CN220895839U - 一种高隔离度的贴片式介质毫米波双极化天线 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种高隔离度的贴片式介质毫米波双极化天线，可直接焊接在电路主板上，包括一陶瓷块，所述陶瓷块设置为一长方体结构，所述陶瓷块设有一用于与电路主板焊接的焊接面，所述焊接面的长度和宽度相等；所述焊接面上设有与所述电路主板焊接的第一金属层、第二金属层、第三金属层及第四金属层，所述第一金属层、第二金属层、第三金属层及第四金属层分别位于所述焊接面四条边的中心，其中，任意一对相邻边的金属层可与所述电路主板进行直接馈电。本实用新型解决了现有的介质毫米波天线结构复杂，极化单一，安装不便的问题。
Description
技术领域
本实用新型涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种高隔离度的贴片式介质毫米波双极化天线。
背景技术
随着现代无线通信技术的快速演进，制定5G标准和发展5G技术成为了业界共识。5G的主要通信频带可以分为Sub-6G和毫米波两个频段。由于毫米波具有频带宽、信息量大、天线体积小、易于集成等优势，逐渐成为5G通信的重要手段。与此同时，毫米波也有损耗大、加工精度要求高、成本要求高等缺陷，这使得毫米波天线大规模推广使用变得极具挑战。目前介质毫米波天线形式主要为单极化，且存在板层结构和安装过程复杂等问题。这不仅会降低系统的信道容量和增大天线占地面积，还会加大研发成本投入和后期维修难度，极大限制了其在现代无线通信系统中的使用。
实用新型内容
本实用新型的主要目的在于提供一种高隔离度的贴片式介质毫米波双极化天线，旨在解决现有的介质毫米波天线结构复杂，极化单一，安装不便的问题。
为实现上述目的，本实用新型提出一种高隔离度的贴片式介质毫米波双极化天线，可直接焊接在电路主板上，包括一陶瓷块，所述陶瓷块设置为一长方体结构，所述陶瓷块设有一用于与电路主板焊接的焊接面，所述焊接面的长度和宽度相等；
所述焊接面上设有与所述电路主板焊接的第一金属层、第二金属层、第三金属层及第四金属层，所述第一金属层、第二金属层、第三金属层及第四金属层分别位于所述焊接面四条边的中心，其中，任意一对相邻边的金属层与所述电路主板进行直接馈电，另外一对相邻的金属层与所述电路主板直接焊接以进一步加固毫米波天线于所述电路主板上。
可选地，所述金属层设置为金属镀铜层。
可选地，所述陶瓷块的介电常数设置为10～40。
可选地，所述陶瓷块的长度和宽度相等，所述陶瓷块的长度或宽度与所述陶瓷块的高度的比值为0.25～4。
可选地，所述金属层设置为矩形结构。
可选地，所述电路主板上设有与所述金属层进行馈电的微带线。
本实用新型的有益效果在于：简化了现有毫米波天线的结构，整体采用一陶瓷块并在陶瓷块上设置金属层的结构，安装时，只需将金属层与电路主板直接焊接即可，结构简单，方便安装和后期维修替换，同时，在陶瓷块上设置四个金属层，且四个金属层分布在陶瓷块的一个正方形的面上，且四个金属层分别位于该面的四个边的中点，取相邻两个金属层用于与电路主板进行馈电，实现了毫米波天线的双极化。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本实用新型毫米波天线与电路主板之间安装结构示意图；
图2为本实用新型毫米波天线结构示意图；
图3为本实用新型毫米波天线焊接面俯视图；
图4为本实用新型一实施例中毫米波天线的S参数仿真结果图；
图5为本实用新型一实施例中其中一个微带线端口单独馈电时的仿真辐射方向图；
图6为本实用新型一实施例中另一个微带线端口单独馈电时的仿真辐射方向图；
图7为本实用新型一实施例中天线S参数随陶瓷块长L和宽W的变化情况；
图8为本实用新型一实施例中天线S参数随陶瓷块高度H的变化情况；
图9为本实用新型一实施例中天线S参数随金属层长度l的变化情况；
图10为本实用新型一实施例中天线S参数随金属层宽度w的变化情况；
本实用新型目的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，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作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。
需要说明，若本实用新型实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本实用新型实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，若全文中出现的“和/或”的含义为，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案，或B方案，或A和B同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。
本实用新型的一实施例提出一种高隔离度的贴片式介质毫米波双极化天线，参考图1，天线直接焊接在电路主板2上，天线包括一陶瓷块1，所述陶瓷块1设置为一长方体结构，所述陶瓷块1设有一用于与电路主板2焊接的焊接面15，所述焊接面15的长度和宽度相等；
所述焊接面15上设有与所述电路主板2焊接的第一金属层11、第二金属层12、第三金属层13及第四金属层14，所述第一金属层11、第二金属层12、第三金属层13及第四金属层14分别位于所述焊接面15四条边的中心，其中，任意一对相邻边的金属层与所述电路主板2进行馈电，另外一对相邻的金属层与所述电路主板2直接焊接以进一步加固毫米波天线于所述电路主板2上。
应当说明的是，本实施例大大简化了现有天线的结构，本实施例中的天线主体为一个陶瓷块1，然后在陶瓷块1的焊接面15上设置四个金属层与电路主板2焊接，其中，为满足该天线实现双极化，需要相邻的两个金属层与电路主板2进行馈电，因此，对应电路主板2上的馈电点应当为与任一一组相邻的金属层位置对应，应当说明的是，本实施例中，设置四个金属层与电路主板2进行焊接，首先可以保证天线安装的稳定性，其次，四个金属层结构相同且对称，焊接面15的长度和宽度相等，这样，在安装时，只需将陶瓷块1的焊接面15对接电路主板2，没有安装方向要求，无论陶瓷块1如何旋转，都可以使焊接面15上相邻的两个金属层与电路主板2上对应的馈电点对接进行馈电，极大的提高了安装的便利性，若只设置两个用于馈电的金属层，需要作业人员在安装前确定金属层的位置，保证金属层的位置与电路主板2上的馈电点对应才能安装焊接，而本实施例中，直接将陶瓷块1的焊接面15对接电路主板2即可。
进一步地，所述金属层设置为金属镀铜层，本实施例中，金属镀铜层可通过丝印烧结再电镀的方式添加在所述焊接面15上。
进一步地，陶瓷块1是天线的辐射体，陶瓷块1的介电损耗小，可以提高辐射效率，陶瓷块1的介电常数大，可以将天线小型化，具体地，陶瓷块1一般只限制其介电损耗，具有小的介电损耗即可。其介电常数根据实际需求来制定，但是介电常数越小，成品介质毫米波天线就越大，不利于毫米波阵列设计；介电常数越大，成品介质毫米波天线就越小，这样也会导致对加工精度要求越高，本实施例中，所述陶瓷块1的介电常数设置为10～40。
进一步地，如上所述，为实现天线安装过程的防呆目的，焊接面15的长度和宽度需要相等，而本实施例中，陶瓷块1为长方体结构，因此，所述陶瓷块1的长度和宽度相等，而陶瓷块1的高度，可以根据实际安装需求进行设置，比如在某些狭窄的空间，对高度预留的空间多，对长宽预留的空间小，此时陶瓷块1设计为高大于长和宽的结构；在某些平面宽敞但是高度有限制的情况，陶瓷块1就可以设计为扁平状的长方体，本实施例中，所述陶瓷块1的长度或宽度与所述陶瓷块1的高度的比值为0.25～4。
进一步地，所述电路主板2上设有与所述金属层进行馈电的微带线21，方便实现天线与电路主板2之间的馈电。
具体地，为验证本实施例天线的性能，可以将其直接焊接到电路主板上，通过两条互相垂直的50Ω微带线21直接馈电，本实施例以一个工作在n260频段(37-40GHz)的介质毫米波天线为实例说明此方案。本实施例的陶瓷块1介电常数为21，介电损耗为0.00054，长度为L，宽度为W，高度为H，电路主板2的尺寸为10.0mm*10.0mm，四个金属层的长度为l，宽度为w。
对于此毫米波天线，影响天线性能的参数有以下四个：陶瓷块1高度H，陶瓷块1长度L(陶瓷块1宽度W)，金属层长度l，金属层宽度w。首先，我们给出一组最终优化出来的介质毫米波天线的尺寸数据：W＝L＝1.44mm，H＝1.0mm，l＝0.3mm，w＝0.26mm。此状态下，该毫米波天线的S参数仿真结果如图4所示。
由图4可知，该毫米波天线在两个馈电口处的反射系数是一致的，这是由于该毫米波天线是对称设计并放置在电路主板2的中心位置。在通带内，反射系数小于-7.7dB，隔离度大于16.3dB。
进一步地，该介质毫米波天线在38.5GHz处仿真辐射方向图如图5和6所示。其中，图5是其中一个微带线21端口单独馈电时的仿真辐射方向图，图6是另一个微带线21端口单独馈电时的仿真辐射方向图。由图5和图6可知，由于该毫米波天线是对称设计并放置在电路主板2的中心位置，两个端口单独馈电时的辐射方向图幅度几乎一直，仅极化不同，且最大增益在5.65dB左右。
由于毫米波天线是对称设计并放置在电路主板2的中心位置，其两个馈电口的反射系数是一样的。此外，陶瓷形状及金属层的微小尺寸变化不会改变介质毫米波天线的谐振模式，只会导致谐振频率的偏移，即天线的辐射特性不会随着参数变化而出现巨大变化。因此，研究毫米波天线参数对天线性能影响，只需要关注第一个端口处的反射系数S11和两个端口之间的隔离度S21即可。
当仅同时改变陶瓷块1长L和宽W的时候，该天线的S参数仿真结果如图7所示。由仿真结果可知，当陶瓷块1长L和宽W从1.34mm增加到1.54mm，其谐振频率从40.51GHz下移到36.76GHz。此外，随着陶瓷块1长度L和宽度W的增大，毫米波天线在谐振频率处的隔离度越高，反射系数越小。
当仅改变陶瓷块1高H的时候，该天线的S参数仿真结果如图8所示。由仿真结果可知，当陶瓷块1高H从0.8mm增加到1.2mm，其谐振频率从42.17GHz下移到36.18GHz。此外，随着陶瓷块1高H的增大，毫米波天线在谐振频率处的隔离度越差，反射系数越大。
当仅改变金属层长度l的时候，该天线的S参数仿真结果如图9所示。由仿真结果可知，当金属层长度l从0.2mm增加到0.4mm，其谐振频率仅从38.47GHz下移到38.46GHz，可以认为没变化。此外，当l＝0.3mm时，介质毫米波天线在谐振频率处的反射系数最小；当l＝0.2m时，介质毫米波天线在谐振频率处的隔离度最高。
当仅改变陶金属层宽度w的时候，该天线的S参数仿真结果如图10所示。由仿真结果可知，当金属层宽度w从0.16mm增加到0.36mm，其谐振频率仅从38.13GHz下移到39.34GHz。此外，当w＝0.36mm时，介质毫米波天线在谐振频率处的反射系数最小，隔离度最大。
由以上仿真结果可知，该介质毫米波天线性能主要受陶瓷块1长度L(宽度W),陶瓷块1高度H，金属层宽度w控制。通过优化此三个参数，可以得到在所需工作频率且满足性能要求的贴片式毫米波天线。
以上所述仅为本实用新型的可选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是在本实用新型的实用新型构思下，利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本实用新型的专利保护范围内。
Claims (6)
1.一种高隔离度的贴片式介质毫米波双极化天线，可直接焊接在电路主板上，其特征在于，包括一陶瓷块，所述陶瓷块设置为一长方体结构，所述陶瓷块设有一用于与电路主板焊接的焊接面，所述焊接面的长度和宽度相等；
所述焊接面上设有与所述电路主板焊接的第一金属层、第二金属层、第三金属层及第四金属层，所述第一金属层、第二金属层、第三金属层及第四金属层分别位于所述焊接面四条边的中心，其中，任意一对相邻边的金属层与所述电路主板进行直接馈电，另外一对相邻的金属层与所述电路主板直接焊接。
2.根据权利要求1所述的高隔离度的贴片式介质毫米波双极化天线，其特征在于，所述金属层设置为金属镀铜层。
3.根据权利要求2所述的高隔离度的贴片式介质毫米波双极化天线，其特征在于，所述陶瓷块的介电常数设置为10～40。
4.根据权利要求1所述的高隔离度的贴片式介质毫米波双极化天线，其特征在于，所述陶瓷块的长度和宽度相等，所述陶瓷块的长度或宽度与所述陶瓷块的高度的比值为0.25～4。
5.根据权利要求1所述的高隔离度的贴片式介质毫米波双极化天线，其特征在于，所述金属层设置为矩形结构。
6.根据权利要求1所述的高隔离度的贴片式介质毫米波双极化天线，其特征在于，所述电路主板上设有与所述金属层进行馈电的微带线。
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