CN114006157B - 基于基片集成波导和锥形渐变结构馈电的平面准八木天线 - Google Patents

基于基片集成波导和锥形渐变结构馈电的平面准八木天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于基片集成波导和锥形渐变结构馈电的平面准八木天线，该平面准八木天线包括金属印刷层和介质基片层，所述金属印刷层印制于介质基片层两侧构成顶层金属层和底层金属层；所述金属印刷层包括基片集成波导、锥形渐变馈电结构、偶极子辐射单元、引向器；在基片集成波导的一端连接锥形渐变馈电结构，在锥形渐变馈电结构的另一端连接偶极子辐射单元，在偶极子辐射单元的旁边设有引向器。本发明在传统平面准八木天线的偶极子双臂上分别加载十字结构和卄字结构，与传统平面准八木天线相比，该结构在保证天线高增益性能的基础上，有效改善了天线在阻抗带宽内的回波损耗。

Description

基于基片集成波导和锥形渐变结构馈电的平面准八木天线
技术领域
本发明涉及一种新型结构的平面准八木天线结构，具体说是一种采用印制电路板工艺制作、使用新型偶极子单元结构进行辐射的天线结构，以提升天线带宽和回波损耗等指标。
背景技术
天线是射频电路***的关键部分之一，其性能直接影响着通信***的通信信号质量、通信***的信号覆盖范围和通信***的工作性能。随着电磁技术的进一步发展，科学技术的研究向着更高频率的频段演进，并且覆盖了低频频段到毫米波频段，逐步得到了广泛的应用，包括虚拟现实技术、新无线局域网技术、雷达与制导技术、射电天文学、临床医学和波谱学等领域。
采用高增益的放大器或天线阵列来弥补传输距离带来的损耗，同时增大放大器增益和使用天线阵列也会增加通信***的成本，同时宽带特性也成为不可避免的考虑因素。因此对于射频通信***来说，宽带、高增益和低回波损耗的天线设计一直是一个难点。
八木天线是典型的端射天线，传统的八木天线由多个金属棒搭建而成，随着印制电路板技术发展和基片集成波导技术的发展，八木天线演变成平面天线，平面印制的准八木天线能够满足大部分的射频应用，但是使用传统结构的平面准八木天线的带宽往往受限，而提升带宽也会带来增益的损失，使得无法同时满足带宽和增益的要求。
因此，需要发明一种能够保证天线高增益的同时改善天线的回波损耗、提高阻抗带宽的平面准八木天线，以应用于毫米波雷达、通信等***中。
发明内容
技术问题：为了解决上述问题，本发明提供了一种基于基片集成波导和锥形渐变结构馈电的平面准八木天线，具体说是一种采用印制电路板工艺制作、使用新型偶极子单元结构进行辐射的天线结构，以提升天线带宽和回波损耗等指标。
技术方案：本发明提出了一种基于基片集成波导和锥形渐变结构馈电的平面准八木天线，该平面准八木天线包括金属印刷层和介质基片层，所述金属印刷层印制于介质基片层两侧构成顶层金属层和底层金属层；所述金属印刷层包括基片集成波导、锥形渐变馈电结构、偶极子辐射单元、引向器；在基片集成波导的一端连接锥形渐变馈电结构，在锥形渐变馈电结构的另一端连接偶极子辐射单元，在偶极子辐射单元的旁边设有引向器。
其中，
所述的平面准八木天线的偶极子为十字结构偶极子辐射单元时，顶层金属层设有第一基片集成波导结构，在第一基片集成波导结构的一端连接第一锥形渐变馈电结构，在第一锥形渐变馈电结构的另一端垂直连接第一十字结构偶极子辐射单元，在第一十字结构偶极子辐射单元的旁边设有并排设置第一引向器、第二引向器；底层金属层设有第二基片集成波导结构，在第二基片集成波导结构的一端连接第二锥形渐变馈电结构，在第二锥形渐变馈电结构的另一端垂直连接第二十字结构偶极子辐射单元，该第二十字结构偶极子辐射单元与第一十字结构偶极子辐射单元的方向相差180度，与平面准八木天线轴线对称分布。
所述的平面准八木天线的偶极子为卄字结构偶极子辐射单元时，顶层金属层设有第三基片集成波导结构，在第三基片集成波导结构的一端连接第三锥形渐变馈电结构，在第三锥形渐变馈电结构的另一端垂直连接第一卄字结构偶极子辐射单元，在第一卄字结构偶极子辐射单元的旁边设有并排设置第三引向器、第四引向器；底层金属层设有第四基片集成波导结构，在第四基片集成波导结构的一端连接第四锥形渐变馈电结构，在第四锥形渐变馈电结构的另一端垂直连接第二卄字结构偶极子辐射单元；第一卄字结构偶极子辐射单元与第二卄字结构偶极子辐射单元的方向相差180度，与平面准八木天线轴线对称分布。
所述第一十字结构偶极子辐射单元、第二十字结构偶极子辐射单元、第一卄字结构偶极子辐射单元、第二卄字结构偶极子辐射单元为矩形形状，其长度长于偶极子辐射单元宽度。
所述第一卄字结构偶极子辐射单元、第二卄字结构偶极子辐射单元的尺寸大小一样或不一样。
所述第一引向器、第二引向器或第三引向器、第四引向器长度应小于第一十字结构偶极子辐射单元、第二十字结构偶极子辐射单元或第一卄字结构偶极子辐射单元、第二卄字结构偶极子辐射单元的长度。
所述第一引向器、第二引向器或第三引向器、第四引向器的间距相同。
所述第一十字结构偶极子辐射单元、第二十字结构偶极子辐射单元、第一卄字结构偶极子辐射单元、第二卄字结构偶极子辐射单元以及第一引向器、第二引向器或第三引向器、第四引向器，分别印制在金属印刷版两侧；引向器数量为1至4根。
所述第一锥形渐变馈电结构、第二锥形渐变馈电结构、第三锥形渐变馈电结构、第四锥形渐变馈电结构或变更为微带线馈电结构、共面带状线结构或共面波导结构，印制在双面金属印刷板的两侧；
所述第一十字结构偶极子辐射单元、第二十字结构偶极子辐射单元、第一卄字结构偶极子辐射单元、第二卄字结构偶极子辐射单元以及第一引向器、第二引向器或第三引向器、第四引向器的辐射结构变更为“V”型辐射结构、“一”型双偶极子辐射结构。
有益效果：
1)有效改善平面准八木天线的带宽、增益、回波损耗性能，可以在实现高性能的基础上实现天线的小型化设计。
2)结构简单，易于在不作过多调整的基础上进一步改善平面准八木天线的性能。
3)适合于短距离通信、射频收发机、无线局域网等各种应用场合。
本发明适用于低频段至毫米波频段的短距离通信场景，各指标均远优于传统平面准八木天线结构。
附图说明
图1是本发明中的结构示意图，其中(a)为十字结构偶极子的平面准八木天线顶层金属层结构示意图，(b)为十字结构偶极子的平面准八木天线底层金属层结构示意图；(c)为卄字结构偶极子的平面准八木天线顶层金属层结构示意图，(d)为卄字结构偶极子的平面准八木天线底层金属层结构示意图；
图2是将本发明应用于45GHz频段下，传统结构平面准八木天线、十字偶极子结构的平面准八木天线的性能指标对比结果。其中(a)是回波损耗S11参数、(b)是E面天线增益参数。
图3是将本发明应用在60GHz频段下，传统结构平面准八木天线、十字偶极子结构的平面准八木天线和卄字偶极子结构的平面准八木天线的性能指标对比结果。其中(a)是回波损耗S11参数、(b)是E面天线增益参数。
图4是将本发明应用在70GHz频段下，传统结构平面准八木天线、十字偶极子结构的平面准八木天线和卄字偶极子结构的平面准八木天线的性能指标对比结果。其中(a)是回波损耗S11参数、(b)是E面天线增益参数。
图中有：第一基片集成波导结构1-1、第二基片集成波导结构2-1、第三基片集成波导结构3-1、第四基片集成波导结构4-1；第一锥形渐变馈电结构1-2、第二锥形渐变馈电结构2-2、第三锥形渐变馈电结构3-2、第四锥形渐变馈电结构4-2、第一十字结构偶极子辐射单元1-3、第二十字结构偶极子辐射单元2-3、第一卄字结构偶极子辐射单元3-3、第二卄字结构偶极子辐射单元4-3；第一引向器1-4、第二引向器1-5、第三引向器3-4、第四引向器3-5。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明
如图1所示，本发明是一种基于基片集成波导和锥形渐变结构馈电的平面准八木天线结构。该天线由金属印刷层和介质基片层构成，图中展示的是金属印刷层结构。所述的平面准八木天线的偶极子为十字结构偶极子辐射单元时，顶层金属层设有第一基片集成波导结构1-1，在第一基片集成波导结构1-1的一端连接第一锥形渐变馈电结构1-2，在第一锥形渐变馈电结构1-2的另一端垂直连接第一十字结构偶极子辐射单元1-3，在第一十字结构偶极子辐射单元1-3的旁边设有并排设置第一引向器1-4、第二引向器1-5；底层金属层设有第二基片集成波导结构2-1，在第二基片集成波导结构2-1的一端连接第二锥形渐变馈电结构2-2，在第二锥形渐变馈电结构2-2的另一端垂直连接第二十字结构偶极子辐射单元2-3，该第二十字结构偶极子辐射单元2-3与第一十字结构偶极子辐射单元1-3的方向相差180度，与平面准八木天线轴线对称分布。
所述的平面准八木天线的偶极子为卄字结构偶极子辐射单元时，顶层金属层设有第三基片集成波导结构3-1，在第三基片集成波导结构3-1的一端连接第三锥形渐变馈电结构3-2，在第三锥形渐变馈电结构3-2的另一端垂直连接第一卄字结构偶极子辐射单元3-3，在第一卄字结构偶极子辐射单元3-3的旁边设有并排设置第三引向器3-4、第四引向器3-5；底层金属层设有第四基片集成波导结构4-1，在第四基片集成波导结构4-1的一端连接第四锥形渐变馈电结构4-2，在第四锥形渐变馈电结构4-2的另一端垂直连接第二卄字结构偶极子辐射单元4-3；第一卄字结构偶极子辐射单元3-3与第二卄字结构偶极子辐射单元4-3的方向相差180度，与平面准八木天线轴线对称分布。
图中第一基片集成波导结构1-1、第二基片集成波导结构2-1、第三基片集成波导结构3-1、第四基片集成波导结构4-1通过第一锥形渐变馈电结构1-2、第二锥形渐变馈电结构2-2、第三锥形渐变馈电结构3-2、第四锥形渐变馈电结构4-2馈电给第一十字结构偶极子辐射单元1-3、第二十字结构偶极子辐射单元2-3、第一卄字结构偶极子辐射单元3-3、第二卄字结构偶极子辐射单元4-3，偶极子分别置于上下两面金属印刷层，上下两面金属印刷层拥有相同、对称的馈电结构；第一引向器1-4、第二引向器1-5、第三引向器3-4、第四引向器3-5平行于偶极子，并且位于单面金属印刷层；第一十字结构偶极子辐射单元1-3、第二十字结构偶极子辐射单元2-3、第一卄字结构偶极子辐射单元3-3、第二卄字结构偶极子辐射单元4-3加载在天线的偶极子臂上，并且根据天线结构上下对称；第一十字结构偶极子辐射单元1-3、第二十字结构偶极子辐射单元2-3、第一卄字结构偶极子辐射单元3-3、第二卄字结构偶极子辐射单元4-3结构为矩形，其长度长于偶极子宽度；十字结构的第一十字结构偶极子辐射单元1-3、第二十字结构偶极子辐射单元2-3分别位于两面的金属印刷层的偶极子臂上；卄字结构的第一卄字结构偶极子辐射单元3-3、第二卄字结构偶极子辐射单元4-3同样分置于金属印刷层的两侧，同一个偶极子臂上的卄字结构之间应有合适的距离，同时两个卄字结构的尺寸可以不相同。
图2是将本发明应用在45GHz频段的天线性能参数图，分别对比了传统结构、十字结构偶极子的回波损耗S11参数图(a)和H面增益参数图(b)。从图(a)中可以看出，十字结构偶极子的平面准八木天线比传统结构的平面准八木天线拥有更低的回波损耗，相比下降了4.8dB左右；同时新结构在45GHz有进一步拓展带宽的趋势。从图(b)中可以看出，十字结构的平面准八木天线与传统结构的八木天线的增益一样，证实了新结构的平面准八木天线对天线的增益没有影响。
图3是将本发明应用在60GHz频段的天线性能参数图。分别对比了传统结构、十字结构偶极子和卄字结构偶极子的回波损耗S11参数图(a)和H面增益参数图(b)。从图(a)中可以看出，加载新型结构的平面准八木天线大大改善了天线的回波损耗，十字结构偶极子和卄字结构偶极子的天线与传统结构的天线相比，回波损耗分别降低了4.6dB和8.4dB；同时在60GHz频段，十字和卄字结构偶极子的天线与传统结构的天线相比，阻抗带宽分别提升了5.1％和8.5％，优于传统结构；从图(b)中可以看出，十字和卄字结构偶极子结构的天线与传统结构的天线相比，E面增益分别增加了0.1dB和0.2dB。以上说明新结构的平面准八木天线在不影响天线增益的基础上，能够大大改善天线的回波损耗和阻抗带宽。
图3是将本发明应用在70GHz频段的天线性能参数图。分别对比了传统结构、十字结构偶极子和卄字结构偶极子结构的回波损耗S11参数图(a)和H面增益参数图(b)。从图(a)中可以看出，加载新型结构的平面准八木天线大大改善了天线的回波损耗，十字和卄字结构偶极子的天线与传统结构的天线相比，回波损耗分别降低了4.8dB和9.1dB；十字和卄字结构偶极子的天线与传统结构的天线相比，阻抗带宽分别提升了1.5％和5.6％；更为重要的是，由(b)图可以看出，三种结构的天线增益基本相同，说明新型结构的天线在高频处能够在保持高增益的基础上实现了进一步降低回波损耗了扩展阻抗带宽。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于基片集成波导和锥形渐变结构馈电的平面准八木天线，其特征在于，该平面准八木天线包括金属印刷层和介质基片层，所述金属印刷层印制于介质基片层两侧构成顶层金属层和底层金属层；所述金属印刷层包括基片集成波导、锥形渐变馈电结构、偶极子辐射单元、引向器；在基片集成波导的一端连接锥形渐变馈电结构，在锥形渐变馈电结构的另一端连接偶极子辐射单元，在偶极子辐射单元的旁边设有引向器；
所述的平面准八木天线的偶极子为十字结构偶极子辐射单元或卄字结构偶极子辐射单元；
所述的平面准八木天线的偶极子为十字结构偶极子辐射单元时，顶层金属层设有第一基片集成波导结构（1-1），在第一基片集成波导结构（1-1）的一端连接第一锥形渐变馈电结构（1-2），在第一锥形渐变馈电结构（1-2）的另一端垂直连接第一十字结构偶极子辐射单元（1-3），在第一十字结构偶极子辐射单元（1-3）的旁边设有并排设置第一引向器（1-4）、第二引向器（1-5）；底层金属层设有第二基片集成波导结构（2-1），在第二基片集成波导结构（2-1）的一端连接第二锥形渐变馈电结构（2-2），在第二锥形渐变馈电结构（2-2）的另一端垂直连接第二十字结构偶极子辐射单元（2-3），该第二十字结构偶极子辐射单元（2-3）与第一十字结构偶极子辐射单元（1-3）的方向相差180度，与平面准八木天线轴线对称分布；
所述的平面准八木天线的偶极子为卄字结构偶极子辐射单元时，顶层金属层设有第三基片集成波导结构（3-1），在第三基片集成波导结构（3-1）的一端连接第三锥形渐变馈电结构（3-2），在第三锥形渐变馈电结构（3-2）的另一端垂直连接第一卄字结构偶极子辐射单元（3-3），在第一卄字结构偶极子辐射单元（3-3）的旁边设有并排设置第三引向器（3-4）、第四引向器（3-5）；底层金属层设有第四基片集成波导结构（4-1），在第四基片集成波导结构（4-1）的一端连接第四锥形渐变馈电结构（4-2），在第四锥形渐变馈电结构（4-2）的另一端垂直连接第二卄字结构偶极子辐射单元（4-3）；第一卄字结构偶极子辐射单元（3-3）与第二卄字结构偶极子辐射单元（4-3）的方向相差180度，与平面准八木天线轴线对称分布；
所述第一十字结构偶极子辐射单元（1-3）、第二十字结构偶极子辐射单元（2-3）、第一卄字结构偶极子辐射单元（3-3）、第二卄字结构偶极子辐射单元（4-3）为矩形形状，其长度长于偶极子辐射单元宽度。
2.根据权利要求1所述的基于基片集成波导和锥形渐变结构馈电的平面准八木天线，其特征在于，所述第一卄字结构偶极子辐射单元（3-3）、第二卄字结构偶极子辐射单元（4-3）的尺寸大小一样或不一样。
3.根据权利要求1所述的基于基片集成波导和锥形渐变结构馈电的平面准八木天线，其特征在于，所述第一引向器（1-4）、第二引向器（1-5）或第三引向器（3-4）、第四引向器（3-5）长度应小于第一十字结构偶极子辐射单元（1-3）、第二十字结构偶极子辐射单元（2-3）或第一卄字结构偶极子辐射单元（3-3）、第二卄字结构偶极子辐射单元（4-3）的长度。
4.根据权利要求1所述的基于基片集成波导和锥形渐变结构馈电的平面准八木天线，其特征在于，所述第一引向器（1-4）、第二引向器（1-5）或第三引向器（3-4）、第四引向器（3-5）的间距相同。
5.根据权利要求1所述的基于基片集成波导和锥形渐变结构馈电的平面准八木天线，其特征在于，所述第一十字结构偶极子辐射单元（1-3）、第二十字结构偶极子辐射单元（2-3）、第一卄字结构偶极子辐射单元（3-3）、第二卄字结构偶极子辐射单元（4-3）以及第一引向器（1-4）、第二引向器（1-5）或第三引向器（3-4）、第四引向器（3-5），分别印制在金属印刷版两侧；引向器数量为1至4根。
6.根据权利要求1所述的基于基片集成波导和锥形渐变结构馈电的平面准八木天线，其特征在于，所述第一锥形渐变馈电结构（1-2）、第二锥形渐变馈电结构（2-2）、第三锥形渐变馈电结构（3-2）、第四锥形渐变馈电结构（4-2）或变更为微带线馈电结构、共面带状线结构或共面波导结构，印制在双面金属印刷板的两侧。
7.根据权利要求5所述的基于基片集成波导和锥形渐变结构馈电的平面准八木天线，其特征在于，所述第一十字结构偶极子辐射单元（1-3）、第二十字结构偶极子辐射单元（2-3）、第一卄字结构偶极子辐射单元（3-3）、第二卄字结构偶极子辐射单元（4-3）以及第一引向器（1-4）、第二引向器（1-5）或第三引向器（3-4）、第四引向器（3-5）的辐射结构变更为“V”型辐射结构、“一”型双偶极子辐射结构。
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