CN108054519A - 一种宽带定向毫米波天线 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种宽带定向毫米波天线，包括第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板、共面馈电传输电线、第一接地面、第二接地面、寄生单元、第一C形反射面、第二C形反射面、底部反射板、兔子形主辐射单元；设置左右两个折叠侧面介质基板上的第一C形反射面、第二C形反射面以及天线的底部反射板，共面馈电传输线与连接器的内导体相连接，连接器的外导体与接地面连接。本发明是一种宽带定向毫米波天线，采用共面线馈电结构，折叠介质基板与底层反射板之间形成封闭空腔的结构设计，以及兔子形主辐射单元与寄生辐射单元之间的缝隙耦合结构设计，实现了宽带化以及定向性的毫米波天线设计。
Description
技术领域
本发明涉及一种天线结构，具体涉及一种宽带定向毫米波天线。
背景技术
近年来，随着无线通信技术的快速发展，手机电脑等电子设备的普及使用，使得人们对无线通信的质量也提出了更高的要求。更快的传输速度，更好的传输带宽，这也就意味着，通信频带需要不断的向宽频和高频发展，也就推动了对宽带天线的研究，而毫米波天线波长短、传输速度快，传播特性好等优势使其进入了大部分人的视野当中。传统的毫米波天线一般采用波导结构来实现，相较于平面贴片天线，波导结构相对复杂昂贵，并且不利于集成，所以对于小型毫米波微带天线的研究是必然且必要的。在毫米波无线通信系统中，天线是发射和接受信号的能量转换装置，天线性能的好坏严重影响到无线通信系统的性能等特性。现代雷达系统中通常使用的波导缝隙天线，在波导天线上开缝，形成辐射缝隙阵列来提升辐射性能。但是这种天线在实际生产加工中的要求越来越高，波导管缝隙天线的缝隙宽度一般小于1mm，深度和倾角各不相同，同时天线阵的结构紧凑，所以加工和组装工艺需要同时克服多种技术难题。而贴片天线可以较好的克服这些问题，常见的贴片天线的馈电方式有微带馈电、同轴馈电、孔径耦合馈电和共面波导馈电等方式。微带馈电的毫米波天线的微带线辐射损耗大、色散大、馈线与辐射单元间隔离差、衬底厚度对特征阻抗影响较大等缺点。而共面波导馈电的天线具有重量轻、剖面低、低损耗和色散小等优点。此外，针对天线辐射特性较差的问题，引入了定向辐射器，通过改进馈电结构，折叠贴片形成腔体结构，不仅可以有效扩展天线的带宽，同时也可获得较好的定向特性，设计高性能的宽带定向毫米波天线。
Hong Phuong Phan等人在2014年提出了一种嵌入式空腔结构的毫米波硅天线，该天线的介质基板中加入了二氧化硅材料，空腔的侧壁同样采用硅材料，该天线具有较好的定向特性，但是带宽性能较差，同时包含倾角的空腔在制作加工中工序复杂，拼装也较为困难。此外，Xue Bai等人在2016年提出了一种定向毫米波天线，该天线采用椭圆柱型腔体使天线具有较好的定向特性，并且采用巴伦馈电的方式使偶极子天线具有较宽的带宽。但是，该天线的背腔腔体采用较厚的铝块制作，具有较大的体积，难以集成。除此之外，Son XuatTa等人也在2016年提出了一种带背腔的角偶极子天线阵列，腔体同样采用铝块制作，同样天线的体积较大，并且天线的带宽性能较差。
发明内容
本发明目的在于提出一种宽带定向毫米波天线，本发明采用共面波导馈电结构和兔子形主辐射单元与寄生辐射单元之间的耦合结构，采用在左右两个折叠侧面上设置介质基板上的C形反射面与底部反射板构成的半封闭空腔结构，扩展天线的阻抗带宽，实现天线的宽带化和定向性设计。
本发明的目的是这样实现的：
一种宽带定向毫米波天线，所述天线包括第一介质基板(108)、第二介质基板(1081)、第三介质基板(1082)、共面馈电传输线(102)、第一接地面(1011)、第二接地面(1012)、寄生单元(104)、第一C形反射面(105)、第二C形反射面(106)、底部反射板(107)、兔子形主辐射单元；所述的第一C形反射面(105)设置在右侧折叠侧面上；第二C形反射面(106)设置在左侧折叠侧面上；所述的共面馈电传输线(102)与连接器的内部导体相连接，连接器的外导体与第一接地面(1011)、第二接地面(1012)相连接。
一种宽带定向毫米波天线，所述的寄生单元(104)设置在左右两个折叠侧面上的第一C形反射面(105)和第二C形反射面(106)内部；所述的第一C形反射面(105)、第二C形反射面(106)和底部反射板(105)构成的半封闭空腔结构。
一种宽带定向毫米波天线，所述的半封闭合空腔结构中的空腔大小通过第二介质基板(1081)和第三介质基板(1082)以及第一C形反射面(105)和第二C形反射面(106)的高度来调整。
一种宽带定向毫米波天线，所述的第一介质基板(108)的左侧折叠侧面上第一C形反射面(105)设置在所述的第二介质基板(1081)上，所述的第一介质基板(108)的右侧折叠侧面上第一C形反射面(106)设置在所述的第三介质基板(1082)上。
一种宽带定向毫米波天线，所述的位于顶部的寄生单元(104)、第一C形反射面(105)和第二C形反射面(106)以及底部反射板(107)形成一个空腔结构。
一种宽带定向毫米波天线，所述的第一C形反射面(105)和第二C形反射面(106)也可以是F形反射面。
一种宽带定向毫米波天线，所述兔子形主辐射单元由圆形辐射单元(1031)和两个椭圆形辐射单元(1032)组成；所述的椭圆形辐射单元采取菱形结构或弯折矩形结构。
一种宽带定向毫米波天线，所述兔子形主辐射单元与位于顶部的寄生单元(104)之间构成缝隙耦合结构。
一种宽带定向毫米波天线，所述兔子形主辐射单元中的椭圆形辐射单元(1032)可以是寄生辐射单元或弯折辐射单元结构。
一种宽带定向毫米波天线，所述兔子形主辐射单元、第一接地面(1011)、第二接地面(1012)之间耦合缝隙以及第一介质基板(108)与底部反射板(107)之间的距离通过调节各个辐射单元的尺寸来匹配。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明采用兔子形主辐射单元与寄生辐射单元之间的耦合结构，采用在左右两个折叠侧面上设置介质基板上的C形反射面与底部反射板构成的半封闭空腔结构，扩展天线的阻抗带宽，实现天线的宽带化和定向性设计；左右两个折叠侧面上设置介质基板上的C形反射面、底部反射板、顶部的寄生辐设单元与接地板之间形成的封闭空腔结构，有效的抑制天线的后向辐射，使天线具有较好的定向特性，并且有效的减小了天线的横向尺寸；
2、本发明采用兔子形主辐射单元采用圆形辐射单元和椭圆形辐射单元的复合结构，有效的扩展了天线的带宽，并且在兔子形主辐射单元上方添加寄生辐射单元，可以进一步扩展天线的阻抗带宽；
3本发明通过调整各个辐射单元的尺寸，兔子形主辐射单元与寄生辐射单元之间的耦合以及介质基板与底部反射板之间的距离，该天线可以达到很好的匹配以及较好的定向特性，可以满足宽带定向的设计需求；
4本发明一种宽带定向毫米波天线具有尺寸小，便于灵活设计等特点，可以应用于各种毫米波系统中，实现定向辐射。
附图说明
图1是本发明一种宽带定向毫米波天线俯视方向结构示意图；
图2是本发明一种宽带定向毫米波天线左侧视方向结构示意图；
图3是本发明一种宽带定向毫米波天线右侧视方向结构示意图；
图4是本发明一种宽带定向毫米波天线的剖面结构示意图；
图5是本发明中的兔子形主辐射单元的结构示意图；
图6是本发明的反射系数和驻波比曲线示意图；
图7是本发明的辐射方向示意图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
本发明一种宽带定向毫米波天线采用兔子形主辐射单元与寄生辐射单元之间的耦合结构，采用在左右两个折叠侧面上设置介质基板上的C形反射面与底部反射板构成的半封闭空腔结构，扩展天线的阻抗带宽，实现天线的宽带化和定向性设计；左右两个折叠侧面上设置介质基板上的C形反射面、底部反射板、顶部的寄生辐设单元与接地板之间形成的封闭空腔结构，有效的抑制天线的后向辐射，使天线具有较好的定向特性，并且有效的减小了天线的横向尺寸；本发明采用兔子形主辐射单元采用圆形辐射单元和椭圆形辐射单元的复合结构，有效的扩展了天线的带宽，并且在兔子形主辐射单元上方添加寄生辐射单元，可以进一步扩展天线的阻抗带宽；本发明通过调整各个辐射单元的尺寸，兔子形主辐射单元与寄生辐射单元之间的耦合以及介质基板与底部反射板之间的距离，该天线可以达到很好的匹配以及较好的定向特性，可以满足宽带定向的设计需求；本发明一种宽带定向毫米波天线具有尺寸小，便于灵活设计等特点，可以应用于各种毫米波系统中，实现定向辐射。
结合图1至图5，本发明一种宽带定向毫米波天线包括第一介质基板108，第二介质基板1081及第三介质基板1082、对称的共面馈电传输线102、第一接地面1011和第二接地面1012，寄生单元104、设置在左侧折叠侧面上的第一C形反射面105和设置在右侧折叠侧面上的第二C形反射面106、底部反射板107以及兔子形主辐射单元。兔子形主辐射单元由圆形辐射单元1031和两个椭圆形辐射单元1032组成，通过调节各个辐射单元的尺寸，通过调节兔子形主辐射单元与第一接地面1011和第二接地面1012之间的耦合缝隙以及第一介质基板108与底部反射板107之间的距离，该天线可以达到很好的匹配，可以满足宽带定向的设计要求。
本发明一种宽带定向毫米波天线中的共面馈电传输线102与连接器的内导体相连接，连接器的外导体与第一接地面1011和第二接地面1012相连接。
结合图2-3所示，本发明设置在左侧折叠侧面上的第一C形反射面105和设置在右侧折叠侧面上的第二C形反射面106分别印刷在第二介质基板1081和第三介质基板1082上，通过第二介质基板1081和第三介质基板1082以及第一C形反射面105和第二C形反射面106的高度，来调整空腔的大小，可以有效的实现天线的定向辐射特性。
本发明的天线的带宽和中心频率由每个辐射单元的长度和宽度，兔子形主辐射单元与位于顶部的寄生单元104之间的耦合缝隙以及设置在左右两侧折叠侧面上的第一C形反射面105和第二C形反射面106形成的空腔的高度共同决定。该天线采用共面馈电结构，辐射单元寄生耦合和折叠反射面的设计，便于实现宽带化和定向性设计。
本发明的兔子形主辐射单元由圆形辐射单元1031和两个椭圆形辐射单元1032组成，且椭圆形辐射单元1032可以采用菱形结构，弯折矩形结构等，便于减小天线的尺寸，易于和实际的小型化终端进行集成设计。
本发明的左右两侧折叠侧面上的第一C形反射面105和第二C形反射面106内部可以嵌入小型的寄生辐射单元设计，比如可以嵌入小型的C形寄生辐射单元，加入小型寄生辐射单元可以使所设计的天线的带宽更宽；可将兔子形主辐射单元中的椭圆形辐射单元设计成为弯折结构，从而减小天线的尺寸。
结合图6所示为天线的反射系数和驻波比曲线示意图，可以看出天线反射系数小于-10dB的带宽很宽，可以覆盖27.6GHz-45GHz。
结合图7本发明的辐射方向示意图，可看出天线具有很好的定向辐射方向。
综上，本发明采用共面波导馈电结构，左右两侧折叠侧面上印制第一C形反射面105和第二C形反射面106与底部反射板形成半封闭空腔的结构，兔子形主辐射单元与位于顶层的寄生单元104之间的耦合结构设计，便于实现宽带化，定向性的毫米波天线设计。左右两侧折叠侧面上印制第一C形反射面105和第二C形反射面106、底部反射板107、顶部的寄生单元104与第一接地面1011和第二接地面1012之间形成的空腔结构，有效的抑制天线的后向辐射，使天线具有较好的定向特性，并且有效的减小了天线的横向尺寸，便于进行小型化设计。该天线的兔子形主辐射单元采用圆形辐射单元和椭圆形辐射单元的复合结构，有效的扩展了天线的带宽，并且结构设计简单，便于对天线的谐振频率进行调整。通过在主辐射单元上方添加寄生辐射单元，利用它们之间的缝隙耦合，可以进一步扩展天线带宽。本发明是一种宽带定向毫米波天线，采用共面馈电结构，折叠介质基板与底层反射板之间形成半封闭空腔的结构设计，以及采用主辐射单元与寄生辐射单元之间的缝隙耦合结构设计，实现了宽带化以及定向性的天线设计。
Claims (10)
1.一种宽带定向毫米波天线，其特征在于：所述天线包括第一介质基板(108)、第二介质基板(1081)、第三介质基板(1082)、共面馈电传输线(102)、第一接地面(1011)、第二接地面(1012)、寄生单元(104)、第一C形反射面(105)、第二C形反射面(106)、底部反射板(107)、兔子形主辐射单元；所述的第一C形反射面(105)设置在右侧折叠侧面上；第二C形反射面(106)设置在左侧折叠侧面上；所述的共面馈电传输线(102)与连接器的内部导体相连接，连接器的外导体与第一接地面(1011)、第二接地面(1012)相连接。
2.根据权利要求1所述的一种宽带定向毫米波天线，其特征在于：所述的寄生单元(104)设置在左右两个折叠侧面上的第一C形反射面(105)和第二C形反射面(106)内部；所述的第一C形反射面(105)、第二C形反射面(106)和底部反射板(105)构成的半封闭空腔结构。
3.根据权利要求1或2所述的一种宽带定向毫米波天线，其特征在于：所述的半封闭合空腔结构中的空腔大小通过第二介质基板(1081)和第三介质基板(1082)以及第一C形反射面(105)和第二C形反射面(106)的高度来调整。
4.根据权利要求1或2所述的一种宽带定向毫米波天线，其特征在于：所述的第一介质基板(108)的左侧折叠侧面上第一C形反射面(105)设置在所述的第二介质基板(1081)上，所述的第一介质基板(108)的右侧折叠侧面上第一C形反射面(106)设置在所述的第三介质基板(1082)上。
5.根据权利要求1或2所述的一种宽带定向毫米波天线，其特征在于：所述的位于顶部的寄生单元(104)、第一C形反射面(105)和第二C形反射面(106)以及底部反射板(107)形成一个空腔结构。
6.根据权利要求1、2或4所述的一种宽带定向毫米波天线，其特征在于：所述的第一C形反射面(105)和第二C形反射面(106)也可以是F形反射面。
7.根据权利要求1所述的一种宽带定向毫米波天线，其特征在于：所述兔子形主辐射单元由圆形辐射单元(1031)和两个椭圆形辐射单元(1032)组成；所述的椭圆形辐射单元采取菱形结构或弯折矩形结构。
8.根据权利要求1或7所述的一种宽带定向毫米波天线，其特征在于：所述兔子形主辐射单元与位于顶部的寄生单元(104)之间构成缝隙耦合结构。
9.根据权利要求1或7所述的一种宽带定向毫米波天线，其特征在于：所述兔子形主辐射单元中的椭圆形辐射单元(1032)可以是寄生辐射单元或弯折辐射单元结构。
10.根据权利要求1或7所述的一种宽带定向毫米波天线，其特征在于：所述兔子形主辐射单元、第一接地面(1011)、第二接地面(1012)之间耦合缝隙以及第一介质基板(108)与底部反射板(107)之间的距离通过调节各个辐射单元的尺寸来匹配。
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