一种基于基片集成同轴线的双频平面套筒单极子天线

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种基于基片集成同轴线的双频平面套筒单极子天线。

背景技术

近年来，随着无线通信技术的飞速发展，在复杂的电磁环境以及移动条件下的高速无线通信的实际应用方面，移动通信设备不仅需要高质量传输多媒体信息，还需要满足宽带化、抗干扰、小型化、多频带的具体需求。天线作为移动通信设备中的辐射和接收信号的器件，无线通信系统对天线的要求也越来越高。

传统的单极子天线因其结构简单、全向辐射和易于阻抗匹配而被广泛应用于无线通信系统中，套筒天线是由单极子天线改进而来的，作为宽带振子天线的典型形式，套筒天线的最初研究可追溯至二战时期，然而，在之后的五十多年里，有关于套筒天线的理论研究却不受重视，究其原因在于套筒天线采用的单极子或偶极子辐射器在天线小型化方面有着难以逾越的困难，此外，套筒天线的结构本身在与平面化加工工艺的结合过程中，也同样面临着寄生振子影响阵列相位、工作带宽收窄、天线尺寸增大等挑战。

此外，天线实现双频带工作也是时下无线通信技术日益增长的一个迫切需求。典型的四分之一波长单极子通常被设计为在一个频带上工作，然而，在许多现代应用上，例如无线局域网或蜂窝网络，都需要天线在双频带或者多频带下工作。过去也有很多人对于双频单极子做了大量研究工作。例如设计两个折叠单极子共享同一微带馈线，或采用双阶梯贴片单极子实现双频工作。研究发现，这些设计在两个频带上都能实现良好的阻抗匹配，但由于它们在不同频率下的电尺寸不同，所以它们在两个频带上的辐射方向图也截然不同，对于双频通信系统，在两个频带上具有相似的覆盖范围，才会使得工作频带从一个频带切换到另一个频带时不会出现显著性能退化。此外，这些研究报道的天线需要配置在大的地平面上，这与现代通信的小型化、集成化的发展不相适应。

发明内容

发明目的：本发明提供一种小型化、集成度高、双频带的基于基片集成同轴线的双频平面套筒单极子天线。

技术方案：本发明基于基片集成同轴线的双频平面套筒单极子天线，包括天线结构和自上而下贯穿整个天线结构的金属化通孔；所述天线结构自上而下设置顶层金属层、上介质层、金属内导体、中间粘合层、下介质层、底层金属层；

所述顶层金属层和底层金属层尺寸完全相同且投影重叠，所述顶层金属层沿长度延伸方向依次设置顶层金属导体、顶层寄生振子，所述底层金属层沿长度延伸方向依次设置底层金属导体、底层寄生振子；

所述金属内导体包括直线形的导线及位于导线中间位置的金属补偿片；

所述金属化通孔包括两排振子通孔和两排导体通孔；振子通孔自上而下依次贯通顶层寄生振子、上介质层、金属补偿片、中间粘合层、下介质层、底层寄生振子；所述导体通孔自上而下依次贯通顶层金属导体、上介质层、中间粘合层、下介质层、底层金属导体。

进一步的，所述天线结构沿长度延伸方向包括基片集成同轴线和单极子套筒天线，顶层金属导体与底层金属导体所在部分为基片集成同轴线；顶层寄生振子与底层寄生振子所在部分为单极子套筒天线。

进一步的，所述振子通孔和导体通孔均设有两排，且对称分布；一排振子通孔与另一排振子通孔以导线为中心轴对称排列；一排导体通孔与另一排导体通孔也以导线为中心轴对称排列。

进一步的，所述顶层寄生振子设置两排金属条且以导线为中心轴对称排列；所述底层寄生振子同样设置两排金属条且以导线为中心轴对称排列。

进一步的，所述顶层寄生振子设有两组，分别为第一寄生振子、第二寄生振子；所述底层寄生振子设有两组，分别为第三寄生振子、第四寄生振子；所述振子通孔穿过第一寄生振子及第三寄生振子；第二寄生振子与第四寄生振子为实心金属条。

进一步的，所述顶层金属导体、底层金属导体为方形金属片。

进一步的，所述上介质层、中间粘合层和下介质层的投影重叠；所述方形金属片的宽度与所述上介质层的宽度相同。

进一步的，在所述基片集成同轴线远离所述单极子套筒天线的一端设有测试接口，所述测试接口包括接地共面波导、金属化盲孔以及金属圆盘。

进一步的，所述接地共面波导设于顶层金属导体远离顶层寄生振子的一端，所述金属圆盘设于所述导线远离套筒天线的一端，所述金属化盲孔自上而下穿过顶层金属导体、上介质层，且所述接地共面波导通过金属化盲孔与金属圆盘连接。

进一步的，该双频平面套筒单极子天线通过PCB加工工艺加工实现，在上介质层上表面镀金属形成顶层金属导体和顶层寄生振子，在上介质层下表面镀金属形成金属内导体，在下介质层下表面镀金属形成底层金属导体和底层寄生振子，将上介质层、中间粘合层、下介质层顺次粘合层压成型，在金属化通孔、金属化盲孔对应位置钻孔，并在孔间镀金属实现电气连接。

有益效果：本发明具有如下显著效果：1、实现了小型化：本发明的天线结构基于基片集成同轴线设计，减小剖面，同时采用金属内导体连接基片集成同轴线和单极子套筒天线。2、实现了集成化：基片集成同轴线的馈电结构和双套筒结构的一体化设计同时将双频套筒天线与馈电结构集成，同时，本发明的天线结构不需要配置在大的地平面上便可使用，有利于实现天线与微波毫米波电路的集成。3、实现了双带频：通过在顶层寄生振子、底层寄生振子设置两组寄生振子，并依据寄生振子的长度不同和距离接地面的远近不同设置工作频率点，第一寄生振子、第三寄生振子实现短路，天线在高频段工作；第一寄生振子、第三寄生振子、第二寄生振子、第四寄生振子共同作用，天线在低频带工作，实现了双频带工作的同时在两个频带上具有相似的覆盖范围，切换频带时不会出现显著的性能退化。

附图说明

图1为本发明天线结构的分解图；

图2为顶层金属层结构图；

图3为本发明天线结构的侧视图；

图4为参数仿真的反射系数示意图；

图5在433MHz的E面主极化和交叉极化仿真示意图；

图6在433MHz的H面主极化和交叉极化仿真示意图；

图7在868MHz的E面主极化和交叉极化仿真示意图；

图8在868MHz的H面主极化和交叉极化仿真示意图。

图中，1为顶层金属导体、2为上介质层、3为金属内导体、4为中间粘合层、5为下介质层、6为底层金属导体、7为导体通孔、8为金属化盲孔、9为接地共面波导、10为振子通孔、11为第二寄生振子、12为第四寄生振子、13为第一寄生振子、14为第三寄生振子、15为金属补偿片、16为导线、17为金属圆盘。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。

请参阅图1至图3所示，本发明公开了一种基于基片集成同轴线的双频平面套筒单极子天线，包括天线结构和自上而下贯穿整个天线结构的金属化通孔。天线结构自上而下设置顶层金属层、上介质层2、金属内导体3、中间粘合层4、下介质层5、底层金属层。

其中，顶层金属层和底层金属层尺寸完全相同且投影重叠。顶层金属层沿长度延伸方向依次设置顶层金属导体1、顶层寄生振子；底层金属层沿长度延伸方向依次设置底层金属导体6、底层寄生振子。

金属内导体3包括直线形的导线16及位于导线16中间位置的金属补偿片15。

金属化通孔包括两排振子通孔10和两排导体通孔7，振子通孔10自上而下依次贯通顶层寄生振子、上介质层2、金属补偿片15、中间粘合层4、下介质层5、底层寄生振子；所述导体通孔7自上而下依次贯通顶层金属导体1、上介质层2、中间粘合层4、下介质层5、底层金属导体6。本实施例中，振子通孔10和导体通孔7均设有两排，且对称分布。一排振子通孔10与另一排振子通孔10以导线16为中心轴对称排列；一排导体通与另一排导体通孔7也以导线16为中心轴对称排列。

其中，上介质层2、中间粘合层4和下介质层5的投影重叠，中间粘合层4将上介质层2和下介质层5紧密连接，顶层金属层覆盖于上介质层2的上表面，底层金属层覆盖于下介质层5的下表面，上介质层2下表面与中间粘合层4重叠的部分长度延伸方向的中心线位置设有金属内导体3。本实施例中，顶层金属导体1、底层金属导体6为方形金属片。该方形金属片的宽度与所述上介质层2的宽度相同。导线16的宽度均匀且长度小于上介质层2的长度。上介质层2与下介质层5均为厚度0.762mm的TU883印刷电路基板，中间粘合层4为厚度0.18mm的TU883印刷电路基板。

在顶层金属层和底层金属层中，顶层寄生振子与顶层金属导体1无连接关系。底层寄生振子与底层金属导体6无连接关系。顶层寄生振子设置两排金属条且以导线16为中心轴对称排列；所述底层寄生振子同样设置两排金属条且以导线16为中心轴对称排列。该顶层寄生振子设有两组且无直接连接关系，分别为同向延伸排列的第一寄生振子13与第二寄生振子11，其中第一寄生振子13位于第二寄生振子11与顶层金属导体1之间。该底层寄生振子设有两组且无直接连接关系，分别为同向延伸排列的第三寄生振子14与第四寄生振子12。所述第一寄生振子13与第三寄生振子14投影重合；第二寄生振子11与第四寄生振子12投影重合。所述振子通孔10穿过第一寄生振子13及第三寄生振子14；且第二寄生振子11与第四寄生振子12为实心金属条。具体为：所述振子通孔10投影于第一寄生振子13、第三寄生振子14靠近导体通孔7一端的部分金属条，即振子通孔10自两金属条靠近导体通孔7一端开始终止于两金属条中间部分。

其中，第一寄生振子13、第三寄生振子14设置振子通孔10的部分使此处天线结构的电路处于短路状态，未设置振子通孔10的部分至接地面后边沿的距离为高频带的四分之一自由空间波长，由此控制天线在高频带工作。第二寄生振子11、第四寄生振子12与第一寄生振子13、第三寄生振子14无直接联系。第二寄生振子11、第四寄生振子12使此部分天线结构的电路处于开路状态。第二寄生振子11沿长度延伸方向排列于第一寄生振子13远离顶层金属导体1的一端，第四寄生振子12沿长度延伸方向排列于第三寄生振子13远离底层金属导体6的一端，且第二寄生振子11、第四寄生振子12的末端至接地面后边沿的距离为低频带的四分之一自由空间波长，由四组寄生振子共同作用，控制天线在低频带工作。

本发明天线结构沿长度延伸方向依次包括基片集成同轴线和单极子套筒天线。天线结构沿长度延伸方向包括基片集成同轴线和单极子套筒天线，顶层金属导体1与底层金属导体6所在部分为基片集成同轴线；顶层寄生振子与底层寄生振子所在部分为单极子套筒天线。

基片集成同轴线SICL是在基片集成波导SIW的基础上诞生的传输线技术，它保留了SIW的封闭式特点的同时，在介质中引入了内导体。SICL的传输基模是准TEM模，即SICL的特征阻抗和频率无关，电磁能量沿内导体传输，而非弥散整个结构内部。采用SICL进行馈电，易与其他电路集成，同时可以减小能量传播过程中的损耗。本实施例中，导体通孔7自上而下贯穿基片集成同轴线，并连接顶层金属导体1、底层金属导体6形成封闭式结构，具有良好的屏蔽性。基片集成同轴线的阻抗由介质层基板厚度和金属内导体3的宽度决定，本发明的端口阻抗为50欧姆，便于与其他集成电路结构集成。振子通孔10自上而下贯穿单极子套筒天线，将第一寄生振子13、第三寄生振子14连接到加宽的金属补偿片15上实现辐射需求的短路状态。本发明中SICL中的金属内导体3，在基片集成同轴线作为馈电结构，在馈电结构中金属内导体3的长度延伸方向上，形成一个单极子辐射体，辅加上下两层与SICL顶层金属层、底层金属层同平面的套筒结构，实现了馈电与套筒天线的平面一体化，有效缩减了天线的尺寸，实现了套筒天线的集成化、小型化。

本发明双频平面套筒单极子天线通过PCB加工工艺加工实现，在上介质层2上表面镀金属形成顶层金属导体1和顶层寄生振子，在上介质层2下表面镀金属形成金属内导体3，在下介质层5下表面镀金属形成底层金属导体6和底层寄生振子，将上介质层2、中间粘合层4、下介质层5顺次粘合层压成型，在金属化通孔、金属化盲孔8对应位置钻孔，并在孔间镀金属实现电气连接。

本实施例中，金属材料为金属铜。导线16的宽度保持0.85mm不变。金属补偿片15的宽度为13.5mm。第一寄生振子13、第三寄生振子14长均为85.6mm，宽为4.5mm。第二寄生振子11、第四寄生振子12长均为84.4mm，宽为4.5mm。合适的通孔尺寸和孔距可以降低加工难度同时达到防止电磁波泄露的目的。导体通孔7的直径为4mm，每排中相邻的导体通孔7的孔间距为6mm，两侧的导体通孔7之间的距离为15mm。振子通孔10的直径为2mm，每排中相邻的振子通孔10之间的孔间距为3mm，两侧振子通孔10之间的距离为9mm。金属化盲孔8的直径为1.2mm。

本发明还设有测试接口便于测试天线性能，测试接口设于基片集成同轴线远离单极子套筒天线的一端，且测试接口包括接地共面波导9、金属化盲孔8以及金属圆盘17。接地共面波导9设于顶层金属导体1远离顶层寄生振子的一端，为带有缝隙的GCPW结构，由缝隙隔开接地共面波导9与顶层金属导体1的连接。金属圆盘17设于所述导线16远离套筒天线的一端，所述金属化盲孔8自上而下穿过顶层金属导体1、上介质层2，且所述接地共面波导9通过金属化盲孔8与金属圆盘17连接，实现接地共面波导GCPW结构与金属内导体3的电路连接。设计时，需要考虑GCPW的特性阻抗与SICL阻抗相同，调整外围的缝隙宽度以及金属化盲孔8的位置以调节阻抗。

在本实例中，为了测得天线性能，创建天线模型并使用仿真软件对基于基片集成同轴线的双频平面套筒单极子天线进行参数仿真。由于天线在自由空间内工作，在天线模型创建完成后，将天线边界设置为理想边界条件，天线输入端口设置为波导端口，对0-1200MHz频段的性能进行分析计算。

请参阅图4所示，通过性能仿真获得天线在对应频段的反射系数。由反射系数可得，天线工作于两个频带，第一个频带的中心频率为433MHz，天线此时的-10dB阻抗带宽为408-458MHz，第二个频带的中心频率为868MHz，天线此时的-10dB阻抗带宽为828-958MHz。

请参阅图5至图8所示，通过性能仿真获得天线在中心频率433MHz和868MHz处，天线的E面和H面的主极化和交叉极化增益方向图：天线无论在E面或是H面最大辐射方向主极化辐射增益均大于交叉极化辐射增益30dBi以上，交叉极化性能良好。

综上，本发明一种基于基片集成同轴线的双频平面套筒单极子天线具有小型化、集成度高、双频带的特点。