CN114784495A - 一种毫米波宽带宽波束贴片天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种毫米波宽带宽波束贴片天线，包括：第一介质基板，设置在第一介质基板的第一表面的主辐射单元和寄生贴片组，寄生贴片组均匀环绕辐射单元，第二介质基板，设置在第二介质基板的第一表面与第一介质基板的第二表面之间的第二辐射单元；第三介质基板，设置在第三介质基板的第一表面与第二介质基板的第二表面之间的接地单元，设置在第三介质基板的第二表面的导体带，用于连接寄生贴片组和接地单元的第一导电结构，用于连接第二辐射单元和导体带的第二导电结构。本发明的毫米波宽带宽波束贴片天线同时具备剖面低、结构紧凑、宽带、带宽内波束宽度稳定、适合毫米波应用等特点。
Description
技术领域
本发明涉及贴片天线技术领域，特别涉及一种毫米波宽带宽波束贴片天线。
背景技术
毫米波频段丰富的通信带宽，为高速率通信传输提供了有效途径。因此毫米波天线在卫星通信、自动驾驶、工厂自动化、以及第五代移动通信等领域都有广泛的应用前景。通常此类应用场景需要较高的数据传输速率，因此毫米波天线需要宽带工作以满足高数据传输速率对带宽的需求。此外，毫米波频段路径损耗严重，需要使用扫描相控阵天线技术进行波束成形提高增益，以便补偿高路径损耗，提高系统传输距离。然而，相控阵天线在宽角扫描时面临增益下降的问题，为减小相控阵天线在宽角扫描时的增益下降，需要设计具有较宽波束宽度的毫米波天线。综上，毫米波系统迫切需要宽带宽波束的毫米波天线。
近年来，国内外对如何展宽天线单元波束宽度的研究逐渐增多。通过对贴片天线加载全向单极子，引入垂直方向电流，能够有效提高贴片天线的波束宽度，但是天线剖面高度显著增加或平面尺寸较大。通过减小贴片天线的有效口径，例如减少两个辐射槽的间距或者将贴片天线变形为单个磁流槽辐射，也能提高天线的波束宽带，但是天线增益下降严重，并且目前此类设计的工作宽带较窄。通过结合磁偶极子和电偶极子的辐射能够得到宽波束的辐射方向图，但是此类设计的交叉极化较大；通过给贴片天线加载寄生单元也能实现宽波束辐射，但是此类设计通常带宽较窄或者尺寸较大。
现有技术中的宽波束贴片天线，均存在剖面高、尺寸大、带宽窄、带宽内波束宽度稳定性差、交叉极化大、不适合毫米波应用等问题中的一个或多个问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种毫米波宽带宽波束贴片天线，以解决现有技术中毫米波贴片天线不具有较宽波束宽度，宽波束贴片天线不适合毫米波应用的问题。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：
一种毫米波宽带宽波束贴片天线，包括：
第一介质基板；
主辐射单元，所述主辐射单元设置在所述第一介质基板的第一表面；
寄生贴片组，所述寄生贴片组设置在所述第一介质基板的第一表面，且均匀环绕所述辐射单元；
第二介质基板，所述所述第二介质基板平行于所述第一介质基板设置；
第二辐射单元，所述第二辐射单元设置在所述第二介质基板的第一表面与所述第一介质基板的第二表面之间；
第三介质基板，所述第三介质基板平行于所述第二介质基板设置；
接地单元，所述接地单元设置在所述第三介质基板的第一表面与所述第二介质基板的第二表面之间；
导体带，所述导体带设置在所述第三介质基板的第二表面；
第一导电结构，所述第一导电结构用于连接所述寄生贴片组和所述接地单元；
第二导电结构，所述第二导电结构用于连接所述第二辐射单元和所述导体带。
进一步的：所述寄生贴片组包括4n个寄生贴片，其中，n为不小于1的整数；
所述寄生贴片上设置有多个所述第一导电结构，所述第一导电结构靠近所述寄生贴片远离所述辐射单元的一侧设置。
进一步的：寄所述生贴片包括矩形金属贴片，所述第一导电结构靠近所述寄生贴片上远离所述辐射单元的两个侧边设置。
进一步的：相邻两个所述第一导电结构的中心距不大于0.05λ，其中λ为空气波长。
进一步的：所述主辐射单元包括正方形金属贴片，所述主辐射单元的中心与所述第一介质基板的中心同轴重叠。
进一步的：所述第一介质基板、所述第二介质基板和所述第三介质基板形状相同且中心同轴重叠。
进一步的：所述第二辐射单元包括正方形金属贴片，所述第二辐射单元的中心与所述第二介质基板的中心同轴重叠。
进一步的：所述接地单元包括金属大地，所述接地单元的形状与所述第三介质基板形状相同且中心同轴重叠；
金属大地上设置有大地通孔，所述第二导电结构穿过所述大地通孔且两端分别连接所述第二辐射单元和所述导体带。
进一步的：所述第二导电结构与所述第二辐射单元的距离为0.15a～0.25a，其中a为所述第二辐射单元的边长。
进一步的：所述第一导电结构和所述第二导电结构均为金属通孔。
采用上述技术方案，由于设置有寄生贴片组，其形成等效微带磁偶极子组，当馈电信号激励出主辐射单元和第二辐射单元的波导模式，等效微带磁偶极子组与波导模式耦合获得两对反相磁流，与贴片天线自身电流源叠加后在整个频带内获得稳定的展宽波束宽度的能力；另外通过调节贴片天线与等效微带磁偶极子组之间的耦合，可以调节微带磁偶极子组获得的功率比，进而可以调整半功率波束宽度的数值。
附图说明
图1为本发明实施例的贴片天线的俯视图；
图2为本发明实施例中图1中单点划线a-a′的剖视图；
图3为本发明实施例的贴片天线中第二介质基板2的俯视图；
图4为本发明实施例的贴片天线中接地单元的俯视图；
图5为本发明实施例的贴片天线中第三介质基板3的仰视图；
图6为本发明实施例的贴片天线的仿真匹配和增益曲线图；
图7为本发明实施例的贴片天线的在26GHz处的仿真E面辐射方向图；
图8为本发明实施例的贴片天线的在26GHz处的仿真H面辐射方向图；
图9为本发明实施例的贴片天线的仿真E面3-dB波束宽度随频率变化图。
图中，1-第一介质基板，2-第二介质基板，3-第三介质基板，4-主辐射单元，5-寄生贴片，51-第一寄生贴片，52-第二寄生贴片，53-第三寄生贴片，54-第四寄生贴片，6-第二辐射单元，7-金属大地，8-导体带，91-第一导电结构，92-第二导电结构。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
应当理解的是，说明书中的用辞仅用于描述特定的实施例，并不旨在限定本发明。说明书使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)除非另外定义，均具有本领域技术人员通常理解的含义。为简明和/或清楚起见，公知的功能或结构可以不再详细说明。
说明书使用的单数形式“一”、“所述”和“该”除非清楚指明，均包含复数形式。说明书使用的用辞“包括”、“包含”和“含有”表示存在所声称的特征，但并不排斥存在一个或多个其它特征。说明书使用的用辞“和/或”包括相关列出项中的一个或多个的任意和全部组合。
在说明书中，诸如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“高”、“低”等的空间关系用辞可以说明一个特征与另一特征在附图中的关系。应当理解的是，空间关系用辞除了包含附图所示的方位之外，还包含装置在使用或操作中的不同方位。例如，在附图中的装置倒转时，原先描述为在其它特征“下方”的特征，此时可以描述为在其它特征的“上方”。装置还可以以其它方式定向(旋转90°或在其它方位)，此时将相应地解释相对空间关系。
应当理解的是，虽然术语第一、第二等可以在本文中用于描述各种元件，但是这些元件不应受这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个元件和另一个元件。例如，第一元件可以被称为第二元件，并且类似地，第二元件可以被称为第一元件，而不偏离本发明的范围。如本文所使用的，术语“和/或”包括相关联的列出项目中的一个或多个的任何和所有组合。
在所有附图中，相同的附图标记表示相同的元件。在附图中，为清楚起见，某些特征的尺寸可以进行变形。
实施例
图1示出了本发明实施例的贴片天线的俯视图，图2为图1中单点划线a-a′的剖视图。
如图2所示，贴片天线包括三层介质基板和由三层介质基板分开的四层金属层。
上述三层介质基板自上而下分别为第一介质基板1、第二介质基板2和第三介质基板3，三层介质基板形状尺寸相同且中心同轴重叠，各介质基板分别具有第一表面和与第一表面相对置的第二表面，在本发明的实施例中，第一表面为上表面，第二表面为下表面。
在本发明的实施例中，三层介质基板均为正方形介质基板，介质基板的材料为现有技术中常用的介质基板，在此不做限定。
如图1所示，第一介质基板1的第一表面上设置有主辐射单元4和寄生贴片组，且寄生贴片组均匀环绕辐射单元设置，主辐射单元4用于基于馈电信号生成主辐射单元4的波导模式，寄生贴片组可以形成半开放等效微带磁偶极子组以与主辐射单元4的波导模式耦合。
在本发明的实施例中，主辐射单元4为正方形金属贴片，主辐射单元4的中心与第一介质基板1的中心同轴重叠。
寄生贴片组包括4n个寄生贴片5，其中，n为不小于1的整数，在本发明的实施例中，以n＝1为例进行说明，即寄生贴片组包括四个寄生贴片5：第一寄生贴片51、第二寄生贴片52、第三寄生贴片53和第四寄生贴片54，四个寄生贴片5下端垂直设置有第一导电结构组，第一导电结构组还与接地单元连接。四个寄生贴片5与其本体上设置的第一导电结构组成四个半开放等效微带磁偶极子。
由于寄生贴片组均匀环绕辐射单元设置，且第一介质基板1为正方形介质基板，因此在本发明的实施例中，四个寄生贴片5分别设置在第一介质基板1的四个角的位置并相互对称，以在波束宽度展宽的同时保持方向图的对称性。
四个寄生贴片5的四个边分别定义为第一边、第二边、第三边和第四边，四个寄生贴片5的边长约为0.1λ，其中λ为空气波长。
在本发明的实施例中，第一导电结构组包括5个大小形状一致的第一导电结构55，且设置在寄生贴片5上远离辐射单元的两个侧边下端附近。为了使寄生贴片5组成半开放等效微带磁偶极子，第一导电结构是这样设置的，如图所示，第一寄生贴片51的5个第一导电结构均匀的设置在第一边和第二边附近，两个相邻第一导电结构的距离不大于0.05λ，其中λ为空气波长，由此第一边和第二边短路，另外两个边开路，形成半开放等效微带磁偶极子，为天线辐射提供耦合磁流。
第二寄生贴片52的5个第一导电结构均匀的设置在第二边和第三边附近，第三寄生贴片53的5个第一导电结构均匀的设置在第三边和第四边附近，第四寄生贴片54的5个第一导电结构均匀的设置在第四边和第一边附近，由于该三个寄生贴片5的形状结构与第一寄生贴片51的形状结构相似存在对称关系，因此在此不再赘述该三个寄生贴片5上第一导电结构的形状位置。
第一介质基板1的第二表面与第二介质基板2的第一表面之间设置有第二辐射单元6，如图3所示，第二辐射单元6通过第二导电结构92与导体带8连接，为了实现天线的阻抗匹配，第二导电结构92与与第二辐射单元6边缘的距离为0.15a～0.25a，其中a为第二辐射单元6的边长，第二辐射单元6用于基于馈电信号生成第二辐射单元6的波导模式，并耦合到四个半开放等效微带磁偶极子上。
在本发明的实施例中，第二辐射单元6包括正方形金属贴片，第二辐射单元6的中心与第二介质基板2的中心同轴重叠。
第二介质基板2的第二表面与第三介质基板3的第一表面之间设置有接地单元，在本发明的实施例中，接地单元为金属大地7，如图4所示，金属大地7的形状与三个介质基板的形状相同，尺寸一致，即金属大地7也为正方形结构。
为了方便第二辐射单元6通过第二导电结构92与导体带8连接在金属大地7上设置有大地通孔71。
第三介质基板3的第二表面上设置有导体带8，如图5所示，在本发明的实施例中，导体带8为金属条带，导体带8的第一端位于第三介质基板3的一侧边的中点，且导体带8与该侧边水平面上垂直设置，第二端位于第三介质基板3上且与大地通孔71位于同一垂直方向上，导体带8与金属大地7构成微带线，并作为天线的馈线。
在本发明的实施例中，第一导电结构91和第二导电结构92均为金属通孔，金属通孔为本领域常用的技术方案，在此不再赘述。
本发明的贴片天线，先通过底部的导体带8进行馈电，信号经第二导电结构92传导到第二辐射单元6上，激励出第二辐射单元6的TM10模式；该模式信号通过第二辐射单元6耦合到主辐射单元4上，从而激励出主辐射单元4的TM10模式。
主辐射单元4的TM10模式和第二辐射单元6的TM10模式耦合到四个半开放等效微带磁偶极子上，由于TM10模式两侧的电场相反，因此四个半开放等效微带磁偶极子形成两对相位相反的磁流辐射源，从而得到沿极化方向的端射方向图，该端射方向图与叠层贴片天线本身的方向图叠加合成，可以使得天线辐射方向图的半功率波束宽度得到提升，并且在整个工作频带内波束宽度稳定。通过调节叠层贴片与等效微带磁偶极子之间的耦合，可以调节微带磁偶极子获得的功率比，进而可以调整半功率波束宽度的数值。
仿真实验
本实施例中采用介电常数为3.66，在中心频率26.05GHz时的剖面高度为0.06λ0的参数对贴片天线进行仿真实验。
图6为实施例1的贴片天线的匹配响应和增益曲线的仿真结果图，从图中可见，其10dB匹配带宽频率范围为24GHz-28.1GHz，即相对带宽达到了15.7％，在中心频率处的增益为5.2dBi。图7和图8分别是天线在26GHz处的E面辐射方向图和H面辐射方向图，图9为天线E面3-dB波束宽度随频率变化图，可见天线的E面3-dB波束宽度可以达到110°并且带宽内波束宽度稳定。
以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种毫米波宽带宽波束贴片天线，其特征在于：包括：
第一介质基板；
主辐射单元，所述主辐射单元设置在所述第一介质基板的第一表面；
寄生贴片组，所述寄生贴片组设置在所述第一介质基板的第一表面，且均匀环绕所述主辐射单元；
第二介质基板，所述第二介质基板平行于所述第一介质基板设置；
第二辐射单元，所述第二辐射单元设置在所述第二介质基板的第一表面与所述第一介质基板的第二表面之问；
第三介质基板，所述第三介质基板平行于所述第二介质基板设置；
接地单元，所述接地单元设置在所述第三介质基板的第一表面与所述第二介质基板的第二表面之间；
导体带，所述导体带设置在所述第三介质基板的第二表面；
第一导电结构，所述第一导电结构用于连接所述寄生贴片组和所述接地单元；
第二导电结构，所述第二导电结构用于连接所述第二辐射单元和所述导体带。
2.根据权利要求1所述的毫米波宽带宽波束贴片天线，其特征在于：所述寄生贴片组包括4n个寄生贴片，其中，n为不小于1的整数；
所述寄生贴片上设置有多个所述第一导电结构，所述第一导电结构靠近所述寄生贴片远离所述辐射单元的一侧设置。
3.根据权利要求2所述的毫米波宽带宽波束贴片天线，其特征在于：所述寄生贴片包括矩形金属贴片，所述第一导电结构靠近所述寄生贴片上远离所述辐射单元的两个侧边设置。
4.根据权利要求3所述的毫米波宽带宽波束贴片天线，其特征在于：相邻两个所述第一导电结构的中心距不大于0.05λ，其中λ为空气波长。
5.根据权利要求2-4所述任一项的毫米波宽带宽波束贴片天线，其特征在于：所述主辐射单元包括正方形金属贴片，所述主辐射单元的中心与所述第一介质基板的中心同轴重叠。
6.根据权利要求5所述的毫米波宽带宽波束贴片天线，其特征在于：所述第一介质基板、所述第二介质基板和所述第三介质基板形状相同且中心同轴重叠。
7.根据权利要求6所述的毫米波宽带宽波束贴片天线，其特征在于：所述第二辐射单元包括正方形金属贴片，所述第二辐射单元的中心与所述第二介质基板的中心同轴重叠。
8.根据权利要求7所述的毫米波宽带宽波束贴片天线，其特征在于：所述接地单元包括金属大地，所述接地单元的形状与所述第三介质基板形状相同且中心同轴重叠；
金属大地上设置有大地通孔，所述第二导电结构穿过所述大地通孔且两端分别连接所述第二辐射单元和所述导体带。
9.根据权利要求8所述的毫米波宽带宽波束贴片天线，其特征在于：所述第二导电结构与所述第二辐射单元边缘的距离为0.15a～0.25a，其中a为所述第二辐射单元的边长。
10.根据权利要求9所述的毫米波宽带宽波束贴片天线，其特征在于：所述第一导电结构和所述第二导电结构均为金属通孔。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Country or region after: China Address after: 317099 West side of the first floor, Building 3, No.1 Xie Shengbiao Road, Xinghui Village, Shaojiadu Street, Linhai City, Taizhou City, Zhejiang Province (self declared) Applicant after: Zhisheng (Linhai) Microelectronics Technology Co.,Ltd. Address before: 226006 building 15, No. 33, Xinkang Road, Gangzha District, Nantong City, Jiangsu Province Applicant before: NOVACO MICROELECTRONICS TECHNOLOGIES Ltd. Country or region before: China |
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| CB02 | Change of applicant information |