CN115117612B - 一种基于siw馈电的宽频带毫米波磁电偶极子天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于SIW馈电的宽频带毫米波磁电偶极子天线，包括基片集成波导SIW，基片集成波导SIW上方依次设置PP板、上介质基板，上介质基板的上表面设置有两处开口谐振环和加载开口谐振环的H形金属贴片；基片集成波导SIW包括有从上到下依次设有的上层金属板、下介质基板、接地板，上层金属板上设置有沙漏形缝隙；上层金属板上设置有两处金属盲孔，两处金属盲孔分别连接H形金属贴片和上层金属板结构。本发明在－10dB的阻抗带宽为38.5％，高于同类型天线的带宽。本发明在频带范围内增益大于5.5dBi，最大增益约为7.5dBi，而且增益稳定。本发明仅用一层SIW结构和H形金属贴片便可以实现宽频带毫米波，对5G移动通信有着十分重要的意义。

Description

一种基于SIW馈电的宽频带毫米波磁电偶极子天线

技术领域

本发明涉及天线领域，尤其涉及一种基于SIW馈电的宽频带毫米波磁电偶极子天线。

背景技术

5G移动通信具有Sub-6GHz和毫米波两个频段，但随着终端用户的增加，Sub-6GHz频谱带宽变得十分拥挤，频谱资源严重匮乏，而毫米波频段频谱资源丰富，可以有效解决上述问题，宽频带技术对于充分发挥毫米波丰富频谱资源具有重要意义。

磁电偶极子天线带宽、交叉极化低、后向辐射小，是实现宽频带毫米波天线的良好选择，“一种基片集成波导馈电的毫米波磁电偶极子天线设计”一文中采用SIW矩形缝隙耦合馈电磁电偶极子在毫米波实现宽频带特性，天线整体尺寸较小，“SIW缝隙耦合馈电的宽带毫米波天线的研究与应用”一文中提出了一种SIW蝶形缝隙耦合馈电拱形磁电偶极子天线，上述二者在毫米波频段损耗低，易集成，但带宽均为30％左右。综上所述，现有SIW馈电的磁电偶极子天线带宽仍有进一步拓宽的可能性。

发明内容

针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种天线带宽更宽的基于SIW馈电的宽频带毫米波磁电偶极子天线。

为达到上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：包括基片集成波导SIW，所述基片集成波导SIW上方依次设置PP板、上介质基板，所述上介质基板的上表面设置有两处开口谐振环和加载开口谐振环的H形金属贴片，两处开口谐振环设置在H形金属贴片外部的上下凹槽内；基片集成波导SIW包括有从上到下依次设有的上层金属板、下介质基板、接地板，上层金属板上设置有沙漏形缝隙，上介质基板上设置有两处金属盲孔，两处金属盲孔分别与H形金属贴片、上层金属贴片相连，两处金属盲孔分别连接在沙漏形缝隙的两侧腰间。

进一步地，基片集成波导SIW的下介质基板设置有若干金属孔形成的金属通孔，若干金属通孔与上层金属板、接地板构成SIW结构。

进一步地，H形金属贴片设置有H形镂空部，H形镂空部在靠近竖向对称轴的一侧设置有四处阶梯部。

进一步地，开口谐振环为双开口谐振环，每处开口谐振环包括有与H形金属贴片连接的外开口谐振环，以及与外开口谐振环相对设置的内开口谐振环。

进一步地，H形金属贴片的外部四角处均设置有倒角，倒角的长度为0.8mm，宽度为0.35mm。

进一步地，H形镂空部在靠近竖向对称轴的一侧设置有阶梯部，阶梯部包括有依次连接的三个阶梯，每个阶梯的竖向高度差分别为0.2mm、0.45mm、0.4mm，每个阶梯的横向宽度差分别为0.5mm、0.3mm、0.2mm。

进一步地，外开口谐振环包括有与H形金属贴片连接的第一横向段，第一横向段的两端分别设有依次相连且向内弯折的第一折弯部、第二折弯部和第三折弯部，每处折弯部的折弯角度为90°，第三折弯部的末端朝向内开口谐振环，外开口谐振环呈凹字形。第一横向段、第一折弯部、第二折弯部和第三折弯部的长度分别为1.0mm、0.7mm、0.45mm、0.4mm，外开口谐振环的宽度为0.08mm。H形金属贴片与第一横向段的中部连接。

进一步地，内开口谐振环呈“C”字形，内开口谐振环的“C”字形开口朝向两处第三折弯部的末端；内开口谐振环的宽度为0.08mm；内开口谐振环包括有第二横向段，第二横向段的两端分别设置有向内的第四折弯部，第四折弯部的折弯角度为90°；第二横向段和第四折弯部的长度分别为0.64mm和0.17mm。

进一步地，第二横向段上设置有与H形金属贴片连接的连接部，连接部的宽度等于内开口谐振环的宽度；连接部的长度为0.25mm。

进一步地，上介质基板(1)和下介质基板为PCB板，接地板和上层金属板均为覆铜板。

进一步地，上介质基板与下介质基板的安装时，沙漏形缝隙与H形金属贴片的几何中心在俯视图中重合。

本发明的有益效果为：本发明中H形金属贴片的结构有利于天线阻抗匹配。通过有效拓宽了磁电偶极子天线在毫米波频段的带宽。本发明的开口谐振环的结构，有利于拓宽天线带宽。可以充分发挥毫米波频谱资源丰富的优点。本发明天线－10dB阻抗带宽为38.5％，高于同类型天线的带宽。本发明在频带范围内增益均大于5.5dBi，最大增益约为7.5dBi，在工作频带范围内增益较为稳定。本发明天线在谐振频点24GHz和30GHz处的E面和H面交叉极化低，天线辐射特性良好。本发明仅用一层SIW结构和镜像对称的加载开口谐振环的H形金属贴片便实现了宽频带毫米波，对5G移动通信有着十分重要的意义。本发明仅有两层介质基板构成，电路工艺加工简单、适用于大批量加工；本发明加工成本十分低廉，非常适合微波毫米波电路的集成设计和大批量制作。

附图说明

图1为本发明的整体外形结构示意图；

图2为本发明拆去上介质基板后的外形结构示意图；

图3为本发明中下介质基板的俯视图；

图4为本发明中上介质基板的俯视图；

图5为本发明中开口谐振环的示意图；

图6为本发明的实施例中的S11参数仿真结果图；

图7为本发明的实施例中的Gain(IEEE)参数仿真结果图；

图8为本发明的实施例中谐振频点为24GHz时的天线辐射方向图；

图9为本发明的实施例中谐振频点为30GHz时的天线辐射方向图。

图中主要部件符号说明如下：

1、上介质基板；2、H形金属贴片；3、沙漏形缝隙；4、上层金属板；5、下介质基板；6、金属盲孔；7、PP板；8、开口谐振环；9、接地板；

81、外开口谐振环；811、第一横向段；812、第一折弯部；813、第二折弯部；814、第三折弯部；

82、内开口谐振环；821、第二横向段；822、第四折弯部。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

基于SIW馈电的宽频带毫米波磁电偶极子天线包括基片集成波导SIW，基片集成波导SIW上方依次设置PP板7、上介质基板1，上介质基板1的上表面设置有两处开口谐振环8和加载开口谐振环8的H形金属贴片2；两处设置在H形金属贴片2外部的上下凹槽内，开口谐振环8与H形金属贴且处于同一平面。上介质基板1、上层金属板4和下介质基板5的长、宽相等，长度和宽度分别为7.38mm和5.85mm。H形金属贴片2长3.87mm，宽为3.42mm，H形金属贴片的外部上下槽的宽度为1.17mm，深度为0.81mm。

在本实施例中，H形金属贴片2的外部四角处均设置有倒角，倒角的长度为0.8mm，宽度为0.35mm。

在本实施例中，基片集成波导SIW包括有从上到下依次设有的上层金属板4、下介质基板5、接地板9，上层金属板4上设置有沙漏形缝隙3，沙漏形缝隙3的高度方向与上层金属板4的长度方向平行，上介质基板1上设置有两处金属盲孔6，两处金属盲孔6分别与金属贴片2、上层金属板4连接；两处金属盲孔6连接在沙漏形缝隙3的两侧腰间。其中优选金属盲孔6的半径为0.14mm，两处金属盲孔6的距离为1.35mm。其中优选沙漏形缝隙3的宽为1.35mm，高为3.42mm，上下底座的垂直高度0.59mm，沙漏口为0.63mm。金属化盲孔4与沙漏形缝隙3之间的距离对天线的匹配有重要的影响。

在本实施例中，基片集成波导SIW的下介质基板5设置有若干金属孔，若干所述金属通孔与上层金属板4、接地板9构成SIW结构。金属通孔中心之间的间距为0.8mm，金属孔阵列优选有24处，呈“U”字形对称分布，在横向上分布两排10处，在右侧竖向分布6处，金属孔的半径为0.25mm。

在本实施例中，H形金属贴片2设置有H形镂空部，H形镂空部在靠近竖向对称轴的一侧设置有四处阶梯部。

在本实施例中，开口谐振环8为双开口谐振环，每处开口谐振环8包括有与H形金属贴片2连接的外开口谐振环，以及与外开口谐振环相对设置的内开口谐振环。

在本实施例中，H形镂空部在靠近竖向对称轴的一侧设置有四处阶梯部，四处阶梯部相对于H形镂空部的竖向和横向对称轴对称设置阶梯部包括有依次连接的三个阶梯，每个阶梯的竖向高度差分别为0.2mm、0.45mm、0.4mm，每个阶梯的横向宽度差分别为0.5mm、0.3mm、0.2mm。

在本实施例中，外开口谐振环81包括有与H形金属贴片2连接的第一横向段811，第一横向段811的两端分别设有依次相连且向内弯折的第一折弯部812、第二折弯部813和第三折弯部814，每处折弯部的折弯角度为90°，第三折弯部814的末端朝向内开口谐振环82，外开口谐振环81呈凹字形。第一横向段811、第一折弯部812、第二折弯部813和第三折弯部814的长度分别为1.0mm、0.7mm、0.45mm、0.4mm，外开口谐振环81的宽度为0.08mm。H形金属贴片2与第一横向段811的中部连接。

在本实施例中，内开口谐振环82呈“C”字形，内开口谐振环82的“C”字形开口朝向两处第三折弯部814的末端，内开口谐振环82的内侧角度为90°。内开口谐振环82的宽度为0.08mm。内开口谐振环82包括有第二横向段821，第二横向段821的两端分别设置有向内的第四折弯部822，第四折弯部822的折弯角度为90°。第二横向段811和第四折弯部822的长度分别为0.64mm和0.17mm。

在本实施例中，第二横向段821设置有与H形金属贴片2连接的连接部，连接部的宽度等于内开口谐振环的宽度。连接部的长度为0.25mm。

在本实施例中，上介质基板1和下介质基板5为PCB板，接地板9和上层金属板4均为覆铜板。

上介质基板1与下介质基板5的安装时，沙漏形缝隙3与H形金属贴片2的几何中心在俯视图中重合。

在本实施例中，馈电端位于基片集成波导SIW的前端，经靠近短路端的沙漏形缝隙3耦合至上层金属板4，沙漏形缝隙3和加载开口谐振环8的H形金属贴片2对天线的匹配有重要的影响。

在本实施例中，基于SIW馈电的宽频带毫米波磁电偶极子天线在电磁仿真软件CST中建模仿真实验数据，如图6至图9所示：

图6是本实施例中S11参数仿真结果，从图中可以看出天线的－10dB阻抗带宽为38.5％，高于同类型天线的带宽。

图7是本实施例中天线的Gain(IEEE)参数仿真结果图，从图中可以看出天线在频带范围内增益均大于5.5dBi，最大增益约为7.5dBi，在工作频带范围内增益较为稳定。

图8、图9分别为本实施例天线在谐振频点24GHz和30GHz处的天线辐射方向图，从图中可以看出，本实施条例中的E面和H面交叉极化低，天线辐射特性良好。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施条例中的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于SIW馈电的宽频带毫米波磁电偶极子天线，其特征在于，包括基片集成波导SIW，所述基片集成波导SIW上方依次设置PP板(7)、上介质基板(1)，所述上介质基板(1)的上表面设置有两处开口谐振环(8)和加载开口谐振环(8)的H形金属贴片(2)，两处所述开口谐振环(8)设置在所述H形金属贴片(2)外部的上下凹槽内；

所述基片集成波导SIW包括有从上到下依次设有的上层金属板(4)、下介质基板(5)、接地板(9)，所述上层金属板(4)上设置有沙漏形缝隙(3)；所述上介质基板(1)上设置有两处金属盲孔(6)，两处所述金属盲孔(6)分别与所述H形金属贴片(2)和上层金属板(4)连接，两处所述金属盲孔(6)分别连接在沙漏形缝隙(3)的两侧腰间。

2.根据权利要求1所述的一种基于SIW馈电的宽频带毫米波磁电偶极子天线，其特征在于，所述基片集成波导SIW的下介质基板(5)设置有若干金属通孔。

3.根据权利要求1所述的一种基于SIW馈电的宽频带毫米波磁电偶极子天线，其特征在于，所述H形金属贴片(2)设置有H形镂空部，所述H形镂空部在靠近竖向对称轴的一侧设置有四处阶梯部。

4.根据权利要求3所述的一种基于SIW馈电的宽频带毫米波磁电偶极子天线，其特征在于，所述阶梯部包括有依次连接的三个阶梯，每个所述阶梯的竖向高度差分别为0.2mm、0.45mm、0.4mm，每个所述阶梯的横向宽度差分别为0.5mm、0.3mm、0.2mm。

5.根据权利要求1所述的一种基于SIW馈电的宽频带毫米波磁电偶极子天线，其特征在于，所述H形金属贴片(2)的外部四角处均设置有倒角，所述倒角的长度为0.8mm，宽度为0.35mm。

6.根据权利要求1所述的一种基于SIW馈电的宽频带毫米波磁电偶极子天线，其特征在于，所述开口谐振环(8)为双开口谐振环，每处所述开口谐振环(8)包括有与H形金属贴片(2)连接的外开口谐振环(81)，以及与外开口谐振环(81)相对设置的内开口谐振环(82)。

7.根据权利要求6所述的一种基于SIW馈电的宽频带毫米波磁电偶极子天线，其特征在于，所述外开口谐振环(81)包括有与所述H形金属贴片(2)连接的第一横向段(811)，所述第一横向段(811)的两端分别设有依次相连且向内弯折的第一折弯部(812)、第二折弯部(813)和第三折弯部(814)，每处折弯部的折弯角度为90°，所述第三折弯部(814)的末端朝向内开口谐振环(82)，所述外开口谐振环(81)呈凹字形；所述第一横向段(811)、所述第一折弯部(812)、所述第二折弯部(813)和所述第三折弯部(814)的长度分别为1.0mm、0.7mm、0.45mm、0.4mm，所述外开口谐振环(81)的宽度为0.08mm；所述H形金属贴片(2)与所述第一横向段(811)的中部连接。

8.根据权利要求7所述的一种基于SIW馈电的宽频带毫米波磁电偶极子天线，其特征在于，所述内开口谐振环(82)呈“C”字形，所述内开口谐振环(82)的“C”字形开口朝向两处所述第三折弯部(814)的末端；所述内开口谐振环(82)包括有第二横向段(821)，所述第二横向段(821)的两端分别设置有向内的第四折弯部(822)，所述第四折弯部(822)的折弯角度为90°；所述第二横向段(821)和第四折弯部(822)的长度分别为0.64mm和0.17mm，所述内开口谐振环(82)的宽度为0.08mm。

9.根据权利要求8所述的一种基于SIW馈电的宽频带毫米波磁电偶极子天线，其特征在于，所述第二横向段(821)上设置有与所述H形金属贴片(2)连接的连接部，所述连接部的宽度等于所述内开口谐振环(82)的宽度；所述连接部的长度为0.25mm。

10.根据权利要求1所述的一种基于SIW馈电的宽频带毫米波磁电偶极子天线，其特征在于，所述上介质基板(1)和下介质基板(5)为PCB板，所述接地板(9)和上层金属板(4)均为覆铜板。

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