CN107978858B - 一种工作于60GHz频段的方向图可重构天线 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种工作于60GHz频段的方向图可重构天线，其特征在于：包括依次层叠设置的第一层介质基板(10)、第二层介质基板(20)、第三层介质基板(30)和第四层介质基板(40)；第一层介质基板(10)的下表面为金属接地层(11)，上表面为蚀刻有一缝隙(12)且缝隙(12)的周围蚀刻有一排腔体(13)，腔体(13)将缝隙(12)的四周完全包围；第二层介质基板(20)的上表面设置有馈电结构；第三层介质基板(30)上表面设置一耦合贴片(31)；第四层介质基板(40)的上表面设置有寄生贴片(41)，寄生贴片(41)四周设置有一圈盲孔(42)。与传统的相控阵天线相比，本发明成本更低更易于加工，更符合5G通信的市场化需求。
Description
技术领域
本发明属于天线技术领域，涉及一种工作于60GHz频段的方向图可重构天线。
背景技术
60GHz频段由于其具有免费的7GHz-9GHz宽带频谱资源，即使采用低阶调制方式，也能够确保3-5Gbps的传输速率，成为了一大热门的研究方向。60GHz时氧气对电磁波的吸收达到峰值且60GHz毫米波信号在穿越障碍物的时候会有很大的损耗，这两点极大地提高了60GHz通信技术的安全性和抗干扰能力，同时也使得60GHz频段仅适用于短距离无线通信。2012年该频段被IEEE纳入了802.11ad标准中。该标准指出，60GHz毫米波通信可以采用波束赋形技术对抗60GHz频段的高路径损耗来支持传输距离超过10m的可靠通信。因此，工作在60GHz频段的毫米波天线为了补偿传播衰减，不但需要有较高的增益，对于10米以上的通信距离则必须采用波束赋形天线以对抗氧气的吸收。
为了达到波束赋形效果，传统方式一般是采用相控阵天线来实现方向图扫描，但是由于移相器的价格比较昂贵(特别是在微波高端、毫米波频段)导致整体相控阵系统的造价不菲，如果60GHz通信系统为了满足系统要求仍旧使用传统天线，那么相控阵天线的数量、系统的成本以及复杂程度也会大幅增加。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种工作于60GHz频段的方向图可重构天线，
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种工作于60GHz频段的方向图可重构天线，包括依次层叠设置的第一层介质基板10、第二层介质基板20、第三层介质基板30和第四层介质基板40；
所述第一层介质基板10的下表面为金属接地层11，上表面为蚀刻掉一缝隙12的金属面，且在缝隙12的周围蚀刻有一排腔体13，所述腔体13将所述缝隙12的四周完全包围；
所述第二层介质基板20的下表面与所述第一层介质基板10的上表面紧贴设置，所述第二层介质基板20的上表面设置有馈电结构，所述馈电结构位于缝隙12和腔体13的上方；
所述第三层介质基板30下表面与所述第二层介质基板20的上表面紧贴设置，所述第三层介质基板30上表面设置一耦合贴片31，所述耦合贴片31位于所述馈电结构和腔体13的上方；
所述第四层介质基板40的下表面与所述第三层介质基板30的上表面紧贴设置，所述第四层介质基板40的上表面设置有寄生贴片41，所述寄生贴片41四周设置有一圈盲孔42，所述寄生贴片41位于所述耦合贴片31的上方。
进一步，所述腔体13由周期排列的金属化过孔和金属接地层11组成，所述腔体用于抑制天线的后向辐射。
进一步，所述馈电结构包含微带馈线21，所述微带馈线21的末端设置有一段长度为四分之一波长的微带开路枝节22，所述微带开路枝节22用以形成阶梯阻抗，增加天线的带宽。
进一步，所述耦合贴片31为方形结构，所述微带开路枝节22和所述缝隙12与所述耦合贴片31的中心对齐设置。
进一步，所述寄生贴片41的数量为9，所述寄生贴片41为同尺寸的正方形贴片，呈九宫格紧密排列。
进一步，相邻的所述寄生贴片41间的间隙为0.2mm，且相邻宫格的贴片之间设置有开关43，所述开关43的数量为12。
进一步，位于所述九宫格中心位置的贴片为主辐射贴片44，所述主辐射贴片44的中心与所述耦合贴片31的中心对齐设置。
进一步，所述盲孔42为金属化过孔，用于改善天线方向图的旁瓣。
进一步，所述天线的波束覆盖范围为θ∈{-30°，0°，30°}，其中为与以主辐射贴片44中心为原点建立的三维坐标轴的x轴的夹角，θ为与所述三维坐标轴z轴的夹角。
进一步，所述第一层介质基板10、第二层介质基板20、第三层介质基板30和第四层介质基板40均由RT5880材料制成，所述天线的表面尺寸为14×13.3mm。
本发明的有益效果在于：本发明中的方向图可重构天线拟使用在60GHz频段，波束赋形精度要求不那么高的系统中，如WLAN系统，用以代替传统的造价不菲的相控阵天线来达到波束赋形的效果，从而补偿60GHz毫米波通信的传播衰减。与传统的相控阵天线相比，本发明成本更低更易于加工，更符合5G通信的市场化需求。与当前的毫米波可重构天线相比，本发明拥有高增益、大带宽的优点。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1是根据本发明实施例的方向图可重构天线的整体结构图；
图2是根据本发明实施例的方向图可重构天线的俯视图；
图3是根据本发明实施例的方向图可重构天线的侧视图；
图4是根据本发明实施例的方向图可重构天线的开关分布图；
图5是本发明可重构天线的覆盖角度分布坐标图；
图6是根据本发明实施例的方向图可重构天线分别在九种模式下的S参数特性的曲线图；
图7是根据本发明实施例的方向图可重构天线在60GHz分别在九种模式下的辐射方向图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
本发明实施例提供了一种应用于60GHz频段方向图可重构天线。该方向图可重构天线的总厚度1.016mm。在带宽满足57-64GHz的频率范围内可以达到θ∈{-30°，0°，30°}， 共9个方向的波束转移，在9种模式下天线最大工作带宽达到19.8GHz，相对带宽最高达到33％，且增益最低为8.2dB，最高可达10.2dB。本发明实施例提供的方向图可重构天线结构简单紧凑，与传统的相控阵天线相比降低了对射频组件数量的要求，成本更低更易于加工，更符合5G通信系统中波束赋形天线的市场化需求。
本实施例的方向图可重构天线包括下述多层天线结构，图1示出了本实施例的方向图可重构天线的整体结构图。如图1所示，本发明实施例的方向图可重构天线由第一层介质基板10、第二层介质基板20、第三层介质基板30和第四层介质基板40组成。第一层介质基板10的下表面为金属接地层11，上表面为蚀刻掉一缝隙12的金属面，且在缝隙12的周围有一排周期阵列金属通孔组成的腔体13；第二层介质基板20的下表面与第一层介质基板10的上表面紧贴设置，第二层介质基板20的上表面设置有馈电结构，采用开路微带线21作为馈线位于缝隙12和腔体13上方；第三层介质基板30下表面与第二层介质基板20的上表面紧贴设置。第三层介质基板3上表面设置有耦合贴片31。第四层介质基板40的下表面与所述第三层介质基板30的上表面紧贴设置。第四层介质基板40的上表面设置有九个尺寸相同的寄生贴片41，并在寄生单元四周围有一排盲孔42，九个寄生单元中间加载了十二个开关43。
由于缝隙12的周围有一排周期排列的金属化过孔与金属接地层形成的腔体13，从而形成等效的基片集成波导腔体代替金属腔结构来抑制天线的后向辐射从而改善天线增益。同时，第二层介质基板20的上表面的采用开路微带线21作为馈线位于缝隙12和腔体13上方，与第一层基介质板10的基片集成波导腔体形成基片集成后向腔体辐射天线结构，具有加工难度小、成本低和结构尺寸小的优点。其中微带线21与缝隙12、耦合贴片31的中心对齐设置。微带馈线末21端接有一段长度约为四分之一波长的微带开路枝节22，用于形成阶梯阻抗进一步增加天线的带宽。
优选地，本实施例中，缝隙12的长度为0.4mm，宽度为0.96mm，微带线开路枝节22宽度0.12mm，微带线21宽0.3mm，微带线21插入缝隙12的长度为0.3mm。
图2是根据本发明实施例的方向图可重构天线的俯视图。图2主要示出了本发明实施例的方向图可重构天线的顶层结构，包括寄生贴片41，控制开关43和围在寄生贴片周围的盲孔42。其中，9个寄生贴片41形状为相同尺寸的正方形贴片，且排列方式为以0.2mm作为固定间距的3×3阵列结构紧密排列。9个寄生贴片41中心的贴片为主辐射贴片44，其中心与第三层介质基板上表面的耦合贴片31中心对齐设置。9个寄生贴片41的四周围有一排盲孔42，该盲孔为金属化过孔，用于改善天线的方向图的旁瓣。9个寄生贴片41中间加载有十二个控制开关43，由于寄生单元41上感应电流相位与主辐射单元44存在差异，当开关43的通断状态发生变化时，表面电流的流向也会发生变化，从而获得可重构的辐射波束用以控制天线波束转移。
优选地，耦合贴片31的电尺寸为1.35mm，寄生贴片41的电尺寸为1.05mm，九个寄生贴片41之间的固定距离为0.2mm，开关43距离寄生贴片41边缘的距离为0.6mm。
图3是根据本发明实施例的方向图可重构天线的侧视图。四层介质基板10、20、30和40均为紧贴设置。介质基板的材料均为RT5880，介电常数为2.2。优选地，第一层介质基板10的厚度为0.508mm，第二层介质基板20的厚度为0.254mm，第三层介质基板30的厚度为0.127mm，第四层介质基板40的厚度为0.127mm。其中，为了方便接入连接器测试，第一层介质基板10与第二层介质基板20的尺寸均为14×13.3mm2，第三层介质基板30与第四层介质基板40的尺寸均为7×13.3mm2。
图4是根据本发明实施例的方向图可重构天线的开关分布图。在微波电控开关领域内，PIN二极管在可重构天线技术中应用较为广泛，但是它的微波高频段低Q值特性对插入损耗和隔离度等指标的影响限制了它的发展空间。相比之下MEMS开关具有良好的射频性能可以在高频段提供理想的隔离度和插入损耗，但是也存在响应速度慢、驱动偏压较高、机械失效率较高、使用寿命短等不足之处。为了排除开关带来的其他影响，只纯粹的研究开关状态与天线辐射的关系，因此本发明实施例的开关均用一个宽度为0.1mm的金属贴片来代替，图4清楚的显示了12个开关(S1-S12)的具体位置与命名。
图5是本发明实施例可重构天线的覆盖角度分布坐标图，以主辐射贴片44的中心点为坐标原点，主辐射贴片44表面建立横纵坐标轴x，y，以垂直于主辐射贴片44表面向外建立z轴，本实施例中涉及的天线覆盖角度均以此为基础来计算。
图6是根据本发明实施例的方向图可重构天线分别在九种模式下S参数特性的曲线图。横坐标代表频率变量，单位为GHz，左纵坐标代表S11反射系数，单位为dB。由图6可知，本发明实施例的方向图可重构天线的工作带宽在9种不同的模式下均能完美覆盖57-64GHz频段。其中，在θ＝-30°，模式下最大工作带宽达到19.8GHz，相对带宽达到33％。
图7是根据本发明实施例的方向图可重构天线在60GHz分别在九种模式下的辐射方向图。由图6可知，本发明实施例的方向图可重构天线可以达到共θ∈{-30°，0°，30°}， 9个方向的波束转移。其中，θ＝0°，模式下最大达到10.25dB，在θ＝-30°，模式下最大达到8.13dB。
表1是根据本发明实施例的方向图可重构天线九种模式具体特性参数表格。由表1可知，本发明实施例的方向图可重构天线在9种模式下的带宽均覆盖60GHz通信系统所要求的-10dB回波损耗频率范围57-64GHz，方向图重构时天线的增益、带宽等参数没有很大变化，显示了方向图重构时辐射频点的稳定性，符合5G通信系统中波束赋形天线的市场化需求。
表1可重构天线具体特性参数表
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
Claims (8)
1.一种工作于60GHz频段的方向图可重构天线，其特征在于：包括依次从下到上层叠设置的第一层介质基板(10)、第二层介质基板(20)、第三层介质基板(30)和第四层介质基板(40)；
所述第一层介质基板(10)的下表面为金属接地层(11)，上表面为蚀刻掉一缝隙(12)的金属面，且在缝隙(12)的周围蚀刻有一排腔体(13)，所述腔体(13)将所述缝隙(12)的四周完全包围；
所述第二层介质基板(20)的下表面与所述第一层介质基板(10)的上表面紧贴设置，所述第二层介质基板(20)的上表面设置有馈电结构，所述馈电结构位于缝隙(12)和腔体(13)的上方；所述馈电结构包含微带馈线(21)，所述微带馈线(21)的末端设置有一段长度为四分之一波长的微带开路枝节(22)，所述微带开路枝节(22)用以形成阶梯阻抗，增加天线的带宽；
所述第三层介质基板(30)下表面与所述第二层介质基板(20)的上表面紧贴设置，所述第三层介质基板(30)上表面设置一耦合贴片(31)，所述耦合贴片(31)位于所述馈电结构和腔体(13)的上方；
所述第四层介质基板(40)的下表面与所述第三层介质基板(30)的上表面紧贴设置，所述第四层介质基板(40)的上表面设置有寄生贴片(41)，所述寄生贴片(41)四周设置有一圈盲孔(42)，所述寄生贴片(41)位于所述耦合贴片(31)的上方；所述盲孔(42)为金属化过孔，用于改善天线方向图的旁瓣；
所述寄生贴片(41)的数量为9，呈九宫格紧密排列，相邻宫格的寄生贴片之间设置有12个开关(43)。
2.根据权利要求1所述的一种工作于60GHz频段的方向图可重构天线，其特征在于：所述腔体(13)由周期排列的金属化过孔和金属接地层(11)组成，所述腔体用于抑制天线的后向辐射。
3.根据权利要求1所述的一种工作于60GHz频段的方向图可重构天线，其特征在于：所述耦合贴片(31)为方形结构，所述微带开路枝节(22)和所述缝隙(12)与所述耦合贴片(31)的中心对齐设置。
4.根据权利要求3所述的一种工作于60GHz频段的方向图可重构天线，其特征在于：所述寄生贴片(41)为同尺寸的正方形贴片。
5.根据权利要求4所述的一种工作于60GHz频段的方向图可重构天线，其特征在于：相邻的所述寄生贴片(41)间的间隙为0.2mm。
6.根据权利要求5所述的一种工作于60GHz频段的方向图可重构天线，其特征在于：位于所述九宫格中心位置的贴片为主辐射贴片(44)，所述主辐射贴片(44)的中心与所述耦合贴片(31)的中心对齐设置。
7.根据权利要求6所述的一种工作于60GHz频段的方向图可重构天线，其特征在于：所述天线的波束覆盖范围为θ∈{-30°，0°，30°}，其中为天线的波束方向与以主辐射贴片(44)中心为原点建立的三维坐标轴的x轴的夹角，θ为天线的波束方向与所述三维坐标轴z轴的夹角。
8.根据权利要求1所述的一种工作于60GHz频段的方向图可重构天线，其特征在于：所述第一层介质基板(10)、第二层介质基板(20)、第三层介质基板(30)和第四层介质基板(40)均由RT5880材料制成，所述天线的表面尺寸为14×13.3mm。
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| CN102544738A (zh) * | 2011-12-27 | 2012-07-04 | 中国航空工业第六○七研究所 | 一种介质背腔缝隙耦合微带天线 |
| CN105811113A (zh) * | 2016-05-05 | 2016-07-27 | 桂林电子科技大学 | 一种k波段微带贴片天线阵 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| A Beam-Steering Reconfigurable Antenna for WLAN Applications;Zhouyuan Li等;《IEEE Transactions on Antennas and Propagation》;20141105;第63卷(第1期);24-32 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN107978858A (zh) | 2018-05-01 |
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