多模宽带高增益天线及无线通信设备的制作方法

本发明涉及一种天线，尤其是一种多模宽带高增益天线及无线通信设备，属于无线通信天线技术领域。

背景技术：

随着现代无线通信技术的发展，基片集成波导(substrateintegratedwaveguide，简称siw)技术被越来越多的应用到微波领域。尤其是基于siw的天线既兼具传统金属腔体低损耗，高功率容量的特性，又不含其大尺寸、高重量的缺点，易与其他微波器件集成，是微波毫米波天线中的一项重要技术。

在实际应用中通常需要一个终端设备能够覆盖多个频段，相比集成多副天线在一个设备内同时或者切换的进行工作，宽带天线能够很好地解决这一需求，且减小了天线部分所需体积，简化了天线结构，有利于终端设备的小型化及成本缩减。

刘菊华等人在17年发表的期刊“widebandtriple-andquad-resonancesubstrateintegratedwaveguidecavity-backedslotantennaswithshortingvias,”ieeetransactionsonantennasandpropagation,vol.65,no.11,pp.5768-5775,nov.2017.中公开了一种基于siw的宽带天线，该天线激励了多个模式，并利用金属通孔加载的方式使多个模式移动到一起，实现了17.5％的带宽，同时最高增益达到7.27dbi。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供一种多模宽带高增益天线及无线通信设备，该天线采用差分馈电的激励方式，激励了三个可用模式，经由辐射缝隙向外辐射，形成稳定的方向图；通过引入两个匹配缝隙可调节模式匹配，加载的八个金属通孔能将激励的模式合并，形成一种宽带高增益的基片集成波导天线。

本发明的目的在于提供一种多模宽带高增益天线。

本发明的另一目的在于提供一种无线通信设备。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种多模宽带高增益天线，包括从上到下依次设置的金属层、介质基板和金属地板，所述介质基板的四周边缘处设置有一圈第一金属通孔，介质基板的中心处两侧对称设置有馈电通孔，以及对称设置有第二金属通孔，所述金属层的中心处两侧对称设置有匹配缝隙，且金属层在靠近两侧边缘处的位置上对称设置有辐射缝隙，所述金属地板在馈电通孔的对应位置上设置有圆形缝隙。

进一步的，所述第二金属通孔为八个，其中四个第二金属通孔位于介质基板的中心处第一侧，另外四个第二金属通孔位于介质基板的中心处第二侧；

所述介质基板中心处第一侧的四个第二金属通孔中，其中两个第二金属通孔与另外两个第二金属通孔关于水平方向对称；

所述介质基板中心处第二侧的四个第二金属通孔中，其中两个第二金属通孔与另外两个第二金属通孔关于水平方向对称；

所述介质基板中心处第一侧的四个第二金属通孔与介质基板中心处第二侧的四个第二金属通孔关于竖直方向对称。

进一步的，所述介质基板中心处第一侧的四个第二金属通孔，以及介质基板中心处第二侧的四个第二金属通孔均呈弧形分布。

进一步的，所述介质基板的厚度为1mm～3mm，所用材料的介电常数为2.2，介质损耗角为0.001。

进一步的，所述匹配缝隙、馈电通孔、第二金属通孔和辐射缝隙从天线中心至两侧依次排布。

进一步的，所述匹配缝隙为矩形缝隙。

进一步的，所述辐射缝隙为朝向金属层中心凸出一部分的凸形缝隙。

进一步的，所述圆形缝隙和对应馈电通孔的圆心为同一点，且圆形缝隙的直径大于对应馈电通孔的直径。

进一步的，所述馈电通孔的直径为1mm～2mm。

进一步的，所述金属层和金属地板的四周边缘处设置有与介质基板上的第一金属通孔对应的第一通孔；

所述金属层和金属地板在第二金属通孔的对应位置上设置有第二通孔；

所述金属层在馈电通孔的对应位置上设置有第三通孔。

进一步的，所述第一金属通孔具有四排，每排第一金属通孔中，相邻两个第一金属通孔之间的间距为3mm～5mm，且每个第一金属通孔的直径为1mm～3mm。

本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种无线通信设备，包括上述的多模宽带高增益天线。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本发明在介质基板的四周边缘处设置一圈金属通孔，形成基片集成波导，介质基板的中心处两侧对称设置有馈电通孔，实现了差分馈电的激励方式，相比偏置馈电的方式，差分馈电结构可以使能量朝正上方辐射，形成稳定的不偏转的方向图，并且介质基板上方的金属层的中心处两侧对称设置有匹配缝隙，匹配缝隙位于两个馈电通孔之间，可以极大地改善差分馈电结构的匹配效果，显著提升天线的匹配。

2、本发明天线用来调节模式的八个金属通孔呈弧形分布，相比直线排列结构，弧形分布多引入了一个可用变量，能够更为灵活的移动模式，提供更优的带宽及匹配效果。

3、本发明天线的辐射缝隙为朝向金属层中心凸出一部分的凸形缝隙，凸出的部分可用于调节阻抗匹配，形成稳定的方向图。

4、本发明天线在馈电通孔的对应位置上设置有圆形缝隙，圆形缝隙和对应馈电通孔的圆心为同一点，且圆形缝隙的直径大于对应馈电通孔的直径，由于圆形缝隙直径更大，可避免馈电时sma头的内芯与金属地板短路。

5、本发明天线使用了三个模式拓宽带宽，具有22％的相对带宽；同时使用高次模作为工作模式，使得天线本身具有高增益效果，最高增益达到11.3dbi。

附图说明

图1为本发明实施例的多模宽带高增益天线整体示意图。

图2为本发明实施例的多模宽带高增益天线的金属层示意图。

图3为本发明实施例的多模宽带高增益天线的金属地板示意图。

图4为本发明实施例的多模宽带高增益天线回波损耗的仿真曲线图。

图5为本发明实施例的多模宽带高增益天线总增益的仿真曲线图。

图6为本发明实施例的多模宽带高增益天线在4.6ghz的方向图仿真曲线图。

图7为本发明实施例的多模宽带高增益天线在5.1ghz的方向图仿真曲线图。

图8为本发明实施例的多模宽带高增益天线在5.5ghz的方向图仿真曲线图。

其中，1-金属层，2-介质基板，3-金属地板，4-第一金属通孔，5-馈电通孔，6-第二金属通孔，7-第一通孔，8-第二通孔，9-第三通孔，10-圆形缝隙，11-匹配缝隙，12-辐射缝隙。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例：

如图1～图3所示，本实施例提供了一种多模宽带高增益天线，该天线为基于基片集成波导的多模宽带高增益天线，能够应用于无线通信设备中，其包括从上到下依次设置的金属层1、介质基板2和金属地板3，即金属层1覆盖在介质基板2的上表面，金属地板3覆盖在介质基板2的下表面，且金属层1、介质基板2和金属地板3的形状均为矩形，长度和宽度的尺寸相同，本实施例的介质基板的厚度为2mm，所用材料的介电常数为2.2，介质损耗角为0.001。

进一步地，介质基板的四周边缘处设置有一圈第一金属通孔4，以形成基片集成波导，第一金属通孔4为一圈，即具有四排第一金属通孔4，其中两排第一金属通孔4对称设置在介质基板2的上、下两侧边缘处，另外两排第一金属通孔4对称设置在介质基板2的左、右两侧边缘处。

为了防止集成波导的电磁泄漏，本实施例的每排第一金属化通孔4中相邻两个第一金属化通孔4之间的间距为4mm，且每个第一金属化通孔4的直径为2mm。

进一步地，介质基板2的中心处左右两侧对称设置有馈电通孔5，以及对称设置有第二金属通孔6，其中馈电通孔5实现了差分馈电，左侧的第二金属通孔6位于左排第一金属通孔4与左侧的馈电通孔5之间，右侧的第二金属通孔6位于右排第一金属通孔4与右侧的馈电通孔5之间，本实施例的馈电通孔5直径为1.26mm。

具体地，第二金属通孔6为八个，其中四个第二金属通孔6位于介质基板2的中心处左侧，另外四个第二金属通孔6位于介质基板2的中心处右侧；介质基板2中心处左侧的四个第二金属通孔6，以及介质基板2中心处右侧的四个第二金属通孔6均呈弧形分布，用来调整所激励模式的频率，由于每个第一金属化通孔4直径均为2mm，间距经过仿真优化，以便能得到最优的匹配性能。

进一步地，金属层1通过第一金属通孔4、第二金属通孔6与金属地板3相连，因此本实施例的金属层1和金属地板3的四周边缘处开有与介质基板2上的第一金属通孔4对应的第一通孔7，且在第二金属通孔6对应的位置上设置有第二通孔8；具体地，金属层1的上、下两排第一通孔7圆心连线的长度a＝79.8mm，左、右两排第一通孔7圆心连线的长度b＝51.6mm，每排第一通孔7中，相邻两个第一通孔7之间的间距p＝4mm，且每个第一通孔7的直径d＝2mm，距离金属层1中心处较近的四个第二通孔8中，左边的两个第二通孔8和右边的两个第二通孔8圆心之间的间距y1＝2mm，且圆心与金属层1的宽度方向中心线之间的垂直距离x4＝18.5mm，距离金属层1中心处较远的四个第二通孔8中，左边的两个第二通孔8和右边的两个第二通孔8圆心之间的间距y2＝7mm，且圆心与金属层1的宽度方向中心线之间的垂直距离x5＝20mm；为了更好地实现馈电通孔5的馈电作用，本实施例的金属层1在馈电通孔5的对应位置上设有第三通孔9，第三通孔9的圆心与金属层1的宽度方向中心线之间的垂直距离x2＝6.4mm，金属地板3在在馈电通孔5的对应位置上设有圆形缝隙10，本实施例的圆形缝隙10和对应馈电通孔5的圆心为同一点，且圆形缝隙10的直径大于对应馈电通孔5的直径，本实施例的圆形缝隙10的直径r＝4.24mm，由于圆形缝隙10直径更大，可避免馈电时sma头的内芯与金属地板3短路。

进一步地，介质基板2中心处左侧的四个第二金属通孔中，其中两个第二金属通孔6与另外两个第二金属通孔6关于水平方向对称，即关于介质基板2的长度方向中心线对称；介质基板2中心处右侧的四个第二金属通孔中，其中两个第二金属通孔6与另外两个第二金属通孔6关于水平方向对称，即关于介质基板2的长度方向中心线对称；介质基板2中心处左侧的四个第二金属通孔6与介质基板中心处右侧的四个第二金属通孔6关于竖直方向对称，即关于介质基板2的宽度方向中心线对称。

进一步地，金属层1的中心处左右两侧对称设置有匹配缝隙11，匹配缝隙11可以极大地改善两个馈电通孔5间的耦合，显著提升天线的匹配，本实施例的匹配缝隙11为矩形缝隙，其长度l3＝27.6mm，宽度w3＝1mm，匹配缝隙11的长度方向中心线与金属层1的宽度方向中心线之间的垂直距离x3＝5.5mm。

进一步地，金属层1在靠近左右两侧边缘处的位置上对称设置有辐射缝隙12，本实施例的辐射缝隙12为朝向金属层中心凸出一部分的凸形缝隙，用于辐射所激励的te210模式与分裂的两个te410模式，辐射缝隙12凸出的部分可用于调节阻抗匹配，结合上述呈弧形分布的八个第二金属通孔6，可将所激励的te210模式往高频移动，且不影响分裂的两个te410高次模的谐振频率，从而使三个模式结合到一起；本实施例的辐射缝隙12的未凸出部分的长度l1＝49.2mm，宽度w2＝3mm，凸出部分的长度l2＝20mm，宽度w1＝2.8mm，未凸出部分的的长度方向中心线与金属层1的宽度方向中心线之间的垂直距离x1＝29.7mm。

从图1～图3中可以看到，匹配缝隙11、馈电通孔5、第二金属通孔6和辐射缝隙12从天线中心至左右两侧依次排布。

上述实施例中，所述金属层1、金属地板3、第一金属通孔4和第二金属通孔6采用的金属材料可以为铝、铁、锡、铜、银、金和铂的任意一种，或可以为铝、铁、锡、铜、银、金和铂任意一种的合金，本实施例优选采用铜材料；所述无线通信设备可以为手机、平板电脑等电子设备。

由图4中的差分端口的反射系数|sdd11|可以看出所激励的三个模式(te210模式及分裂的两个te410模式)被合并到一起形成宽带效果，带宽覆盖范围为4.51ghz～5.60ghz，百分比带宽达到21.6％；图5则为工作频带内对应的增益曲线，最高增益可达11.3dbi；图6-图8为三个模式在中心频点的方向图，包含主极化、交叉极化、e面和h面，前后比均大于10db，交叉极化比均大于30db。

综上所述，本发明天线采用差分馈电方式，激励了集成基片波导腔内的三个模式，经由弧形分布的金属化通孔将模式合并，再通过匹配缝隙优化所用模式的谐振匹配，使能量通过“凸”字型辐射缝隙辐射，形成稳定的方向图，多个模式的使用令天线具有宽带效果，高次模的引入则提供了高增益，能很好地应用到宽带通信系统中。

以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。