阅读说明：本技术 一种新型毫米波低剖面高增益差分喇叭天线 (Novel millimeter wave low-profile high-gain differential horn antenna ) 是由 靳贵平 杨菊 廖绍伟 于 2020-05-07 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种新型毫米波低剖面高增益差分喇叭天线,该天线为H面喇叭天线,由三部分组成,第一部分为馈电结构,由位于同一介质板正底两面的带线实现差分馈电,馈电结构正底两面完全对称；第二部分为喇叭结构,由金属化过孔和介质板的正底金属表面构成,喇叭臂呈类“L”形,由分别位于带线两侧金属化过孔向介质板左右两侧90度展开而实现,两喇叭臂关于带线对称；第三部分为引向器结构,属于寄生结构,均匀地设置在喇叭口径的前方,每排引向器有奇数个,且关于中间的一个引向器呈对称分布。本发明具有尺寸小、剖面低、带宽宽、频带内增益高且稳定、辐射方向性好,且结构简单、易于加工等优点,在5G毫米波频段具有良好的应用前景。(The invention discloses a novel millimeter wave low-profile high-gain differential horn antenna, which is an H-plane horn antenna and consists of three parts, wherein the first part is a feed structure, differential feed is realized by strip lines positioned on the two sides of the front bottom of the same dielectric plate, and the two sides of the front bottom of the feed structure are completely symmetrical; the second part is a horn structure and is composed of metalized through holes and a front bottom metal surface of the dielectric plate, the horn arms are in an L-like shape and are unfolded 90 degrees towards the left side and the right side of the dielectric plate by the metalized through holes respectively positioned at the two sides of the strip line, and the two horn arms are symmetrical about the strip line; the third part is a director structure, belongs to a parasitic structure, and is uniformly arranged in front of the caliber of the horn, each row of directors has odd number, and the directors are symmetrically distributed relative to the middle director. The invention has the advantages of small size, low section, wide bandwidth, high and stable gain in frequency band, good radiation directivity, simple structure, easy processing and the like, and has good application prospect in 5G millimeter wave frequency band.)

一种新型毫米波低剖面高增益差分喇叭天线

技术领域

本发明涉及5G毫米波天线技术领域，具体涉及一种新型毫米波低剖面高增益差分喇叭天线。

背景技术

随着无线通信技术的飞速发展，人们对通信质量要求也不断提高。由于微波频段的日益利用与发展，微波频段变得越来越拥挤，可分配使用的带宽也变得越来越窄。毫米波技术是近年来无线技术发展的重要方向，在军事、民用和工业领域具有非常重要的价值，得到学术界与产业界的广泛关注。特别是随着5G时代的到来，5G毫米波天线的研究与发展变得至关重要。

喇叭天线作为一种常见的微波天线，因其具有结构简单、频带宽、方向性好、功率容量高等优势而被广泛应用。基片集成波导技术是指在介质基板两侧开规则的金属过孔来模拟常规波导的磁壁，因此基片集成波导在具有常规波导的大部分传输特性的同时还具有结构尺寸小、易于集成等优势。为了满足端射辐射的应用要求，基片集成波导H面喇叭天线得到广泛的应用。然而，当介质板厚度远小于自由空间波长时，这种天线的性能将大大减弱，特别是当介质板厚度小于λ₀/6(λ₀为自由空间内一个波长)时，天线的口径和空气之间的失配会导致不必要的辐射和不良匹配。

为了解决这一问题，“Hao Wang,…,“Dielectric Loaded Substrate IntegratedWaveguide(SIW)-Plane Horn Antennas”,IEEE Transactions on Antennas andPropagation,vol.58,no.3,March 2010”提出了一种在基片集成波导H面喇叭天线的口径出添加同种材料的介质透镜来改善喇叭口径与自由空间的匹配。但当介质板厚度小于λ₀/6时，此种方法无明显效果。“Yun Zhao,…“Wideband and Low-Profile H-Plane RidgedSIW Horn Antenna Mounted on a Large Conducting Plane”,IEEE Transactions onAntennas and Propagation,vol.62,no.11,November 2014.”提出了一种安装于一个大的导电平面上宽带低剖面加脊H面喇叭天线，该天线实现了93％的阻抗带宽和较高的峰值增益，然而该天线由于馈电部分采用加脊结构而导致加工复杂，不易大量生产和制造。“Jingxue Wang,…“Wideband Dipole Array Loaded Substrate Integrated H-PlaneHorn Antenna for Millimeter Waves”,IEEE Transactions on Antennas andPropagation,vol.65,no.10,October 2017.”“Hojjat Jamshidi-Zarmehri…,“Designand Development of High-Gain SIW H-Plane Horn Antenna Loaded With Waveguide,Dipole Array,and Reflector Nails Using ThinSubstrate”,IEEE Transactions onAntennas and Propagation,vol.67,no.4,APRIL 2019.”在喇叭口径处介质板的正底两面各叠加一层同种介质板，从而有效地改善天线的匹配特性和辐射特性，但同时也增加了天线的剖面高度。

综上所述，现有天线结构技术问题总结如下：

1、角锥喇叭天线：立体结构，剖面高，难集成，很难应用于毫米波频段中。

2、介质集成波导H面喇叭天线：带宽窄，在剖面较低时难匹配，增益低。

3、单端结构，在差分的射频前端环境下应用需要接巴伦，增大体积、损耗和成本。

4、现存的平面喇叭天线不能与带线直接相接。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的上述缺陷，提供一种新型毫米波低剖面高增益差分喇叭天线，解决介质集成波导喇叭天线口径与自由空间难匹配的问题，并适用于5G毫米波频段，使毫米波天线在5G频段的应用更加丰富与灵活。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种新型毫米波低剖面高增益差分喇叭天线，该差分喇叭天线为H面喇叭天线，且所有元器件均刻制在同一块介质板上，所述的差分喇叭天线包括馈电结构、喇叭结构和引向器结构，其中，

所述的馈电结构为位于介质板正面的相连接的端口1和带线，以及位于介质板底面的相连接的端口2和带线；

所述的喇叭结构包括沿着介质板左侧展开的第一喇叭臂和沿着介质板右侧展开的第二喇叭臂，第一喇叭臂和第二喇叭臂均呈类“L”形，分别由位于带线两侧的n≥8个金属化过孔向介质板左右两侧90度展开而实现；

所述的引向器结构包括两排引向器，每排引向器共有m个引向器，每个引向器由两根印刷金属条带与金属化过孔组成，结构上类似于一个PIFA天线，两排引向器均匀地设置在喇叭口径的前方，每排引向器关于中间一个引向器呈对称分布，m取值为大于等于7的奇数。

进一步地，输入的差分信号经端口1和端口2同时馈入两条带线，经带线传输到喇叭结构，经由喇叭口径辐射到引向器，再由引向器实现均匀的波前引向，最后辐射到自由空间。

进一步地，所述的差分喇叭天线分别位于介质板正面和介质板底面并完全对称设置。

进一步地，所述的差分喇叭天线还包括金属地，该金属地分别设置于介质板正面和底面，位于带线左右两侧，通过适当剪切位于金属化过孔与馈电端口之间的部分金属地，可以有效提高天线在低频段的阻抗匹配和辐射性能。

进一步地，所述的第一喇叭臂和第二喇叭臂采用金属化过孔90度直接展开的方式，极大大程度上缩小了天线的尺寸，且所述的第一喇叭臂和第二喇叭臂与展宽的带线相互耦合后增大喇叭天线的口径，提高喇叭天线的增益。

进一步地，每个引向器为寄生单元，在结构上类似于PIPA天线，由金属化过孔和印刷的金属条带组成，均匀地设置在喇叭口径的前方。同时也是一个半波长谐振器，总长度约为半个介质波长，通过合理地调节其长度和位置从而引起谐振。

进一步地，所述的引向器设置为两排，通过调节第一排引向器与喇叭口径的距离、第一排引向器与第二排引向器的间距、每排单个引向器的间距，实现差分喇叭天线的引向效果的调节。

进一步地，每个引向器的正底表面的金属条带的长度从中间向两边逐渐减小，从而提高高频处的辐射性能。

进一步地，每个引向器的长度的取值区间为【2λ_g/5，3λ_g/5】，其中，引向器的长度定义为分别位于介质板正面、底面的金属条带的长度与金属化过孔的长度之和，λ_g为介质波长。

进一步地，该差分喇叭天线的所有元器件全部刻制在同一块介质板上，天线的剖面即为介质板的厚度，本发明的介质板厚度约为0.14λ₀(λ₀为自由空间波长)，属于低剖面结构。

本发明公开的毫米波低剖面高增益差分喇叭天线相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1、结构简单、剖面低，易加工、易集成。

2、采用差分结构，介质板的正面、底面完全对称，实现良好的辐射方向性的同时能满足差分射频前端的应用需要。

3、带宽宽，易匹配，工作频带内的增益高且稳定。

4、工作在5G毫米波频段，丰富5G毫米波通信的实际应用。

5、与SIW喇叭天线及其衍生结构相比，本发明的喇叭天线尺寸更小。

附图说明

图1是本发明中垂直引向器立体结构图；

图2是本发明中新型H面差分喇叭天线立体图；

图3是本发明中新型H面差分喇叭天线顶视图；

图4是本发明中新型H面差分喇叭天线底视图；

图5是本发明中新型H面差分喇叭天线S参数图；

图6是本发明中新型H面差分喇叭天线增益图；

图7是本发明中新型H面差分喇叭天线YZ平面远场方向图；

图8是本发明中新型H面差分喇叭天线XY平面远场方向图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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做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。

实施例一

本实施例公开了一种新型毫米波低剖面高增益差分喇叭天线，该差分喇叭天线为H面喇叭天线，由三部分组成，第一部分为馈电结构，由位于同一介质板正面、底面的带线实现差分馈电，分别位于介质板正面、底面的馈电结构完全对称，端口1位于介质板的正面，并且与介质板正面的带线连接，端口2位于介质板的底面，并且与介质板底面的带线连接；第二部分为喇叭结构，由金属化过孔和介质板的正底金属表面构成，喇叭臂呈类“L”形，由分别位于带线两侧的n≥8个金属化过孔向介质板左右两侧90度展开而实现，沿着介质板左侧展开的喇叭臂称为第一喇叭臂，沿着介质板右侧展开的喇叭臂称为第二喇叭臂，两喇叭臂关于带线对称。第一喇叭臂和第二喇叭臂与展宽的带线相互耦合从而有效地增大喇叭的口径，进一步提高喇叭天线的增益；第三部分为引向器结构，引向器结构属于寄生结构，引向器结构包括两排引向器，每排引向器共有m个引向器，每个引向器由两根印刷金属条带与金属化过孔组成，类似于一个PIFA天线的结构，两排引向器均匀地设置在喇叭口径的前方，每排引向器关于中间的一个引向器呈对称分布，且每个引向器的正底表面的金属条带的长度从中间向两边缓缓减小，从而适当提高高频处的增益。m取值为大于等于7的奇数。通过引入引向器结构，可以有效实现均匀的波前引向，从而提高天线在整个工作频段的增益。该喇叭天线通过端口1、端口2以及与端口相连的带线馈入差分信号，然后差分信号通过由第一喇叭臂和第二喇叭臂构成的喇叭和引向器辐射进入自由空间传播。

实施例二

本实施例给出一个具体的工作于5G毫米波频段(24.25-29.5GHz)的新型H面差分喇叭天线的设计实例。本实施例公开的新型H面差分喇叭天线立体结构如图2所示，顶视图和底视图如图3、图4所示。

1、馈电结构

介质板采用Rogers RT/duroid 5880，数量为一片，介电常数为2.2，损耗正切为0.0009，厚度为1.575mm。位于同一介质板正底两面的带线实现差分馈电，馈电结构正底两面完全对称，端口1位于介质板的上面，端口2位于介质板的底面。在靠近喇叭口径处的带线略微展宽，通过合理调节展宽的带线的长度与宽度，实现与喇叭口径的耦合。介质板正底两面的金属地对称地印刷于带线的左右两侧，通过切除靠近馈电端口处的金属地，可以改善此喇叭天线在低频处的阻抗特性和辐射特性。

2、喇叭结构

喇叭结构由金属化过孔和介质板的正底金属表面构成。喇叭臂呈类“L”形，由位于带线两侧的n≥8个金属化过孔向介质板左右两侧90度展开而实现，沿着介质板左侧展开的喇叭臂称为第一喇叭臂，沿着介质板右侧展开的喇叭臂称为第二喇叭臂，两喇叭臂关于带线对称。作为喇叭臂的金属化过孔采用90度展宽的方式，在很大程度上减小了喇叭天线的尺寸。通过调节喇叭臂的长度从而实现良好的辐射性能。第一喇叭臂和第二喇叭臂与展宽的带线相互耦合从而有效增大喇叭口径，进一步提高天线的增益。喇叭天线的正底两面完全对称，从而实现良好的辐射方向性和完全对称的辐射方向图。

3、引向器结构

为了进一步提高喇叭天线的增益，本发明在天线口径前添加引向器结构。所用引向器结构为寄生结构，引向器结构包括两排引向器，每排引向器共有m个引向器，每个引向器由两根印刷金属条带与金属化过孔组成，类似于一个PIFA天线的结构，正底两面对称，如图1所示。两排引向器均匀地设置在喇叭口径的前方，每排引向器关于中间一个引向器呈对称分布，m取值为大于等于7的奇数。通过合理地调节引向器的长度、位置和间距从而实现良好的引向效果。本发明中，通过优化与调节，各个引向器的总长度(正底表面的金属条带的长度与金属化过孔的长度之和)约为λ_g/2(λ_g为介质波长)，同一排各个引向器的间距约为0.013λ_g。为了提高高频处的增益，引向器的长度由中间向两边线性减小。通过合理调节引向器距离喇叭口径的距离，实现均匀的波前引向。本发明中，第一排引向器距离喇叭口径约1λ_g处，为了实现最大引向并有效提高增益，本实施例采用了两排引向器，每排引向器的间距约为0.14λ_g。

综上所述，本发明公开的喇叭天线采用新型的H面差分喇叭天线结构，即使用差分结构，正底平面完全对称，来实现良好的辐射方向性。同时，该新型喇叭天线的实现方式采用新型的喇叭臂，该喇叭臂由金属化过孔90度展开，极大减小天线的尺寸，且通过喇叭臂与带线的耦合来有效增大喇叭口径从而提高增益。此外，在喇叭口径前添加引向器来实现均匀的波前的引向，从而进一步提高天线的增益。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。