CN108832280B - 一种可用于5g通信的毫米波全向圆极化天线 - Google Patents

一种可用于5g通信的毫米波全向圆极化天线 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种可用于5G通信的毫米波全向圆极化天线，包括上下层叠的第一介质板和第二介质板，第一介质板上表面印制有至少四个一条对角线上有环形缝隙的正方形寄生贴片单元，形成旋转对称结构，且相邻寄生贴片单元间的角度相等；第二介质板上表面印制有馈电网络和至少四个一对对角上有扰动枝节的正方形辐射贴片单元，下表面印制有金属接地板；馈电网络的每个输出臂包含一段锥形渐变线，辐射贴片单元位于寄生贴片单元的正下方，且其扰动枝节所在对角线与寄生贴片单元环形缝隙所在对角线方向一致。本发明在保证5G通信28GHz工作频段内保持良好的全向圆极化特性，满足D2D通信需求的同时，提高了天线的功率容量。

Description

一种可用于5G通信的毫米波全向圆极化天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，尤其涉及一种可用于5G通信的毫米波全向圆极化天线，可用于5G系统中的D2D通信。
背景技术
圆极化波被广泛用于现代无线系统，圆极化天线可以避免复杂无线信道中的极化失配问题；全向天线具有广阔的辐射覆盖范围，能够实现多用户之间的多种通信联系。因此全向圆极化天线在遥感遥测、空间飞行器、海上通信以及无线通信等诸多领域有着广泛的应用。
然而，目前全向圆极化天线的研究主要集中在微波频段，在毫米波频段实现全向圆极化尤其困难。
目前已知的实现毫米波全向圆极化天线的方法主要包括：
1、2014年，Electron.Lett.刊登了P.K.Verma,R.Kumar等人题为“Ka-bandcircularly polarize omnidirectional antenna for wide elevation coverage”的文章中，公开了一种由圆形波导上的斜槽和同轴馈电探头组成的天线，该天线通过周围的偏振器将单极子的线极化波转换成圆极化波，实现了毫米波频段的全向圆极化，这种结构尺寸比较大为不能满足小型化要求。
2、中国专利授权号CN 103094666B公开了基于圆极化喇叭的毫米波全向圆极化天线，该天线由毫米波圆极化喇叭和金属圆锥体反射面组成，实现了毫米波频段的全向圆极化，但这种天线尺寸大，剖面高，不能满足小型化要求。
3、环形阵列天线，常见的是微带形式的环形阵列天线，利用等幅功分网络，对各个单元进行馈电，可实现方位面上全向辐射。同时对微带单元进行切角处理或者采用双馈电结构，以实现圆极化特性，但是微带单元切边角形式的微带天线，其轴比带宽通常只有1％～3％，而且组阵后，因为微带天线高次模杂散辐射，天线交叉极化增强，从而导致圆极化特性恶化，轴比带宽降低，因此采用这种实现方式的天线驻波带宽以及轴比带宽较窄。
4、2017年，IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION，刊登了Wei Lin等人题为“28GHz Compact Omnidirectional Circularly Polarized Antenna forDevice-to-Device Communications in the Future 5G Systems”的文章中，公开了一种将电磁偶极子元件印制在单片介质基板上，系统地集成为一个紧凑的盘形结构，该天线以形成平行的电磁偶极子来实现全向圆极化，尺寸紧凑、首次实现了5G通信28GHz频段的全向圆极化，但是该天线结构中连接旋臂的金属线过于纤细，造成功率容量较低，在长时间使用中，容易损坏。
发明内容
本发明目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提供了一种可用于5G通信的毫米波全向圆极化天线，在实现5G通信28GHz工作频段内良好的全向圆极化特性，满足D2D通信需求的同时，提高天线的功率容量。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案，包括上下层叠的第一介质板1和第二介质板2；所述第一介质板1的上表面印制有由至少四个寄生贴片单元3组成的旋转对称结构的寄生贴片阵列，且相邻寄生贴片单元3之间的角度相等，所述寄生贴片单元3采用一条对角线上设置有环形缝隙的正方形结构；所述第二介质板2的上表面的中心位置印制有馈电网络4，该馈电网络4包括至少四个相连的输出臂，每个输出臂的输出端各连接一个辐射贴片单元5，所述辐射贴片单元5采用一对对角上设置有扰动枝节的正方形结构，所述第二介质板3的下表面印制有金属接地板6；所述第二介质板2上表面印制的辐射贴片单元5，位于第一介质板1上表面印制的寄生贴片单元3在第二介质板2的投影位置，且辐射贴片单元5设置扰动枝节的对角所在对角线与寄生贴片单元3设置环形缝隙的对角线方向一致。
上述可用于5G通信的毫米波全向圆极化天线，所述寄生贴片单元3，其上设置的环形缝隙采用圆环形缝隙，其圆心位于该寄生贴片单元3任意一条对角线上，且距离该对角线上一个对角与该寄生贴片单元3的几何中心的距离相等。
上述可用于5G通信的毫米波全向圆极化天线，所述至少四个寄生贴片单元3，关于第一介质板1的中心法线旋转对称。
上述可用于5G通信的毫米波全向圆极化天线，所述馈电网络4，其至少四个相连的输出臂关于第一介质板1的中心法线旋转对称，每个输出臂由锥形渐变线和均匀传输线拼接而成。
上述可用于5G通信的毫米波全向圆极化天线，所述馈电网络4，其几何中心位于第二介质板2的中心法线上。
上述可用于5G通信的毫米波全向圆极化天线，所述辐射贴片单元5，其一对对角上设置的扰动枝节为矩形。
上述可用于5G通信的毫米波全向圆极化天线，所述馈电网络4，其每个输出臂的输出端上连接的辐射贴片单元5，连接点位于辐射贴片单元5一边的中心。
上述可用于5G通信的毫米波全向圆极化天线，所述金属接地板6，其中心位置蚀刻有圆环形缝隙。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1、本发明第一介质板上表面印制有寄生贴片阵列，第二介质板上表面印制有辐射贴片阵列，两者均为旋转对称结构，且相邻单元间角度相等，对其等幅同相馈电形成全向方向图；寄生贴片单元与辐射贴片单元都具有圆极化特性，两者激励起同样旋向，具有一定相差的圆极化波，二者相叠加，展宽了轴比带宽，且组阵之后仍保留了圆极化特性；本发明在实现5G通信28GHz频段内良好的全向圆极化特性，满足D2D通信需求的同时，选用的微带线宽度相对较宽，功率容量相对较高，与现有技术相比，有效延长了天线的使用寿命。
2、本发明采用上下层叠的第一介质板和第二介质板，双层结构使得天线整体的介质板变厚，降低了天线的Q值，同时寄生贴片单元与辐射贴片单元具有相近的谐振频率，与现有技术相比，拓宽了天线的阻抗带宽。
3、本发明辐射贴片单元上的扰动枝节使得辐射贴片单元可以形成圆极化波，寄生贴片单元引入环形缝隙引导电流使得寄生贴片单元可以产生圆极化波，且扰动枝节所在对角线与环形缝隙所在对角线方向一致，使得辐射贴片单元和寄生贴片单元激励起了同样旋向，具有一定相差的圆极化波，二者相叠加，展宽了轴比带宽。
附图说明
图1是本发明实施例的整体结构示意图；
图2是本发明寄生贴片单元的结构示意图；
图3是本发明第二介质板的上表面的结构示意图；
图4是本发明馈电网络的结构示意图；
图5是本发明辐射贴片单元的结构示意图；
图6是本发明实施例的28GHz频点E面仿真方向图；
图7是本发明实施例的28GHz频点全向圆极化天线的全向特性仿真图；
图8是本发明实施例的S11参数-频率仿真结果图；
图9是本发明实施例的不同仰角上的轴比-频率仿真结果图；
图10为本发明实施例的不同仰角上的增益-频率仿真结果图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述：
参照图1，本发明包括上下层叠的第一介质板和第二介质板，第一介质板上表面印制有四个寄生贴片单元，第二介质板上表面印制有馈电网络和四个辐射贴片单元，下表面印制有金属接地板。
上下层叠的第一介质板1和第二介质板2都为正方形板材，边长为8.4mm，且各边相互平行，其中第一介质基板1为Rogers RT/duroid 5880，厚度为0.787mm；第一介质板选用相对介电常数较低的介质基板可以减少表面波，一定程度上降低了单元间的干扰；第二介质板2考虑到工业生产成本与天线性能要求，选择Rogers RO4350，厚度为0.508mm。
所述第一介质板1的上表面印制有由四个寄生贴片单元3组成的旋转对称结构的寄生贴片阵列，且相邻寄生贴片单元3之间的角度相等；所述四个寄生贴片单元3，关于第一介质板1的中心法线旋转对称；对于旋转对称结构且相邻单元之间角度相等的阵列，对其进行等幅同相馈电，由场的叠加原理可知，场在旋转轴上互相抵消，四周互相加强从而产生全向方向图；本发明考虑到寄生贴片单元与辐射贴片单元的尺寸与单元之间的距离，通过理论分析与仿真验证发现要实现全向方向图，选取单元至少是四个，当单元数目在四个以上时，天线结构变得复杂，尺寸也相应变大，但是性能上的提升并不明显，因此本实施例采用四个寄生贴片单元3进行组阵，四个寄生贴片单元3关于第一介质板1的中心法线旋转对称，可以有效利用第一介质板面积。
所述寄生贴片单元3，如图2所示，采用一条对角线上设置有环形缝隙的正方形结构，其边长为2.85mm，环形缝隙的圆心在对角线上O1处，且距离该对角线上一个对角与该寄生贴片单元3的几何中心的距离相等，在本实施例中，环形缝隙的圆心在对角线上O1处，距离寄生贴片单元3几何中心w1＝1.01mm，环形缝隙的外径为0.90mm，内径为0.50mm；寄生贴片单元选用正方形结构是因为规则的正方形寄生贴片单元引入环形缝隙扰动结构，可以引导寄生贴片的表面电流，产生圆极化波，通过调节环形缝隙的位置和内径、外径可以调节寄生贴片上的圆极化特性。
所述第二介质板2的上表面的中心位置印制有馈电网络4，如图3所示，其特征在于：所述馈电网络4，其几何中心位于第二介质板2的中心法线上，该馈电网络4包括四个相连的输出臂，关于第一介质板1的中心法线旋转对称，每个输出臂的输出端各连接一个辐射贴片单元5，连接点位于辐射贴片单元5一边的中心，辐射贴片单元距离旋转中心为w2＝0.93mm；中心旋转对称的馈电网络实现对寄生贴片单元的等幅同相馈电，连接点选择辐射贴片单元5一边的中心，即馈电位置位于辐射贴片单元5一边的中心会激励起幅值相等的两个正交简并模，有助于辐射贴片单元形成圆极化。
馈电网络的每个输出臂都由锥形渐变线和均匀传输线拼接而成，如图4所示，其结构参数为b2＝0.68mm，b1＝0.34mm，a2＝1.59mm，a1＝1.14mm；在本实施例中为实现馈电端口与辐射贴片单元的阻抗匹配，采用带有锥形渐变线的馈电网络，锥形渐变线具有阻抗渐变，可以减少传输线上的回波反射的优点，四路并联后，在连接馈电输入端处的特性阻抗应与输入端口的阻抗相匹配，连接均匀传输线的一端其特性阻抗应与均匀传输线的特性阻抗相匹配，而均匀传输线与辐射贴片单元3相连，其特性阻抗应与辐射贴片单元特性阻抗相匹配；结合本实施例输入端口的阻抗与选用的辐射贴片单元的特性阻抗，可知本实施例中，锥形渐变线的宽边与均匀传输线相连，窄边与馈电网络的输入端相连；天线采用同轴探针馈电，同轴外导体接金属接地板6，同轴内芯穿过第二介质基板2与馈电网络4输入端相接。
所述辐射贴片单元5采用一对对角上设置有扰动枝节的正方形结构，其边长为2.6mm，如图5所示，规则贴片加扰动枝节或者切边角可以产生圆极化，其中扰动枝节可以是其它形状，本实施例采取了矩形形状，其结构参数为C1＝0.8mm，C2＝0.6mm。辐射贴片单元选用正方形结构，该扰动枝节距离辐射贴片单元5的几何中心w3＝1.44mm。引入扰动枝节使得正方形辐射贴片单元形成两个相差90°，幅度相等，极化正交的简并模，从而形成圆极化波；扰动枝节的面积与辐射贴片单元的面积之比影响着辐射贴片单元的圆极化特性。
所述第二介质板2的下表面印制有金属接地板6，其中心位置蚀刻有圆环形缝隙与同轴探针孔，位于同轴探针孔与圆环形缝隙之间的圆环，其外径为1.2mm，小于同轴外导体的直径，起阻抗匹配作用。
所述第二介质板2上表面印制的辐射贴片单元5，其数目与寄生贴片单元3相等，位于第一介质板1上表面印制的寄生贴片单元3在第二介质板2的投影位置，辐射贴片单元5和寄生贴片单元3的几何中心在同一法线上，且辐射贴片单元5设置扰动枝节的对角所在对角线与寄生贴片单元3设置环形缝隙的对角线方向一致，使得辐射贴片单元和寄生贴片单元激励起了同样旋向，具有一定相差的圆极化波，二者相叠加，展宽了轴比带宽。
下面结合仿真对本发明的应用效果做详细的描述。
1、仿真内容
1.1基于商业仿真软件HFSS_13.0对上述实施例1的28GHz频点E面方向图进行仿真计算，结果如图6所示。
1.2基于商业仿真软件HFSS_13.0对上述实施例1的28GHz频点天线的全向特性进行仿真计算，结果如图7所示。
1.3基于商业仿真软件HFSS_13.0对上述实施例1的|S11|参数进行仿真计算，结果如图8所示。
1.4基于商业仿真软件HFSS_13.0对上述实施例1的轴比稳定性进行仿真计算，结果如图9所示。
1.5基于商业仿真软件HFSS_13.0对上述实施例1的增益稳定性进行仿真计算，结果如图10所示。
2、仿真结果
参照图6，28GHz仿真方向图，可以看出测试结果与仿真结果吻合良好；右旋圆极化为天线的主极化，在天线上半平面，交叉极化较低，极化纯度较好，在θ＝45°处增益最大。
参照图7，28GHz频点最大辐射方向所在面方向图的全向性极好，且交叉极化比为23.5dB，极化纯度很高。
参照图8，S参数仿真结果图，可以看出|S11|在整个26.5～30GHz都小于-10dB，覆盖27.5～28.35GHz工作频段。
参照图9，不同仰角上的轴比随频率变化曲线仿真结果图，在θ＝20°到θ＝65°，天线在27.5～28.35GHz工作频段内的轴比低于3dB；在θ＝80°时，轴比在工作频段内低于6dB。
参照图10，不同仰角上的增益随频率变化曲线仿真结果图，可以发现在不同的仰角上该天线的增益在工作频段内比较稳定，具有良好的增益平坦度。在θ＝45°时，增益约为4.7dB；在θ＝20°，75°时，增益约为1.6dB；在θ＝65°时，增益约为3.1dB。可见，在各个仰角上，天线方向图的频率稳定性都很好。
由此可见，本发明提出了一种可用于5G通信的毫米波全向圆极化天线，在27.5～28.35GHz工作频段内|S11|低于-10dB，增益达到4.7dB，且增益的频率稳定性好，具有良好的全向圆极化特性，满足5G系统D2D通信的需求，且在考虑阻抗匹配与加工因素后，选用的微带线宽度相对较宽，功率容量相对较高，与现有技术相比，有效延长了天线的使用寿命。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种可用于5G通信的毫米波全向圆极化天线，其特征在于，包括上下层叠的第一介质板(1)和第二介质板(2)；所述第一介质板(1)的上表面印制有由至少四个寄生贴片单元(3)组成的旋转对称结构的寄生贴片阵列，且相邻寄生贴片单元(3)之间的角度相等，所述寄生贴片单元(3)采用一条对角线上设置有环形缝隙的正方形结构；所述第二介质板(2)的上表面的中心位置印制有馈电网络(4)，该馈电网络(4)包括至少四个相连的输出臂，每个输出臂的输出端各连接一个辐射贴片单元(5)，所述辐射贴片单元(5)采用一对对角上设置有扰动枝节的正方形结构，所述第二介质板(2)的下表面印制有金属接地板(6)；所述第二介质板(2)上表面印制的辐射贴片单元(5)，位于第一介质板(1)上表面印制的寄生贴片单元(3)在第二介质板(2)的投影位置，且辐射贴片单元(5)设置扰动枝节的对角所在对角线与寄生贴片单元(3)设置环形缝隙的对角线方向一致。
2.根据权利要求1所述的可用于5G通信的毫米波全向圆极化天线，其特征在于：所述寄生贴片单元(3)，其上设置的环形缝隙采用圆环形缝隙，其圆心位于该寄生贴片单元(3)任意一条对角线上，且距离该对角线上一个对角与该寄生贴片单元(3)的几何中心的距离相等。
3.根据权利要求1所述的可用于5G通信的毫米波全向圆极化天线，其特征在于：所述至少四个寄生贴片单元(3)，关于第一介质板(1)的中心法线旋转对称。
4.根据权利要求1所述的可用于5G通信的毫米波全向圆极化天线，其特征在于：所述馈电网络(4)，其至少四个相连的输出臂关于第一介质板(1)的中心法线旋转对称，每个输出臂由锥形渐变线和均匀传输线拼接而成。
5.根据权利要求1所述的可用于5G通信的毫米波全向圆极化天线，其特征在于：所述馈电网络(4)，其几何中心位于第二介质板(2)的中心法线上。
6.根据权利要求1所述的可用于5G通信的毫米波全向圆极化天线，其特征在于：所述辐射贴片单元(5)，其一对对角上设置的扰动枝节为矩形。
7.根据权利要求1所述的可用于5G通信的毫米波全向圆极化天线，其特征在于：所述馈电网络(4)，其每个输出臂的输出端上连接的辐射贴片单元(5)，连接点位于辐射贴片单元(5)一边的中心。
8.根据权利要求1所述的可用于5G通信的毫米波全向圆极化天线，其特征在于：所述金属接地板(6)，其中心位置蚀刻有圆环形缝隙。
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