CN107634345A - 一种适用于5g毫米波通信的高增益渐变缝隙阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于5G毫米波通信的高增益渐变缝隙阵列天线，包括上层金属、板材、下层金属，所述上层金属和下层金属叠合在一起形成金属层，所述金属层刻蚀在板材上，所述金属层由微带转SIW结构、一分八T型SIW功分器、二阶感性窗和TSA天线单元组成。本发明结构紧凑、方便设计和安装，T型SIW功分器输出端口金属过孔的引入，引入了感性加载，调整功分器输出相位，使得天线在宽频范围内增益较高，从而提高了天线的增益带宽，本发明提出的高增益渐变缝隙阵列天线适用于5G毫米波通信40.5～43.5GHz频段。

Description

一种适用于5G毫米波通信的高增益渐变缝隙阵列天线

技术领域

本发明属于毫米波天线技术领域，具体涉及一种适用于5G毫米波通信的高增益渐变缝隙阵列天线。

背景技术

当前移动通信业务发展迅猛，第五代通信系统(5G)的研究工作正在火热研究中。目前来看，5G系统的频段将包括高低两个频率部分，高频段即毫米波波段的天线，是当前5G研究的重点领域。天线的带宽和小型化等特性是天线设计关心的内容。天线的增益要求因使用的环境与场合而异，增益越大，传输距离越远。而且较高增益的天线，对于提高系统的覆盖范围和抗干扰能力有相应帮助。渐变缝隙天线(TSA)因其宽带、高增益的特性被广泛应用于各类通信场景。另外，毫米波频率时，便于加工且传输性能优良的基片集成波导(SIW)适合作为天线单元的馈电形式。对于新型应用场景，需要在给定的小空间尺寸的约束条件下，实现天线的宽带和高增益等性能，天线设计已经成为该应用系统实现中的一个难题。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，提供一种适用于5G毫米波通信40.5～43.5GHz的高增益渐变缝隙阵列天线。

技术方案：为实现上述目的，本发明提供一种适用于5G毫米波通信的高增益渐变缝隙阵列天线，包括上层金属、板材、下层金属，所述上层金属和下层金属叠合在一起形成金属层，所述上层金属和下层金属刻蚀在板材上，所述金属层由微带转SIW结构、一分八T型SIW功分器、二阶感性窗和TSA天线单元组成，所述一分八T型SIW功分器连接着微带转SIW结构，所述一分八T型SIW功分器具有8个输出端口，所述二阶感性窗的数量为8个分别位于8个输出端口处，所述二阶感性窗连接着TSA天线单元，所述微带转SIW结构的微带线连接着西南微波2.4mm接头，所述西南微波2.4mm接头8固定在板材上。

进一步地，所述8个TSA天线单元中每个TSA天线单元10的两侧各有8个梳状齿缝隙。

进一步地，所述8个梳状齿缝隙呈等间距分布且长度呈等差数列分布。

进一步地，所述8个二阶感性窗的SIW传输线上均设置有4个第一金属过孔。

进一步地，所述32个第一金属过孔相互之间的距离各不相同，通过对距离的优化，以达到对相位进行调整，使8个输出端口尽量接近交叉反相。

进一步地，所述一分八T型SIW功分器内设置有9个第二金属过孔用于调谐匹配。

进一步地，所述8个输出端口的其中6个在相对应的二阶感性窗之前各设置有2个第三金属过孔用于控制进入输出端口的能量的幅度大小。

进一步地，所述8个输出端口中位于两侧的2个输出端口没有设置第三金属过孔。

进一步地，所述8个TSA天线单元中除了位于中间的2个TSA天线单元外，对于其余6个TSA天线单元，相邻的两个单元的上下两层金属层位置相反印刷，对于一分八T型SIW功分器，其相邻的两个输出端口的相位相反(相差180度)，除了最中间两个端口的相位是相同的(相位差0度)，由对称关系能够看出相位相同，对于相位相反的端口，两个TSA天线单元的左右两片需要相反放置。例如：第一个TSA单元的左侧辐射片在介质板的上层，右侧辐射片在底层金属层，那么第二个TSA单元的左侧辐射片在介质板的底层，右侧辐射片在上层金属层，这样两个单元在远场的辐射叠加，否则会相互抵消，不产生辐射。

进一步地，所述西南微波2.4mm接头通过两个螺钉固定在板材上。

本发明的设计原理：由于一分八T型SIW功分器固有的特性，功分器输出端在中心频率42GHz处相位差为180度，但在40.5～43.5GHz的边频上(即40.5GHz和43.5GHz)，相邻两个输出端口的相位差不是180度，因此本发明利用二阶感性窗可以对SIW传输线的相位进行调整的原理，对一分八T型SIW功分器输出相位进行调整，使其在40.5～43.5GHz范围内更接近180度，未加载二阶感性窗时，相位差不是180度，会导致天线增益减小；通过二阶感性窗的加载，天线的增益会增加，从而增加天线的增益和增益带宽。

有益效果：本发明与现有技术相比，具备如下优点：

1、天线结构紧凑，能够有效节约安装空间；

2、天线带宽较宽，覆盖所需40.5～43.5GHz频率范围；

3、T型SIW功分器输出端口金属过孔的引入，引入了感性加载，调整功分器输出相位，天线在宽频范围内增益较高，提高了天线的增益带宽；

4、由于渐变缝隙阵列天线结构简单，由2.4mm微波接头直接馈电，方便设计和安装。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明上层金属示意图；

图3为本发明下层金属示意图；

图4为本发明加载感性窗前SIW功分器输出相位图；

图5为本发明二阶感性窗等效电路图；

图6为本发明加载感性窗后SIW功分器输出相位图；

图7为本发明回波损耗图；

图8为本发明增益-频率图；

图9为本发明42GHz时E面方向图；

图10为本发明42GHz时H面方向图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1-图3所示，本发明提供一种适用于5G毫米波通信的高增益渐变缝隙阵列天线，包括上层金属1、下层金属3以及厚度为0.254mm，型号为Taconic TLY-5的板材2，所述上层金属1和下层金属3叠合在一起形成金属层，所述上层金属1和下层金属3刻蚀在板材2上，所述金属层由微带转SIW结构6、一分八T型SIW功分器5、二阶感性窗4和TSA天线单元10组成，所述一分八T型SIW功分器5连接着微带转SIW结构6，所述一分八T型SIW功分器5具有8个输出端口51，所述二阶感性窗4的数量为8个分别位于8个输出端口51处，所述二阶感性窗4连接着TSA天线单元10，所述微带转SIW结构6的微带线连接着西南微波2.4mm接头8，所述西南微波2.4mm接头8通过两个螺钉9固定在板材2上，所述8个TSA天线单元10中每个TSA天线单元10的两侧各有8个梳状齿缝隙，所述8个梳状齿缝隙呈等间距分布且长度呈等差数列分布，所述8个二阶感性窗4的SIW传输线上均设置有4个第一金属过孔41，所述二阶感性窗4的等效电路图如图5所示，所述32个第一金属过孔41相互之间的距离各不相同，通过对距离的优化，以达到对相位进行调整，使8个输出端口51尽量接近交叉反相，所述一分八T型SIW功分器5内设置有9个第二金属过孔52用于调谐匹配，所述8个输出端口51的其中6个在相对应的二阶感性窗4之前各设置有2个第三金属过孔53用于控制进入输出端口51的能量的幅度大小，所述8个输出端口51中位于两侧的2个输出端口51没有设置第三金属过孔53，所述8个TSA天线单元10中除了位于中间的2个TSA天线单元10外，对于其余6个TSA天线单元10，相邻的两个单元的上下两层金属层位置相反印刷。

天线工作时，信号通过西南微波2.4mm接头8到达微带转SIW结构6，然后经过一分八T型SIW功分器5，再由二阶感性窗4对能量的相位进行调整，最后通过TSA天线单元10辐射，TSA天线单元10采用1×8的线阵结构。

图4和图6所示，S21、S31、S41、S51代表一分八T型SIW功分器5的传输参数，通过2幅图直观的对比，可以得到S21、S31、S41、S51在40.5～43.5GHz频率范围内相位的变化情况。

通过对天线进行测试得到图7-图10，本发明的天线S11≤-10dB的带宽覆盖40.5～43.5GHz频率范围，同时提高了在40.5～43.5GHz频率范围内的增益，增加了天线的增益带宽，在频率为42GHz时，得到天线E面方向图和H面方向图，分别如图9和图10所示，通过图9和图10对比得知，天线E面波束宽度较窄，H面较宽，本天线的回波损耗图和增益-频率图分别如图7和图8所示。

Claims (10)

1.一种适用于5G毫米波通信的高增益渐变缝隙阵列天线，其特征在于：包括上层金属(1)、板材(2)、下层金属(3)，所述上层金属(1)和下层金属(3)叠合在一起形成金属层，所述上层金属(1)和下层金属(3)刻蚀在板材(2)上，所述金属层由微带转SIW结构(6)、一分八T型SIW功分器(5)、二阶感性窗(4)和TSA天线单元(10)组成，所述一分八T型SIW功分器(5)连接着微带转SIW结构(6)，所述一分八T型SIW功分器(5)具有8个输出端口(51)，所述二阶感性窗(4)的数量为8个分别位于8个输出端口(51)处，所述二阶感性窗(4)连接着TSA天线单元(10)，所述微带转SIW结构(6)的微带线连接着西南微波2.4mm接头(8)，所述西南微波2.4mm接头(8)固定在板材(2)上。

2.根据权利要求1所述的一种适用于5G毫米波通信的高增益渐变缝隙阵列天线，其特征在于：所述8个TSA天线单元(10)中每个TSA天线单元(10)的两侧各有8个梳状齿缝隙。

3.根据权利要求2所述的一种适用于5G毫米波通信的高增益渐变缝隙阵列天线，其特征在于：所述8个梳状齿缝隙呈等间距分布且长度呈等差数列分布。

4.根据权利要求1所述的一种适用于5G毫米波通信的高增益渐变缝隙阵列天线，其特征在于：所述8个二阶感性窗(4)的SIW传输线上均设置有4个第一金属过孔(41)。

5.根据权利要求4所述的一种适用于5G毫米波通信的高增益渐变缝隙阵列天线，其特征在于：所述32个第一金属过孔(41)相互之间的距离各不相同，通过对距离的优化，以达到对相位进行调整，使8个输出端口(51)尽量接近交叉反相。

6.根据权利要求1所述的一种适用于5G毫米波通信的高增益渐变缝隙阵列天线，其特征在于：所述一分八T型SIW功分器(5)内设置有9个第二金属过孔(52)用于调谐匹配。

7.根据权利要求1所述的一种适用于5G毫米波通信的高增益渐变缝隙阵列天线，其特征在于：所述8个输出端口(51)的其中6个在相对应的二阶感性窗(4)之前各设置有2个第三金属过孔(53)用于控制进入输出端口(51)的能量的幅度大小。

8.根据权利要求7所述的一种适用于5G毫米波通信的高增益渐变缝隙阵列天线，其特征在于：所述8个输出端口(51)中位于两侧的2个输出端口(51)没有设置第三金属过孔(53)。

9.根据权利要求1或2所述的一种适用于5G毫米波通信的高增益渐变缝隙阵列天线，其特征在于：所述8个TSA天线单元(10)中除了位于中间的2个TSA天线单元(10)外，对于其余6个TSA天线单元(10)，相邻的两个单元的上下两层金属层位置相反印刷。

10.根据权利要求1所述的一种适用于5G毫米波通信的高增益渐变缝隙阵列天线，其特征在于：所述西南微波2.4mm接头(8)通过两个螺钉(9)固定在板材(2)上。