一种毫米波频段的宽带低剖面天线单元

技术领域

本发明涉及天线领域，具体涉及一种毫米波频段的宽带低剖面天线单元。

背景技术

考虑到毫米波技术应用场景的多样性（工业互联网、高速无线接入、智能交通和虚拟现实等），除了已经划分为具体应用需求的毫米波频段，毫米波频段巨量的频谱资源尚未充分开发，可以覆盖多种应用需求的毫米波宽带天线是符合毫米波技术发展需要的；

针对现有的毫米波宽带天线技术，带宽展宽方法主要包含多模辐射体设计、电抗加载技术、多辐射体融合设计、介质加载、辐射体加载等等，但相当多的宽带天线设计需要外力比如螺丝进行板间固定，从而增加了和前端电路集成设计的难度，并降低了天线性能的稳定性，基于多层PCB工艺实现天线设计可以有效避免这类问题；

针对现有的毫米波宽带天线设计，有相当多的天线设计通过加厚辐射层来减小天线品质因数，从而增加天线带宽，过厚的辐射层不利于多层PCB工艺的加工稳定性，同时也增加了天线尺寸和空间，从而宽带天线具有低剖面特性是较为重要的。

发明内容

本发明提供了一种毫米波频段的宽带低剖面天线单元，利用叠层贴片和叠层枝节实现了通带内存在四个反射系数极小值点的低剖面宽带特性，减小辐射层厚度，并更好地和前端电路进行集成，便于单元性能优化和组阵后性能优化。

一种毫米波频段的宽带低剖面天线单元，包括自上而下依次布置的顶部金属层、顶部基板、第一中间金属层、粘贴片、第二中间金属层、底部基板、底部金属层。

优选的是，本发明的顶部金属层上设置关于X轴对称设置的形状尺寸一致的第一微带线枝节和第二微带线枝节。

优选的是，本发明的顶部金属层上设置关于Y轴对称设置的形状尺寸一致的第一扇形贴片和第二扇形贴片，第一扇形贴片和第二扇形贴片分别位于第一微带线枝节和第二微带线枝节长度方向的两侧。

优选的是，本发明的第一中间金属层上包括关于X轴对称设置的形状尺寸一致的第三微带线枝节和第四微带线枝节。

优选的是，本发明的第一中间金属层上包括关于Y轴对称设置的形状尺寸一致的第三扇形贴片和第四扇形贴片，第三扇形贴片和第四扇形贴片分别位于第三微带线枝节和第四微带线枝节长度方向的两侧。

优选的是，本发明的第一微带线枝节和第三微带线枝节通过贯穿顶部基板的金属化盲孔连接；所述第二微带线枝节和第四微带线枝节通过贯穿顶部基板的金属化盲孔连接。

优选的是，本发明的第二中间金属层上蚀刻第一缝隙槽，并在底部金属层上设置不等宽且相连的两段微带线，分别为第一微带线和第二微带线，其中第一微带线和第一缝隙槽正交设置，第二微带线作为馈电微带线，特性阻抗为50欧姆。

本发明的目的在于基于多辐射体融合设计的宽带天线技术，可以提供一种应用于毫米波频段的宽带低剖面天线单元，并利用多层PCB工艺实现，从而避免了现有的一些毫米波宽带天线需要螺丝固定的缺点，并可以很好地和毫米波前端电路及芯片进行集成，同时利用叠层贴片和叠层枝节实现了通带内存在四个反射系数极小值点的低剖面宽带特性，可以减小辐射层厚度，并更好地和前端电路进行集成，此外，天线结构参数较少，便于单元性能优化和组阵后性能优化。

本发明通过设计一种阻抗带宽可以覆盖24-38.4GHz频段的毫米波低剖面天线单元，相比于现有的一些需要外力固定的宽带天线，可以直接和毫米波前端电路及芯片集成，同时天线结构较为简单，结构参数较少，性能优化较为方便，并且单元尺寸合适，可以进行组阵设计。

附图说明

图1为本发明天线单元的侧视图；

图2为本发明天线单元顶部金属层的示意图；

图3为本发明天线单元第一中间金属层的示意图；

图4为本发明天线单元第二中间金属层的示意图；

图5为本发明天线单元底层金属层的示意图；

图6为本发明天线单元反射系数的曲线示意图；

图7为本发明天线单元法向增益随频率变化的曲线示意图；

图8为本发明天线单元分别在24GHz、31GHz和38GHz通带内频点处的E面远场方向图；

图9为本发明天线单元分别在24GHz、31GHz和38GHz通带内频点处的H面远场方向图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

如图1-图5所示，一种毫米波频段的宽带低剖面天线单元，从顶部到底部分别包括顶部金属层1、顶部基板2、第一中间金属层3、粘贴片4、第二中间金属层5、底部基板6、底部金属层7；

所述宽带低剖面天线单元，在顶部金属层1上包括关于天线单元中心沿Y轴对称设置的形状尺寸一致的第一扇形贴片8和第二扇形贴片9，另外包括关于天线单元中心沿X轴对称设置的形状尺寸一致的第一微带线枝节10和第二微带线枝节11；

所述宽带低剖面天线单元，在第一中间金属层3上包括关于天线单元中心沿Y轴对称设置的形状尺寸一致的第三扇形贴片12和第四扇形贴片13，另外包括关于天线单元中心沿X轴对称设置的形状尺寸一致的第三微带线枝节14和第四微带线枝节15；

进一步地，所述第一微带线枝节10和第三微带线枝节14通过贯穿顶部基板2的金属化盲孔16连接，而所述第二微带线枝节11和第四微带线枝节15通过贯穿顶部基板2的金属化盲孔17连接；

所述宽带低剖面天线单元，在第二中间金属层5上蚀刻第一缝隙槽18，并在底部金属层7上设置不等宽且相连的两段微带线，分别为第一微带线19和第二微带线20，其中第一微带线19和第一缝隙槽18正交设置，而第二微带线20作为馈电微带线，特性阻抗为50欧姆。

本发明公开的是一种应用于毫米波频段的宽带低剖面天线单元，如图1所示，在PCB叠构上由印刷在基板上的金属层（包含顶部金属层1、第一中间金属层3、第二中间金属层5和底部金属层7）、基板（包含顶部基板2和底部基板6）以及粘贴片4共同组成，其中顶部基板2和底部基板6分别采用0.508mm和0.254mm厚度的Taconic TLY-5板材，其相对介电常数为2.2左右，损耗角在10 GHz附近约为0.0009，另外粘贴片4采用0.4mm厚度的RogersRO4450F材料，其相对介电常数为3.5左右，另外存在金属化盲孔16和17贯穿顶部基板，基板长度和宽度分别为12mm和10mm。

如图2所示，以天线单元中心为坐标系原点新建坐标系，顶部金属层1包括沿Y轴对称设置的第一扇形贴片8和第二扇形贴片9，其中第一扇形贴片8和第二扇形贴片9形状及尺寸一致，且均以内边中心为圆心，其扇形半径和夹角分别为1.8mm和130度，内边长度为0.4mm，且内边到坐标系原点距离为1mm，此外，顶部金属层1还包括沿X轴对称设置的第一微带线枝节10和第二微带线枝节11，其中第一微带线枝节10和第二微带线11距离坐标系原点均为0.425mm，且枝节宽度和长度均分别为0.4mm和1.32mm。

如图3所示，第一中间金属层3包括沿Y轴对称设置的第三扇形贴片12和第四扇形贴片13，其中第三扇形贴片12和第四扇形贴片13形状及尺寸一致，且均以内边中心为圆心，其扇形半径和夹角分别为1.4mm和140度，内边长度均为0.4mm，内边中心到坐标系原点的距离均为0.95mm，此外，第一中间金属层3还包括沿X轴对称设置的第三微带线枝节14和第四微带线枝节15，其中第三微带线枝节14和第四微带线枝节15形状及尺寸一致，且距离坐标系原点均为0.425mm，同时枝节宽度和长度分别为0.4mm和0.77mm。

进一步地，有第一金属化盲孔16和第二金属化盲孔17贯穿顶部基板2，同时关于坐标系原点沿X轴对称设置，其中第一金属化盲孔16上下连接第一微带线枝节10和第三微带线枝节14，第二金属化盲孔17上下连接第二微带线枝节11和第四微带线枝节15，第一金属化盲孔16圆心沿Y轴和第一微带线枝节10左侧边缘的距离为1.12mm，第二金属化盲孔17圆心沿Y轴和第四微带线枝节右侧边缘的距离为1.12mm，且金属化盲孔直径均为0.15mm。

如图4所示，在第二中间金属层5上蚀刻有中心在坐标系原点并沿X轴方向延伸的第一缝隙槽18，其可以将电磁能量耦合到辐射体上，其中缝隙槽长度和宽度分别为3mm和0.55mm。

如图5所示，底部金属层7包括沿Y轴延伸的第一微带线19和第二微带线20，且第一微带线19和第二微带线20相连接，第一微带线19和第二微带线20的宽度分别为0.35mm和0.7mm，其中第一微带线19和第一缝隙槽18正交设置，且以坐标系原点为分界，第一微带线19往Y轴正向和负向延伸的长度分别为1.1mm和2.1mm，而第二微带线20作为50欧姆特性阻抗微带线馈电。

图6给出了天线单元的反射系数曲线（|S11|曲线），可以看出天线单元的阻抗带宽可以覆盖24-38.4GHz，并且在通带内存在四个反射系数极值点，这些极值点的存在是由于多种辐射体或是谐振单元的有效组合产生的，这些辐射体或是谐振单元包括第一缝隙槽18、扇形贴片以及微带线枝节，通过有效设置各辐射体或是谐振单元的相对位置，可以在宽频带形成有效的阻抗匹配，同时可以实现低剖面（约0.91mm辐射层厚度：0.508mm 顶部基板厚度加上0.4mm 粘贴片厚度）和宽带（-10 dB |S11|相对带宽：46.2%）的特性。

图7相应地给出了天线单元的法向增益随频率变化曲线，这里的法向增益取的是E面法向可实现增益，可以看出天线单元在24-38.4GHz通带内保持着稳定的辐射特性，在24-38.4GHz通带内的最高法向增益为9.47dBi，最低法向增益为6.04dBi，同时交叉极化增益较低，在24-38.4GHz通带内低于-26dBi。

为了进一步说明通带内的天线辐射稳定性，图8和图9分别给出了通带内三个不同频点处（24GHz，31GHz和38GHz）的E面和H面远场方向图曲线，可以看出主极化增益曲线在通带内的一致性很好，同时天线单元在E面的交叉极化增益在主极化3dB波束范围内均小于-26dBi，而在H面的交叉极化增益在主极化3dB波束范围内均小于-18dBi。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。