阅读说明：本技术 一种毫米波超宽带高增益叠层差分天线 (Millimeter wave ultra-wideband high-gain laminated differential antenna ) 是由 张涛 刘阳 尹湘坤 朱樟明 杨银堂 于 2019-09-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种毫米波超宽带高增益叠层差分天线,所述差分天线包括天线反射层、第一介质基板、天线馈电层、第二介质基板、天线馈电参考层、第三介质基板、天线辐射层、第四介质基板和金属贴片层,所述天线反射层设置在所述第一介质基板的下表面,所述天线馈电层设置在所述第二介质基板的下表面,所述天线馈电参考层设置在所述第三介质基板的下表面,所述天线辐射层设置在所述第四介质基板的下表面,所述金属贴片层设置在所述第四介质基板的上表面,所述差分天线为PCB层叠结构。通过引入天线馈电参考层,将天线馈电层和天线辐射层有效隔离,通过引入第二介质基板,进一步提高了天线馈电层和天线辐射层之间的隔离度,有效降低了天线馈电网络本身的辐射在辐射方向上产生的影响。(The invention discloses a millimeter wave ultra-wideband high-gain laminated differential antenna which comprises an antenna reflection layer, a first dielectric substrate, an antenna feed layer, a second dielectric substrate, an antenna feed reference layer, a third dielectric substrate, an antenna radiation layer, a fourth dielectric substrate and a metal patch layer, wherein the antenna reflection layer is arranged on the lower surface of the first dielectric substrate, the antenna feed layer is arranged on the lower surface of the second dielectric substrate, the antenna feed reference layer is arranged on the lower surface of the third dielectric substrate, the antenna radiation layer is arranged on the lower surface of the fourth dielectric substrate, the metal patch layer is arranged on the upper surface of the fourth dielectric substrate, and the differential antenna is of a PCB laminated structure. The antenna feed reference layer is introduced to effectively isolate the antenna feed layer from the antenna radiation layer, and the second dielectric substrate is introduced to further improve the isolation between the antenna feed layer and the antenna radiation layer and effectively reduce the influence of the radiation of the antenna feed network on the radiation direction.)

一种毫米波超宽带高增益叠层差分天线

技术领域

本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种毫米波超宽带高增益叠层差分天线。

背景技术

天线是无线通信系统中不可或缺的部分。无线信号通过天线辐射到空间中，从而实现无线传播。随着无线通信系统的发展，系统集成度越来越高，对天线体积、成本和性能都提出了更高的要求。微带天线具有低成本、易集成的优点，且随着技术的不断提升其带宽也越来越宽。无线通信系统由大量的数字模块、射频模块和天线组成。为了提高系统的集成度，数字模块、射频模块和天线一般会制作在同一块印制电路板(PCB)上。这对信号间的相互隔离提出了更高的要求，因此耦合馈电网络有其独特的优势。天线的带宽和辐射增益是衡量天线性能的两个重要标准。提高天线带宽和增益一直是天线发展的趋势。传统的微带贴片天线主要采用探针馈电的形式，在加工制作上不能通过PCB工艺一次实现，需要通过额外的焊接操作，因此，探针形式的馈电在一定程度上限制了天线的带宽，不能满足进一步提高天线带宽的要求。天线的增益很大程度上决定了无线通信系统性能。在相同的辐射功率下，提高天线增益可以降低发射机的发射功率，降低系统功耗。传统的单层微带天线最大增益在6~7dB左右，不能满足进一步提高天线增益的要求。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术的缺陷，本发明提供一种毫米波超宽带高增益叠层差分天线，进一步提高了天线增益和带宽，采取的技术方案如下：

本发明提供一种毫米波超宽带高增益叠层差分天线，所述差分天线包括天线反射层、第一介质基板、天线馈电层、第二介质基板、天线馈电参考层、第三介质基板、天线辐射层、第四介质基板和金属贴片层，所述天线反射层设置在所述第一介质基板的下表面，所述天线馈电层设置在所述第二介质基板的下表面，所述天线馈电参考层设置在所述第三介质基板的下表面，所述天线辐射层设置在所述第四介质基板的下表面，所述金属贴片层设置在所述第四介质基板的上表面。天线反射层、天线馈电层、天线馈电参考层和天线辐射层均为金属材质。通过引入第四介质基板，对天线阻抗和空气阻抗具有较好的匹配作用，可有效拓宽天线的带宽。所述差分天线为PCB层叠结构；采用PCB层叠结构，通过利用缝隙耦合馈电技术使辐射层和馈电层分离，增加两者之间的隔离度，可有效降低馈电网络自身辐射在辐射方向上产生的影响。

进一步地，所述天线馈电层为形状呈“L”型的耦合差分线，所述耦合差分线为天线输入端，所述耦合差分线的特征阻抗为100Ω。

进一步地，所述“L”型耦合差分线成对设置，所述成对设置的“L”型耦合差分线呈镜面对称。输入信号通过成对设置的镜面对称的“L”型耦合差分线，信号在耦合差分线末端被分离成两个幅度相等、相位相差180度且相互独立的信号。

进一步地，所述天线辐射层为矩形金属片，天线辐射层的矩形金属片的面积小于天线馈电参考层的。

进一步地，所述金属贴片层为环状金属贴片。通过环状金属贴片的引入，可有效进一步提高差分天线的增益，此外，由于环形金属贴片制作工艺简单，可在不增加制作成本的基础上有效提高天线增益。

进一步地，所述天线馈电参考层为矩形金属片，所述矩形金属片开设有矩形缝隙。

进一步地，所述矩形缝隙的长度范围为0.4~0.6个波长，优选为半波长；所述矩形缝隙的宽度范围为0.05~0.15个波长，优选为0.1个波长。矩形缝隙长度和宽度决定了天线馈电层到天线辐射层的耦合量，可有效影响天线的辐射效率和增益。

优选的，所述矩形缝隙平行设置在所述馈电参考层的两侧，所述矩形缝隙的数量为2个。

进一步地，所述金属贴片的长度为半波长，所述金属贴片与所述矩形缝隙的水平间距为半波长。

进一步地，所述第四介质基板的介电常数范围为2~6，所述第四介质基板的介电常数高于所述第三介质基板的介电常数，所述第四介质基板的厚度范围为0.05~0.15个介质波长，优选为0.1个波长。

通过以上技术方案的实施，本发明相对于现有技术的有益效果为：

1、通过引入天线馈电参考层，将天线馈电层和天线辐射层有效隔离，通过通过引入第二介质基板，进一步提高了天线馈电层和天线辐射层之间的隔离度，有效降低了天线馈电网络本身的辐射在辐射方向上产生的影响；

2.、通过在天线辐射层上表面增加第四介质基板，第四介质基板作为天线与空气阻抗匹配层，可有效提升天线在整个带宽内辐射能量，增加天线的带宽；

3、通过在第四介质基板上表面引入金属贴片环，进一步提高了天线增益，而且其制作工艺简单，能在不增加成本的基础上有效的提高天线增益。

附图说明

图1为本发明差分天线的结构示意图；

图2为本发明差分天线的仿真回波损耗图；

图3为本发明的峰值增益图；

图4为本发明差分天线的仿真E面方向图；

图5为本发明差分天线的仿真H面方向图。

其中，1、天线反射层；2、第一介质基板；3、天线馈电层；4、第二介质基板；5、天线馈电参考层；51、矩形缝隙；6、第三介质基板；7、天线辐射层；8、第四介质基板；9、金属贴片环层。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将结合实施例中的附图，对本发明做更进一步的解释和说明。显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据实施例附图所提供的附图获得其他附图。

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以进一步解释本发明，并不用于限定本发明。在后续的描述中，使用用于表示元件区分的顺序词，诸如“第一”、“第二”、“第三”和“第四”等，仅为了有利于本发明的说明，其本身并没有特定的意义和顺序关系。

如图1所示，本发明提供的一种毫米波超宽带高增益叠层差分天线，所述差分天线包括天线反射层（1）、第一介质基板（2）、天线馈电层（3）、第二介质基板（4）、天线馈电参考层（5）、第三介质基板（6）、天线辐射层（7）、第四介质基板（8）和金属贴片环层（9）；其中，天线反射层（1）为矩形金属片，天线馈电层（2）为镜面成对设置的“L”型差分线，天线馈电参考层（5）为带有成对矩形缝隙的矩形金属片；所述天线反射层（1）设置在所述第一介质基板（2）的下表面，所述天线馈电层（3）设置在所述第二介质基板（4）的下表面，所述天线馈电参考层（5）设置在所述第三介质基板（6）的下表面，所述天线辐射层（7）设置在所述第四介质基板（8）的下表面，所述金属贴片环层（9）设置在所述第四介质基板（8）的上表面。

其中天线馈电层（3）的耦合差分线，作为天线信号输入端，耦合差分线在末端分离，通过天线馈电参考层（5）上的两个矩形缝隙（51）馈电到天线辐射层（7）的两端。天线馈电参考层（5）有效的分隔了天线馈电层（3）和天线辐射层（7），降低了天线馈电层在辐射方向上的影响。第四介质基板（8）作为天线的匹配层，匹配天线的辐射阻抗和空气阻抗，对能量的辐射也有一定的引导作用，可有效提高天线的辐射效率和天线带宽。金属贴片环（9）可有效提高天线的增益，具有较好的引向作用。

天线馈电层（3）的耦合差分线的特征阻抗为100欧姆，在耦合差分线末端分离成独立的微带线，其阻抗分别为50欧姆。天线馈电参考层（5）的矩形缝隙（51）的长度和宽度决定了天线馈电层（3）到天线辐射层（7）的耦合量，可有效影响天线的辐射效率和增益。矩形缝隙（51）相对天线辐射层（7）贴片天线的位置可有效影响天线的输入阻抗。天线辐射层（7）的金属贴片长度约为半波长，其宽度可有效调节天线阻抗和辐射增益。

如图2所示，由于第四介质基板（8）的引入，对天线阻抗和空气阻抗起到一定的匹配作用，合适选择第四介质基板（8）的介电常数和厚度，可有效的拓宽天线带宽。实施例中第四介质基板（8）的介电常数为3，厚度为0.254mm。天线未引入第四介质基板（8）时，天线在60G下最优相对带宽约为15%左右；引入第四介质基板（8）时，天线相对带宽提高至27%。

如图3所示，从图中可以看出，通过在天线中增加金属贴片环层，可有效提高天线的增益；

如图4和图5所示，当天线中心频点在60G时，得到的 E面和H面的仿真方向图，从图中可以看出，天线为全向天线，在各个方向都有良好的辐射特性。

以上实施例对本发明做了详尽的描述，其目的在于让熟悉此领域技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明的精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。