CN113328245B - 一种超宽带可拓展毫米波天线单元及天线阵列 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超宽带可拓展毫米波天线单元，包括：位于第一平面内的第一接地面、第二接地面、共面馈电传输线和微带传输线，位于第二平面内的第三接地面，及主辐射单元，第一接地面和第二接地面位于共面馈电传输线两侧，微带传输线与共面馈电传输线从向远离第一接地面和第二接地面的一侧向外延伸，第一接地面与第三接地面之间通过第一过孔连接，第二接地面与第三接地面之间第二过孔连接，第三接地面上具有开槽，开槽在第一平面上的投影区覆盖微带传输线远离共面馈电传输线的一端，主辐射单元位于第三接地面相对于第一平面的另一侧，主辐射单元在第三接地面上的投影区覆盖开槽区域。该毫米波天线单元通过拓展组成天线阵列可以达到更高的增益。

Description

一种超宽带可拓展毫米波天线单元及天线阵列

技术领域

本发明涉及天线技术领域，特别涉及一种超宽带可拓展毫米波天线单元及天线阵列。

背景技术

近年来，随着无线通信技术的快速发展，各种电子设备的普及使用，毫米波手势识别雷达、毫米波车载雷达的推广使用，使得人们对无线通信的质量也提出了更高的要求。更快的传输速度，更好的传输带宽，这也就意味着，通信频带需要不断的向宽频和高频发展，也就推动了对高频宽带天线的研究，而毫米波天线波长短、传输速度快、传播特性好等优势使其进入了大部分人的视野当中。

传统的毫米波天线一般采用波导结构来实现，相较于平面贴片天线，波导结构相对复杂昂贵，并且不利于集成，所以对于小型化毫米波微带天线的研究是必然且必要的。在毫米波无线通信系统中，天线是发射和接受信号的能量转换装置，天线性能的好坏严重影响到无线通信系统的性能等特性。现代雷达系统中通常使用的波导缝隙天线，在波导上开缝，形成辐射缝隙阵列来提升辐射性能，但是这种天线体积较大，不利于系统集成和小型化，在实际生产加工中的要求越来越高，波导管缝隙天线的缝隙宽度一般小于1mm，深度和倾角各不相同，同时天线阵的结构紧凑，所以加工和组装工艺需要同时克服多种技术难题，成本大大增加。

如果采用传统微带贴片天线结构，虽然具有结构实现简单，成本低等优点，但是常规的微带贴片天线阻抗带宽非常窄(5％左右)，难以满足毫米波频段的对于宽带的要求，尤其是在60G、77G及以上更高频段。常规的微带线馈电的毫米波天线有微带线辐射损耗大、色散大、馈线与辐射单元间隔离差、衬底厚度对特征阻抗影响较大等缺点。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提供了一种具有超宽阻抗带宽、加工成本低和结构简单的毫米波天线单元。

本申请公开了一种超宽带可拓展毫米波天线单元，包括：

位于第一平面内的第一接地面、第二接地面、共面馈电传输线和微带传输线，所述第一接地面和所述第二接地面分别位于所述共面馈电传输线两侧，所述微带传输线与所述共面馈电传输线连接并向远离所述第一接地面和所述第二接地面的一侧延伸；

位于与所述第一平面平行的第二平面内的第三接地面，所述第一接地面与所述第三接地面之间通过靠近所述共面馈电传输线的一列第一过孔连接，所述第二接地面与所述第三接地面之间通过靠近所述共面馈电传输线的一列第二过孔连接，所述第三接地面上具有开槽，所述开槽在所述第一平面上的投影区覆盖所述微带传输线远离所述共面馈电传输线的一端；

位于所述第三接地面相对于所述第一平面的另一侧的主辐射单元，所述主辐射单元在所述第三接地面上的投影区覆盖所述开槽。

优选的，所述主辐射单元由多层金属贴片堆叠而成，相邻层的金属贴片之间具有介质基板。

优选的，所述多层金属贴片分别位于印刷电路板的各覆铜层所在的平面。

优选的，所述主辐射单元包括4层金属贴片。

优选的，每层金属贴片的形状为矩形、圆形、梯形或三角形。

优选的，所述一列第一过孔和所述一列第二过孔中，每一列相邻两个过孔之间的孔间距小于工作频率的1/4波长。

优选的，所述第一接地面和所述第二接地面与所述第三接地面之间第一具有介质基板，所述第三接地面与所述主辐射单元之间具有第二介质基板。

优选的，所述开槽的形状为矩形、H型、F型或U型。

优选的，所述第一平面和所述第二平面分别为印刷电路板的覆铜层所在的平面。

本申请还公开一种天线阵列，包括如上所述的多个毫米波天线单元组成的天线阵列。

相对于现有技术，本发明采用接地共面波导结构馈电具有低损耗、色散小、隔离度好、衬底厚度对特征阻抗影响较小等优点，同时采用微带线缝隙耦合馈电结构和多层贴片耦合辐射结构不仅可以有效扩展天线的带宽，也可获得较好的定向特性，可设计出超宽带、低成本、易于集成和生产加工的定向毫米波天线，该天线单元在高频毫米波频段相对带宽可以达到30％以上。天线单元可通过阵列拓展组成天线阵列进一步提高天线增益。

天线的介质基板和辐射贴片采用多层设计，适合于在PCB多层板上加工。使用接地共面波导进行馈电，仅用金属化通孔就能实现接地共面波导传输线，传输线及天线的地不需要使用盲孔，避免了盲孔加工的难度和较高的成本。整体结构易于使用PCB加工，可以广泛应用于毫米波天线单元及毫米波阵列天线的设计。实际使用时，通过设计介质基板材质和厚度、贴片形状和尺寸、接地平面上的开槽缝隙形状尺寸以及微带线长度等变量就可实现超过25GHz的阻抗匹配带宽，相对带宽达到30％以上且适用于PCB加工的超宽带定向毫米波天线单元，具有超宽带、平面化、低成本、易于量产等优点，且该毫米波天线单元通过拓展组成天线阵列可以达到更高的增益。具有很高的实用价值。

附图说明

图1是本发明一种超宽带可拓展毫米波天线单元结构顶表面的俯视示意图。

图2是本发明一种超宽带可拓展毫米波天线单元结构底表面的俯视示意图。

图3是本发明一种超宽带可拓展毫米波天线单元结构的侧面示意图。

图4是本发明一个实施例的结构侧面俯视3D示意图。

图5是本发明一个实施例的结构侧面仰视3D示意图。

图6是本发明一个实施例的S11阻抗带宽图。

图7是本发明一个实施例在62GHz时的天线2D方向图。

图8是本发明一个实施例在62GHz时的天线3D方向图。

图9是本发明一个实施例在79GHz时的天线2D方向图。

图10是本发明一个实施例在79GHz时的天线3D方向图。

具体实施方式

下面结合说明书的附图，对本发明的具体实施方式作进一步的描述，使本发明的技术方案及其有益效果更加清楚、明确。下面通过参考附图描述实施例只是示例性的，旨在解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

需要说明的是，在本发明描述中，对于方位词，如有术语“中心”，“横向”、“纵向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示方位和位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定方位构造和操作，不能理解为限制本发明的具体保护范围。本发明描述中，如有长度、宽度、厚度等的数值，仅是为了叙述本发明和简化描述，不能理解为限制本发明的具体保护范围。

在本发明中，如有术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等特征可以明示或者隐含包括一个或者多个该特征，在本发明描述中，“至少”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除另有明确规定和限定，如有术语“组装”、“相连”、“连接”等术语应作广义去理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；也可以是机械连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介相连，可以是两个元件内部相连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述的术语在本发明中的具体含义。

参考图1和图2所示，本申请的一实施方式公开了一种超宽带可拓展毫米波天线单元。本实施例的天线单元包括位于第一平面内的第一接地面1、第二接地面2、共面馈电传输线4、微带传输线5，位于第二平面内的第三接地面3、位于第三接地面上的开槽9，连接第一接地面1与第三接地面3的金属化过孔6，连接第二接地面2和第三接地面3的金属化过孔7，以及多层金属贴片的主辐射单元8。天线单元共六层结构。

第一平面和第二平面分别为印刷电路板的覆铜层所在的平面。主辐射单元8中各层贴片所在平面也分别为印刷电路板的覆铜层所在的平面。本实施例中所有覆铜层铜厚均为1.4mil即1oz。

第一平面中，第一接地面1和第二接地面2分别位于共面馈电传输线4两侧。本实施例的第一接地面1、第二接地面2与共面馈电传输线4位于PCB板中的同一覆铜层即第一平面，共面馈电传输线4与馈源连接器的内导体相连接，第一接地面1和第二接地面2与馈源连接器的外导体相连接。共面馈电传输线4的线宽为7.87mil，与两侧的第一接地面1和第二接地面2间距均为8mil。经过仿真计算，此线宽尺寸在天线工作频段内以及该介质基板条件下的传输线阻抗为50欧姆，可以达到良好匹配。

进一步的，微带传输线5与共面馈电传输线4在PCB板中的同一覆铜层即第一平面，并与共面馈电传输线4相连，微带传输线5与共面馈电传输线4连接并向远离第一接地面1和第二接地面2的一侧延伸，微带传输线5的线宽7.87mil。与接地共面传输线线宽保持一致。

第二平面中，第三接地面3上具有开槽9和主辐射单元8，开槽9在第一平面上的投影区覆盖微带传输线5远离共面馈电传输线4的一端。第三接地面3上的开槽9是在第三接地面3所在的金属覆铜层上挖去一个槽形成的，在一个实施例中，开槽9为矩形，矩形的长度为0.8mm，宽度为0.42mm。开槽9在第一平面上的投影区的长度垂直于微带传输线延伸的方向且大于微带传输线的宽度，开槽9与微带传输线5形成了一种缝隙耦合结构。辐射单元8位于第三接地面3相对于第一平面的另一侧，主辐射单元8在第三接地面3上的投影区覆盖开槽9。

在其他实施例中，开槽的形状并不限于矩形，也可以是其他形状如U形、H形、F型等。开槽的数量也不限于一个也可以是多个。以上这些都应视为本发明的一种变体，均应包含在本发明保护范围以内。

参考图2和图3所示，第一接地面1与第三接地面3之间通过靠近共面馈电传输线的一列第一过孔6连接，第二接地面2与第三接地面3之间通过靠近共面馈电传输线的一列第二过孔7连接，第一接地面1和第二接地面2与第三接地面3之间具有第一介质基板31。第一介质基板31材质为RO4350B，介电常数为3.48，损耗角正切为0.0037，厚度为4密耳(mil)。一列第一过孔6和一列第二过孔7中相邻第一过孔6和相邻第二过孔7之间的孔间距小于工作频率的1/4波长。在一个实施例中，金属化过孔6和7的直径5.9mil，每列中相邻两个过孔之间的间距18mil。

主辐射单元8由多层金属贴片堆叠而成，相邻层的金属贴片之间具有介质基板。多层金属贴片主辐射单元8包含第一贴片21，第二贴片22，第三贴片23，第四贴片24，…，第N贴片2n。第一贴片21和第二贴片22贴片之间有介质基板41，第二贴片22与第三贴片23之间有介质基板42，第三贴片23与第四贴片24之间有介质基板43，…，第N-1贴片与第N贴片2n之间有介质基板4(n-1)。所述的多层贴片主辐射单元8位于第三接地面3相对于微带传输线5的另外一侧，第一贴片21与第三接地面3之间有第二介质基板32；所述的多层贴片主辐射单元8在所述的第三接地面3上的投影区域需覆盖所述第三接地面上的开槽9区域。所述的主辐射单元8与所述的开槽9组成了一种缝隙耦合结构。

如图4和图5所示，本实施例的主辐射单元8可以包含四层金属贴片，四层贴片按等面积投影重合设计，按照与第三接地面3在垂直于第二平面的方向上由内向外的顺序分别为第一贴片21、第二贴片22、第三贴片23和第四贴片23，每个贴片的形状例如为矩形，贴片的长度为1.65mm，宽度为0.81mm。第一贴片21与第二贴片22之间、第二贴片22与第三贴片23之间、第三贴片23与第四贴片24之间均有一层介质基板41、42、43，基板41、42、43的材质为RO4350B，介电常数为3.48，损耗角正切0.0037，厚度为4mil。多层贴片的主辐射单元8位于第三接地面3相对于微带传输线5的另外一侧，第一贴片21与第三接地面3之间第二有介质基板32，第二介质基板32的材质为RO4350B，介电常数为3.48，损耗角正切0.0037，厚度为4mil。多层贴片主辐射单元8在的第三接地面3上的投影区域需覆盖第三接地面上的开槽9区域。本实施例中的多层贴片主辐射单元8中的第一贴片、第二贴片、第三贴片、第四贴片组成了一种耦合结构。

在其他实施例中，对于该超宽带可拓展毫米波天线单元中的多层贴片，贴片的形状并不限于矩形，也可以是其他形状如圆形、梯形、三角形或这些形状的其他变体等。多层贴片每一层的尺寸大小也不限于完全一致即投影完全重合，也可以是渐变形式的即投影区域不重合。以上这些都应视为本发明的一种变体，均应包含在本发明保护范围以内。

本实施例的第一接地面1、第二接地面2、连接第一接地面1与第三接地面3的一排金属化过孔6，连接第二接地面2和第三接地面3的一排金属化过孔7，共面馈电传输线4和第一介质基板31共同组成了一种接地共面波导结构，用来传输馈入的射频信号。本实施例具有损耗小、耦合度低、辐射泄露低等优点，可以减少馈线对天线方向图和增益的影响。

图6是一个实施例的天线S11阻抗带宽图。由图中可见，-10dB阻抗带宽从56.4GHz到82.8GHz可达26.4GHz，相对带宽可达到38％，属于超宽带天线。可以完全覆盖毫米波频段60G和77G/79G两个典型应用频段。

图7是本实施例在62GHz时的2D方向图，图8是本实施例在62GHz时的3D方向图，天线在该频点最大增益为7.2dB。

图9是本实施例在79GHz时的2D方向图，图10是本实施例在79GHz时的3D方向图，天线在该频点最大增益为7.7dB。

本申请的天线单元在实际调试时，可以通过调节多层贴片的尺寸来调节天线的谐振频率和阻抗带宽。可以通过调节开槽的尺寸、位置和形状、微带线的长度来调节天线的阻抗带宽。可以通过改变不同层介质的材质及介质厚度、覆铜层厚度来调节天线单元的谐振频率和阻抗带宽。可以通过增加或减少贴片的层数来微调天线的阻抗带宽和增益。可以通过在微带线一侧增加金属反射背板，来提升天线增益和方向性。可以通过在顶部贴片周围增加寄生，来提高天线增益。

进一步的，本申请还公开一种天线阵列，包括如上所述的多个毫米波天线单元组成的天线阵列。

综上，本实施例的天线为可使用PCB多层板技术加工的超宽带可拓展毫米波多层贴片天线，天线单元具有超宽阻抗带宽、加工成本低和结构简单的特点，并且可通过阵列拓展组成天线阵列进一步提高天线增益。具有很高的实用价值。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改，所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型。

Claims (10)

1.一种超宽带可拓展毫米波天线单元，其特征在于，包括：

位于第一平面内的第一接地面(1)、第二接地面(2)、共面馈电传输线(4)和微带传输线(5)，所述第一接地面(1)和所述第二接地面(2)分别位于所述共面馈电传输线(4)两侧，所述微带传输线(5)与所述共面馈电传输线(4)连接并向远离所述第一接地面(1)和所述第二接地面(2)的一侧延伸；

位于与所述第一平面平行的第二平面内的第三接地面(3)，所述第一接地面(1)与所述第三接地面(3)之间通过靠近所述共面馈电传输线(4)的一列第一过孔(6)连接，所述第二接地面(2)与所述第三接地面(3)之间通过靠近所述共面馈电传输线(4)的一列第二过孔(7)连接，所述第三接地面(3)上具有开槽(9)，所述开槽(9)在所述第一平面上的投影区覆盖所述微带传输线(5)远离所述共面馈电传输线(4)的一端；

位于所述第三接地面(3)相对于所述第一平面的另一侧的主辐射单元(8)，所述主辐射单元(8)在所述第三接地面(3)上的投影区覆盖所述开槽(9)。

2.如权利要求1所述的超宽带可拓展毫米波天线单元，其特征在于，所述主辐射单元(8)由多层金属贴片(21，22，23，24)堆叠而成，相邻层的金属贴片之间具有介质基板(41，42，43)。

3.如权利要求2所述的超宽带可拓展毫米波天线单元，其特征在于，所述多层金属贴片(21，22，23，24)分别位于印刷电路板的各覆铜层所在的平面。

4.如权利要求2所述的超宽带可拓展毫米波天线单元，其特征在于，所述主辐射单元(8)包括4层金属贴片(21，22，23，24)。

5.如权利要求2所述的超宽带可拓展毫米波天线单元，其特征在于，每层金属贴片(21，22，23，24)的形状为矩形、圆形、梯形或三角形。

6.如权利要求1所述的超宽带可拓展毫米波天线单元，其特征在于，所述一列第一过孔(6)和所述一列第二过孔(7)中，每一列相邻两个过孔之间的孔间距小于工作频率的1/4波长。

7.如权利要求1所述的超宽带可拓展毫米波天线单元，其特征在于，所述第一接地面(1)和所述第二接地面(2)与所述第三接地面(3)之间具有第一介质基板(31)，所述第三接地面(3)与所述主辐射单元(8)之间具有第二介质基板(32)。

8.如权利要求1所述的超宽带可拓展毫米波天线单元，其特征在于，所述开槽(9)的形状为矩形、H型、F型或U型。

9.如权利要求1所述的超宽带可拓展毫米波天线单元，其特征在于，所述第一平面和所述第二平面分别为印刷电路板的覆铜层所在的平面。

10.一种天线阵列，其特征在于，包括如权利要求1-9中任意一项所述的多个毫米波天线单元组成的天线阵列。