一種用於雙頻毫米波系統的平面天線的製作方法

2023-04-29 04:10:31

一種用於雙頻毫米波系統的平面天線的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種用於雙頻毫米波系統的平面天線，其包括：印製在介質板的中間部的輻射片，用於發射或接收電磁波能量；設置在輻射片的中間部的對稱E型槽，用於提供雙頻諧振所需的電流路徑；設置在輻射片的兩側的饋電結構，用於給輻射片提供信號饋電；設置在介質板的下表面上提供接地信號的接地板；以及設置在介質板的下表面上的天線接口，用於輸入差分信號給饋電結構。本發明提出的平面天線整體結構簡單，並具有在毫米波頻段方向圖高度對稱等優點，便於在毫米波天線中推廣使用。
【專利說明】-種用於雙頻毫米波系統的平面天線

【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種通信天線，屬於毫米波通信天線【技術領域】，特別的涉及一種可同 時應用於兩種頻段的雙頻毫米波系統、差分CPW饋電的單層PCB結構的平面差分天線。

【背景技術】
[0002] 目前，通信領域中低頻段大部的頻譜分已被民用或軍用規劃佔用，當前頻譜資源 變得十分珍貴。但是，人們對各種不同數據傳輸速率的要求越來越高，由此頻譜資源的供需 關係矛盾顯得越來越突出，因此越來越多的科研人員將研發精力投入到毫米波技術中，期 待能有效緩解頻譜資源的供需關係矛盾。
[0003] 在現有技術中，大部分天線普遍都為單埠饋電類型，若要將單埠天線應用於 差分收發系統中，則需要額外的平衡到非平衡傳輸線的轉換器即巴倫來實現天線從單埠 到平衡埠的轉換。而差分技術則可以有效避免巴倫的使用，使得差分天線能直接與差分 電路相連匹配，且差分天線的方向圖更對稱，交叉極化更低，抑制共模噪聲的能力更強，因 此開發出差分暈米波天線成為一種未來的技術趨勢。
[0004] 現有技術中，有人在60GHz毫米波天線領域提出了 PCB板級毫米波平面天線，但是 並沒有考慮24GHz的共時雙頻工作和差分共面波導（CPW = Coplanar Waveguide)饋電技 術。
[0005] 因此，有必要提供一種可用於兩種頻段的雙頻毫米波系統的平面差分天線，使得 能夠同時在設定的兩種頻段處都出現諧振，從而實現雙頻工作。


【發明內容】

[0006] (一）要解決的技術問題
[0007] 鑑於上述技術問題，本發明提供了一種用於雙頻毫米波系統的平面天線，該天線 可同時工作於24GHz和60GHz雙頻毫米波系統。整體結構簡單，且收發前端一體化，具有在 毫米波頻段方向圖高度對稱、交叉極化降低、增益變大、共模噪聲抑制增強等優點。
[0008] (二）技術方案
[0009] 根據本發明的一個方面，提供了一種用於雙頻毫米波系統的平面天線，包括：輻射 片1、對稱E型槽2、介質板3、饋電結構4、接地板5和天線接口 6。
[0010] 其中，所述輻射片1印製在所述介質板3的中間部，用於發射或接收電磁波能量。
[0011] 其中，所述對稱E型槽2設置在所述輻射片1的中間部，用於提供雙頻諧振所需的 電流路徑。
[0012] 其中，所述介質板3為絕緣薄板，用於承載所述輻射片1。優選的，所述介質板3採 用介電常數較低的介質板，較低的介電常數有利於增加天線帶寬。
[0013] 其中，所述饋電結構4設置在所述輻射片1的兩側，用於給所述輻射片1提供信號 饋電。
[0014] 其中，所述接地板5設置在所述介質板3的下表面上，用於承載天線主體並提供接 地信號。
[0015] 其中，所述天線接口 6設置在所述介質板3的下表面上，並分別電連接到所述饋電 結構4,用於輸入差分信號給所述饋電結構4。
[0016] 優選的，所述輻射片1採用印刷電路板技術印製在所述介質板3的中間部，並形成 為H形。優選的，所述輻射片1採用輻射性能較好的金屬片形成，如銅或金等。
[0017] 優選的，所述對稱E型槽2為兩個相對且對稱設置的E型槽（關於H形輻射片的 縱軸線），兩個E型槽的中間突出部互相連通，用於天線在頻率為24GHz和60GHz處同時出 現諧振。
[0018] 進一步的，通過在所述輻射片1的中間部挖空形成兩個所述對稱E型槽2,改變了 所述輻射片1上共振模態的電流路徑，使得所述輻射片1上對稱E型槽的邊緣處產生新的 電流路徑，使得天線在兩個頻率處都出現諧振，特別是在24GHz和60GHz這兩個頻率處，實 現共時雙頻工作。
[0019] 進一步的，通過在H型電流路徑的四個端部分別挖空設置四個橫向的伸出邊L2， 使得H型槽的電流路徑形成為對稱E型槽的電流路徑，從而使天線在24GHz處實現諧振。通 過對稱E型槽2與其他縫隙相互作用和影響，使得天線在60GHz的工作頻率處具有最佳的 匹配效果。
[0020] 優選的，所述饋電結構4包括第一饋電結構4-1和第二饋電結構4-2,所述第一饋 電結構4-1和第二饋電結構4-2分別對稱的設置在所述輻射片1的兩側，以平面電磁耦合 方式對所述輻射片1實現差分CPW饋電。
[0021] 進一步的，所述第一饋電結構4-1和所述第二饋電結構4-2分別設置在所述輻射 片1兩側的凹入部，並分別延伸出來且形成L形。
[0022] 進一步的，所述第一饋電結構4-1包括第一饋電結構水平部4-11和第一饋電結構 垂直部4-12,所述第二饋電結構4-2包括第二饋電結構水平部4-21和第二饋電結構垂直部 4-22。
[0023] 進一步的，所述第一饋電結構水平部4-11設置在所述介質板3的上表面並形成為 矩形，所述第二饋電結構水平部4-21設置在所述介質板3的上表面並形成為矩形，並且所 述矩形的水平部設置在所述輻射片1的H形的凹入部，並與所述輻射片1平行的延伸出來。
[0024] 進一步的，所述第一饋電結構垂直部4-12和所述第二饋電結構垂直部4-22形成 為金屬過孔，並且垂直的穿過所述介質板3,並將所述水平部與設置在所述介質板3背面的 所述天線接口 6電連接。
[0025] 優選的，所述饋電結構4包括第一電容補償結構4-a和第二電容補償結構4-b，所 述第一饋電結構水平部4-11與所述輻射片1配合形成所述第一電容補償結構4-a，用於形 成高頻60GHz處的諧振；所述第二饋電結構水平部4-21與所述接地板5上的U型縫隙形成 所述第二電容補償結構4-b，用於形成低頻24GHz處的諧振；所述第一電容補償結構4-a和 所述第二電容補償結構4-b共同作用，用以抵消所述饋電結構4中所述第一饋電結構垂直 部4-12和所述第二饋電結構垂直部4-22在雙頻帶上帶來的額外電感，滿足阻抗匹配的要 求。
[0026] 優選的，所述接地板5設置為布滿所述介質板3的整個下表面。
[0027] 進一步的，在接地板上與所述饋電結構4中所述的第一饋電結構水平部4-11和第 二饋電結構水平部4-21相對的位置處刻蝕出兩個對稱的U形縫隙作為饋線，通過天線接口 饋入差分信號，從而實現共面波導CPW饋電。
[0028] 優選的，所述天線接口 6形成為矩形，並分別設置在所述接地板5上形成的U形縫 隙中，分別連接到所述第一饋電結構4-1中所述的第一饋電結構垂直部4-12和所述第二饋 電結構4-2中所述的第二饋電結構垂直部4-22。
[0029] 進一步的，兩個對稱設置的天線接口 6用於輸入差分信號對所述輻射片1進行饋 電，在兩個埠輸入等幅反相的差分信號，在天線結構完全對稱的情況下，電流在交叉極化 方向上形成的電場可以相互抵消，形成非常低的交叉極化。
[0030] 本發明在L形探針技術此技術的基礎上進行有效的多諧振技術突破，提出了在輻 射貼片上挖空對稱E形縫隙的方法，該方法改變了輻射片上共振模態的電流路徑，使輻射 片上對稱E型槽的邊緣處產生新的電流路徑，讓本發明的天線能同時在24GHz和60GHz處 都出現諧振，從而實現雙頻工作。為了實現雙頻毫米波輻射方向圖的對稱性以及降低交叉 極化，本發明進一步融合了差分CPW饋電技術，最終在一個低成本PCB板級電路中實現了天 線的雙頻毫米波CPW差分饋電。很明顯，差分CPW饋電技術還增強了該雙頻毫米波天線的 共模噪聲抑制能力。
[0031] 為解決該毫米波天線雙頻工作帶寬過窄的問題，提出了兩個匹配枝節來滿足雙頻 帶上的電容補償，因此，引入的平行電容結構用來抵消饋電結構的垂直部分在雙頻帶上帶 來的額外電感，實現了有效的雙頻帶上寬帶阻抗匹配，拓展了天線的帶寬。
[0032] (三）有益效果
[0033] 從上述技術方案可以看出，本發明提出的用於雙頻毫米波系統的平面天線具有以 下有益效果：
[0034] (1)本發明提出的天線通過對稱E形槽使得天線在24GHz和60GHz處都出現諧振， 實現雙頻發射和接收；
[0035] (2)兩個電容補償枝節的引入成功實現了有效的雙頻阻抗匹配；
[0036] (3)該天線通過共面波導饋電讓天線能直接印刷在單層PCB上，結構簡單，易於實 現；
[0037] (4)差分結構使得天線能夠直接應用於差分電路中，避免了巴倫的使用，節約了成 本，降低了損耗，且差分結構的天線能有效抑制共模噪聲幹擾，其輻射方向圖高度對稱，交 叉極化很低。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0038] 圖1顯示了本發明優選實施例的用於雙頻毫米波系統的平面天線的立體結構示 意圖；
[0039] 圖2顯示了圖1所示平面天線的俯視圖；圖3顯示了圖1所示平面天線的仰視圖；
[0040] 圖4顯示了本發明優選實施例的用於雙頻毫米波系統的平面天線的差分反射系 數實驗結果示意圖；
[0041] 圖5顯示了本發明的平面天線在第一諧振頻率（24GHz)時的實驗輻射方向圖；
[0042] 圖6顯示了本發明的平面天線在第二諧振頻率（60GHz)時的實驗輻射方向圖。
[0043] 圖7顯示了本發明的平面天線在第一諧振頻率（24GHz)附近的增益圖；
[0044] 圖8顯示了本發明的平面天線在第二諧振頻率（60GHz)附近的增益圖。
[0045] 附圖標記說明：
[0046] 1-輻射片，2-對稱E形槽，3-介質板，4-饋電結構，4-1第一饋電結構，4-2第二 饋電結構，4-11第一饋電結構水平部，4-21第二饋電結構水平部，4-12第一饋電結構垂 直部，4-22第二饋電結構垂直部，4-a第一電容補償結構，4-b第二電容補償結構，5-接地 板，6-天線接口

【具體實施方式】
[0047] 為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，並參照 附圖，對本發明進一步詳細說明。需要說明的是，在附圖或說明書描述中，相似或相同的部 分都使用相同的圖號。附圖中未繪示或描述的實現方式，為所屬【技術領域】中普通技術人員 所知的形式。另外，雖然本文可提供包含特定值的參數的示範，但應了解，參數無需確切等 於相應的值，而是可在可接受的誤差容限或設計約束內近似於相應的值。
[0048] 圖1顯示了本發明優選實施例的用於雙頻毫米波系統的平面天線的立體結構示 意圖。
[0049] 圖2顯示了圖1所示平面天線的俯視圖，圖3顯示了圖1所示平面天線的仰視圖。
[0050] 如圖1所示，本發明優選實施例的用於雙頻毫米波系統的平面天線包括下述組 件：輻射片1、對稱E型槽2、介質板3、饋電結構4、接地板5和天線接口 6。
[0051] 輻射片1設置在介質板3的上表面，以電磁波能量的形式發射或接收電磁波能量， 特別是無線電毫米波信號。參見圖1和圖2,輻射片1採用印刷電路板技術印製在介質板3 的中間部並形成為H形。優選的，輻射片1採用輻射性能較好的金屬片形成，如銅或金等。
[0052] 對稱E型槽2設置在輻射片1的中間部，用於提供雙頻諧振所需的電流路徑。具 體的，參見圖1-2,對稱E型槽2形成為兩個相對（關於H形輻射片的縱軸線）且對稱設置 的E型槽，兩個E型槽的中間突出部連通從而形成對稱E型槽結構。
[0053] 本實施例中，通過在輻射片1的中間部挖空形成兩個對稱E型槽2,改變了輻射片 1上共振模態的電流路徑，使得輻射片1上對稱E型槽的邊緣處產生新的電流路徑，使得天 線在兩個頻率處都出現諧振，特別是在24GHz和60GHz這兩個頻率處，實現共時雙頻工作。
[0054] 現有技術天線的電流路徑通常形成為H型挖空槽，天線不能在24GHz的工作頻率 處形成諧振。本發明的優選實施中，通過在H型電流路徑的四個端部分別挖空設置四個橫 向的伸出邊L2 (參見圖2)，使得H型槽的電流路徑形成為對稱E型槽的電流路徑，從而使天 線在24GHz處實現諧振。進一步，通過對稱E型槽2與其他縫隙相互作用和影響，使得天線 在60GHz的工作頻率處具有最佳的匹配效果。
[0055] 介質板3為絕緣薄板，用於承載輻射片1。介質板3優選的採用介電常數較低的介 質板，較低的介電常數有利於增加天線帶寬。
[0056] 饋電結構4設置在輻射片1的兩側，包括兩個對稱設置並與輻射貼片同一層的矩 形和兩個對稱的金屬過孔，用於給輻射片1提供信號饋電。如圖所示，饋電結構4包括第一 饋電結構4-1和第二饋電結構4-2,它們分別對稱的設置在輻射片1的兩側，以平面電磁耦 合方式對輻射片1實現差分CPW饋電。更具體的，第一饋電結構4-1和第二饋電結構4-2 結構和尺寸相同，分別設置在H形輻射片1兩側的凹入部中並延伸出。
[0057] 進一步，參見圖1，第一、第二饋電結構4-1和4-2的每個形成為L形，包括水平部 4-1U4-21和垂直部4-12、4-22。其中，饋電結構水平部4-1U4-21設置在介質板3的上表 面並形成為矩形，具體的，該矩形的水平部設置在輻射片1的H形的凹入部並與輻射片1平 行的延伸出。饋電結構垂直部4-12、4-22形成為金屬過孔，其垂直的穿過介質板3並將所 述水平部與設置在介質板3背面的天線接口 6連接。參見圖1，所述饋電結構垂直部設置在 饋電結構水平部上延伸出輻射片1的部分。
[0058] 饋電結構的水平部與輻射片1配合形成第一電容補償結構4_a(參見圖1中4-a 標示的虛線框），主要用於形成高頻60GHz處的諧振。饋電結構的水平部與接地板5上的U 型縫隙形成第二電容補償結構4-b (參見圖1中4-b標示的虛線框），主要用於配合形成低 頻24GHz處的諧振。4-a和4-b共同作用，用以抵消所述饋電結構4的垂直部分在雙頻帶上 帶來的額外電感，滿足阻抗匹配的要求。
[0059] 接地板5設置在介質板3的下表面上，用於承載天線主體並提供接地信號。如圖 1和圖3所示，接地板5優選的設置為布滿介質板3的整個下表面。進一步，在接地板上與 前述饋電結構水平部4-1U4-21相對的位置處刻蝕出兩個對稱的U形縫隙作為饋線，通過 天線接口饋入差分信號，從而實現共面波導CPW饋電。
[0060] 天線接口 6設置在介質板3的下表面上並分別電連接到所述饋電結構4,用於輸 入差分信號給所述饋電結構4。具體的，兩個天線接口 6形成為矩形並分別設置在接地板5 上形成的U形縫隙中，分別連接到第一、第二饋電結構4-1和4-2的垂直部4-12、4-22。在 本發明的優選實施例中，兩個對稱設置的天線接口 6用於輸入差分信號對輻射片1進行饋 電，在兩個埠輸入等幅反相的差分信號，在天線結構完全對稱的情況下，電流在交叉極化 方向上形成的電場可以相互抵消，形成非常低的交叉極化。這裡，交叉極化是由交叉極化方 向上的電流形成的電場引起的。
[0061] 如上所述，通過本發明的平面天線，當天線接口 6輸入差分信號時，該信號通過饋 電結構4以平面電磁耦合方式傳輸給輻射片1並發射出去。經實驗驗證，第一電容補償結 構4-a對高頻點60GHz有較大的補償作用，第二並行電容補償結構4-b對低頻點24GHz有 較大的補償作用，從而實現雙頻帶阻抗匹配，有利於信號的寬帶電磁耦合與饋電。
[0062] 參見圖2和圖3,其中標示出了平面天線各個部分的尺寸示意圖。
[0063] 如圖所示，在本發明的一個優選實施例中，H形輻射片1採用正方形截去兩個矩形 形成的H形。其中，輻射片1的兩側邊長為Lp，H形輻射片1的兩個凹入部對應於截去的兩 個矩形，所截去對稱矩形的長為a，寬為b。本發明優選實施例中，Lp = 4. 2mm，a = I. 4mm, b = 0. 98mm。
[0064] 對稱E型槽2中間的橫向長邊為LI,四個端部的伸出邊為L2,兩邊的縱向短邊 為L3,槽寬為gl。在本發明優選實施例中，LI = 3. 34mm，L2 = I. 4mm，L3 = 0. 96mm，gl = 0· 2mm〇
[0065] 本發明的優選實施例中，介質板3優選的採用Rogers Duroid 5880板形成的正方 形介質板，其介電常數為2. 2,邊長L = 12mm，厚度H = 0· 381mm。
[0066] 饋電結構4的水平部的長為Ls，寬為Ws，與輻射片1之間的縫隙為g2。饋電結構 4的垂直部的導體半徑為R，與平面天線的中央軸線之間的距離為dl，與接地板5邊緣之間 的距離為 d。本發明優選實施例中，Ls = 3. 53mm，Ws = 1mm，g2 = 0· 3mm，R = 0· 3mm，dl = 2. 45mm，d = 3. 55mm〇
[0067] 接地板5的U形縫隙形成為矩形，其長邊為Lf，短邊為Lfl。在本發明優選實施例 Φ, Lf = 4. 2mm, Lfl = L 03mm〇
[0068] 天線接口 6形成為矩形，其與接地板5的U形縫隙邊緣的寬度與對稱E形槽2的 縫隙寬度相同，均為gl。
[0069] 實際使用過程中，信號源連接兩個天線接口 6並輸入差分信號，通過兩個饋電結 構4向輻射片1進行平面電磁耦合饋電，並與輻射片1共同作用將電磁波的能量輻射出去， 完成無線毫米波通信的功能，反之為接收的情況。
[0070] 圖2和圖3所示優選實施例的平面天線的各部分尺寸如下表1所示。
[0071] 表 1 (單位：mm)
[0072]

【權利要求】
1. 一種用於雙頻毫米波系統的平面天線，包括：輻射片（1)、對稱E型槽（2)、介質板 (3) 、饋電結構（4)、接地板（5)和天線接口（6)，其特徵在於： 所述輻射片（1)設置在介質板（3)的上表面，用於發射或接收電磁波能量； 所述對稱E型槽（2)設置在所述輻射片（1)的中間部，用於提供雙頻諧振所需的電流 路徑； 所述介質板（3)為絕緣薄板，用於承載所述輻射片（1); 所述饋電結構（4)設置在所述輻射片（1)的兩側，用於給所述輻射片（1)提供信號饋 電； 所述接地板（5)設置在所述介質板（3)的下表面上，用於承載天線主體並提供接地信 號；以及 所述天線接口（6)設置在所述介質板（3)的下表面上並分別電連接到所述饋電結構 (4) ，用於輸入差分信號給所述饋電結構（4)。
2. 根據權利要求1所述的用於雙頻毫米波系統的平面天線，其特徵在於，所述輻射片 (1)採用印刷電路板技術印製在所述介質板（3)的中間部，並形成為H形。
3. 根據權利要求1所述的用於雙頻毫米波系統的平面天線，其特徵在於，所述對稱E型 槽（2)形成為兩個相對且對稱設置的E型槽，兩個E型槽的中間突出部互相連通。
4. 根據權利要求1所述的用於雙頻毫米波系統的平面天線，其特徵在於，所述饋電結 構（4)包括第一饋電結構（4-1)和第二饋電結構（4-2)，所述第一饋電結構（4-1)和第二饋 電結構（4-2)分別對稱的設置在所述輻射片（1)的兩側，以平面電磁耦合方式對所述輻射 片⑴實現饋電。
5. 根據權利要求4所述的用於雙頻毫米波系統的平面天線，其特徵在於，所述第一饋 電結構（4-1)和所述第二饋電結構（4-2)分別設置在所述輻射片（1)兩側的凹入部並分別 延伸出來。
6. 根據權利要求5所述的用於雙頻毫米波系統的平面天線，其特徵在於，所述第一饋 電結構（4-1)包括第一饋電結構水平部（4-11)和第一饋電結構垂直部（4-12)，所述第二饋 電結構（4-2)包括第二饋電結構水平部（4-21)和第二饋電結構垂直部（4-22)。
7. 根據權利要求6所述的用於雙頻毫米波系統的平面天線，其特徵在於，所述第一饋 電結構水平部（4-11)設置在所述介質板（3)的上表面並形成為矩形，所述第二饋電結構水 平部（4-21)設置在所述介質板（3)的上表面並形成為矩形，所述矩形的水平部設置在所述 輻射片（1)的H形的凹入部並與所述輻射片（1)平行的延伸出來。
8. 根據權利要求6所述的用於雙頻毫米波系統的平面天線，其特徵在於，所述第一饋 電結構垂直部（4-12)和所述第二饋電結構垂直部（4-22)形成為金屬過孔，其垂直的穿過 所述介質板（3)並將所述水平部與設置在所述介質板（3)背面的所述天線接口（6)連接。
9. 根據權利要求6-8中任一項所述的用於雙頻毫米波系統的平面天線，其特徵在於， 所述饋電結構（4)包括第一電容補償結構（4-a)和第二電容補償結構（4-b)，所述第一饋 電結構水平部（4-11)與所述輻射片（1)配合形成所述第一電容補償結構（4-a)，用於形成 高頻60GHz處的諧振；所述第二饋電結構水平部（4-21)與所述接地板（5)上的U型縫隙 形成所述第二電容補償結構（4-b)，用於形成低頻24GHz處的諧振；所述第一電容補償結構 (4-a)和所述第二電容補償結構（4-b)共同作用，用以抵消所述饋電結構（4)中所述第一饋 電結構垂直部（4-12)和所述第二饋電結構垂直部（4-22)在雙頻帶上帶來的額外電感，滿 足阻抗匹配的要求。
10.根據權利要求6-8中任一項所述的用於雙頻毫米波系統的平面天線，其特徵在於， 所述天線接口（6)形成為矩形並分別設置在所述接地板（5)上形成的U形縫隙中，分別連 接到所述第一饋電結構（4-1)中所述的第一饋電結構垂直部（4-12)和所述第二饋電結構 (4-2)中所述的第二饋電結構垂直部（4-22)。
【文檔編號】H01Q5/15GK104393416SQ201410674715
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年11月21日 優先權日:2014年11月21日
【發明者】吳永樂, 劉元安, 曲美君, 王衛民, 於翠屏 申請人:北京郵電大學