CN107946752A - 一种基片集成间隙波导电磁偶极子天线 - Google Patents

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Abstract

本发明一种基片集成间隙波导电磁偶极子天线，采用三块介质板构成基片集成间隙波导天线的主要结构；介质板（1）上印刷有一对矩形贴片构成的电偶极子和两个金属过孔构成的磁偶极子，两条共面带线分别通过作为磁偶极子的金属过孔与矩形贴片构成的电偶极子相连，为该电磁偶极子天线馈电。介质板（3）上有蘑菇状电磁带隙（EBG）结构阵列，使三层介质板间产生EBG效应，增加电路屏蔽性。介质板（2）隔离介质板（1）和介质板（3）。本发明一种基片集成间隙波导电磁偶极子天线具有剖面低，易于集成互连，易加工，带宽较宽，以及增益高等优点，能用做5G毫米波天线。

Description

一种基片集成间隙波导电磁偶极子天线
技术领域
本发明属于无线通信毫米波天线，涉及基于PCB的基片集成间隙波导电磁偶极子天线。
背景技术
电磁偶极子天线由于其相似的方向图、宽带宽、稳定高增益等优点被广泛运用于基站天线中。但是，面对下一代通信***（5G）的毫米波段运用，传统的电磁偶极子天线存在一些问题，比如纯金属的结构在毫米波段难以制造，同轴探针激励的方式难以与其他平面电路互联集成，传统的四分之一波长高度导致剖面受限。
多层PCB技术被用来解决电磁偶极子制造困难的问题，但是此类电磁偶极子天线需要在下方安装同轴接头来激励，因而剖面很高且不利于集成；为了解决天线与电路集成的问题，孔径耦合方式的馈电方式被提出。采用孔径耦合馈电的电磁偶极子天线一般采用在基片集成波导等封闭传输线上开一个矩形孔径，在矩形孔径上方放置电磁偶极子天线，通过孔径将电磁能量耦合到天线上。但是，孔径耦合方式的天线的辐射体和馈电网络是分离开的，这同样导致天线的剖面过高。综上所述，降低剖面，实现天线与其他电路***的集成是毫米波电磁偶极子天线设计需要解决的问题。
最近，一种称为基片集成间隙波导（SIGW）的新型传输线被提出，该传输线基于多层PCB来实现。SIGW由于将内部微带线封装在电磁带隙结构当中，可以大大提高馈电网络的屏蔽性；其次，得益于SIGW的多层结构，天线可以被设计到其内部，而非通过外部耦合为其馈电，这将为实现低剖面、易互连的目标提供很大帮助。
本发明设计了一种基片集成间隙波导的电磁偶极子天线，用来解决现有的基于PCB技术设计的电磁偶极子天线剖面高、不易集成互连的缺点。
本发明内容，经文献检索，未见与本发明相同的公开报道。
发明内容
本发明的目的是提出一种基片集成间隙波导的电磁偶极子天线，用以克服现有的电磁偶极子天线剖面高、加工成本高、不易集成等缺点，能应用于5G毫米波波段。
本发明的一种基片集成间隙波导的电磁偶极子天线如图1所示，其特征在于，包括：介质板（1），介质板（2），介质板（3）；介质板（1）上的敷铜层（4），方形口径（5），矩形贴片（6、7），扇形巴伦（12）；共面带线（10、11），微带馈线（14）；金属过孔（8、9，13）；介质板（3）上的蘑菇状EBG结构（15），敷铜层（16）；其中：
a.介质板（1），介质板（2），介质板（3）压合在一起，形成一个整体；
b.基片集成间隙波导（SIGW）结构由介质板（1、2、3）构成，其中，介质板（1）上表面的敷铜层（4）作为理想电导体（PEC）；介质板（1）下表面印刷有微带线（14）；介质板（3）上制作有周期性的蘑菇状结构（15），且下表面有敷铜层（16），整块介质板（3）相当于理想磁导体（PMC）；
c.敷铜层（4）敷在介质板（1）的上表面；在敷铜层（4）上蚀刻有一个方形口径（5）；方形口径（5）的中央印刷有两个矩形贴片（6、7）；扇形巴伦（12）印刷在方形口径（5）的边缘；
d.共面带线（10、11）和微带馈线（14）印刷在介质板（1）的下表面；
e.金属过孔（8、9）打在两个矩形贴片（6、7）相邻的一侧，一端与矩形贴片（6、7）相连，另一端与共面带线（10、11）相连；
f.金属过孔（13）打在扇形巴伦上，与共面带线（10）相连；
g.共面带线（10、11）的一端通过金属过孔（8、9）分别与口径中央的两个矩形贴片（6、7）相连；共面带线（10）的另一端通过金属过孔（13）与扇形巴伦（12）相连；共面带线（11）的另一端与微带馈线（14）相连；
h.介质板（2）为一块空白介质板，用来作为介质板（1）和介质板（3）之间的分隔；
i.介质板（3）上印刷有蘑菇状EBG结构（15）阵列；蘑菇状EBG结构（15）由介质板（3）上表面的圆形贴片和介质板（3）上的金属过孔组成；介质板（3）下表面为敷铜层（16）；
j.蘑菇状EBG结构（15）阵列中，位于矩形贴片（6、7）正下方的三个蘑菇状EBG结构被移除，防止由共面带线（10、11）馈送的能量耦合到蘑菇状EBG结构上，以获得更好的匹配效果；
k.设计SIGW天线时，为了获得所需的工作频带，需要合适地选取蘑菇状EBG结构（15）中圆形贴片和金属过孔的尺寸以及蘑菇状EBG结构（15）的周期，使EBG结构的阻带与基片集成间隙波导（SIGW）所传播的电磁波频段相适应；
l.方形口径（5）尺寸增大时，增益会随之升高，但是回波损耗变差，反之则反；方形口径（5）的尺寸约为波长时获得的增益和回波损耗较好；
m.介质板（1）下表面印刷的微带线（14）处于在PEC与PMC之间，使微带线（14）被封装在其中不受外界干扰。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1、低剖面；
2、高增益；
3、高辐射效率；
4、易与其他平面电路集成。
附图说明
图1为本发明一种基片集成间隙波导的电磁偶极子天线结构示意图。
图2为本发明一种基片集成间隙波导的电磁偶极子天线介质板（1）上表面示意图。
图3为本发明一种基片集成间隙波导的电磁偶极子天线介质板（1）下表面示意图。
图4为本发明一种基片集成间隙波导的电磁偶极子天线的回波损耗和增益。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细的说明。
如附图1所示，一种基片集成间隙波导电磁偶极子天线包括：介质板（1），介质板（2），介质板（3）；介质板（1）上的敷铜层（4），方形口径（5），矩形贴片（6、7），扇形巴伦（12）；共面带线（10、11），微带馈线（14）；金属过孔（8、9，13）；介质板（3）上的蘑菇状EBG结构（15），敷铜层（16）；其中：
a.介质板（1），介质板（2），介质板（3）压合在一起，形成一个整体；
b.基片集成间隙波导（SIGW）结构由介质板（1、2、3）构成，其中，介质板（1）上表面的敷铜层（4）作为理想电导体（PEC）；介质板（1）下表面印刷有微带线（14）；介质板（3）上制作有周期性的蘑菇状结构（15），且下表面有敷铜层（16），整块介质板（3）相当于理想磁导体（PMC）；
c.敷铜层（4）敷在介质板（1）的上表面；在敷铜层（4）上蚀刻有一个方形口径（5）；方形口径（5）的中央印刷有两个矩形贴片（6、7）；扇形巴伦（12）印刷在方形口径（5）的边缘；
d.共面带线（10、11）和微带馈线（14）印刷在介质板（1）的下表面；
e.金属过孔（8、9）打在两个矩形贴片（6、7）相邻的一侧，一端与矩形贴片（6、7）相连，另一端与共面带线（10、11）相连；
f.金属过孔（13）打在扇形巴伦上，与共面带线（10）相连；
g.共面带线（10、11）的一端通过金属过孔（8、9）分别与口径中央的两个矩形贴片（6、7）相连；共面带线（10）的另一端通过金属过孔（13）与扇形巴伦（12）相连；共面带线（11）的另一端与微带馈线（14）相连；
h.介质板（2）为一块空白介质板，用来作为介质板（1）和介质板（3）之间的分隔；
i.介质板（3）上印刷有蘑菇状EBG结构（15）阵列；蘑菇状EBG结构（15）由介质板（3）上表面的圆形贴片和介质板（3）上的金属过孔组成；介质板（3）下表面为敷铜层（16）；
j.蘑菇状EBG结构（15）阵列中，位于矩形贴片（6、7）正下方的三个蘑菇状EBG结构被移除，防止由共面带线（10、11）馈送的能量耦合到蘑菇状EBG结构上，以获得更好的匹配效果；
k.设计SIGW天线时，为了获得所需的工作频带，需要合适地选取蘑菇状EBG结构（15）中圆形贴片和金属过孔的尺寸以及蘑菇状EBG结构（15）的周期，使EBG结构的阻带与基片集成间隙波导（SIGW）所传播的电磁波频段相适应；
l.方形口径（5）尺寸增大时，增益会随之升高，但是回波损耗变差，反之则反；方形口径（5）的尺寸约为波长时获得的增益和回波损耗较好；
m.介质板（1）下表面印刷的微带线（14）处于在PEC与PMC之间，使微带线（14）被封装在其中不受外界干扰；
进一步地，为了说明上述方案的可行性，下面给出一个具体实例。该实例中，矩形孔径（5）尺寸接近一个波长时能够获得较好的增益和匹配效果，当其尺寸增大时增益会有所提高，但是带内匹配会变差，反之则反；矩形贴片（6、7）构成的电偶极子的长度略长于半波长；连接矩形贴片（6、7）和共面带线（10、11）的两个金属过孔（8、9）构成的磁偶极子，高度为介质板（1）的高度。介质板（3）上印刷有9×5的蘑菇状EBG结构（15）阵列，位于矩形贴片（6、7）正下方的三个蘑菇状EBG结构（15）被移除以获得更好的匹配效果。该实例中，介质板（1、2、3）均采用Rogers5880板材，形成的SIGW天线的整体外观尺寸为32×18×1.574m3；仿真及测试结果表明，该天线回波损耗小于-10dB频段为22.2—29.4GHz，带内增益为9.6±0.4dBi。
上面对本发明的较佳实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (7)

1.本发明一种基片集成间隙波导电磁偶极子天线，其特征在于，介质板（1），介质板（2），介质板（3）压合在一起，形成一个整体；基片集成间隙波导（SIGW）结构由介质板（1、2、3）构成；介质板（1）上表面有敷铜层（4），下表面印刷共面带线（10、11）和微带馈线（14）；敷铜层（4）上蚀刻有方形口径（5）；矩形贴片（6、7）印刷在方形口径（5）中央，金属过孔（8、9）打在矩形贴片（6、7）相邻的一侧，一端与矩形贴片（6、7）相连，另一端与共面带线（10、11）相连；共面带线（10）的另一端通过金属过孔（13）与扇形巴伦（12）相连，共面带线（11）的另一端直接与微带馈线（14）相连；介质板（2）为一块空白介质板，用来作为介质板（1）和介质板（3）之间的分隔；介质板（3）上印刷有蘑菇状EBG结构（15）阵列。
2.根据权利要求1所述的一种基片集成间隙波导电磁偶极子天线，其特征在于：介质板（1）上表面的敷铜层（4）作为理想电导体（PEC）；介质板（1）下表面印刷有微带线（14）；介质板（3）上制作有周期性的蘑菇状结构（15），且下表面有敷铜层（16），整块介质板（3）相当于理想磁导体（PMC）。
3.根据权利要求1所述的一种基片集成间隙波导电磁偶极子天线，其特征在于：蘑菇状EBG结构（15）由介质板（3）上表面的圆形贴片和介质板（3）上的金属过孔组成；介质板（3）下表面为敷铜层（16）；蘑菇状EBG结构（15）阵列中，位于矩形贴片（6、7）正下方的三个蘑菇状EBG结构被移除，防止由共面带线（10、11）馈送的能量耦合到蘑菇状EBG结构上。
4.据权利要求1所述的一种基片集成间隙波导电磁偶极子天线，其特征在于：敷铜层（4）敷在介质板（1）的上表面；在敷铜层（4）上蚀刻有一个方形口径（5）；方形口径（5）的中央印刷有两个矩形贴片（6、7）；扇形巴伦（12）印刷在方形口径（5）的边缘。
5.根据权利要求1所述的一种基片集成间隙波导电磁偶极子天线，其特征在于：电磁偶极子的构成方式为：两个矩形贴片（6、7）作为电偶极子，金属过孔（8、9）打在两个矩形贴片（6、7）相邻的一侧，一端与矩形贴片（6、7）相连，另一端与共面带线（10、11）相连，形成磁偶极子，二者共同构成电磁偶极子。
6.根据权利要求1所述的一种基片集成间隙波导电磁偶极子天线，其特征在于：设计SIGW天线时，为了获得所需的工作频带，需要合适地选取蘑菇状EBG结构（15）中圆形贴片和金属过孔的尺寸以及蘑菇状EBG结构（15）的周期，使EBG结构的阻带与基片集成间隙波导（SIGW）所传播的电磁波频段相适应。
7.根据权利要求1所述的一种基片集成间隙波导电磁偶极子天线，其特征在于：方形口径（5）尺寸增大时，增益会随之升高，但是回波损耗变差，反之则反；方形口径（5）的尺寸约为波长时获得的增益和回波损耗较好。
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