一种宽频带高增益波束可扫描的毫米波介质谐振器天线制造技术

技术编号:38340543 阅读:12 留言:0更新日期:2023-08-02 09:21
本发明专利技术提供一种宽频带高增益波束可扫描的毫米波介质谐振器天线,包括四层结构,其中顶层为高介电常数的介质层、第二层为低介电常数的介质基板、第三层为低介电常数的介质基板、底层为低介电常数的介质基板。将四个矩形介质块与金属凹槽形成一体化设计方便后续加工。通过激励与合并介质谐振器基膜与高次模拓展天线的带宽,在23.81

【技术实现步骤摘要】
一种宽频带高增益波束可扫描的毫米波介质谐振器天线


[0001]本专利技术属于无线通信和天线
,涉及一种宽频带高增益波束可扫描的介质谐振器天线。

技术介绍

[0002]随着用户各种应用及通信需求量的迅速增加,Sub

6G频段的频谱资源难以满足人们的使用需求,并且不易支撑具有更高传输速率的无线通信。而毫米波可以为移动终端设备提供更宽的频段范围和更高的传输速率,具有明显的频谱资源优势。应用在移动终端设备的毫米波天线需同时具备多个特性:利用一套天线尽可能同时覆盖FR2中的多个频段,从而减少天线使用数量,降低成本;在工作频段内维持稳定的高增益特性,以提高终端接收的信噪比;具有宽波束扫描能力以实现大范围的空间辐射波束覆盖,保证终端与基站的连接。然而现有的终端毫米波天线设计中存在许多弊端,比如天线的尺寸较大,难以应用于小型终端设备;天线的带宽较窄,应用范围受限;天线的增益较低,难以保证终端接收信噪比;天线的波束覆盖范围有限,难以实现宽波束扫描特性。因此如何在毫米波频段内设计同时兼具宽频带、高增益且宽波束扫描特性的毫米波终端天线具有重要的研究意义。
[0003]传统金属天线在毫米波频段通常具有较高的损耗从而影响天线效率,而介质谐振器天线因其设计灵活、低损耗以及高辐射效率等优势在毫米波频段得到广泛关注。为了实现宽频特性,现有的毫米波介质谐振器天线通过采用多层结构、改变介质谐振器形状、混合其他天线等方式展宽带宽,但这些设计通常带宽不足以完全覆盖5G毫米波通信频段,并且天线尺寸通常较大或天线增益较低。为了提高天线的增益,频率选择表面(FSS)、透镜技术以及天线阵列等方式被应用于介质谐振器天线,但这些研究通常带宽有限或不具备宽波束扫描能力。因此研究具有宽频带、高增益且宽波束扫描特性的终端毫米波介质谐振器天线将具有很强的市场竞争力。

技术实现思路

[0004]本专利技术针对现有技术中存在的缺点和不足,提出一种宽频带高增益波束可扫描的毫米波介质谐振器天线阵列。通过将四个天线单元组成1
×
4介质谐振器天线阵列,天线单元间距约为半波长,在四个矩形介质块的周围引入金属凹槽使得天线在整个工作频段内维持稳定的高增益特性。介质谐振器天线单元之间使用金属壁降低单元间的耦合,提高天线单元之间的隔离度实现天线的宽波束扫描特性。将四个矩形介质块与金属凹槽进行一体化设计方便后续实际加工时的制造与组装。该介质谐振器天线的阻抗带宽可覆盖23.81

40.52GHz(~52%),在工作频段内保持稳定的高增益辐射特性,平均增益可达~13.2dBi,天线结构紧凑满足宽波束扫描要求,主波束在25GHz和40GHz时分别可以扫描到
±
40
°

±
30
°
。本专利技术提出的宽频带、高增益且具有波束扫描特性的毫米波介质谐振器天线具有广阔的市场前景和应用范围。
[0005]为了达到上述目的,本专利技术所采用的技术方案为:
[0006]一种宽频带高增益波束可扫描的毫米波介质谐振器天线,通过激励与合并介质谐振器天线的多种谐振模式实现天线的宽频带特性,由介质谐振器天线单元组成1
×
4天线阵列以及在第一层介质基板外围引入金属凹槽14、15维持稳定的高增益特性。
[0007]所述的介质谐振器天线单元采用四层结构,通过激励与合并介质谐振器天线的多种谐振模式实现天线的宽频带特性,从上至下依次为第一层介质基板1、第二层介质基板2、第三层介质基板3、第四层介质基板4,是一种同时兼具宽频带、高增益、宽波束扫描特性的毫米波介质谐振器天线。
[0008]所述的第一层介质基板1为高介电常数,四个介质块13采用一体化设计集成在第一层介质基板1上。介质块13外围设有纵向金属凹槽14、横向金属凹槽15,相邻介质块13之间设有的纵向金属凹槽即为金属壁16,共同构成顶层天线辐射结构。介质块13外围的金属凹槽14和15作用为提升天线的增益确保辐射稳定性,其中横向金属凹槽留下连接矩形介质块的位置以便于后续加工制造。相邻介质块13之间的金属壁16作用为降低天线单元之间的耦合,提高天线隔离度。
[0009]所述的第二层介质基板2为低介电常数。
[0010]所述的第三层介质基板3和第四层介质基板4均为低介电常数,二者通过粘合层5粘接在一起形成基片集成同轴线(Substrate Integrated Coaxial Line,SICL)馈电网络结构,且对应位置设有多个金属孔10,第三层介质基板3和第四层介质基板4之间设有通过缝隙耦合结构8馈电的SICL内导体9,其中金属孔10均匀分布于SICL内导体9两侧。第三层介质基板3上面与第四层介质基板4的下面分别为第一层金属地板6和第二层金属地板7。第一层金属地板6中部横向并排且等间隔刻蚀四个相同的横向缝隙耦合结构8,,其并排放置方式与顶层四个介质块13的并排排列方式保持一致且中心位置对应。位于介质基板3和4之间的SICL内导体9用于引导电磁信号的能量传输,SICL内导体9顶部通过四个缝隙耦合结构8将信号耦合到顶层天线辐射结构中。均匀分布在SICL内导体9两侧的金属孔10并与金属地板6和7共同形成SICL结构的外导体,起到屏蔽的作用从而降低辐射损耗。在馈电网络底部引入接地共面波导(Grounded Co

Planar Wavoguide,GCPW)馈电结构,GCPW的上下平面与SICL的外导体的上下表面高度保持一致,GCPW中心导体11与金属地板6位于同一层。在GCPW中心导体11顶部与SICL内导体9底部的过渡部分引入金属盲孔12连接二者使得电磁信号能够从GCPW转接给SICL馈电网络。
[0011]将四个天线单元采用一体化设计能够解决实际加工时的制造与组装问题。采用基片集成同轴线(Substrate Integrated Coaxial Line,SICL)作为馈电网络对天线进行激励能够获得更小的辐射损耗。
[0012]进一步的,所述的第一层介质基板1选用的介电常数不小于10。
[0013]进一步的,所述的第二层介质基板2选用的介电常数不大于10。
[0014]进一步的,所述的第三层介质基板3和第四层介质基板4采用相同的介电常数,选用的介电常数不大于10。
[0015]进一步的,所述的粘合层5选用的介电常数不大于10。
[0016]进一步的,所述的四层介质基板上设有多个通孔用来放置塑料螺钉固定组装天线。
[0017]进一步的,所述的SICL内导体9两侧的多个金属孔10中,相邻两个金属孔10中心之
间的距离为0.6mm。
[0018]进一步的,所述的天线的单元之间的间距为0.5λ0,紧凑的天线结构使得天线具有宽波束扫描特性。其中λ0表示工作带宽中心频率对应的波长。
[0019]进一步的,相邻天线单元之间引入金属壁,但不限于金属壁形式,降低单元间的耦合,提高天线单元之间的隔离度实现天线宽波束扫描能力。
[00本文档来自技高网
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种宽频带高增益波束可扫描的毫米波介质谐振器天线,其特征在于,通过激励与合并介质谐振器天线的多种谐振模式实现天线的宽频带特性,由介质谐振器天线单元组成1
×
4毫米波介质谐振器天线阵列以及在第一层介质基板外围引入金属凹槽(14)、(15)维持稳定的高增益特性;所述的介质谐振器天线单元采用四层结构,从上至下依次为第一层介质基板(1)、第二层介质基板(2)、第三层介质基板(3)、第四层介质基板(4)。2.根据权利要求1所述的一种宽频带高增益波束可扫描的毫米波介质谐振器天线,其特征在于,所述的介质谐振器天线单元的具体结构为:所述的第一层介质基板(1)为高介电常数,四个介质块(13)采用一体化设计集成在第一层介质基板(1)上;介质块(13)外围设有纵向金属凹槽(14)、横向金属凹槽(15),相邻介质块(13)之间设有的纵向金属凹槽即为金属壁(16),共同构成顶层天线辐射结构;所述的第二层介质基板(2)为低介电常数;所述的第三层介质基板(3)和第四层介质基板(4)均为低介电常数,二者通过粘合层5粘接在一起形成基片集成同轴线SICL馈电网络结构,且对应位置设有多个金属孔(10),第三层介质基板(3)和第四层介质基板(4)之间设有通过缝隙耦合结构(8)馈电的SICL内导体(9),其中金属孔(10)均匀分布于SICL内导体(9)两侧;第三层介质基板(3)上面与第四层介质基板(4)的下面分别为第一层金属地板(6)和第二层金属地板(7);第一层金属地板(6)中部横向并排且等间隔刻蚀四个相同的横向缝隙耦合结构(8),,其并排放置方式与顶层四个介质块(13)的并排排列方式保持一致且中心位置对应;位于介质基板(3)和4之间的SICL内导体(9)用于引导电磁信号的能量传输,SICL内导体(9)顶部通过四个缝隙耦合结构(8)将信号耦合到顶层天线辐射结构中;SICL内导体(9)两侧的金属孔(10)与金属地板(6)和金属地板(7)共同形成SICL结构的外导体,起...

【专利技术属性】
技术研发人员:郭磊杨照芳杨汶汶
申请(专利权)人:大连理工大学
类型:发明
国别省市:

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