CN109088161A - 工作在毫米波段的微带贴片天线、阵列及阵列设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供工作在毫米波段的微带贴片天线、阵列及阵列设计方法。所述工作在毫米波段的微带贴片天线由第一介质基片的下表面和第二介质基片的上表面通过压合的方式连接，所述第一介质贴片的上表面布设有辐射贴片，所述第二介质基片上布设有具有缝隙的馈电网络。本发明工作在毫米波段的微带贴片天线通过选取与空气的介电常数相近的介质制作基片，并由压合工艺制得，避免了引入空气层带来的加工困难性能不稳定等问题，并兼具高带宽，高交叉极化抑制，高副瓣抑制的特点。天线阵列具备结构简单，带宽大、增益大、交叉极化特性好等显著优点。天线阵列的设计方法中仅仅通过设计馈线的阻抗分布即可实现有效的电流分布，设计更加简单灵活。

Description

工作在毫米波段的微带贴片天线、阵列及阵列设计方法

技术领域

本发明属于通信领域，特别适用于5G通信领域；本发明具体涉及工作在毫米波段的微带贴片天线、阵列及阵列设计方法。

背景技术

耦合馈电的天线中，天线与馈线不是直接相连而是将馈线与天线设计在不同介质层上，通过电磁耦合的方式进行馈电；在稍微增加结构复杂度的情况下可以显著增加带宽，但是很难做到8％以上，从而限制了系统的带宽和数据率。为了提高带宽，缝隙耦合结构的介质材料常采用空气层代替；由于微带天线的带宽与介电常数成反比，且空气层损耗低，介电常数小，所以可以在低损耗的情况下实现更大带宽。

因此，为了使得缝隙耦合天线能够应用在毫米波频段，需要在天线制作过程中引入毫米级厚度的空气层。然而，厚度在加工制作过程中的些许偏差极容易导致天线带宽和性能的大幅改变，所以空气层的引入增加了天线的加工难度和量产不一致性的风险；同时“一”字形或“十字”缝隙耦合馈电的天线端口隔离度以及交叉极化抑制性能一般。

鉴于现有天线存在带宽小，增益低，交叉极化特性差的弊端，使得基于现有天线设计而得的天线阵列无法满足5G通讯基站对高速传输，远距离覆盖和高抗干扰能力的需求。

此外，现有技术中的天线阵列中天线阵元级联组阵的方式为串联或者并联馈电贴片天线阵列，为了满足天线网络中电流分布满足预设规律的要求，需要对每一个天线单元进行调整，这就显著增加了对于天线阵元设计的复杂度，比如，为了降低天线网络的副瓣，必须优化阵列各个阵元的尺寸以形成一定的电流幅度分布，对于一个8x 8的阵列，就存在至少64个天线待优化单元参数。

发明内容

为了解决现有天线存在带宽小，增益低，交叉极化特性差的问题，过度依赖空气层的问题，以及天线阵列设计复杂的问题；本发明公开了工作在毫米波段的微带贴片天线、阵列及阵列设计方法。

本发明是以如下技术方案实现的：

一种工作在毫米波段的微带贴片天线，所述微带贴片天线由第一介质基片的下表面和第二介质基片的上表面通过压合的方式连接，所述第一介质贴片的上表面布设有辐射贴片，所述第二介质基片上布设有具有缝隙的馈电网络。

进一步地，所述馈电网络由布设在所述第二介质基片的上表面的带有缝隙的金属地和布设在所述第二介质基片的下表面的馈线构成。

进一步地，所述第二介质基片由馈电网络上层基片和馈电网络下层基片压合而成，所述馈电网络上层基片的下表面布设有金属地，所述馈电网络上层基片的上表面布设有第一缝隙，所述馈电网络下层基片的下表面布设有第二缝隙，所述第一缝隙和所述第二缝隙交叉布设。

进一步地，所述第一介质基片和/或第二介质基片的介电常数与空气的介电常数的差值小于预设阈值。

一种天线阵列，所述天线阵列包括一个以上的行矩阵，所述行矩阵不同阵元之间串联连接，所述阵元使用上述的一种工作在毫米波段的微带贴片天线；

每个所述行矩阵的中间位置设置有馈电输入端口，以所述馈电端口所在直线为中心，分布在所述馈电输入端口两侧的阵元具备轴对称关系；所述行矩阵中流经馈电输入端口同侧的相邻阵元的电流满足预设的电流分布规律。

进一步地，所述电流分布规律包括切比雪夫，泰勒或者维伦纽夫幅度分布规律。

进一步地，若所述天线阵列中包括多个行矩阵，则不同的行矩阵之间为并联连接。

进一步地，所述天线阵列中的阵元形成8*8、8*16或16*16矩阵。

一种天线阵列设计方法，所述方法用于设计天线阵列，所述方法包括：

设计行矩阵中各个阵元的输入阻抗以及各个阵元之间传输线阻抗以得到行矩阵；

根据行矩阵的设计结果得到天线阵列。

进一步地，所述设计行矩阵中各个阵元的输入阻抗以及各个阵元之间传输线阻抗以得到行矩阵包括：

获取行矩阵馈电输入端口同侧阵元构成的馈电网络模型图，所述馈电网络模型图中每个阵元的阻抗按照与所述馈电输入端口距离由近及远的顺序，由第一阻抗变换器、第一传输线阻抗变换段、第二传输线阻抗变化段和第二阻抗变换器形成；

获取所述行矩阵中电流分布需要满足的预设分布条件；

根据所述预设分布条件获取所述馈电网络模型图中各个阵元第二阻抗变换器阻抗和第一阻抗变换器阻抗的比值；

根据所述第二阻抗变换器阻抗和第一阻抗变换器阻抗的比值设定第一阻抗变换器的阻抗和第二阻抗变换器的阻抗；

根据所述第一阻抗变换器的阻抗和第二阻抗变换器的阻抗设定第一传输线阻抗变换段和第二传输线阻抗变化段的阻抗，并且使得相邻阵元间电长度为一个导波长；

根据得到的馈电网络模型中各个阵元的阻抗分布得到行阵列中各个阵元的阻抗分布。

本发明的有益效果是：

本发明提供的工作在毫米波段的微带贴片天线、阵列及阵列设计方法，其具有如下有益效果：

工作在毫米波段的微带贴片天线通过选取与空气的介电常数相近的介质制作基片，并由压合工艺制得，避免了引入空气层带来的加工困难性能不稳定等问题，并兼具高带宽，高交叉极化抑制，高副瓣抑制的特点，其独特的结构和性能使其可用于5G毫米波基站。

天线阵列与现有技术中的串/并联直接馈电贴片天线阵列相比，具备结构简单，带宽大、增益大、交叉极化特性好等显著优点；同时克服了串/并联直接馈电方式交叉极化特性差，两个正交极化同时使用时，端口之间的串扰较严重等问题；

天线阵列的设计方法中仅仅通过设计馈线的阻抗分布即可实现有效的电流分布，设计更加简单灵活。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种工作在毫米波段的微带贴片天线示意图；

图2是本发明实施例提供的单极化条件下的天线三维示意图；

图3是本发明实施例提供的双极化条件下的天线三维示意图；

图4是本发明实施例提供的双极化条件天线的剖视图；

图5是本发明实施例提供的双缝馈电天线的阻抗带宽示意图；

图6是本发明实施例提供的双缝馈电天线的辐射方向图；

图7是本发明实施例提供的行矩阵示意图；

图8是本发明实施例提供的一种天线阵列方法流程图；

图9是本发明实施例提供的行矩阵设计流程图；

图10是本发明实施例提供的馈电输入端口同侧阵元构成的馈电网络模型图；

图11是本发明实施例提供的8个阵元的行矩阵的电流仿真结果示意图；

图12是本发明实施例提供的从输入馈电端口到阵元对应的8个端口的相位分布示意图；

图13是本发明实施例提供的行阵列的三维示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

本发明实施例公开了一种工作在毫米波段的微带贴片天线，如图1所示，所述微带贴片天线由第一介质基片1的下表面和第二介质基片2的上表面通过压合的方式连接，所述第一介质贴片1的上表面布设有辐射贴片 11，所述第二介质基片2中布设有具有缝隙的馈电网络。

具体地，所述微带贴片天线有两种，一种为单极化条件下的天线，另一种为双极化条件下的天线。请参考图2，其示出了单极化条件下的双缝天线三维示意图，请参考图3，其示出了双极化条件下的天线三维示意图。由图2可知，单极化条件下的天线可以采用双缝隙耦合的结构，双极化条件下的天线可以采用交叉四缝隙耦合的结构。

在一个可行的实施例中，单极化条件下的天线具有缝隙的馈电网络由布设在所述第二介质基片的上表面的带有缝隙的金属地21和布设在所述第二介质基片的下表面的馈线22构成。

优选的，所述缝隙为单缝或双缝。

具体地，所述单极化条件下的天线作为一个有效辐射器，可以通过优化贴片的长与宽来获得更高的带宽和更理想的阻抗值，天线优化后的取值为长L＝2.264mm，宽W＝2.264mm。

在另一个可行的实施例中，请参考图4，其示出了双极化条件天线的剖视图。所述第二介质基片2由馈电网络上层基片210和馈电网络下层基片 220压合而成，所述馈电网络上层基片210的下表面布设有金属地，所述馈电网络上层基片的上表面布设有第一缝隙2101，所述馈电网络下层基片220 的下表面布设有第二缝隙2201，所述第一缝隙2101和所述第二缝隙2201 交叉布设。

优选的，本发明实施例中的第一介质基片和/或第二介质基片的介电常数与空气的介电常数的差值小于预设阈值。比如第一介质基片和/或第二介质基片可以采用Rohacell泡沫制得。

请参考图5，其示出了本发明实施例中双缝馈电天线的阻抗带宽示意图，由图5可知，其阻抗带宽达到10.6％。请参考图6，其示出了双缝馈电天线的辐射方向图，其中实线的辐射方向角为90度，虚线的辐射方向角为 0度。由图6可知，其具有高定向性，本发明实施例中天线考虑所有损耗和适配后的可实现增益达到6dBi以上。

本发明实施例提供了一种适用于毫米波段的微带贴片天线，采用基片压合的方式，加工简单，避免了引入空气层带来的加工困难性能不稳定等问题，并兼具高带宽，高交叉极化抑制，高副瓣抑制的特点，其独特的结构和性能使其可用于5G毫米波基站。本发明实施例中提出了双缝耦合的微带结构，能够通过双缝耦合形成两个谐振点，从而将传统的微带天线带宽从8％提高到10.6％，该设计的好处是用一副天线就可以同时覆盖26.5GHz 和28GHz两个5G频段，避免了使用两副天线。

考虑到毫米波段应用的高损耗特点，阵列的馈电网络必须简单，同时副瓣要低，因而必须使阵列中阵元的馈电电流呈现如切比雪夫，泰勒或者维伦纽夫幅度分布，为了达到这一目的，本发明实施例进一步提供了一种天线阵列，所述天线阵列能够实现上述电流分布。

所述天线阵列包括一个以上的行矩阵，如图7所示，所述行矩阵不同阵元之间串联连接，所述阵元可以使用上述的一种工作在毫米波段的微带贴片天线。每个所述行矩阵的中间位置设置有馈电输入端口，以所述馈电端口所在直线为中心，分布在所述馈电输入端口两侧的阵元具备轴对称关系。所述行矩阵中流经馈电输入端口同侧的相邻阵元的电流满足预设的电流分布规律。

相应的，为了使得行矩阵中流入馈电输入端口同侧的相邻阵元的电流满足预设的电流分布规律，需要使得所述相邻阵元的输入阻抗满足所述电流分布规律的要求。

具体地，所述电流分布规律包括切比雪夫，泰勒或者维伦纽夫幅度分布规律。

若所述天线阵列中包括多个行矩阵，则不同的行矩阵之间为并联连接。

所述天线阵列中的阵元可以形成8*8、8*16或16*16矩阵。

本发明实施例公开的天线阵列为一种串并联混合馈电网络，其具备带宽大、增益大、交叉极化特性好等显著优点，使其能够满足5G通讯基站对于高速传输，远距离覆盖和高抗干扰能力的需求。

为了使得上述天线阵列的设计过程简化，降低天线阵列设计复杂度，本发明实施例提供了一种天线阵列方法，所述设计方法中不需要对每个阵元进行单独设计，只需要简单设计连接相邻单元间馈电网络的阻抗即可使得天线阵列中的各个阵元的馈电电流呈预设分布。如图8所示，所述设计方法包括：

S101.设计行矩阵中各个阵元的输入阻抗以及各个阵元之间传输线阻抗以得到行矩阵。

S102.根据行矩阵的设计结果得到天线阵列。

具体地，所述设计行矩阵中各个阵元的输入阻抗以及各个阵元之间传输线阻抗以得到行矩阵如图9所示，包括：

S1011.获取行矩阵馈电输入端口同侧阵元构成的馈电网络模型图，所述馈电网络模型图中每个阵元的阻抗按照与所述馈电输入端口距离由近及远的顺序，由第一阻抗变换器、第一传输线阻抗变换段、第二传输线阻抗变化段和第二阻抗变换器形成。

S1012.获取所述行矩阵中电流分布需要满足的预设分布条件。

具体地，所述预设分布条件包括流经馈电输入端口同侧的相邻阵元的电流满足切比雪夫，泰勒或者维伦纽夫幅度分布规律。

S1013.根据所述预设分布条件获取所述馈电网络模型图中各个阵元第二阻抗变换器阻抗和第一阻抗变换器阻抗的比值。

S1014.根据所述第二阻抗变换器阻抗和第一阻抗变换器阻抗的比值设定第一阻抗变换器的阻抗和第二阻抗变换器的阻抗。

具体地，为了保证行矩阵中阵元的总输入阻抗不低于50欧姆，在设计过程中，第一阻抗变换器、第一传输线阻抗变换段、第二传输线阻抗变化段和第二阻抗变换器的阻抗均大于50欧姆。

S1015.根据所述第一阻抗变换器的阻抗和第二阻抗变换器的阻抗设定第一传输线阻抗变换段和第二传输线阻抗变化段的阻抗，并且使得相邻阵元间电长度为一个导波长。

具体地，本发明实施例中第一传输线阻抗变换段和第二传输线阻抗变化段的阻抗的阻抗均介于第一阻抗变换器的阻抗和第二阻抗变换器的阻抗之间，所述第一传输线阻抗变换段和第二传输线阻抗变化段的阻抗可以相等。

S1016.根据得到的馈电网络模型中各个阵元的阻抗分布得到行阵列中各个阵元的阻抗分布。

具体地，以包括8个阵元的行矩阵的设计过程为例，如图10所示，其示出了馈电输入端口同侧阵元构成的馈电网络模型图。其中，Y_in表示总流入电流，Y₀表示各个阵元的导纳，z_i1表示各个阵元的第一阻抗器的阻抗，z_i4表示各个阵元的第二阻抗器的阻抗，z_ci表示各个阵元的第一和第二传输线阻抗变换段的阻抗。各个阵元的第一阻抗器的阻抗和第二阻抗器的阻抗满足下述关系：

所以通过合理控制相临近馈线的阻抗比就可以有效控制天线阵元的电流分布。以8阵元行矩阵为例，设计成维纶纽夫对称电流分布的结果是

(I₄,I₃,I₂,I₁,I₁,I₂,I₃,I₄)＝(0.215,0.228,0.392,0.465,0.465,0.392,0.288,0.215)

如图11示，其示出使用上述设计方法得到的8个阵元的行矩阵的电流仿真结果，其显然与目标维纶纽夫电流幅度分布非常接近。如图12所示，其示出了从输入馈电端口到阵元对应的8个端口的相位分布，可见相位在 28GHz附近几乎同向，这样可以保证馈电到各个阵元信号可以同相叠加获得更高增益。

经过上述设计可以得到包括8个阵元的行阵列，该行阵列的三维示意图如图13所示，该行阵列是构成8*8阵列天线的组阵元素，该行阵列可以实现最高11dBi的天线增益，非常接近理论最高值12dBi，其交叉极化抑制＞20dB，副瓣电平在垂直极化方向＜-23dB，这些特性非常适用于sub 6GHz 和毫米波频段的5G通讯基站使用。

相应的，本发明实施例进一步对于具有64(8×8)，128(8×16)和 256(16×16)个阵元的天线阵列进行了测试，其工作频段也可以扩展到 3.5GHz、4.9GHz、26.5GHz和39GHz，显然本发明实施例提供的天线阵列具备优异的电学性能。

本发明实施例提供了一种天线阵列方法，通过简单设计相邻单元间馈电网络的阻抗便可以实现如切比雪夫，泰勒或者维纶纽夫分布形式的电流。天线是无线通讯设备的重要部件，而相控阵天线又是5G通讯的核心技术之一，依赖于本发明提供的微带贴片天线和上述天线阵列方法得到的天线阵列加工简单、可靠，性能优越，在未来的5G通讯设备市场中具有非常大的经济价值。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如本发明的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在本发明的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

本发明还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者系统程序(如计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本发明的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，也可以在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。

应该注意的是，上述实施例是对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或者步骤等。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干系统的单元权利要求中，这些系统中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二以及第三等的使用不表示任何顺序，可将这些单词解释为名称。

Claims (10)

1.一种工作在毫米波段的微带贴片天线，其特征在于：

所述微带贴片天线由第一介质基片的下表面和第二介质基片的上表面通过压合的方式连接，所述第一介质贴片的上表面布设有辐射贴片，所述第二介质基片上布设有具有缝隙的馈电网络。

2.根据权利要求1所述的工作在毫米波段的微带贴片天线，其特征在于：

所述馈电网络由布设在所述第二介质基片的上表面的带有缝隙的金属地和布设在所述第二介质基片的下表面的馈线构成。

3.根据权利要求1所述的工作在毫米波段的微带贴片天线，其特征在于：

所述第二介质基片由馈电网络上层基片和馈电网络下层基片压合而成，所述馈电网络上层基片的下表面布设有金属地，所述馈电网络上层基片的上表面布设有第一缝隙，所述馈电网络下层基片的下表面布设有第二缝隙，所述第一缝隙和所述第二缝隙交叉布设。

4.根据权利要求1所述的工作在毫米波段的微带贴片天线，其特征在于：

所述第一介质基片和/或第二介质基片的介电常数与空气的介电常数的差值小于预设阈值。

5.一种天线阵列，其特征在于：

所述天线阵列包括一个以上的行矩阵，所述行矩阵不同阵元之间串联连接，所述阵元使用权利要求1-4中任意一项所述的一种工作在毫米波段的微带贴片天线；

每个所述行矩阵的中间位置设置有馈电输入端口，以所述馈电端口所在直线为中心，分布在所述馈电输入端口两侧的阵元具备轴对称关系；所述行矩阵中流经馈电输入端口同侧的相邻阵元的电流满足预设的电流分布规律。

6.根据权利要求5所述的天线阵列，其特征在于：

所述电流分布规律包括切比雪夫，泰勒或者维伦纽夫幅度分布规律。

7.根据权利要求5所述的天线阵列，其特征在于：

若所述天线阵列中包括多个行矩阵，则不同的行矩阵之间为并联连接。

8.根据权利要求7所述的天线阵列，其特征在于：

所述天线阵列中的阵元形成8*8、8*16或16*16矩阵。

9.一种天线阵列设计方法，所述方法用于设计权利要求5中所述的天线阵列，所述方法包括：

设计行矩阵中各个阵元的输入阻抗以及各个阵元之间传输线阻抗以得到行矩阵；

根据行矩阵的设计结果得到天线阵列。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：

所述设计行矩阵中各个阵元的输入阻抗以及各个阵元之间传输线阻抗以得到行矩阵包括：

获取行矩阵馈电输入端口同侧阵元构成的馈电网络模型图，所述馈电网络模型图中每个阵元的阻抗按照与所述馈电输入端口距离由近及远的顺序，由第一阻抗变换器、第一传输线阻抗变换段、第二传输线阻抗变化段和第二阻抗变换器形成；

获取所述行矩阵中电流分布需要满足的预设分布条件；

根据所述预设分布条件获取所述馈电网络模型图中各个阵元第二阻抗变换器阻抗和第一阻抗变换器阻抗的比值；

根据所述第二阻抗变换器阻抗和第一阻抗变换器阻抗的比值设定第一阻抗变换器的阻抗和第二阻抗变换器的阻抗；

根据所述第一阻抗变换器的阻抗和第二阻抗变换器的阻抗设定第一传输线阻抗变换段和第二传输线阻抗变化段的阻抗，并且使得相邻阵元间电长度为一个导波长；

根据得到的馈电网络模型中各个阵元的阻抗分布得到行阵列中各个阵元的阻抗分布。