一种集成微波和毫米波的单馈双频天线

本发明属于电子领域，特别涉及一种单馈宽带双频天线。

背景技术：

1、为满足b5g/6g时代对高数据传输速率的需求和克服毫米波频段的高路径损耗的问题，需要同时使用具有丰富的频谱资源的毫米波频段和成熟的sub-6ghz频段。因此，5g/b5g无线通信系统对于同时覆盖微波和毫米波频段的天线提出了需求。目前，共口径技术被广泛用于实现集成微波和毫米波频段的双频天线，可以通过将两个频段的天线按照垂直方向上的堆叠或者水平方向上的交叉嵌套进行排布以实现双频工作，但这种方法容易导致天线的剖面高度较高或口径复用效率较低。为了解决这一问题，结构复用技术被提出，可以将双频天线的一部分结构同时应用于两个频段进行工作，在提高口径复用效率的同时，更容易在较少层数甚至单层的介质基板上实现两个大频率比的天线的集成，从而降低了天线的剖面高度。然而，由于频率比较大导致两个频段的天线结构差异较大，因此大多数集成微波和毫米波频段的双频天线需要分别在两个频段采用独立的馈电端口，这就导致天线的结构复杂且难以集成。因此，对共用一个馈电端口的集成微波和毫米波频段的双频天线进行研究具有重要意义。

2、为了实现集成微波和毫米波频段的单馈双频天线，需要考虑采用一套同时适用于微波和毫米波天线并且频段之间影响较小的的馈电结构。为了减小不同频段之间的耦合，已有的设计一般采取在馈电结构中增加滤波器或者带有滤波特性的枝节的方法以防止不同频段之间的相互影响。也有一些设计通过选择两种不同辐射形式的天线，利用简单的馈电结构实现大频率比的单馈双频天线。然而，就已公开的相关集成微波和毫米波工作频段的单馈单层双频天线技术与结构而言，仍然存在着以下几个问题。

3、1、采用共口径技术的集成微波和毫米波频段的单馈双频天线一般在多层介质基板上实现，导致天线的剖面高度较高，难以与射频前端集成；

4、2、在采用结构复用技术的集成微波和毫米波频段的单馈双频天线的一些设计中，由于共用辐射结构，天线在两个频段的辐射特性将受到互相影响，容易导致毫米波频段的增益受到限制，难以满足毫米波通信对高增益天线的需求；

5、3、为了减小频带间的互耦，集成微波和毫米波频段的单馈双频天线的设计中一般增加了滤波器或者带有滤波特性的枝节，这就容易导致天线的体积和插入损耗增加；

6、4、现有的集成微波和毫米波频段的单馈双频天线的设计中大多采用具有窄带特性的微带贴片天线或者基片集成波导缝隙天线结构，并且缺乏对馈电结构的宽带匹配设计，因此难以在两个频段同时实现较宽的阻抗带宽。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种集成微波和毫米波工作频段的单馈双频天线，其可以同时在微波和毫米波频段实现较宽的阻抗带宽，并在毫米波频段实现不受微波频段工作限制的较高增益。

2、为解决上述技术问题，本发明的解决方案是：

3、一种集成微波和毫米波的单馈双频天线，包括：

4、介质层；

5、顶部金属层，位于所述介质层的上表面；在所述顶部金属层上设置有cpw馈电结构、锥形槽过渡结构、辐射条带和平行条带引向器；所述cpw馈电结构、锥形槽过渡结构和辐射条带依次连接；所述cpw馈电结构包括一对两条平行设置的直线槽；所述辐射条带同时作为微波单极子天线和毫米波sspps天线的辐射结构；锥形槽过渡结构分布在所述辐射条带的两侧；所述平行条带引向器位于所述辐射条带的延长线上，用于增强毫米波sspps天线的端射性能；

6、底部金属层，位于所述介质层的下表面；在所述底部金属层上设置有微带线馈电结构；所述微带线馈电结构包括一个一分二结构，一分二结构的每个分支分别与所述cpw馈电结构的一条直线槽耦合形成用于激励cpw馈电结构的输出端口，使得cpw结构在微波频段和毫米波频段分别实现偶模和奇模工作。

7、上述锥形槽过渡结构由分别位于两侧的锥形地结构和辐射条带的一端构成，用于连接cpw馈电结构和辐射条带。

8、上述辐射条带在两个长边分别蚀刻有一排间隔相同的周期性凹槽结构，并且在条带的两端设置了渐变的过渡结构。

9、上述平行条带引向器在距辐射条带末端0.1λeff～0.2λeff处，沿辐射条带延伸的方向以略大于0.1～0.2λeff左右的相同间隔排列，用于改善毫米波频段端射波束的偏移，增强端射性能；另外，由于分体设计，平行条带引向器对微波频段的工作几乎没有影响，而平行条带引向器的数量与毫米波频段的端射增益成正比，因此可以通过改变平行条带引向器的数量灵活地调节毫米波频段的端射增益，从而突破微波频段对毫米波增益的限制，满足对毫米波天线的高增益需求。

10、上述微带线馈电结构包含一个不对称t型结和一段弯折微带线,不对称t型结的两个分支的长度差为26ghz下的半波长长度，从而在毫米波频段为所述cpw馈电结构的一对对称槽提供180°相位差，使得对称槽中产生同向激励电流，实现cpw奇模工作；弯折微带线位于较短的分支末端，用于在弥补在微波频段产生的相位差，使得对称槽中产生反向激励电流，实现cpw偶模工作。

11、上述圆槽的直径同时影响微波频段的阻抗匹配性能和毫米波频段的端射增益性能，随着圆槽直径增加，微波频段的带内阻抗匹配性能将改善，但由于圆槽与微带线馈电结构的耦合增大，在圆槽直径过大时，毫米波频段的端射增益将大幅度减小，因此需要对圆槽直径进行设计，从而在不明显影响毫米波端射性能的情况下改善微波频段的阻抗匹配性能。

12、上述锥形地结构具有两段锥形过渡结构，在锥形地结构的外侧蚀刻了一列等间距排列的矩形槽，用于改善毫米波频段的增益。

13、上述不对称t型结的两个分支末端通过圆形微带线相连，并且通过一个金属化通孔与cpw馈电结构相连。

14、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

15、本发明在一块超薄介质基板上设计了一种结构简单的集成微波和毫米波的单馈宽带双频天线。设计的馈电结构可以在微波和毫米波频段分别激励cpw的偶模和奇模，设计的带有周期性凹槽结构的金属条带可以同时作为微波单极子天线和毫米波sspps天线的辐射结构，因此实现了单馈双频工作。

16、通过在馈电结构中增加圆槽结构改善微波频段的阻抗匹配，通过在辐射条带的两端设计渐变过渡结构改善金属条带与cpw、自由空间的阻抗匹配，最终在两个频段都实现了宽带工作。

17、本发明在距辐射条带末端0.1λeff～0.2λeff处增加了平行条带导向器，用于改善毫米波频段端射波束的偏移，增强端射性能；另外，由于分体设计，可以在不明显影响微波单极子天线的情况下提高毫米波sspps天线的增益。在设计该双频天线时，由于微波单极子天线和毫米波sspps天线共用一个金属条带作为辐射结构，因此，在确定了微波单极子天线的工作频段后，辐射条带的尺寸也被确定，这就导致毫米波sspps天线的端射增益受到限制。为了解决这一问题，增加了平行条带导向器，可以通过改变平行条带导向器的数量灵活地调节毫米波增益，并且不影响单极子天线的正常工作，从而突破了微波单极子天线对毫米波端射增益的限制，最终在毫米波频段成功实现了较高的端射增益，满足了对毫米波天线的高增益需求。

18、cpw馈电结构两个槽，分别由一个直线槽和一个圆槽构成，圆槽的直径同时影响微波频段的阻抗匹配性能和毫米波频段的端射增益性能，因此需要对圆槽的直径进行设计，从而在不明显影响毫米波端射性能的情况下改善微波频段的阻抗带宽。锥形槽过渡结构有两段过渡结构，使得cpw结构与辐射条带阻抗匹配良好。辐射条带在两个长边具有周期性凹槽结构，在两端设计了渐变过渡结构，用于进一步改善辐射条带与cpw馈电结构、自由空间的阻抗匹配。所述辐射条带同时工作在微波和毫米波频段，在微波频段作为单极子天线的辐射结构，在毫米波频段作为人工表面等离激元(spoof surface plasmon polaritons，sspps)天线的辐射结构进行工作。平行条带引向器沿着金属条带延伸的方向平行排列，用于改善毫米波频段端射波束的偏移，增强端射性能，并且通过改变所述平行条带引向器的数量，可以在不影响微波单极子天线工作的同时灵活地改变毫米波sspps天线的端射性能，从而满足对毫米波天线高增益的需求。此种本发明天线结构可将微波和毫米波天线集成在单层介质基板上，并用一个馈电端口同时在微波和毫米波频段实现较宽的阻抗带宽，另外还突破了微波天线对毫米波频段增益的限制，实现了毫米波频段较高的端射增益和较大的前后比。本发明双频天线具有厚度小、结构紧凑、加工成本低的优势，工作频段覆盖n77,n78,n79,n257,n258频段，是5g/6g无线通信系统的候选天线。