一种共面波导功分器及天线

1.本发明涉及天线技术领域，特别是指一种共面波导功分器及天线。


背景技术：

2.随着通信、雷达、个人电子消费等领域的不断发展，共面波导传输线由于具有平面、易加工、低成本的特性，非常适合应用于射频电路与天线中。共面波导传输线在弯折处会出现相位不连续的问题，在高频应用中尤为突出，大大限制了这种低成本的传输线在高频下的应用。如何低成本地改善共面波导弯折传输线的高频性能，是所需解决的关键问题。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明的目的在于提出一种共面波导功分器及天线，可以平衡共面波导在弯折处的传输相位畸变，改善了pcb工艺下共面波导弯折传输线在高频时的传输性能。
4.基于上述目的，本发明提供一种共面波导功分器，包括：由顶层金属层、介质基板以及底层金属层构成的pcb结构，以及所述顶层金属层中包括共面波导传输线和参考地金属平面，此外，还包括：
5.对于所述共面波导传输线的每个折弯处，在该折弯处的前段传输线处设置的一组键合线，该折弯处的后段传输线处设置的一组键合线；
6.其中，设置于所述折弯处的前/后段传输线处的键合线，跨于该前/后段传输线上方，其两端连接于所述金属平面，且与所述前/后段传输线垂直。
7.其中，一组键合线具体包括4-8根金属线。
8.较佳地，所述键合线的材质具体为金、铝或铜。
9.进一步，所述共面波导功分器还包括：在所述共面波导传输线的两侧，设置有连接于所述顶层金属层的金属平面和底层金属层之间的金属过孔。
10.较佳地，所述共面波导传输线的折弯处采用切角结构。
11.本发明还提供一种天线，包括：如上所述的共面波导功分器、多个分别连接于所述共面波导功分器的输出端口的转换结构，以及多个分别与各转换结构相连的天线单元。
12.其中，所述天线单元包括：在所述共面波导功分器的顶层金属层设置的、与对应的转换结构相对的矩形辐射口径，以及围绕所述矩形辐射口径形成的基片集成波导腔体；
13.其中，所述基片集成波导腔体是通过在所述矩形辐射口径的外围设置多个连接于所述顶层金属层和底层金属层之间的金属过孔形成的。
14.较佳地，所述矩形辐射口径内设置有一对金属贴片以及一对附加缝隙。
15.较佳地，所述基片集成波导腔体中还设置有三个连接于所述顶层金属层和底层金属层之间的金属过孔，此三个金属过孔呈三角形分布。
16.本发明的技术方案中的共面波导功分器包括：由顶层金属层、介质基板以及底层金属层构成的pcb结构，以及所述顶层金属层中包括共面波导传输线和与之绝缘的金属平面，进一步还包括：对于所述共面波导传输线的每个折弯处，在该折弯处的前段传输线处设
置的一组键合线，该折弯处的后段传输线处设置的一组键合线；其中，设置于所述折弯处的前/后段传输线处的键合线，跨于该前/后段传输线上方，其两端连接于所述金属平面，且与所述前/后段传输线垂直。通过在共面波导弯折处附近设置键合线可以平衡共面波导在弯折处的传输相位畸变，改善了pcb工艺下共面波导弯折传输线在高频时的传输性能。
附图说明
17.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获得其他的附图。
18.图1为本发明实施例一提供的一种共面波导功分器的结构示意图；
19.图2为本发明实施例一提供的一种共面波导功分器的驻波比示意图；
20.图3为本发明实施例一提供的一种共面波导功分器的功分幅度示意图；
21.图4为现有技术的一种未进行相位补偿的功分器的功分幅度示意图；
22.图5为本发明实施例二提供的一种天线的结构示意图；
23.图6为本发明实施例二提供的一种天线的驻波比仿真结果以及增益示意图；
24.图7、8、9分别为本发明实施例二提供的一种天线在50ghz、60ghz、70ghz的仿真增益方向示意图。
具体实施方式
25.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
26.需要说明的是，除非另外定义，本发明实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
27.本发明的发明人发现，在现有技术中共面波导传输线在弯折处会出现相位不连续的问题，在高频应用中尤为突出，大大限制了这种低成本的传输线在高频下的应用；由此，本发明的发明人考虑到，共面波导传输线在传输高频信号时，在弯折处由于信号所经过的路径长度不同导致相位不一致的现象尤为明显，通过应用键合线工艺，在共面波导弯折处附近设置键合线、键合线两端连接于共面波导传输线两侧的参考地金属层，可以平衡共面波导两侧相位差，对共面波导传输线在弯折处的相位差进行补偿，从而改善共面波导弯折传输线的高频性能。
28.下面结合附图详细说明本发明实施例的技术方案。
29.实施例一
30.本发明实施例一提供的一种共面波导功分器，结构如图1所示，包括：由顶层金属层13、介质基板22以及底层金属层31构成的pcb(印制电路板)结构；
31.其中，顶层金属层13可以是铺设于介质基板22上表面的金属层，包括：共面波导传输线11，以及共面波导传输线11的参考地金属平面。
32.底层金属层31可以是铺设于介质基板22下表面的金属层；铺设于底层金属层31中的金属平面是共面波导传输线11的参考地金属平面。
33.本发明实施例一提供的一种共面波导功分器还包括：设置于共面波导传输线11的折弯处附近的键合线12。
34.具体地，对于所述共面波导传输线的每个折弯处，在该折弯处的前段传输线处设置了一组键合线12；在该折弯处的后段传输线处也设置了一组键合线12。也就是说，对于所述共面波导传输线的每个折弯处，在该折弯处的前、后段传输线处分别设置了两组键合线12。
35.设置于所述折弯处的前段传输线处的键合线，跨于该前段传输线上方，其两端连接于所述金属平面，且与该前段传输线垂直；
36.设置于所述折弯处的后段传输线处的键合线，跨于该后段传输线上方，其两端连接于所述金属平面，且与所述后段传输线垂直。
37.设置的键合线12作为共面波导功分器的相位补偿结构，可以对高频共面波导传输线在弯折处的相位进行补偿，改善了pcb工艺下共面波导弯折传输线在高频时的传输性能，从而有效地改善共面波导功分器的性能，实现宽带低损耗的功分特性。
38.较佳地，所述共面波导传输线的折弯处采用切角结构，一组键合线具体可以包括4-8根金属线，用于补偿接地共面波导两端的相位；所述键合线的材质具体可以是金、铝或铜。
39.进一步，本发明实施例一提供的一种共面波导功分器还可包括：在所述共面波导传输线的两侧，设置有连接于所述顶层金属层的金属平面和底层金属层之间的金属过孔21；所述金属通孔21用于防止电磁波在介质基板中的泄露，降低功分器的传输损耗。
40.该共面波导功分器具体可以是毫米波宽带共面波导功分器，包括一个输入端口和多个输出端口；其中，在所述输入端口使用射频探针进行射频馈电，所述输出端口用于输出经所述共面波导传输线进行功率分配后的射频信号。
41.例如，该共面波导功分器具体为一分四功分器，由两级t形结构成，实现等幅同相功分，其包括五个端口；在输入端口使用200μm或250μm间距的gsg射频探针馈电，四个输出端口用于输出四路射频信号。
42.本发明实施例一提供的一种共面波导功分器为毫米波宽带共面波导一分四功分器，其驻波比仿真结果如图2所示。从图2中可以得到，无相位补偿结构的功分器驻波比在60-70ghz出现明显恶化，而本发明实施例一提供的具有相位补偿结构的功分器驻波比在50-75ghz内均小于2，有效地改善了功分器的性能。
43.图3和图4分别为本发明实施例一的毫米波宽带共面波导一分四功分器加相位补偿结构和现有技术的不加相位补偿结构的功分器的幅度仿真结果示意图。可以看出现有技术的未加相位补偿结构的功分器无法实现功分的特性，而本发明实施例一的加入相位补偿结构的功分器可以实现宽带低损耗的功分特性。
44.综上所述，本发明实施例一的毫米波宽带共面波导一分四功分器具有结构紧凑、宽带宽、低损耗、低成本等优势。通过将共面波导弯折传输线的相位补偿结构引入到功分器中，改善了功分器的阻抗匹配以及功分性能；通过采用两级t型结作为功分结构，实现了四端口近似等辐同相输出；通过在共面波导传输线两端加入金属通孔，降低了传输损耗。
45.实施例二
46.本发明实施例二提供的一种天线，包括如上述图1所示的共面波导功分器，以及多个分别连接于所述共面波导功分器的输出端口的转换结构，以及多个分别与各转换结构相连的天线单元。
47.具体地，如图5所示，本发明实施例二提供的一种天线，包括：由顶层金属层47、介质基板53以及底层金属层61构成的pcb(印制电路板)结构；
48.其中，顶层金属层47可以是铺设于介质基板53上表面的金属层，包括：共面波导传输线46，以及共面波导传输线46的参考地金属平面。共面波导传输线46构成了天线的接地共面波导馈电网络。
49.底层金属层61可以是铺设于介质基板53下表面的金属层；铺设于底层金属层31中的金属平面是参考地金属平面。
50.本发明实施例二提供的一种天线，还包括：设置于共面波导传输线46的折弯处附近的键合线45。具体地，对于所述共面波导传输线的每个折弯处，在该折弯处的前段传输线处设置了一组键合线45；在该折弯处的后段传输线处也设置了一组键合线45。也就是说，对于所述共面波导传输线的每个折弯处，在该折弯处的前、后段传输线处分别设置了两组键合线45。设置于所述折弯处的前段传输线处的键合线，跨于该前段传输线上方，其两端连接于所述金属平面，且与该前段传输线垂直；设置于所述折弯处的后段传输线处的键合线，跨于该后段传输线上方，其两端连接于所述金属平面，且与所述后段传输线垂直。
51.设置的键合线45作为相位补偿结构，可以对高频共面波导传输线在弯折处的相位进行补偿，改善了pcb工艺下共面波导弯折传输线在高频时的传输性能，从而有效地改善共面波导功分器的性能，实现宽带低损耗的功分特性。
52.从图5可以看出，由顶层金属层47、介质基板53以及底层金属层61，以及共面波导传输线46和键合线45可以构成与本发明实施例一相同结构的共面波导功分器；进一步，本发明实施例二提供的一种天线的共面波导功分器还可包括：在所述共面波导传输线的两侧，设置有连接于所述顶层金属层的金属平面和底层金属层之间的金属过孔52；所述金属通孔52用于防止电磁波在介质基板中的泄露，降低功分器的传输损耗。
53.在所述共面波导功分器的每个输出端口连接有一个转换结构44；每个转换结构44对应一个天线单元；
54.本发明实施例二提供的一种天线中的天线单元包括：在所述共面波导功分器的顶层金属层47设置的、与对应的转换结构44相对的矩形辐射口径43，以及围绕所述矩形辐射口径43形成的基片集成波导腔体51；
55.其中，所述基片集成波导腔体51是通过在所述矩形辐射口径43的外围设置多个连接于所述顶层金属层和底层金属层之间的金属过孔52形成的。
56.进一步，所述基片集成波导腔体51中还设置有三个连接于所述顶层金属层和底层金属层之间的金属过孔，此三个金属过孔呈三角形分布。所述基片集成腔体中引入的金属
过孔用于改善腔体中的电场分布，展宽天线的工作带宽。
57.所述的矩形辐射口径43内设置有一对金属贴片41，以及所述矩形辐射口径43下边沿还设置有一对矩形的耦合缝隙即附加缝隙42。所述辐射口径中引入的一对矩形贴片形成宽带辐射结构；所述辐射口径内设置的一对附加缝隙，用于改善天线的匹配性能。
58.所述的基片集成波导腔体51与矩形辐射口径43一一对应。
59.若所述天线中的共面波导功分器具体为一分四功分器，则所述天线包括四个天线单元，亦即有四个矩形辐射口径。所述的四个矩形辐射口径43以1
×
4阵列的方式设置在介质板53的上表面。毫米波宽带共面波导功分器作为馈电网络对四个天线单元进行近似等功率分配。
60.图6为本发明实施例二的毫米波宽带天线1
×
4阵列的驻波比仿真结果以及增益。从图6中可以看出，在50-75ghz频率范围内，天线的驻波比小于2，增益大于9.8dbi，具有宽带宽、高增益的特性。
61.图7、8、9分别为本发明实施例二在50ghz、60ghz、70ghz的仿真增益方向图，从图中可以看出，天线的旁瓣电平均小于-10db，交叉极化在0
°
左右低于-30db，在主要辐射方向上具有良好的线极化特性。
62.综上所述，本发明实施例二的毫米波宽带天线具有宽带宽、高增益、低成本等优势。通过采用实施例一的共面波导功分器作为馈电网络，实现了天线单元等辐同相激励，天线整体结构紧凑；采用基片集成腔体实现宽带高次模谐振；通过在辐射口径中引入一对金属贴片以及一对附加缝隙，改善了天线的阻抗匹配，展宽了天线的增益带宽。
63.所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
64.另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本发明难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路(ic)芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本发明难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本发明的平台的(即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节(例如，电路)以描述本发明的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本发明。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。
65.尽管已经结合了本发明的具体实施例对本发明进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。
66.本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。