一种小型化开倒e型槽式超宽带毫米波微带天线的制作方法
【专利摘要】本发明提供的是一种小型化开倒E型槽式超宽带毫米波微带天线。包括方形介质基板(1)、位于方形介质基板一侧的接地面(2)、位于方形介质基板另一侧的辐射贴片(3)、以及馈线(7)，其特征是：所述的辐射贴片的外轮廓为矩形，辐射贴片中开有倒E型槽(4)和两个圆角矩形槽(5)，两个圆角矩形槽位于倒E型槽的下方。本发明具有辐射特性好，增益高，尺寸小、剖面低、易共形、易集成、加工简单、成本低等优点。非常适合5G移动通信大规模组网。
【专利说明】
一种小型化开倒E型槽式超宽带毫米波微带天线
技术领域
[0001] 本发明涉及的是一种移动通信系统应用的天线。
【背景技术】
[0002] 目前，4G移动通信技术已经成功商用，人们得以享受更快的数据传输速度以及更 好的通话质量。随着时代的进步与发展，移动生活逐渐在人们生活中占据主导地位，另外， 物联网以及VR概念的兴起使得未来人物交互与物物相连成为发展趋势，其对信息的需求量 将急剧上升，并要求有更高效、低时延、安全的移动通信网络。而当前的移动通信技术面临 着频谱资源紧张、系统容量受限等问题，远远达不到未来移动互联的需求。因此，第五代 (5G)移动通信技术的发展提上了日程。对于目前已经提上日程的第五代（5G)移动通信技 术，需要满足数据高速传输、超低时延、超高带宽、超高容量等需求。作为下一代移动通信系 统，其采用超宽带毫米波系统进行信号传输，5G移动通信的理论传输速度可达数lOGbps，是 当前4G移动通信的传输速率的数百倍，可以为未来虚拟现实、物联网大数据传输应用提供 有效保障。天线是移动通信系统信息收发关键组件，其性能的好坏直接决定着移动通信系 统可靠性的优劣。设计出能够满足数据高速传输、超低时延、超高带宽、超高容量、大规模组 阵等特性的天线是发展5G移动通信系统的必经之路。考虑到移动终端向"小"和"薄"发展的 趋势，覆盖低频波段的天线需要具有小型化、多频段的特点，在通信终端中以最少的天线覆 盖当前移动通信所用的所有波段尤为重要。
[0003] 与本发明较接近的【背景技术】之一：开槽式圆形微带天线（申请号： 201520154695.9)的专利文件中，公开的天线的开槽边缘为多个椭圆弧形，且左右结构对 称。
[0004] 与本发明较接近的【背景技术】之二：圆形开槽超宽带微带贴片天线（申请号： 201420815955.8)的专利文件中，天线贴片中央挖有圆形槽孔，贴片整体为圆形，且贴片外 围均匀分布半圆形锯齿凸起。
[0005] 与本发明较接近的【背景技术】之三和四：双圆弧开槽式微带天线（申请号： 201320165280.2)和花朵形共面超宽带微带天线（申请号：201310297741.6)的专利文件中， 公开的天线外形整体为圆形。【背景技术】之三中，天线在圆形贴片上上下两侧各开一段圆角 弧形槽，且在圆形贴片外左右两侧各有一圆弧形耦合微带线，与圆形贴片并不相连;背景技 术之四中，天线由3个围边圆形内边尖角的不同半径的辐射贴片组成，中央为六角尖角边槽 孔，形状类似花朵。
[0006] 与本发明较接近的【背景技术】之五和六：一种小型超宽带微带天线（《微波学报》 2011 (27))和一种新型的具有带阻特性的超宽带微带天线（《电子元件与材料》2012(31)) 中，公开的天线整体为矩形贴片，但其内部开槽类似于倒C型。【背景技术】之五中开槽上方为 直边，下方为一圆弧边，中央枝节与开槽形状类似;【背景技术】之六中文献开槽的上下两边由 对称的未满半圆的圆弧形构成，其中央枝节为单个圆形。
[0007] 与本发明较接近的【背景技术】之七:新型超宽带微带天线的研究与设计（电子科技 大学2009(5))中，天线整体为矩形贴片，但其开槽左右两边为直边，上下两边为弧形边。且 其中央为椭圆形枝节，枝节内部开有门形槽，槽各边为直边。另外天线利用阶梯状匹配线与 馈线相连。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的在于提供一种输入阻抗稳定、增益高的小型化开倒E型槽式超宽带 毫米波微带天线。
[0009] 本发明的目的是这样实现的：
[0010] 包括方形介质基板1、位于方形介质基板一侧的接地面2、位于方形介质基板另一 侧的辐射贴片3、以及馈线7,所述的辐射贴片的外轮廓为矩形，辐射贴片中开有倒E型槽4和 两个圆角矩形槽5,两个圆角矩形槽位于倒E型槽的下方。
[0011] 本发明还可以包括：
[0012] 1、所述倒E型槽整体呈圆形，中间有枝节，除枝节外的轮廓线由若干第一圆弧连接 组成，倒E型槽的矩形枝节两端向中间靠拢。
[0013] 2、辐射贴片与馈线之间设置渐进半圆形铜片6,渐进半圆形铜片6直边端连接辐射 贴片3、直边对侧的圆弧端顶点连接馈线7。
[0014] 3、所述枝节整体为圆形结构，外侧为由若干第二圆弧连接组成的边，上部开一矩 形槽口，且枝节左右两端结构对称。
[0015] 4、所述矩形槽口的宽为枝节外侧单个第一圆弧边所对应弦长，深至枝节圆心处。
[0016] 5、所述圆角矩形槽上下两边为直边，左右两边为圆弧边，两圆角矩形槽位置对于 车虽射贴片中轴对称。
[0017] 本发明针对5G移动通信系统天线所需数据高速传输、超低时延、超高带宽、超高容 量、大规模组阵等特性的特点，提供了一种小型化开倒E型槽式超宽带毫米波微带天线。其 结构特点主要包括：
[0018] (1.1)本发明天线包括方形介质基板，接地面，矩形辐射贴片，倒E型槽，圆角矩形 槽，渐进半圆形铜片，馈线;方形介质基板下表面设接地面，上表面设有矩形辐射贴片，渐进 半圆形铜片。矩形辐射贴片中央开有倒E型槽，下部两侧挖有两个对称的圆角矩形槽。渐进 半圆形铜片连接矩形辐射贴片与馈电线。辐射贴片采用对称结构，左右两侧以中间轴线对 称。
[0019] (1.2)倒E型槽除中间枝节外，其余各边由多个圆弧组成。中间枝节整体为圆形结 构，外侧为圆弧边，上部开一矩形槽口，且此枝节左右两端结构对称，两端向中间收拢，倒E 型槽整体形成类似于向日葵花朵的结构。此结构可延长电流的传导路径，还增加多个谐振 点，有效拓宽带宽，并利于实现天线的小型化。
[0020] (1.3)采用一种新型的馈电方式，将馈线与半圆金属片作为馈电部分，此铜片直边 端朝上连接矩形辐射贴片，直边对面圆弧边顶点连接馈电线。半圆金属片属于渐进结构，不 仅能够拓宽频带，还能尽量减少与之相连的微带线所产生的辐射对方向图的影响。
[0021 ] (1.4)辐射贴片下部两侧各挖有一个对称的圆角矩形槽，圆角矩形槽上下两边为 直边，左右两边为圆弧边，且两圆角矩形槽位置对于矩形辐射贴片中轴对称。圆角矩形槽起 到改变表面电流，改变辐射贴片的阻抗特性，从而达到调节辐射特性的作用。
[0022] 本发明天线的倒E型槽结构及辐射贴片两侧挖圆角矩形槽结构使得天线输入阻抗 稳定、增益较高。另外天线结构简单，其基板采用Rogers RT/duroid 5880,且尺寸为24mmX 18mm X 0.48mm，使得天线具有尺寸小，制造简单，成本低，易于集成，适合大规模组阵等特 点。
[0023] 与【背景技术】之一相比，本发明的天线的开槽边缘与中央枝节不同，本天线的开槽 边缘为圆弧形。且弧形个数也不同。另外本天线中央枝节有一上开口，开口边为直边。
[0024] 与【背景技术】之二相比，本天线整体呈矩形，挖有倒E型槽后，中央有枝节。另外背景 技术之二的天线利用阶梯状匹配线与馈线相连，而本天线采用半圆形结构与馈线相连进行 馈电。
[0025] 本发明的天线利用新型倒置E型槽，使得天线获得了超宽带性能，克服了传统微带 天线带宽窄的缺点。采用新的馈电方式一一半圆渐进馈电，不仅可以改善天线的辐射特性， 还能降低阻抗匹配的难度。本天线辐射贴片开有圆角矩形槽，大大的降低了天线的VSWR，还 解决了毫米波微带天线容易出现的辐射凹陷，保证了天线在整个频段内辐射方向图的稳定 性。本天线体积小，加工简单、成本低，非常适合5G移动通信大规模组网。
【附图说明】
[0026] 图1(a)为本发明的天线的结构示意图；
[0027]图1(b)为图1(a)的俯视图；
[0028] 图2是辐射贴片与馈电部分的结构示意图；
[0029] 图3是本发明的天线的电压驻波比；
[0030] 图4是本发明的天线的输入阻抗；
[0031 ]图5是本发明的天线的频率增益图；
[0032] 图6是半圆金属片不同尺寸时天线的电压驻波比；
[0033] 图7(a)是未加圆角矩形槽时天线的E面辐射方向图；
[0034] 图7(b)是未加圆角矩形槽时天线的Η面辐射方向图；
[0035] 图8(a)是加有圆角矩形槽后天线的Ε面辐射方向图；
[0036] 图8(b)是加有圆角矩形槽后天线的Η面辐射方向图。
【具体实施方式】
[0037] 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。
[0038] 结合图1(a)和图1(b)，天线包括方形介质基板1、接地面2、矩形辐射贴片3、倒Ε型 槽4、圆角矩形槽5、渐进半圆形铜片6和馈线7,方形介质基板1下表面设接地面2、上表面设 有矩形辐射贴片3和渐进半圆形铜片6,矩形辐射贴片3中央开有倒Ε型槽4、下部两侧挖有两 个对称的圆角矩形槽5,渐进半圆形铜片6直边端连接矩形辐射贴片3、直边对侧圆弧端顶点 连接馈线7。
[0039] 结合图2，所述矩形辐射贴片所有结构左右对称。所述倒Ε型槽整体呈圆形，除中间 枝节外，槽的其余各边由多个圆弧组成，左右结构对称，并且倒Ε型槽的中间枝节两端向中 间靠拢，倒Ε型槽整体形成类似于向日葵花朵的结构。所述中间枝节整体为圆形结构，外侧 为多个圆弧边，上部开一矩形槽口，且此枝节左右两端结构对称。所述矩形槽口宽为中间枝 节外侧单个圆弧边所对应弦长，深至中间枝节圆心处。圆角矩形槽位于矩形辐射贴片内，矩 形辐射贴片左右两侧下部各开一个圆角矩形槽，圆角矩形槽上下两边为直边，左右两边为 圆弧边，两圆角矩形槽位置对于矩形辐射贴片中轴对称。半圆形铜片圆弧端朝下直径端朝 上，直边端连接矩形辐射贴片，圆弧端顶点连接馈线。
[0040] 此微带天线主要由接地面、辐射贴片、介质基板、微带馈电组成。所用基板为 Rogers RT/duroid 5880,具有低损耗、低介电常数、低吸水性等特点，其介电常数εΓ = 2.2。 对于毫米波而言，基板过厚容易受到表面波的影响，从而使天线的效率与辐射特性变差，因 此所选基板不能太厚，一般可利用经验公式// < 0.3 /'得出。图1为本天线的基本结 构图。其中图1(a)为天线的俯视图，图1(b)为天线的侧视图。基板的长L为24mm，宽W为18mm， 厚度Η为0.48mm。基板下面为接地面，上面为金属铜辐射贴片。图2给出了天线辐射贴片与馈 电部分的结构与尺寸，矩形福射贴片长度12_，宽度9mm，厚度0.017_。由图可知，福射贴片 采用对称结构，中部挖有新型倒E型槽，槽整体呈圆形，半径为3.36mm，其倒置的E型槽的边 由弧形取代传统的直边，外侧边各个圆弧半径为1.35mm，中间枝节整体呈圆形，其圆心位于 倒E型槽圆心正下方0.95mm处，半径为R3 = 2.02mm，中间枝节两边各圆弧半径为R4 = 0.81mm，中间枝节上端矩形开口宽1.6mm，深至中间枝节圆心处，中间枝节莖宽1mm。中间枝 节两端向中间收拢，不仅可以在有限的体积内延长电流路径，从而有利于实现天线的小型 化，而且也有利于形成多个谐振点，以获得超宽带特性。本天线的电压驻波比及输入阻抗如 图3和图4,可见此天线具有超宽带特性，VSWRS1.5时的阻抗带宽为27.6 - 32.3GHz，且输入 阻抗也在此范围内保持稳定。天线频率增益图如图5所示，天线工作在阻抗带宽的大部分频 段内都可以获得大于5dBi的增益。
[0041] 本天线采用一种改进的微带线馈电方式，如图2所示，将馈线与半圆金属片作为馈 电部分，组合后对矩形贴片进行馈电，半圆金属片直边端朝上连接矩形辐射贴片，直边对面 圆弧边顶点连接馈电线，半圆金属片半径为1.8mm，连接馈线部宽1mm，半圆金属片与连接馈 线部总长4.5mm。半圆金属片属于渐进结构，不仅能够拓宽频带，还能尽量减少与之相连的 微带线所产生的辐射对方向图的影响。图6为半圆金属片半径不同时的VSWR曲线图。可看 出，此半径取不同值时，天线的VSWR曲线形状类似，所不同的是纵坐标的位置。因此，只需利 用HFSS对半圆金属片半径进行扫描优化，就可以获得天线的阻抗匹配，获得最佳性能。
[0042] 辐射贴片下部的圆角矩形槽的作用是改变贴片表面电流分布，从而改变天线的辐 射特性。图7(a)-图7(b)是在没有圆角矩形槽的情况下，天线的远场辐射特性。由图可知，天 线的半功率波束宽度较宽，并且后向辐射非常小，符合基站天线的有关标准要求，也可应用 在移动终端中。但是，天线的方向图不稳定，其在31GHz时E面辐射方向图发生下陷，增益在8 ~25deg和-28~-50deg低于OdBi;而对于28GHz和29GHz，此区域的增益均大于3dBi。这说 明，当此天线作为基站天线单元时，基站工作在31GHz时的信号覆盖将出现盲区，影响移动 通信的质量。针对此现象本天线采用加圆角矩形槽的方式进行解决。加有圆角矩形槽的辐 射方向图如图8(a)-图8(b)所示，可见，辐射方向图E面中，30GHz与31GHz的情况明显变好， 波束宽度较宽且稳定。另外，Η面的方向图也有所改善，增益在一定程度上有所提升。对天线 进行加槽处理时，这里的槽起到寄生电容的作用。本天线圆角矩形槽宽0.3mm、长2.3mm，且 两槽中心坐标分别为(3.65mm，4mm，0.48mm)和(3.65mm，_4mm，0.48mm)，此时本结构天线的 各性能最佳。
【主权项】
1. 一种小型化开倒E型槽式超宽带毫米波微带天线，其特征是:包括方形介质基板（I)、 位于方形介质基板一侧的接地面(2)、位于方形介质基板另一侧的辐射贴片(3)、以及馈线 (7)，其特征是:所述的辐射贴片的外轮廓为矩形，辐射贴片中开有倒E型槽(4)和两个圆角 矩形槽(5)，两个圆角矩形槽位于倒E型槽的下方。2. 根据权利要求1所述的小型化开倒E型槽式超宽带毫米波微带天线，其特征是:所述 倒E型槽整体呈圆形，中间有枝节，除枝节外的轮廓线由若干第一圆弧连接组成，倒E型槽的 矩形枝节两端向中间靠拢。3. 根据权利要求2所述的小型化开倒E型槽式超宽带毫米波微带天线，其特征是:所述 枝节整体为圆形结构，外侧为由若干第二圆弧连接组成的边，上部开一矩形槽口，且枝节左 右两端结构对称。4. 根据权利要求3所述的小型化开倒E型槽式超宽带毫米波微带天线，其特征是:所述 矩形槽口的宽为枝节外侧单个第一圆弧边所对应弦长，深至枝节圆心处。5. 根据权利要求1至4任何一项所述的小型化开倒E型槽式超宽带毫米波微带天线，其 特征是:辐射贴片与馈线之间设置渐进半圆形铜片(6)，渐进半圆形铜片(6)直边端连接辐 射贴片(3)、直边对侧的圆弧端顶点连接馈线(7)。6. 根据权利要求1至4任何一项所述的小型化开倒E型槽式超宽带毫米波微带天线，其 特征是:所述圆角矩形槽上下两边为直边，左右两边为圆弧边，两圆角矩形槽位置对于辐射 贴片中轴对称。7. 根据权利要求5所述的小型化开倒E型槽式超宽带毫米波微带天线，其特征是:所述 圆角矩形槽上下两边为直边，左右两边为圆弧边，两圆角矩形槽位置对于辐射贴片中轴对 称。
【文档编号】H01Q13/08GK105932409SQ201610293157
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年5月5日
【发明人】项建弘, 韩东方, 刘利国, 国强
【申请人】哈尔滨工程大学