面相连的螺旋称为第二螺旋；螺旋的另一端轴向延伸。第一螺旋与第二螺旋的圈数相等且为n≥3的整数。平面螺旋由印刷在介质板正、底两面的金属条带与金属化过孔交错相连而实现，印刷金属条带提供水平极化，金属化过孔提供垂直极化，通过调节螺旋结构的尺寸与角度，使水平极化与垂直极化的幅度相等、相位相差90度，从而产生圆极化辐射。平面螺旋结构为双螺旋结构，介质板正底两面的结构呈180度旋转对称。螺旋的直径逐渐变大，从而有效改善高频处的圆极化增益。第三部分为寄生结构，由金属化过孔和印刷在介质板正、底两面的金属条带组成。每个寄生单元设置在螺旋的周围。寄生单元共设有m个，m取值为大于等于4的偶数，且关于螺旋的轴向方向对称。通过引入寄生单元，因天线剖面低而引起的垂直极化受限的问题得到改善，有效增强了螺旋结构的垂直极化，从而更好地改善圆极化辐射。该平面双螺旋天线通过端口1、端口2以及与端口相连的带线馈入差分信号，然后差分信号经带线传输到双螺旋结构，经由双螺旋结构再辐射到自由空间传播。
实施例二
本实施例给出一个具体的工作于5G毫米波频段(24.25-29.5GHz)的低剖面平面差分双螺旋天线的设计实例。本实施例公开的低剖面平面差分双螺旋天线立体结构如图2所示，顶视图和底视图如图3、图4所示。
1、馈电结构
介质板采用Rogers RT/duroid 5880，数量为一片，介电常数为2.2，损耗正切为0.0009，厚度为1.575mm。位于同一介质板正底两面的带线实现差分馈电，馈电结构正底两面完全对称，端口1位于介质板的上面，端口2位于介质板的底面。在带线两侧是印刷在介质板正底两面的金属地，该金属地在靠近双螺旋结构的一端采用阶梯形结构，从而实现良好的阻抗匹配。整个馈电结构正底两面完全对称。
2、平面双螺旋结构
平面双螺旋结构由印刷在介质板正、底两面的金属条带与金属化过孔交错相连而实现，印刷金属条带提供水平极化，金属化过孔提供垂直极化，通过调节螺旋结构的尺寸与角度，使水平极化与垂直极化的幅度相等、相位相差90度，从而产生圆极化辐射。本实用新型中，螺旋的一端与带线相连，与介质板正面的带线相连的螺旋称为第一螺旋，与介质板底面相连的螺旋称为第二螺旋；螺旋的另一端轴向延伸。第一螺旋与第二螺旋的圈数相等且为n≥3的整数。为了实现良好的辐射方向性和完全对称的辐射方向图，平面螺旋结构设置为双螺旋结构，介质板正底两面的螺旋结构呈180度旋转对称。此外，第一螺旋与第二螺旋的直径以一个合适的比值逐渐变大，从而有效改善高频处的圆极化增益。本实用新型中，第一螺旋的前后直径比值为1.2，第二螺旋的前后直径比值为1.24。
3、寄生结构
由于本实用新型采用低剖面结构，垂直极化的口径因较薄的介质板而受限，因此，天线的圆极化增益也在一定程度上受到影响。为了进一步提高天线的圆极化增益，本实用新型增加了寄生结构，如图1所示，寄生单元均由金属化过孔和印刷在介质板正、底两面的金属条带组成，且每个寄生单元的总长度约为λ0/4。通过合理地调节寄生单元在双螺旋周围的位置，可以较好地提高垂直极化辐射，从而进一步改善轴比和圆极化增益。本实用新型采用4个寄生单元，分别放置在螺旋的初始端的左右两侧和结束端的口径两侧，且关于螺旋的轴向对称放置，如图2所示。
综上所述，本实用新型公开的低剖面平面双螺旋天线采用差分结构，即使
用介质板正底两面的完全对称的带线实现差分馈电，且采用阶梯形金属地实现较好的阻抗匹配；同时，采用两条螺旋交互环绕的方式实现双螺旋结构，使得介质板正底两面的组件180度旋转对称从而获得更好的辐射方向性和完全对称的辐射方向图；螺旋的直径逐渐变大以提高天线在高频处的增益，此外，在螺旋结构的周围对称放置寄生单元用来增强天线的垂直极化，从而进一步地改善天线的圆极化辐射，同时也获得了较为稳定的圆极化增益。
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上述实施例的限制，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 (7)
1.一种新型毫米波低剖面平面差分双螺旋天线，该差分双螺旋天线刻制在同一块介质板上，其特征在于，所述的差分双螺旋天线包括馈电结构、双螺旋结构和寄生结构，其中，
所述的馈电结构为位于介质板正面的相连接的端口1和带线，以及位于介质板底面的相连接的端口2和带线；
所述的双螺旋结构包括与介质板正面的带线相连的第一螺旋和与介质板底面相连的第二螺旋，第一螺旋与第二螺旋由印刷在介质板正、底两面的金属条带与金属化过孔交错相连而实现，且两螺旋的圈数均为n≥3的整数；
所述的寄生结构由金属化过孔和印刷在介质板正、底两面的金属条带组成，共有m个寄生单元，m个寄生单元对称地设置在双螺旋结构的周围，m取值为大于等于4的偶数。
2.根据权利要求1所述的一种新型毫米波低剖面平面差分双螺旋天线，其特征在于，分别位于介质板正面的和介质板底面的馈电结构完全对称设置。
3.根据权利要求1所述的一种新型毫米波低剖面平面差分双螺旋天线，其特征在于，所述的差分双螺旋天线还包括金属地，该金属地位于带线左右两侧且印刷于介质板正底两面，该金属地在靠近双螺旋结构的一端采用阶梯形结构。
4.根据权利要求1所述的一种新型毫米波低剖面平面差分双螺旋天线，其特征在于，所述的第一螺旋与第二螺旋的金属条带提供水平极化，金属化过孔提供垂直极化，通过调节螺旋结构的尺寸与角度，使水平极化与垂直极化的幅度相等、相位相差90度，从而产生圆极化辐射。
5.根据权利要求4所述的一种新型毫米波低剖面平面差分双螺旋天线，其特征在于，所述的双螺旋结构的直径由介质板中心向介质板边缘逐渐增大。
6.根据权利要求4所述的一种新型毫米波低剖面平面差分双螺旋天线，其特征在于，所述的第一螺旋与第二螺旋在介质板的正面和底面呈180度旋转对称。
7.根据权利要求1所述的一种新型毫米波低剖面平面差分双螺旋天线，其特征在于，每个寄生单元的长度为【λ0/5，λ0/3】λ0/4，λ0为自由空间波长，寄生单元的长度定义为分别位于介质板正面、底面的金属条带的长度与金属化过孔的长度之和，通过合理地调节寄生单元的长度及位置，可以有效提高天线的垂直极化辐射，从而对天线因介质板的厚度较小而引起垂直极化受限进行改善。
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