CN106099359A - 一种应用于5g通信系统的紧耦合阵列天线 - Google Patents

一种应用于5g通信系统的紧耦合阵列天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种应用于5G通信系统的紧耦合阵列天线。本发明通过交指型偶极子天线阵列板10、栅格形阻性频率选择表面板20以及接地板（GP）30的多层结构和紧耦合阵列的设计，克服了现有技术中天线阵列子在5G频段阻抗带宽受到限制的问题以及接地板（GP）30对天线性能影响的问题，实现体积小、带宽大技术效果，为5G大规模阵列天线研究提供了有力支持。本发明天线相对带宽可达到149.1%，在2.8~19.2 GHz频段满足有源驻波比ActiveVSWR<3。本发明可广泛应用于5G天线设计领域。

Description

一种应用于5G通信系统的紧耦合阵列天线
技术领域
本发明涉及天线领域，尤其涉及一种5G天线。
背景技术
5G，即第五代移动电话行动通信标准，也称第五代移动通信技术，也是4G之后的延伸。移动通信经历了从1G模拟技术到4G长期演进(LTE)技术的发展，已被世界上超过2/3的人使用，成为人们日常生活中不可或缺的一部分。LTE建设方兴未艾，5G移动通信技术已经开始被广泛地研究。
IMT(International Mobile Telecommunication，国际移动通信)-2020目前定义了大规模天线、新型多址、高频段通信、超密集组网、新型网络架构、全双工、低时延高可靠通信、物联网等新技术。其中大规模天线技术、基于有源天线和3D-MIMO技术，能够大幅度提升无线通信频谱效率和功率效率，是支撑5G移动通信最具潜力的研究方向。
在5G移动通信系统中，为了进一步提升功率效率、抑制无线通信系统中的干扰、提高无线通信系统的容量和覆盖范围、获得更精确的波束成形能力，大规模阵列天线成为实现这些需求的关键技术。随着天线阵列规模的扩大，考虑到阵列天线体积、带宽、增益、耦合等技术指标的限制，对5G大规模阵列天线的研究提出了更高的挑战。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种体积小、带宽大、在5G频段有源驻波比低、具有良好匹配特性的阵列天线。
本发明所采用的技术方案是：
一种应用于5G通信系统的紧耦合阵列天线，包括交指型偶极子天线阵列板、栅格形阻性频率选择表面板以及接地板，所述交指型偶极子天线阵列板位于栅格形阻性频率选择表面板正上方，所述栅格形阻性频率选择表面板位于接地板正上方；所述交指型偶极子天线阵列板由多个偶极子单元组成，所述偶极子单元包括两个天线振臂，所述天线振臂分别通过交指电容与相邻偶极子单元耦合；所述栅格形阻性频率选择表面板由对应于多个偶极子单元的多个栅格子单元组成，所述栅格子单元表面具有十字型电阻膜。
优选的，所述偶极子单元整体呈长方形结构，所述两个天线振臂横向设置在偶极子单元中间，所述两个天线振臂在偶极子单元中心形成第一间隙。
优选的，所述交指型电容与相邻偶极子单元的交指型电容连接形成交指结构，所述天线振臂和交指型电容连接结构呈扫帚形状。
优选的，所述偶极子单元的天线振臂和交指型电容均印制在介电常数为3.38、厚度为0.25mm的Rogers 5880介质板上。
优选的，所述栅格子单元的十字型电阻膜印制在介电常数为3.38，厚度为0.508mm的Rogers 4003的介质板上。
优选的，所述交指型偶极子天线阵列板与接地板的高度距离为14.2mm；所述栅格形阻性频率选择表面板与接地板的高度距离为 7.1mm。
优选的，所述十字型电阻膜的宽度为0.4mm，方阻为33Ω。
优选的，所述交指型偶极子天线阵列板中多个偶极子单元排列周期为4.57mm；所述栅格形阻性频率选择表面板中多个栅格子单元排列周期为4.57mm。
优选的，所述交指型偶极子天线阵列板包括10*10个偶极子单元；所述栅格形阻性频率选择表面板中包括10*10个栅格子单元。
本发明的有益效果是：
本发明通过交指型偶极子天线阵列板、栅格形阻性频率选择表面板以及接地板的多层结构和紧耦合阵列的设计，克服了现有技术中天线阵列子在5G频段阻抗带宽受到限制的问题以及接地板对天线性能影响的问题，实现体积小、带宽大技术效果，为5G大规模阵列天线研究提供了有力支持；
本发明天线相对带宽可达到149.1％，在2.8～19.2GHz频段满足有源驻波比ActiveVSWR<3。
本发明可广泛应用于5G天线设计领域。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
图1是本发明一种实施例10*10阵列天线的结构示意图；
图2是本发明单个偶极子单元、栅格子单元和接地板的结构示意图；
图3是本发明单个偶极子单元的结构示意图；
图4是本发明栅格子单元和接地板的结构示意图；
图5是本发明单个偶极子单元、栅格子单元和接地板的等效电路图；
图6是本发明一种实施例10*10阵列天线在2.8～19.2GHz频段有源驻波比关系波形图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
如图1所示，一种应用于5G通信系统的紧耦合阵列天线，包括交指型偶极子天线阵列板10、栅格形阻性频率选择表面板20以及接地板(GP)30，所述交指型偶极子天线阵列板10位于栅格形阻性频率选择表面板20正上方，所述栅格形阻性频率选择表面板20位于接地板(GP)30正上方；所述交指型偶极子天线阵列板10由多个偶极子单元11组成，所述偶极子单元11包括两个天线振臂12，所述天线振臂12分别通过交指电容与相邻偶极子单元11耦合；所述栅格形阻性频率选择表面板20由对应于多个偶极子单元11的多个栅格子单元21组成，所述栅格子单元21表面具有十字型电阻膜22。本实施例中，所述交指型偶极子天线阵列板10包括10*10个偶极子单元11；所述栅格形阻性频率选择表面板20中包括10*10个栅格子单元21。单个d＝4.57mm，10个周期长度为45.7mm。
优选的，所述偶极子单元11整体呈长方形结构，所述两个天线振臂12横向设置在偶极子单元11中间，所述两个天线振臂12在偶 极子单元11中心形成第一间隙。
优选的，所述交指型电容13与相邻偶极子单元11的交指型电容13连接形成交指结构，所述天线振臂12和交指型电容13连接结构呈扫帚形状。
优选的，所述偶极子单元11的天线振臂12和交指型电容13均印制在介电常数为3.38、厚度为0.25mm的Rogers 5880介质板上。
优选的，所述栅格子单元21的十字型电阻膜22印制在介电常数为3.38，厚度为0.508mm的Rogers 4003的介质板上。
优选的，所述交指型偶极子天线阵列板10与接地板(GP)30的高度距离为14.2mm；所述栅格形阻性频率选择表面板20与接地板(GP)30的高度距离为7.1mm。
优选的，所述十字型电阻膜22的宽度为0.4mm，方阻为33Ω。
优选的，所述交指型偶极子天线阵列板10中多个偶极子单元11排列周期为4.57mm；所述栅格形阻性频率选择表面板20中多个栅格子单元21排列周期为4.57mm。
具体的，如图2和图3所示，交指型偶极子天线阵列板10中多个偶极子单元11排列周期d＝4.57mm。偶极子单元11的天线振臂12和交指型电容13均印制在介电常数εr＝3.38、厚度t＝0.25mm的Rogers 5880介质板上。采用偶极子天线单元，每个偶极子单元11通过交指电容与相邻单元耦合，离接地板(GP)30高度h＝14.2mm。栅格形RFSS位于离接地板(GP)30h1处，等效为由电阻R及电抗XF组成的并联电路单元。
如图4所示，栅格形阻性频率选择表面板20中多个栅格子单元21排列周期d＝4.57mm，距接地板(GP)30高度h1＝7.1mm，栅格形电阻膜22宽度w1＝0.4mm，方阻为Rs＝33Ω，基片采用Rogers 4003，介电常数εr＝3.38，厚度t1＝0.508mm，栅格子单元21在整个频带内全反射，反射系数为1；栅格子单元21的反射系数会随着随频率的改变而改变，在4～16.4GHz频率范围内其反射系数均小于0.6，在10.6GHz时其反射系数最小。因此，栅格形阻性频率选择表面板20可在很宽的频带内抑制接地板(GP)30的反射，从而用来改变天线与接地板(GP)30之间介质的传输特性。
该实施例中，偶极子单元11的输入阻抗
Zin＝jωL+1/(jωC)+ZGP//η0，
其中，ZGP＝η0(1+Γ)/(1-Γ)为加载栅格形阻性频率选择表面板20后偶极子单元11下侧的阻抗，Γ为栅格子单元21的反射系数，C为交指电容容值。两个天线振臂12等效为电感L，等效电路见图5。
图6给出了本发明设计的10×10阵列天线的等效有源驻波比。从图6中可以看出，该阵列天线在2.8～19.2GHz频段满足ActiveVSWR<3，其相对带宽可达到149.1％。
本发明通过交指型偶极子天线阵列板10、栅格形阻性频率选择表面板20以及接地板(GP)30的多层结构和紧耦合阵列的设计，克服了现有技术中天线阵列子在5G频段阻抗带宽受到限制的问题以及接地板(GP)30对天线性能影响的问题，实现体积小、带宽大技术 效果，为5G大规模阵列天线研究提供了有力支持；
本发明天线相对带宽可达到149.1％，在2.8～19.2GHz频段满足有源驻波比ActiveVSWR<3。
本发明可广泛应用于5G天线设计领域。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (9)

1.一种应用于5G通信系统的紧耦合阵列天线，其特征在于，包括交指型偶极子天线阵列板、栅格形阻性频率选择表面板以及接地板，所述交指型偶极子天线阵列板位于栅格形阻性频率选择表面板正上方，所述栅格形阻性频率选择表面板位于接地板正上方；
所述交指型偶极子天线阵列板由多个偶极子单元组成，所述偶极子单元包括两个天线振臂，所述天线振臂分别通过交指电容与相邻偶极子单元耦合；
所述栅格形阻性频率选择表面板由对应于多个偶极子单元的多个栅格子单元组成，所述栅格子单元表面具有十字型电阻膜。
2.根据权利要求1所述的应用于5G通信系统的紧耦合阵列天线，其特征在于，所述偶极子单元整体呈长方形结构，所述两个天线振臂横向设置在偶极子单元中间，所述两个天线振臂在偶极子单元中心形成第一间隙。
3.根据权利要求2所述的应用于5G通信系统的紧耦合阵列天线，其特征在于，所述交指型电容与相邻偶极子单元的交指型电容连接形成交指结构，所述天线振臂和交指型电容连接结构呈扫帚形状。
4.根据权利要求1至3任一项所述的应用于5G通信系统的紧耦合阵列天线，其特征在于，所述偶极子单元的天线振臂和交指型电容均印制在介电常数为3.38、厚度为0.25 mm的Rogers 5880 介质板上。
5.根据权利要求4所述的应用于5G通信系统的紧耦合阵列天线，其特征在于，所述栅格子单元的十字型电阻膜印制在介电常数为3.38，厚度为0.508mm的Rogers 4003的介质板上。
6.根据权利要求5所述的应用于5G通信系统的紧耦合阵列天线，其特征在于，所述交指型偶极子天线阵列板与接地板的高度距离为14.2mm；所述栅格形阻性频率选择表面板与接地板的高度距离为7.1mm。
7.根据权利要求5所述的应用于5G通信系统的紧耦合阵列天线，其特征在于，所述十字型电阻膜的宽度为0.4mm，方阻为33Ω。
8.根据权利要求7所述的应用于5G通信系统的紧耦合阵列天线，其特征在于，所述交指型偶极子天线阵列板中多个偶极子单元排列周期为4.57mm；所述栅格形阻性频率选择表面板中多个栅格子单元排列周期为4.57mm。
9.根据权利要求1、2、3、5、6、7或8所述的应用于5G通信系统的紧耦合阵列天线，其特征在于，所述交指型偶极子天线阵列板包括10*10个偶极子单元；所述栅格形阻性频率选择表面板中包括10*10个栅格子单元。
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