CN107819201B - 一种适用于5g毫米波通信的紧凑型渐变缝隙阵列天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于5G毫米波通信的紧凑型渐变缝隙阵列天线，包括上层金属层、下层金属层、介质板材以及若干金属过孔，所述上层金属层和下层金属层分别刻蚀在介质板材的正反面上形成金属层，所述金属过孔位于介质板材上并且分别连接着上层金属层和下层金属层，所述金属层由微带转SIW结构、一分八T型SIW功分器以及八个TSA天线单元组成。本发明结构紧凑、方便设计和安装，由一个西南微波2.40mm规格接头相连，适用于40.5～43.5GHz频段，可以应用到该频段的5G毫米波移动通信系统中。

Description

一种适用于5G毫米波通信的紧凑型渐变缝隙阵列天线
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毫米波通信的紧凑型渐变缝隙阵列天线。
背景技术
目前，第五代移动通信系统(5G)发展迅速，毫米波技术成为5G研究的热点之一。天线作为通信系统的重要和关键的组成部分，促使研究人员对毫米波天线研究工作越来越丰富。基片集成波导(SIW)，得益于其在毫米波频段较小的传输损耗、封闭的传输场、方便简单的加工工艺，是毫米波系统中常用的传输线之一。另一方面，渐变缝隙天线(TSA)工作带宽宽，低剖面，增益高，方向图调控方便，也被广泛应用到各类无线通信系统中。对于5G毫米波通信系统的应用场景，应当尽可能实现天线的宽带、结构紧凑、高增益等特性，因此天线设计也面临技术挑战。
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毫米波通信的紧凑型渐变缝隙阵列天线。
技术方案：为实现上述目的，本发明提供一种适用于5G毫米波通信的紧凑型渐变缝隙阵列天线，包括上层金属层、下层金属层、介质板材以及若干金属过孔，所述上层金属层和下层金属层分别刻蚀在介质板材的正反面上形成金属层，所述金属过孔位于介质板材上并且分别连接着上层金属层和下层金属层，所述金属层由微带转SIW结构、一分八T型SIW功分器以及八个TSA天线单元组成，所述一分八T型SIW功分器的输入端连接着微带转SIW结构，所述一分八T型SIW功分器具有八个输出端口，所述八个输出端口分别连接着八个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接头固定在介质板材上。
进一步地，所述一分八T型SIW功分器的SIW宽度接近1/2波导波长，使得相邻输出端口的相位差为180度。
进一步地，所述8个TSA天线单元中每个TSA天线单元的左右辐射片各有8个梳状齿缝隙。
进一步地，所述TSA天线单元中每侧的辐射片的8个梳状齿缝隙宽度相同呈等间距分布，且长度呈等差数列分布。
进一步地，所述一分八T型SIW功分器内设置有9个第一类金属过孔和12个第二类金属过孔，第一类金属过孔用于调谐功分器输入和输出，第二类金属过孔用于控制分配给各输出端口的能量大小。
进一步地，所述12个第二类金属过孔分别两两设置在6个输出端口处，所述位于两侧的2个输出端口没有设置第二类金属过孔。
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。
进一步地，所述微带转SIW结构设置有微带过渡部分，将50欧姆的微带线过渡到SIW传输线，微带过渡部分的长度为中心频率(42GHz)的四分之一波长，所述微带过渡部分作用为实现阻抗匹配。
本发明的设计原理：利用中心频率(42GHz)的四分之一波长的微带结构，50欧姆的微带线过渡到SIW传输线，微带过渡部分的长度为中心频率(42GHz)的四分之一波长，一分八T型SIW功分器的SIW宽度近似为波导波长的二分之一，使相邻两个输出端口的相位差为180度。通过在TSA单元上刻蚀长度不一的缝隙，增加天线表面电流的路径，从而实现天线的小型化、紧凑型结构。通过对TSA左右辐射贴片在介质板材上下层金属的分布和设计，使得相邻TSA单元的辐射在远场叠加。
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、由于TSA单元的宽带属性，天线带宽较宽，带宽远大于所需40.5～43.5GHz频率范围；
3、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为本发明上层金属层示意图；
图3为本发明下层金属层示意图；
图4为本发明回波损耗图；
图5为本发明42GHz时E面方向图；
图6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毫米波通信的紧凑型渐变缝隙阵列天线，包括上层金属层1、下层金属层2、厚度为0.254mm的Taconic TLY-5的介质板材3以及若干金属过孔4，所述上层金属层1和下层金属层2分别刻蚀在介质板材3的正反面上形成金属层，所述金属过孔4位于介质板材3上并且分别连接着上层金属层1和下层金属层2，所述金属层由微带转SIW结构5、一分八T型SIW功分器6以及八个TSA天线单元7组成，所述一分八T型SIW功分器6的输入端连接着微带转SIW结构5，所述一分八T型SIW功分器6具有八个输出端口63，所述八个输出端口63分别连接着八个TSA天线单元7，所述微带转SIW结构5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固定在介质板材3上，所述8个TSA天线单元7中每个TSA天线单元7的左右辐射片各有8个梳状齿缝隙72，所述TSA天线单元7中每侧的辐射片的8个梳状齿缝隙72宽度相同呈等间距分布，且长度呈等差数列分布，所述微带转SIW结构5设置有微带过渡部分51，将50欧姆的微带线52过渡到SIW传输线，微带过渡部分51的长度为中心频率(42GHz)的四分之一波长，所述一分八T型SIW功分器6的SIW宽度接近1/2波导波长，所述一分八T型SIW功分器6内设置有9个第一类金属过孔61和12个第二类金属过孔62，第一类金属过孔61用于调谐功分器输入和输出，第二类金属过孔62用于控制分配给各输出端口63的能量大小，所述12个第二类金属过孔62分别两两设置在6个输出端口63处，所述位于两侧的2个输出端口63没有设置第二类金属过孔62，所述微带转SIW结构5的微带线上层金属与所述西南微波2.40mm规格接头8的内芯导体相连，所述介质板材3上有两个螺钉孔，所述西南微波2.40mm规格接头8通过两个螺钉孔和两个螺钉81固定在所述介质板材3上。
所述8个TSA天线单元7中除了位于中间的2个TSA天线单元A71外，对于其余6个TSA天线单元7，相邻的两个单元的上下两层金属层位置相反印刷，
本发明的天线工作时，信号通过西南微波2.4mm规格接头8到达微带转SIW结构5，然后经过一分八T型SIW功分器6进行功率分配，最后通过TSA天线单元7辐射，TSA天线单元7采用1×8的线阵结构。
通过对天线进行测试得到图4-图6，本发明的天线S11≤-10dB的带宽覆盖40.5～43.5GHz频率范围，同时天线结构紧凑，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5和图6所示，通过图5和图6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如图4所示。

Claims (7)

1.一种适用于5G毫米波通信的紧凑型渐变缝隙阵列天线，其特征在于：包括上层金属层(1)、下层金属层(2)、介质板材(3)以及若干金属过孔(4)，所述上层金属层(1)和下层金属层(2)分别刻蚀在介质板材(3)的正反面上形成金属层，所述金属过孔(4)位于介质板材(3)上并且分别连接着上层金属层(1)和下层金属层(2)，所述金属层由微带转SIW结构(5)、一分八T型SIW功分器(6)以及八个TSA天线单元(7)组成，所述一分八T型SIW功分器(6)的输入端连接着微带转SIW结构(5)，所述一分八T型SIW功分器(6)具有八个输出端口(63)，所述八个输出端口(63)分别连接着八个TSA天线单元(7)，所述微带转SIW结构(5)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)固定在介质板材(3)上，所述8个TSA天线单元(7)中每个TSA天线单元(7)的左右辐射片各有8个梳状齿缝隙(72)，所述TSA天线单元(7)中每侧的辐射片的8个梳状齿缝隙(72)宽度相同呈等间距分布，且长度呈等差数列分布。
2.根据权利要求1所述的一种适用于5G毫米波通信的紧凑型渐变缝隙阵列天线，其特征在于：所述一分八T型SIW功分器(6)内设置有9个第一类金属过孔(61)和12个第二类金属过孔(62)，第一类金属过孔(61)用于调谐功分器输入和输出，第二类金属过孔(62)用于控制分配给各输出端口(63)的能量大小。
3.根据权利要求2所述的一种适用于5G毫米波通信的紧凑型渐变缝隙阵列天线，其特征在于：所述12个第二类金属过孔(62)分别两两设置在6个输出端口(63)处，所述八个输出端口(63)中位于两侧的2个输出端口(63)没有设置第二类金属过孔(62)。
4.根据权利要求1所述的一种适用于5G毫米波通信的紧凑型渐变缝隙阵列天线，其特征在于：所述8个TSA天线单元(7)中除了位于中间的2个TSA天线单元(7)外，对于其余6个TSA天线单元(7)，相邻的两个单元的上下两层金属层位置相反印刷。
5.根据权利要求1所述的一种适用于5G毫米波通信的紧凑型渐变缝隙阵列天线，其特征在于：所述西南微波2.4mm接头(8)通过两个螺钉(81)固定在介质板材(3)上。
6.根据权利要求1所述的一种适用于5G毫米波通信的紧凑型渐变缝隙阵列天线，其特征在于：所述一分八T型SIW功分器(6)的SIW宽度接近1/2波导波长。
7.根据权利要求1所述的一种适用于5G毫米波通信的紧凑型渐变缝隙阵列天线，其特征在于：所述微带转SIW结构(5)设置有微带过渡部分(51)，将50欧姆的微带线(52)过渡到SIW传输线，微带过渡部分(51)的长度为中心频率(42GHz)的四分之一波长。
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