CN109037923B - 一种毫米波宽带滤波天线及其构成的mimo天线阵列 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种毫米波宽带滤波天线及其构成的MIMO天线阵列，从下往上包括两个垂直极化的馈电网络、馈电贴片及加载缺陷结构的寄生贴片；所述两个垂直极化的馈电网络结构相同，且上下间隔设置，所述馈电网络包括介质基板，所述介质基板的一个表面印制加载缝隙的金属地板，其另一表面印制末端延长型的馈电微带线；所述馈电贴片与其上层的寄生贴片耦合；所述末端延长型的馈电微带线是指将馈电微带线经过缝隙耦合后的部分延伸，并将延伸部分进行任意形状的弯折。本发明的辐射性能既能实现高滚降的滤波特性和高隔离度，又尽量保证不引入额外的插损以及多余的结构带来的占用面积。

Description

一种毫米波宽带滤波天线及其构成的MIMO天线阵列

技术领域

本发明涉及射频通信领域，具体涉及一种毫米波宽带滤波天线及其构成的MIMO天线阵列。

背景技术

无线通信的进阶式发展使得低频频谱资源愈发紧张，可以预见的是，未来毫米波将加快进入5G战场。毫米波指的是频率在30GHz-300GHz范围内的电磁波，其对应的波长范围为1mm-10mm。近年来，由于频谱资源拥挤的现状，以及对高速通信需求的持续增长，毫米波领域已经成为国际电磁波频谱资源研究、开发和利用的一个极其活跃的领域，毫米波频段拥有着大量连续的频谱资源，为超高速宽带无线通信的实现提供了可能。

多输入多输出(MIMO)技术，是近年来无线通信的重要技术之一，该技术在不额外增加频谱资源和天线发射功率的情况下，能成倍的提高收发系统的信道容量，大大提高频谱利用率，被视为下一代移动通信的核心技术。此外，在大规模MIMO天线阵列中应用波束赋形技术能充分利用无线资源的空间可分隔性，进一步提高无线移动通信系统对于无线资源的利用率，并从根本上提高系统容量。

封装天线(AIP)技术是通过封装材料与工艺，将天线集成在携带芯片的封装内，使天线更靠近芯片，减少互连损耗。AIP技术很好的兼顾了天线的性能、成本及体积，代表近年来天线技术的重大成就。

在基于射频集成芯片设计的收发信机中，天线封装于其中，而滤波器不适合集成在芯片里面，因为Q值太低；假如将滤波器单独封装，则需要滤波器与天线、滤波器与芯片的互连，在毫米波频段损耗较大；此外纯粹靠滤波器来实现抑制并且尽量降低损耗，则对滤波器的Q值要求高，为此采用分布式滤波的方法，将滤波与天线集成在一起，极大减轻了射频芯片电路中滤波器的设计难度。

在现有的毫米波滤波天线设计中，要考虑如何扩展带宽，并实现通带边沿具有快速滚降的频率选择性和一定的带外抑制能力。此外，要能适用于构成高集成大规模MIMO阵列，还要求双极化天线单元的两个端口之间实现高隔离度以及天线单元具备小型化特点。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种毫米波宽带滤波天线及其构成的MIMO天线阵列。

本发明天线的辐射性能既能实现高滚降的滤波特性和高隔离度，又尽量保证不引入额外的插损以及多余的结构带来的占用面积，以便天线单元能以很小的间隔组成大规模的阵列，实现尽量宽角度的波束扫描能力。

本发明采用如下技术方案：

一种毫米波宽带滤波天线，从下往上包括

两个垂直极化的馈电网络；

所述两个垂直极化的馈电网络结构相同，且上下间隔设置，所述馈电网络包括介质基板，所述介质基板的一个表面印制加载缝隙的金属地板，其另一表面印制末端延长型的馈电微带线；

馈电贴片；

及加载缺陷结构的寄生贴片，所述馈电贴片与其上层的寄生贴片耦合；

所述末端延长型的馈电微带线是指将馈电微带线经过缝隙耦合后的延伸，并将延伸部分进行任意形状的弯折。

优选的，馈电微带线的延伸长度为辐射抑制零点位置频率的二分之一等效波长。

优选的，所述缺陷结构为方形、圆形、十字形或其他形状的中心对称结构，所述缺陷结构位于寄生贴片的中心位置。

优选的，所述缝隙为十字形缝隙。

优选的，所述寄生贴片及馈电贴片均为正方形。

优选的，所述寄生贴片的四周边沿加载长条形缝隙。

优选的，两个加载缝隙的金属地板采用多个金属化过孔相连。

优选的，两个馈电网络中缝隙相互正交设置。

优选的，所述末端延长型的馈电微带线由一段微带线与一分二功分器构成，所述微带线与一分二功分器的输入端连接，一分二功分器的两个输出端分别连接微带线，两路微带线经过十字缝隙后延伸，将延伸部分进行弯折。

一种由毫米波宽带滤波天线构成的MIMO天线阵列，由N×M个毫米波宽带滤波天线构成，N、M为整数；每个毫米波宽带滤波天线周围设置接地的金属化过孔。

本发明的有益效果：

(1)滤波天线单元在通带内有良好的辐射性能，通带外具有高滚降和良好的带外抑制能力的带通滤波效果，实现滤波性能的方式没有带来额外的加工成本且适用面广，并且未引入额外的插损；

(2)滤波天线单元具有小型化，工作频带宽的特点，且在通带内方向图波瓣稳定，交叉极化好，不同极化端口的馈电结构几乎完全对称且隔离度高，适用于构成高集成大规模MIMO阵列；

(3)天线阵列整体结构采用多层PCB加工工艺封装设计，成本低，结构紧凑，可靠性强，适用于高集成度的射频系统之中；由于没有多级耦合滤波电路，本发明基础上设计的带通宽带滤波天线的插损非常低，相比于目前的带通滤波天线设计方案而言，更有利于器件的低廉化、集成化。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2(a)、图2(b)及图2(c)分别是缺陷结构为方形、平行四边形及十字形的示意图；

图3是图1中寄生贴片及馈电贴片的结构尺寸示意图；

图4是图1中馈电微带线与缝隙的结构尺寸示意图；

图5是本发明实施例的滤波原理示意图；

图6是本发明实施例的增益曲线仿真结果图；

图7是本发明的回波损耗与极化隔离曲线仿真结果图；

图8是本发明在30GHz频率处的E面辐射方向图仿真结果；

图9是本发明在30GHz频率处的H面辐射方向图仿真结果；

图10是本发明MIMO天线阵列的结构示意图；

图11是图10的增益曲线图；

图12是图10的E面波束扫描仿真结果图；

图13是图10的H面波束扫描仿真结果图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示一种毫米波宽带滤波天线，整个天线由多层pcb板粘合而成，所用板材型号为罗杰斯5880，介电常数为2.2，介质正切损耗为0.0009，每层板之间用3001粘合膜结合。

从下往上包括：两个垂直极化的馈电网络5、6，馈电贴片2及加载缺陷结构的寄生贴片1。

所述两个垂直极化的馈电网络结构相同，上下间隔一定距离设置，所述馈电网络包括介质基板，所述介质基板的一个表面印制加载十字形缝隙3、7的金属地板，其另一表面印制末端延长型的馈电微带线，馈电微带线通过缝隙耦合上层的馈电贴片，通过调整馈电微带线延长线的长度调整辐射抑制零点产生的位置。

所述末端延长型的馈电微带线具体是指将馈电微带线经过缝隙耦合后的部分延伸，延伸的长度为延长性的馈电微带线产生的辐射抑制零点位置频率的二分之一等效波长，将辐射抑制零点调整至通带边沿，实现高滚降的滤波特性，该滤波方式适用于任何微带缝隙馈电的天线。

所述末端延长型的馈电微带线可以由一条微带线构成，也可以由其他结构构成。本实施例中加载十字形缝隙的金属地板设置介质基板的上表面，馈电微带线印制在介质基板的下表面，末端延长型的馈电微带线由一段微带线与一分二功分器构成，一段微带线与一二功分器的输入端连接，功分器的两个输出端分别连接两路微带线，两路微带线经过上表面的十字形缝隙在下表面的相应位置后，延伸至一定的长度，并将延长部分弯折或其他小型化处理，本实施例中两路微带线是对称垂直经过十字形缝隙。

所述十字形缝隙位于金属地板的中间位置，馈电微带线通过缝隙耦合上层的馈电贴片，引入一个辐射抑制零点，如图5所示，图5中为现有技术与本申请的对比图，A为普通微带线缝隙馈电方式，B为本申请中，末端延长型馈电微带线缝隙馈电方式，图5中8为馈电微带线，9为缝隙，10为输入端口，虚线表示电流分布，其产生滤波效果的原理如下：传统缝隙耦合的微带线末端长度只是用来调天线阻抗匹配，而在本实施例中将微带线末端延长。由于微带线末端是开路状态，经过二分之一等效波长至馈电缝隙处仍然等效为开路状态，输入电流的幅值为零，因而能量无法从传输线耦合至缝隙上方的贴片，在该频率会产生一个高抑制的传输零点，通过调整微带线延长端长度能调整辐射抑制零点的位置至通带下侧边沿，实现宽阻带高滚降的高通滤波特性。

本实施例中，第二极化端口的馈电网络6正交设置在第一极化端口的馈电网络5的下层，之间用开有十字形缝隙的金属地板隔开，两个馈电网络的金属地板直接通过多个金属化过孔4连接，起到共地以及屏蔽寄生辐射的作用。

所述寄生贴片加载缺陷结构，由单层pcb板构成，寄生贴片为矩形，缺陷结构位于寄生贴片的中心位置，具体是将寄生贴片中间挖空形成对称的不同的几何形状为缺陷结构，几何形状的四周边沿切开四道一定长度的缝隙，均能改善通带上侧边沿的频率选择性。

这种寄生贴片相比传统正方形寄生贴片，能使得通带上侧由叠层贴片天线自身产生的辐射抑制零点的抑制得更加深，频率选择性更加好。

如图2(a)、图2(b)及图2(c)所示，缺陷结构可以为方形、圆形、十字形或其他形状的中心对称结构。

所述馈电贴片也为正方形，设置在寄生贴片下方，十字形缝隙的上方，由单层pcb板构成，通过与带有缺陷结构的寄生贴片之间的耦合作用能引入一个辐射抑制零点，这个零点的位置可通过所加载的缝隙的长度或者缺口的大小进行调整至通带边沿，实现高滚降的滤波特性。

本实施例中，工作频段为25-32.5GHz，其对应的毫米波宽带滤波天线的尺寸标注图如图1、图2、图3及图4所示，具体参数如下：

W1＝15mm,W2＝2mm,W3＝2.2mm,W4＝0.3mm,W5＝1.55mm,L1＝1.8mm,L2＝2mm,L3＝0.7mm,L4＝0.7mm,L5＝2.7mm,L6＝1.1mm,H1＝0.508mm,H2＝0.254mm,H3＝0.127mm,H4＝0.127mm,H5＝0.127mm,WS＝0.1mm,WF1＝0.4mm,WF2＝0.1mm,WF3＝0.2mm,R1＝0.2mm,D＝5mm。

如图6所示，是本发明一个实施例提供的毫米波宽带滤波天线的增益曲线图，工作频段25-32.5GHz内增益平稳，达到了26％相对带宽；通带两侧具有高滚降滤波特性，且实现了从0-21GHz超过25dB的滤波抑制，以及从37-45GHz超过15dB的带外滤波抑制。

如图7所示，是本发明一个实施例提供的毫米波宽带滤波天线的S参数图，通带内阻抗匹配良好，回波损耗均在-10dB以下，得益于不同层的缝隙馈电方式，工作频段内的极化隔离度保持50dB以上。

如图8-图9所示，是本发明一个实施例提供的毫米波宽带滤波天线的辐射方向图，是30GHz频率处天线的E面与H面的方向图，两个面的方向图稳定且交叉极化比均大于30dB。

如图10所示，是本发明一个实施例提供的大规模MIMO宽带滤波天线阵列，包括4×4个毫米波宽带滤波天线单元，每个天线周围设置一圈金属化过孔，并且具有特定的高度，起到抑制表面波和增大波瓣宽度的作用以提高天线阵列的波束扫描能力。其中每个毫米波宽带滤波天线都具有滤波特性，结合延长型馈电微带线的高通滤波特性以及加载缺陷结构的寄生贴片的低通滤波特性，最终使天线及其构成的高集成大规模MIMO阵列实现了良好的带通滤波性能。

如图11所示，是本发明一个实施例提供的大规模MIMO宽带滤波天线阵列的增益曲线，通带内增益在15dBi以上，两边的滤波性能与单个滤波天线一致。

如图12-图13所示，是本发明一个实施例提供的大规模MIMO宽带滤波天线阵列的E面及H面波束扫描方向图，在+-50°范围内均有很好的交叉极化比和副瓣抑制比，其中交叉极化比大于40dB，副瓣抑制比大于7.5dB，并且从0°扫描至50°增益只下降3dB。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种毫米波宽带滤波天线，其特征在于，从下往上包括

两个极化方向相垂直的馈电网络；

所述两个极化方向相垂直的馈电网络结构相同，且上下间隔设置，所述每个馈电网络包括介质基板，所述介质基板的一个表面印制加载缝隙的金属地板，其另一表面印制末端延长型的馈电微带线；

馈电贴片；

及加载缺陷结构的寄生贴片，所述馈电贴片与其上层的寄生贴片耦合；

馈电贴片通过与加载缺陷结构的寄生贴片之间的耦合作用引入一个辐射抑制零点；

所述末端延长型的馈电微带线是指将馈电微带线经过缝隙耦合后的延伸，并将延伸部分进行任意形状的弯折，延伸的长度为辐射抑制零点位置频率的二分之一等效波长。

2.根据权利要求1所述的一种毫米波宽带滤波天线，其特征在于，所述缺陷结构为方形、圆形、十字形或其他形状的中心对称结构，所述缺陷结构位于寄生贴片的中心位置。

3.根据权利要求1所述的一种毫米波宽带滤波天线，其特征在于，所述缝隙为十字形缝隙。

4.根据权利要求1所述的一种毫米波宽带滤波天线，其特征在于，所述寄生贴片及馈电贴片均为正方形。

5.根据权利要求1或4所述的一种毫米波宽带滤波天线，其特征在于，所述寄生贴片的四周边沿加载长条形缝隙。

6.根据权利要求1所述的一种毫米波宽带滤波天线，其特征在于，两个加载缝隙的金属地板采用多个金属化过孔相连。

7.根据权利要求1所述的一种毫米波宽带滤波天线，其特征在于，两个馈电网络中缝隙相互正交设置。

8.根据权利要求1所述的一种毫米波宽带滤波天线，其特征在于，所述末端延长型的馈电微带线由一段微带线与一分二功分器构成，所述微带线与一分二功分器的输入端连接，一分二功分器的两个输出端分别连接微带线，两路微带线经过十字缝隙后延伸，将延伸部分进行弯折。

9.一种应用权利要求1-8任一项所述毫米波宽带滤波天线构成的MIMO天线阵列，其特征在于，由N×M个毫米波宽带滤波天线构成，N、M为整数；每个毫米波宽带滤波天线周围设置接地的金属化过孔。

Images