天线结构及无线系统的制作方法

1.本实用新型涉及电子技术领域，特别涉及一种天线结构及无线系统。


背景技术：

2.随着无线通讯技术的发展,微波频段低端的频谱资源越来越拥挤,频段内相互干扰越来越严重,因此人们将目光转向微波频段的高端,即毫米波频段。
3.相关技术中通常采用宽带毫米波天线作为毫米波无线系统的信号收发器件，但是现有的毫米波天线普遍存在剖面高、带宽窄的问题。


技术实现要素：

4.本实用新型提供了一种天线结构及无线系统，能够解决毫米波天线普遍存在剖面高、带宽窄的问题。
5.所述技术方案如下：
6.一方面，提供了一种天线结构，所述天线结构包括：至少两个介质层、反射层、馈电结构和辐射单元；
7.所述至少两个介质层贴合设置；
8.所述反射层位于所述至少两个介质层的第一表面，所述辐射单元位于所述至少两个介质层的第二表面，所述第一表面和所述第二表面的位置相对；
9.所述馈电结构位于所述至少两个介质层之间；
10.所述辐射单元包括两个方形贴片，所述方形贴片上设有镂空区，两个所述方形贴片角角相对的中心对称设置；
11.所述镂空区为直角三角形，所述镂空区的两条直角边分别与所述方形贴片的两条直角边平行，所述镂空区的斜边与所述方形贴片的一条对角线平行。
12.在一些实施例中，所述镂空区为等腰直角三角形。
13.在一些实施例中，所述两个方形贴片的第一对角线重合，第二对角线平行；所述镂空区的斜边位于所述方形贴片的第二对角线上。
14.在一些实施例中，所述镂空区的直角分别靠近所述方形贴片中最外侧的直角。
15.在一些实施例中，所述方形贴片的边长a为波长λ的0.26倍-0.30倍。
16.在一些实施例中，所述方形贴片的边长a为波长λ的0.28倍。
17.在一些实施例中，所述镂空区的直角边的边长b为波长λ的0.19倍-0.23倍。
18.在一些实施例中，所述镂空区的直角边的边长b为波长λ的0.21倍。
19.在一些实施例中，所述镂空区的直角边与所述方形贴片的直角边的距离d为波长λ的0.01倍-0.05倍。
20.在一些实施例中，所述镂空区的直角边与所述方形贴片的直角边的距离d为波长λ的0.03倍。
21.在一些实施例中，所述介质层为两层；其中，靠近所述第二表面的所述介质层的厚
度h1为波长λ的0.23倍-0.27倍，靠近所述第一表面的所述介质层的厚度h2为波长λ的0.07倍-0.11倍。
22.在一些实施例中，所述馈电结构包括馈电贴片和馈电针；所述馈电贴片位于所述至少两个介质层之间，所述馈电针连接所述馈电贴片和所述反射层。
23.在一些实施例中，在沿所述至少两个介质层的贴合方向的投影内，所述馈电贴片的两端分别与两个所述方形贴片重合。
24.在一些实施例中，所述馈电贴片的长度e为波长λ的0.24倍-0.28倍，宽度f为波长λ的0.04倍-0.08倍。
25.在一些实施例中，所述馈电贴片的长度e为波长λ的0.26倍，宽度f为波长λ的0.06倍。
26.在一些实施例中，所述天线结构还包括两个寄生贴片，所述寄生贴片与所述方形贴片形状相同；所述寄生贴片位于所述至少两个介质层的第二表面；
27.两个所述方形贴片和两个所述寄生贴片沿所述至少两个介质层的中心环形阵列排布；
28.相邻的所述方形贴片和所述寄生贴片之间的缝隙k为波长λ的0.01倍-0.05倍。
29.在一些实施例中，相邻的所述方形贴片和所述寄生贴片之间的缝隙k为波长λ的0.03倍。
30.另一方面，提供了一种无线系统，所述无线系统采用本实用新型所述的天线结构。
31.本实用新型提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
32.本实用新型的天线结构，包括至少两个介质层、反射层、馈电结构和辐射单元，其中辐射单元包括两个方形贴片，方形贴片上设有镂空区，该镂空区为等腰直角三角形，两条直角边与方形贴片的两条直角边平行，镂空区能够显著提高天线的带宽，使得该天线结构具有较低的天线剖面，能够实现毫米波通信。此外还具有结构简单，尺寸较小的优势。
附图说明
33.为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例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实用新型的一些实施例，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。
34.图1是本实用新型实施例提供的天线结构的结构示意图；
35.图2是本实用新型实施例提供的天线结构的结构俯视图；
36.图3是本实施例的天线结构的回波损耗随频率的变化曲线图；
37.图4是对比例的天线结构的天线回波损耗随频率的变化曲线图；
38.图5是本实施例的天线结构的输入阻抗随频率的变化曲线图；
39.图6是对比例的天线结构的输入阻抗随频率的变化曲线图。
40.图中的附图标记分别表示为：
41.1、介质层；11、第一表面；12、第二表面；
42.2、反射层；
43.3、馈电结构；31、馈电贴片；32、馈电针；
44.4、辐射单元；41、方形贴片；411、镂空区；412、第一对角线；413、第二对角线；
45.5、寄生贴片。
具体实施方式
46.这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本实用新型相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本实用新型的一些方面相一致的装置和方法的例子。
47.应当理解的是，本实用新型实施例中所涉及的方位名词，如“上”、“下”、“顶”、“底”、“前”、“后”、“侧”等，以图1中天线结构的布置方位为基准，其中，以辐射单元所在方位为顶或上，以反射层所在方位为底或下，顶和底之间的部分为侧。本实用新型实施例采用这些方位名词仅仅是为了更清楚地描述结构和结构之间的关系，并不是为了描述绝对的方位，因此不能理解为对本实用新型的限制。
48.除非另有定义，本实用新型实施例所用的所有技术术语均具有与本领域普通技术人员通常理解的相同的含义。
49.相比干传统的通信频段，毫米波通信凭借其频谱丰富的优势，成为现如今5g应用的关键推动技术。
50.首先，毫米波段具有极宽的带宽，是微波以下频段全部带宽的10倍，现如今频率资源日益紧张，因此毫米波通信更具吸引力。
51.其次，毫米波天线阵列具有较窄的辐射波束，窄的波束在分辨率，即在分辨距离近的物体方面性能更佳。
52.除此之外毫米波通信具有较高的信号传输质量，一方面由于高频段的千扰源极少，毫米波信道非常稳定可靠，另一方面，通信信号在自由空间传输过程中将会受到一定的阻挡，比如沙尘，烟雾，普通频段的信号将会被严重影响而导致中断，但是毫米波段的信号能够穿透这类物质，信号质量保持良好。
53.但是现有的毫米波天线仍存在以下诸多问题，例如剖面高，带宽普遍较窄，馈电结果复杂，且天线的前后比只有10db，天线增益也较低，其14db阻抗带宽(驻波《1.5)为8％，阻抗带宽较窄。
54.因此，本实用新型提供了一种天线结构，显著提高天线的带宽，使得该天线结构具有较低的天线剖面，能够实现毫米波通信，结构简单，便于加工制造，尺寸较小，便于阵列式天线的设计。
55.为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地详细描述。
56.图1是本实用新型实施例提供的天线结构的结构示意图；图2是本实用新型实施例提供的天线结构的结构俯视图。
57.一方面，结合图1、2所示，本实施例提供了一种天线结构，天线结构包括：至少两个介质层1、反射层2、馈电结构3和辐射单元4。
58.至少两个介质层1贴合设置；反射层2位于至少两个介质层1的第一表面11，辐射单元4位于至少两个介质层1的第二表面12，第一表面11和第二表面12的位置相对。
59.馈电结构3位于至少两个介质层1之间。
60.辐射单元4包括两个方形贴片41，方形贴片41上设有镂空区411，两个方形贴片41角角相对的中心对称设置。
61.镂空区411为直角三角形，镂空区411的两条直角边分别于方形贴片41的两条直角边平行，镂空区411的斜边于方形贴片41的一条对角线平行。
62.其中，参考图1，第一表面11是位于至少两个介质层1的下方的表面，第二表面12是位于至少两个介质层1的上方的表面。
63.本实用新型的天线结构，包括至少两个介质层1、反射层2、馈电结构3和辐射单元4，其中辐射单元4包括两个方形贴片41，方形贴片41上设有镂空区411，该镂空区411为等腰直角三角形，两条直角边与方形贴片41的两条直角边平行，镂空区411能够显著提高天线的带宽，使得该天线结构具有较低的天线剖面，能够实现毫米波通信。此外还具有结构简单，尺寸较小的优势。
64.结合图1、2所示，在一些实施例中，镂空区411为等腰直角三角形，从而保证方形贴片41的两侧结构对称，具有相同的电磁特性。
65.结合图1、2所示，在一些实施例中，两个方形贴片41的第一对角线412重合，第二对角线413平行；镂空区411的斜边位于方形贴片41的第二对角线413上。
66.本实施例的天线结构，两个方形贴片41的第一对角线412重合的角角相对的中心对称设置，作为无线结构的辐射单元4，具有支持毫米波通信，天线剖面较低的优势。
67.结合图1、2所示，在一些实施例中，镂空区411的直角分别靠近方形贴片41中最外侧的直角。从而，通过合理布置镂空区411影响天线输入阻抗的实部和虚部，进而改善天线阻抗特性，以此来提高天线结构的阻抗带宽。
68.结合图1、2所示，在一些实施例中，方形贴片41的边长a为波长λ的0.26倍-0.30倍。方形贴片41的边长a的取值，例如为0.26λ、0.27λ、0.28λ、0.29λ、0.30λ等等。当方形贴片41的边长a与波长λ的比例关系满足上述要求时，天线结构的带宽能够得到显著的提升。
69.进一步的，方形贴片41的边长a为波长λ的0.28倍。此时，天线结构的带宽的提升效果较佳。
70.结合图1、2所示，在一些实施例中，镂空区411的直角边的边长b为波长λ的0.19倍-0.23倍。镂空区411的直角边的边长b的取值，例如为0.19λ、0.20λ、0.21λ、0.22λ、0.23λ等等。当方形贴片41的边长a与波长λ的比例关系满足上述要求时，天线结构的带宽能够得到显著的提升。
71.进一步的，镂空区411的直角边的边长b为波长λ的0.21倍。此时，天线结构的带宽的提升效果较佳。
72.结合图1、2所示，在一些实施例中，镂空区411的直角边与方形贴片41的直角边的距离d为波长λ的0.01倍-0.05倍。镂空区411的直角边与方形贴片41的直角边的距离d的取值，例如为0.01λ、0.02λ、0.03λ、0.04λ、0.05λ等等。当镂空区411的直角边与方形贴片41的直角边的距离d与波长λ的比例关系满足上述要求时，天线结构的带宽能够得到显著的提升。
73.进一步的，镂空区411的直角边与方形贴片41的直角边的距离d为波长λ的0.03倍。此时，天线结构的带宽的提升效果较佳。
74.结合图1、2所示，在一些实施例中，介质层1为两层；其中，靠近第二表面12的介质层1的厚度h1为波长λ的0.23倍-0.27倍，靠近第一表面11的介质层1的厚度h2为波长λ的0.07倍-0.11倍。
75.靠近第二表面12的介质层1的厚度h1的取值，例如为0.23λ、0.24λ、0.25λ、0.26λ、0.27λ等等。
76.靠近第一表面11的介质层1的厚度h2的取值，例如为0.07λ、0.08λ、0.09λ、0.10λ、0.11λ等等。
77.当靠近第二表面12的介质层1的厚度h1和靠近第一表面11的介质层1的厚度h2与波长λ的比例关系满足上述要求时，天线结构的带宽能够得到显著的提升。
78.进一步的，靠近第二表面12的介质层1的厚度h1为波长λ的0.25倍，靠近第一表面11的介质层1的厚度h2为波长λ的0.09倍。此时，天线结构的带宽的提升效果较佳。
79.结合图1、2所示，在一些实施例中，馈电结构3包括馈电贴片31和馈电针32；馈电贴片31位于至少两个介质层1之间，馈电针32连接馈电贴片31和反射层2。本实施例的天线结构，辐射单元4位于反射层2的上方，通过对辐射单元4的辐射的反射，这样可更精确地天线结构的辐射图的方向性。
80.结合图1、2所示，在一些实施例中，在沿至少两个介质层1的贴合方向的投影内，馈电贴片31的两端分别与两个方形贴片41重合。从而，本实施例的天线结构，辐射单元4的两个方形贴片41均能够与馈电贴片31形成良好的耦合，保证收发信号的稳定性和精确性。
81.结合图1、2所示，在一些实施例中，馈电贴片31的长度e为波长λ的0.24倍-0.28倍，宽度f为波长λ的0.04倍-0.08倍。
82.其中，馈电贴片31的长度e的取值，例如为0.24λ、0.25λ、0.26λ、0.27λ、0.28λ等等。
83.馈电贴片31的宽度f的取值，例如为0.04λ、0.05λ、0.06λ、0.07λ、0.08λ等等。
84.当馈电贴片31的长度e和宽度f与波长λ的比例关系满足上述要求时，天线结构的带宽能够得到显著的提升。
85.进一步的，在一些实施例中，馈电贴片31的长度e为波长λ的0.26倍，宽度f为波长λ的0.06倍。此时，天线结构的带宽的提升效果较佳。
86.结合图1、2所示，在一些实施例中，天线结构还包括两个寄生贴片5，寄生贴片5与方形贴片41形状相同；寄生贴片5位于至少两个介质层1的第二表面12；两个方形贴片41和两个寄生贴片5沿至少两个介质层1的中心环形阵列排布；相邻的方形贴片41和寄生贴片5之间的缝隙k为波长λ的0.01倍-0.05倍。
87.本实施例的天线结构，两个方形贴片41和两个寄生贴片5环形阵列式排布，方形贴片41和相邻的寄生贴片5之间的夹角为90
°
，能够显著提升天线结构的带宽，降低天线剖面。
88.相邻的方形贴片41和寄生贴片5之间的缝隙k的取值，例如为0.01λ、0.02λ、0.03λ、0.04λ、0.05λ等等。当相邻的方形贴片41和寄生贴片5之间的缝隙k与波长λ的比例关系满足上述要求时，天线结构的带宽能够得到显著的提升。
89.进一步的，相邻的方形贴片41和寄生贴片5之间的缝隙k为波长λ的0.03倍。此时，天线结构的带宽的提升效果较佳。
90.为了充分体现本实施例的天线结构的技术效果，设计了如下的对比试验：
91.该实验测量了本实施例的天线结构的回波损耗和输入阻抗随频率的变化规律，以
及对比例的天线结构的回波损耗和输入阻抗随频率的变化规律。该对比例与本实施例相比，方形贴片41上未设置等腰直角三角形的镂空区411。
92.图4示为方形贴片41上未设置镂空区411时的天线回波损耗s11随频率的变化曲线图，图中横轴为频率，纵轴为回波损耗s11，当s11《-10时，天线匹配较好，天线s11《-10的频段范围称为天线带宽，由图4可以看到在30-37.5ghz频率范围内s11》-10，天线匹配较差，进而使天线性能变差，同时也使天线带宽降低。
93.图3为本实施例的方形贴片41上设置镂空区411时的天线回波损耗s11随频率的变化曲线图，由图可知天线在30.2-43.4ghz频率范围内s11《-10，带宽从30.2ghz覆盖到43.4ghz，整体带宽有明显的提升。
94.图6所示为对比例的天线结构的输入阻抗随频率变化曲线图，横坐标代表的是频率，纵坐标代表的是天线输入阻抗，图中实线为输入阻抗的实部，虚线为输入阻抗的虚部，天线若想有一个较好的阻抗匹配，则输入阻抗实部应该在50附近，输入阻抗虚部应该在0附近。由图6可知，在频率30-35ghz范围内阻抗虚部远小于0，在32.5-37.5ghz范围内阻抗实部远小于50，所以30-37.5ghz范围内以方形贴片41作为辐射体时天线阻抗匹配较差。
95.图5为本实施例的天线结构的天线输入阻抗随频率变化曲线图，由图可知，在频率28.77-43.49ghz范围内阻抗虚部在0附近波动，波动范围不大，在频率30-43.4ghz范围内阻抗实部在50附近波动，所以在30-43.4ghz频率范围内为方形贴片41去掉三角型贴片作为辐射体时天线阻抗匹配较好，由此可见，在方形贴片41上设置等腰三角形的镂空区411可以影响天线输入阻抗实部与虚部，进而改善天线阻抗匹配，以此来提高天线的阻抗带宽。
96.另一方面，本实施例提供了一种无线系统，无线系统采用本实用新型的天线结构。
97.本实施例的无线系统采用本实用新型的天线结构，具有实用新型的全部技术效果。
98.本实施例的天线结构，也可应用于其它领域、其它频段中。
99.需要指出的是，在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
100.在本说明书的描述中，参考术语“某些实施方式”、“一个实施方式”、“一些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”的描述意指结合所述实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施方式或示例中。
101.以上所述仅为本实用新型的实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。