毫米波天线结构及无线传输设备的制作方法

1.本发明涉及天线技术领域，特别涉及一种毫米波天线结构及无线传输设备。


背景技术：

2.现实生活中，随着频谱资源日益紧张以及毫米波频段被规划用于5g通信，在未来的智能设备和无线产品中，毫米波以其广阔的频谱资源和高速的传输速率，其应用将会越发普及。因为目前的毫米波频段的应用较少，大部分设计都是围绕微带天线和阵列天线实现其功能及应用，因此也较少地在空间结构上实现毫米波天线设计。另一方面，线极化天线在使用过程中，当天线与来波极化方向正交时，会完全接收不到能量，即发生了隔离现象，影响通信功能。


技术实现要素：

3.本发明的主要目的是提出一种毫米波天线结构及无线传输设备，旨在提供了一种新型空间结构的圆极化天线设计。
4.为实现上述目的，本发明提出一种毫米波天线结构，所述毫米波天线结构包括：
5.自上而下依次层叠设置的五层介质基板，每层所述介质基板包括介质板本体和设置于所述介质板本体及两侧表面的导电层；其中，
6.第一层介质基板和第三层介质基板与夹设于两者之间的第二层介质基板形成有上层内部空气腔；
7.所述第三层介质基板和第五层介质基板与夹设于两者之间的第四层介质基板形成有下层内部空气腔；
8.所述第三层介质基板和所述第一层介质基板上分别形成有辐射区域，两个所述辐射区域构成介质集成波导结构；
9.所述第三层介质基板还设有第一缝隙；
10.所述第一层介质基板还设有第二缝隙。
11.可选地，所述第一缝隙的一端靠近所述辐射区域设置，所述第一缝隙的第二端呈开口设置；
12.所述第一缝隙与所述第二缝隙结构相同。
13.可选地，所述第一缝隙刻蚀形成于所述第三层介质基板的两侧基板；
14.所述第二缝隙刻蚀形成于所述第一层介质基板的两侧基板。
15.可选地，五层所述介质基板上分别设置有导电通孔，五层所述介质基板通过所述导电通孔连接导通。
16.可选地，所述导电通孔靠近五层所述介质基板的边沿设置。
17.可选地，所述第二层介质基板呈镂空设置，以与相邻两侧的介质基板中形成上层内部空气腔；
18.所述第四层介质基板呈镂空设置，以与相邻两侧的介质基板中形成下层内部空气
腔。
19.可选地，所述第三层介质基板上形成的导电区域包括：
20.自所述第三层介质基板长度方向的一端向另一端依次延伸的第一导电区域、第二导电区域及第三导电区域。
21.可选地，所述第一导电区域构成介质集成悬置线。
22.可选地，所述第四层介质基板与所述第五层介质基板的正投影位于所述第三层介质基板内，且靠近所述第一导电区域设置。
23.本发明还提出一种无线传输设备，所述无线传输设备包括如上所述毫米波天线结构。
24.本发明通过设置层叠设置的五层介质基板，并在每层介质基板两侧表面的导电层；本发明还在第一层介质基板和第三层介质基板与夹设于两者之间的第二层介质基板形成有上层内部空气腔；第三层介质基板和第五层介质基板与夹设于两者之间的第四层介质基板形成有下层内部空气腔；第三层介质基板和第一层介质基板上分别形成有辐射区域，两个辐射区域构成介质集成波导结构；并在第三层介质基板和第一层介质基板分设一缝隙。本发明毫米波天线结构通过使用介质集成波导结构实现了天线的宽带工作带宽，通过介质集成悬置线结构将天线接入平面电路，同时天线在导电区域蚀刻缝隙激励圆极化波产生，提供了一种新型空间结构的圆极化天线设计。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
26.图1为本发明毫米波天线结构一实施例的结构示意图；
27.图2为本发明毫米波天线结构一实施例的爆炸图；
28.图3为本发明毫米波天线结构一实施例的侧视图；
29.图4为本发明毫米波天线结构中第三层介质基板一实施例的结构示意图；
30.图5为本发明毫米波天线结构中第一层介质基板一实施例的结构示意图；
31.图6为本发明毫米波天线结构的回波损耗示意图；
32.图7为本发明毫米波天线结构的轴比示意图。
33.附图标号说明：
34.标号名称标号名称10第一层介质基板20a上层内部空气腔20第二层介质基板30a第一缝隙30第三层介质基板40a下层内部空气腔40第四层介质基板31第一导电区域50第五层介质基板32第二导电区域60导电通孔33第三导电区域10a第二缝隙
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35.本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
36.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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
37.需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
38.另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
39.本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
40.本发明提出一种毫米波天线结构。
41.参照图1至图5，在本发明一实施例中，该毫米波天线结构包括：
42.自上而下依次层叠设置的五层介质基板，每层所述介质基板包括介质板本体和设置于所述介质板本体及两侧表面的导电层；其中，
43.第一层介质基板10和第三层介质基板30与夹设于两者之间的第二层介质基板20形成有上层内部空气腔20a；
44.所述第三层介质基板30和第五层介质基板50与夹设于两者之间的第四层介质基板40形成有下层内部空气腔40a；
45.所述第三层介质基板30和所述第一层介质基板10上分别形成有辐射区域，两个所述辐射区域构成介质集成波导结构；
46.所述第三层介质基板30还设有第一缝隙30a；
47.所述第一层介质基板10还设有第二缝隙10a。
48.本实施例中，自上而下叠设的五层介质基板中，最上层的介质基板即为第一介质基板，最下层的介质基板即为第五层介质基板50，第二层介质基板20至第四层介质基板依次沿第一介质基板至第五层介质基板50叠设，介质基板可以采用pcb板或者具有一定介电常数的板材，例如环氧树脂、氧化硅等，介质板本体具有相对设置的第一侧表面和第二侧表面，第一侧表面和第二侧表面均设置有导电层，导电层可以采用铜等金属导体，或者其他非金属良导体材料制得。导电层可以是贴片形式设置于介质板本体上，也可以是经光刻刻蚀的镀层，例如导电层可以通过印制电路布线工艺的方式分别形成在介质板本体的两侧表面上。具体而言，可以通过覆铜和刻蚀的方式在介质板本体上形成导电层。或者，将设计成型
的导电层贴设于介质板本体上，或者通过其他工艺压合至介质板本体上。导电层可以采用金属铜箔来实现，也可以采用其他金属材质或者非金属导电材质的材料来制得。其中，每层介质板本体的厚度、尺寸及形状可以根据实际应用产品及应用环境等进行设置，以满足不同的应用需求。在一具体实施例中，介质板本体的形状可以为方形，例如为长方形或者正方形。本实施例可选为在各介质板本体的两侧表面刻蚀一层金属铜，每层介质基板的金属铜具有各自的形状和走线。
49.上层内部空气腔20a由第一层介质基板10、第二层介质基板20和第三层介质基板30来实现，第一层介质基板10设置为上层内部空气腔20a的上盖板，第三层介质基板30设置为上层内部空气腔20a的下盖板，第二层介质基板20则将中心介质部分挖除的形成空气腔，从而与上下相邻的一层介质基板和第三层介质基板30构成了上半部分空气腔，使得天线以空气作为介质，实现天线电磁波的辐射传播，同时上层内部空气腔20a可以增强上半空间对电场的束缚能力。
50.下层内部空气腔40a由第三层介质基板30、第四层介质基板40和第五层介质基板50来实现，第三层介质基板30设置为下层内部空气腔40a的上盖板，第五层介质基板50设置为下层内部空气腔40a的下盖板，第四层介质基板40则将中心介质部分挖除的形成空气腔，从而与上下相邻的第三层介质基板30和第五层介质基板50构成了下半部分空气腔，使得天线以空气作为介质，实现天线的电磁波的辐射传播，同时，同时下层内部空气腔40a可以增强下半空间对电场的束缚能力。本实施例采用将介质基板(第二层介质基板20和四层介质基板40)进行局部切除，在层叠设置的介质基板之间形成空气腔，从而实现电磁波在空气腔传播，可以减少电路的传输损耗，保证高频的毫米波天线具有较好的的宽带，可以减小介质基板的局部有效介电常数，使得装天线在整体结构和横向尺寸不变的情况下可以降低天线高度，有效地减薄了介质基板的厚度，可以减小天线的体积，同时有利于提高天线的辐射效率和增益水平。
51.辐射区域的导电区域可以在分别在第一层介质基板10和第三层介质基板30上的导电层上蚀刻形成。导电区域具有馈电源，馈电源位于第一层介质基板10和第三层介质基板30之间的空气腔中，馈电源将馈电网络的电路部分与天线连接，将天线所接收的信号馈送至馈电网路，或者将馈电网络的信号馈送至天线；通过导电区域实现从馈电源到辐射结构的电场转换。其中，辐射区域结构为介质集成波导结构，介质集成波导内电场主模为te
10
模，电场分量为垂直分量，在辐射区域良导体上蚀刻第一缝隙30a和第二缝隙10a，通过第一缝隙30a和第二缝隙10a两边电位差激励水平分量产生，将天线辐射的线极化波转换成圆极化波，也即激励圆极化波产生，实现圆极化波辐射。相较于线极化波天线中，例如垂直极化波需要要用具有垂直极化特性的天线来接收；水平极化波要用具有水平极化特性的天线来接收，圆极化天线可以提高无线通信的容量，对抗多径干扰，并且不需要在发射天线和接收天线之间进行严格定向，可以解决线极化天线在使用过程中，天线与来波极化方向正交时，完全接收不到能量，导致隔离现象发生，影响通信功能。
52.本发明通过设置层叠设置的五层介质基板，并在每层介质基板两侧表面的导电层；本发明还在第一层介质基板10和第三层介质基板30与夹设于两者之间的第二层介质基板20形成有上层内部空气腔20a；第三层介质基板30和第五层介质基板50与夹设于两者之间的第四层介质基板40形成有下层内部空气腔40a；第三层介质基板30和第一层介质基板
10上分别形成有辐射区域，两个辐射区域构成介质集成波导结构；并在第三层介质基板30和第一层介质基板10分设一缝隙。本发明毫米波天线结构通过使用介质集成波导结构实现了天线的宽带工作带宽，通过介质集成悬置线结构将天线接入平面电路，同时天线在导电区域蚀刻缝隙激励圆极化波产生，提供了一种新型空间结构的圆极化天线设计。如图6所示，图6为天线的回波损耗示意图，由图6可知，天线的回波损耗在24ghz～35ghz频率带宽内小于-10db，即天线在此频率带宽内阻抗匹配，工作性能良好。如图7所示，图7为天线的轴比示意图，由图7可知，天线轴比在25^28ghz低于3db，证明天线在此频段极化为圆极化，接受各种线极化和椭圆极化的信号，所以在通信、遥感和雷达领域拥有广泛的适用范围。
53.参照图1至图5，在一实施例中，所述第一缝隙30a的一端靠近所述第三导电区域33的一端设置，所述第一缝隙30a的第二端呈开口设置；
54.所述第一缝隙30a与所述第二缝隙10a结构相同，且对称设置。
55.所述第一缝隙30a刻蚀形成于所述第三层介质基板30的两侧基板；
56.所述第二缝隙10a刻蚀形成于所述第一层介质基板10的两侧基板。
57.本实施例中，第一缝隙30a为在第三介质基板的两侧表面刻蚀形成，第二缝隙10a为在第一介质基板的两侧表面刻蚀形成，第一缝隙30a和第二缝隙10a结构相同，并且在第二介质基板的两侧呈轴对称设置。第一缝隙30a的第二端呈开口设置，并且自辐射区域至介质基板的端部，缝隙开口依次增大，第一缝隙30a和第二缝隙10a在介质基板上呈不等边直角三角形型设置，直角三角形的两条直角边沿介质基板的两侧边设置，从而将导电区域在介质基板的相对设置的两侧边形成不等而形成电位差。通过调整第一缝隙30a和第二缝隙10a的形状，可以调整第一缝隙30a和第二缝隙10a两边电位差，可以实现激励水平分量的产生。
58.参照图1至图5，在一实施例中，五层所述介质基板上分别设置有导电通孔60，五层所述介质基板通过所述导电通孔60连接导通。所述导电通孔60靠近五层所述介质基板的边沿设置。
59.本实施例中，介质集成波导结构在第一层介质基板10和第三层介质基板30两层介质基板上形成，第一层介质基板10和第三层介质基板30的上下两面分别设置有导电层，本实施例可选为金属层，第一层介质基板10和第三层介质基板30各自的两层金属层的形状、大小相同，其中，第三层介质基板30的两层导电层用以形成辐射区域，第一层介质基板10可以作为天线的接地板。第一层介质基板10至第三层介质基板30的长边边沿，均匀开设有腔体导电通孔60，第一层介质基板10至第三层介质基板30通过腔体导电通孔60，也即金属通孔连通；具体的，矩形介质基板的两条长边均匀设置有，且尽量靠近矩形介质基板的金属边界设置。其中，导电层可以采用覆铜、刻蚀等工艺制得，金属通孔则可以由pcb工艺中的电镀手段完成。
60.参照图1至图5，在一实施例中，所述第二层介质基板20呈镂空设置，以与相邻两侧的介质基板中形成上层内部空气腔20a；
61.所述第四层介质基板40呈镂空设置，以与相邻两侧的介质基板中形成下层内部空气腔40a。
62.本实施例中，第二层介质基板20和第四层介质基板40被局部镂空切除处理形成镂空区域，具体可以为将第二层介质基板20的中间切除大面积凸形区域，将第四层介质基板
40的中间切除大面积方形区域。第一层介质基板10和第三层介质基板30盖合在第二层介质基板20上，与第二层介质基板20的镂空区域形成上层内部空气腔20a，第三层介质基板30和第五层介质基板50盖合在第四层介质基板40，第四层介质基板40的镂空区域形成下层内部空气腔40a。第三层介质基板30可以放置平面电路以及馈线，并可通过与第一层介质基板10之间的耦合结构激励起波导腔，从而通过馈线和开槽对空气腔进行激励。在天线板上设置空气腔，可以降低天线的介电常数减小天线损耗，提升天线性能，降低成本，同时将第二层介质基板20和第四层介质基板40设计成为半开放式，由于腔体中介质大部分是空气，辐射区域以较小的电流密度和电场强度，且外层有第一层介质基板10将电磁场屏蔽在内，有效阻止了能量的泄漏，降低了电磁波的插入损耗，从而提高了天线的辐射效率。
63.参照图1至图5，在一实施例中，所述第三层介质基板30上形成的导电区域包括：
64.自所述第三层介质基板30长度方向的一端向另一端依次延伸的第一导电区域31、第二导电区域32及第三导电区域33；其中，所述第一导电区域31构成介质集成悬置线。
65.本实施例中，第一导电区域31、第二导电区域32及第三导电区域33为铜或其他良导体，第一导电区域31作为悬置线，同时也是天线结构的馈电源，将电路信号馈场送至天线或将天线接收到的自由空间信号传输至电路。第二导电区域32相当于连接器，用于连接第一导电区域31和第三导电区域33，第三导电区域33作为主要的辐射区域，第二导电区域32将馈电源所馈送能量传递至导电区域，进而传递至天线整体结构，将能量辐射出去。第一导电区域31、第二导电区域32及第三导电区域33在整体结构中控制了天线的阻抗特性。因为介质集成波导内电场主模为te
10
模，电场分量为垂直分量，结合在辐射区域良导体上蚀刻的第一缝隙30a和第二缝隙10a，通过缝隙两边电位差激励水平分量产生，实现圆极化波辐射。
66.可以理解的是，第三层介质基板30的上表面和下表面分别印刷有用于信号传输的悬置线，悬置线的一端设置为短截线，短截线与第二导电区域32及第三导电区域33组合形成用于高频信号传输的天线辐射结构，实现悬置线对天线辐射体的耦合馈电。通过在第三层介质基板30的上、下表面印刷有导电层，采用上、下双表面的悬置线结构，电磁场从该层悬置线电路出发，指向周围金属壁，使得电磁场在空气腔内传播，从而有效的减少了电磁波的介质损耗和辐射损耗。
67.参照图1至图5，在一实施例中，所述第四层介质基板40与所述第五层介质基板50的正投影位于所述第三层介质基板30内，且靠近所述第一导电区域31设置。
68.本实施例中，在第四层介质基板40的中间区域部分挖空设置下空气腔，以使得天线结构电磁波是在上下空气腔中传播，可以减小天线结构的损耗，提升天线子阵的辐射效率。由于天线结构的辐射结构设置于第三层介质基板30，第三层介质基板30作为中间层介质基板，第四层介质基板40与第五层介质基板50的面积小于第三层介质基板30，有利于天线能量的辐射，因此，本实施例将第四层介质基板40和正投影位于所述第三层介质基板30内，且靠近所述第一导电区域31设置。
69.本发明还提出一种无线传输设备，包括如上所述的毫米波天线结构；
70.该毫米波天线结构的详细结构可参照上述实施例，此处不再赘述；可以理解的是，由于在本发明无线传输设备中使用了上述毫米波天线结构，因此，本发明无线传输设备的实施例包括上述毫米波天线结构全部实施例的全部技术方案，且所达到的技术效果也完全相同，在此不再赘述。
71.以上所述仅为本发明的可选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。