CN109244656A - 5g毫米波滤波宽带天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种5G毫米波滤波宽带天线，包括从上而下的如下六层结构：一对金属贴片以及第一金属条带；一对第二金属条带；一对第三金属条带；开路金属条带；开设有一对槽线以及一个通孔的金属大地；微带线，其中，一对金属贴片构成电偶极子，第一金属化过孔、第三金属化过孔以及第二金属条带构成磁偶极子的侧壁，第一金属条带、第三金属条带、第二金属化过孔、第四金属化过孔、微带线构成馈电结构。本发明兼顾天线带宽、滤波特性及低剖面AiP架构，带宽覆盖多个5G毫米波频段，滤波通过上下边带辐射零点实现，并通过金属化过孔与金属条带混合连接实现磁偶极子及馈线达到低剖面设计效果。
Description
技术领域
本发明涉及微波通信领域，尤其涉及一种5G毫米波滤波宽带天线。
背景技术
相比第四代移动通信技术，第五代移动通信(5G)技术在速率、时延、连接数以及移动性上都将得到极大提升，而5G毫米波具有更好的速率性能。在中国5G毫米波工作频段为24.75-27.5GHz和37-42.5GHz，如果一个宽带天线(带宽大于53％)能同时覆盖这两个频段，将减少天线及接收发组件的数量，有利于5G移动终端的小型化。具有滤波特性的宽带毫米波天线能有效降低带外信号对系统的影响，并在一定程度上降低系统对滤波器的需求压力。同时，满足AiP(Antenna in Package，封装天线)架构的毫米波天线有利于提高系统集成及可行性。因此，满足AiP架构的宽带毫米波滤波天线对5G移动终端的发展具有重要意义。
目前有几种毫米波宽带天线技术，比如超表面天线技术，通常由相互耦合的多贴片构成辐射表面，但其带宽一般为28％，无法覆盖5G毫米波双频段，并且超表面结构可能超过半波长，对于组阵排列有影响。另一种技术为电磁偶极子天线，在空气介质结构环境下，相对工作带宽可以达到要求，而基片集成电磁偶极子天线还未有相关报道可以达到带宽要求，其带宽仅为28％左右；同时传统的基片集成电磁偶极子天线其剖面相对较高，不利于AiP架构设计，并且不具备频率低端和高端的带外辐射零点形成滤波的效果。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述部分天线存在带宽不够、天线单元电尺寸较大的缺点，部分天线存在剖面较高不利于AiP架构的缺点，并且都不具备滤波特性的缺陷，提供一种5G毫米波滤波宽带天线。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种5G毫米波滤波宽带天线，其特征在于，包括：
设置于第一层介质基板上表面的第一层结构，包括并排设置的一对金属贴片以及位于所述一对金属贴片之间的第一金属条带；
设置于第一层介质基板下表面和第二层介质基板上表面之间的第二层结构，包括与所述一对金属贴片对应的并排设置的一对第二金属条带，所述第二金属条带经由穿过第一层介质基板的一排第一金属化过孔与对应的金属贴片连接；
设置于第二层介质基板下表面和第三层介质基板上表面之间的第三层结构，包括一对第三金属条带，所述一对第三金属条带分别经由的第二金属化过孔与所述第一金属条带连接，第二金属化过孔依次穿过第一、二层介质基板；
设置于第三层介质基板下表面和第四层介质基板上表面之间的第四层结构，包括开路金属条带；
设置于第四层介质基板下表面和第五层介质基板上表面之间的第五层结构，包括开设有一对槽线以及一个通孔的金属大地，所述第二金属条带经由一排第三金属化过孔连接金属大地，第三金属化过孔依次穿过第二至第四层介质基板；
设置于第五层介质基板下表面的第六层结构，包括微带线，微带线、开路金属条带、其中一个第三金属条带三者通过第四金属化过孔连接，第四金属化过孔依次穿过第三和四层介质基板、通孔以及第五层介质基板；
其中，所述一对金属贴片构成电偶极子，第一金属化过孔、第三金属化过孔以及第二金属条带构成磁偶极子的侧壁，第一金属条带、第三金属条带、第二金属化过孔、第四金属化过孔、微带线构成馈电结构。
在本发明实施例中，所述第一金属条带和金属贴片平行设置；
所述一对金属贴片、一对第二金属条带、一对第三金属条带均分别关于所述第一层介质基板的左右对称面对称，且每一所述金属贴片、第二金属条带、第三金属条带均分别关于所述第一层介质基板的前后对称面对称；
所述一对槽线关于所述第一层介质基板的前后对称面对称，且每一所述槽线关于所述第一层介质基板的左右对称面对称。
在本发明实施例中，所述金属贴片、第二金属条带的长度方向均平行于所述第一层介质基板的左右对称面，第三金属条带、槽线、微带线、开路金属条带的长度方向均垂直于所述第一层介质基板的左右对称面。
在本发明实施例中，所述金属贴片的靠近所述第一层介质基板的左右对称面的一侧经由竖直设置的一排第一金属化过孔与第二金属条带的靠近所述第一层介质基板的左右对称面的一侧连接，第二金属条带的另一侧经由竖直设置的一排第三金属化过孔连接金属大地。
在本发明实施例中，所述第一金属条带的左右两侧分别经由竖直设置的一组第二金属化过孔与所述一对第三金属条带的靠近所述第一层介质基板的左右对称面的端部连接，靠右的一个第一金属条带的远离所述第一层介质基板的左右对称面的端部经由竖直设置的第四金属化过孔连接开路金属条带的右端以及微带线的左端。
在本发明实施例中，所述一对槽线之间的距离小于所述金属贴片的长度。
在本发明实施例中，所述通孔位于所述一对槽线之间以及所述一对金属贴片之间。
本发明的5G毫米波滤波宽带天线，具有以下有益效果：本发明兼顾天线带宽、滤波特性及低剖面AiP架构，带宽覆盖多个5G毫米波频段，滤波通过上下边带辐射零点实现，并通过金属化过孔与金属条带混合连接实现磁偶极子及馈线达到低剖面设计效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图：
图1是本发明5G毫米波滤波宽带天线的剖视图；
图2是第一层结构的示意图；
图3是第二层结构的示意图；
图4是第三层结构的示意图；
图5是第四层结构的示意图；
图6是第五层结构的示意图；
图7是第六层结构的示意图；
图8是天线的仿真结果图；
图9是天线的仿真方向图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的典型实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。应当理解本发明实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本发明实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
需要说明的是，本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
参考图1，本发明实施例提供一种5G毫米波滤波宽带天线，包括设置于第一层介质基板顶部的第一层结构1、设置于第一层介质基板下表面和第二层介质基板上表面之间的第二层结构2、设置于第二层介质基板下表面和第三层介质基板上表面之间的第三层结构3、设置于第三层介质基板下表面和第四层介质基板上表面之间的第四层结构4、设置于第四层介质基板下表面和第五层介质基板上表面之间的第五层结构5、设置于第五层介质基板下表面的第六层结构6，第一至第六层介质基板均为平面尺寸相同的矩形，且投影重合。
参考图2，结合图1，第一层结构1，包括左右并排设置的一对金属贴片7以及位于所述一对金属贴片7之间的第一金属条带12，金属贴片7和第一金属条带12平行，且两者的平面形状为矩形，所述第一金属条带12关于第一层介质基板的前后对称面对称，且关于第一层介质基板的左右对称面非对称。
参考图3，结合图1，设置于第一、二层介质基板之间的第二层结构2，包括与所述一对金属贴片7对应的并排设置的一对第二金属条带10，所述第二金属条带10经由穿过第一层介质基板的一排第一金属化过孔8与对应的金属贴片7连接；
参考图4，结合图1，设置于第二、三层介质基板之间的第三层结构3，包括一对第三金属条带14，所述一对第三金属条带14分别经由的第二金属化过孔13与第一金属条带12，第二金属化过孔13依次穿过第一、二层介质基板；
参考图5，结合图1，设置于第三、四层介质基板之间的第四层结构4，包括开路金属条带18；
参考图6，结合图1，设置于第四、五层介质基板之间的第五层结构5，包括开设有一对槽线19以及一个通孔16的金属大地11，金属大地11与第四层介质基板投影重合，所述第二金属条带10经由一排第三金属化过孔9连接金属大地11，第三金属化过孔9依次穿过第二至第四层介质基板；
参考图7，结合图1，第六层结构6，包括微带线17，微带线17、开路金属条带18、其中一个第三金属条带14三者通过第四金属化过孔15连接，第四金属化过孔15依次穿过第三和四层介质基板、通孔16以及第五层介质基板；
其中，所述一对金属贴片7构成电偶极子，第一金属化过孔8、第三金属化过孔9以及第二金属条带10混合连接构成磁偶极子的侧壁，第一金属条带12、第三金属条带14、第二金属化过孔13、第四金属化过孔15、微带线17混合连接构成馈电结构。
更具体的，金属贴片7、第二金属条带10的长度方向均平行于所述第一层介质基板的左右对称面，第三金属条带14、槽线19、微带线17、开路金属条带18的长度方向均垂直于所述第一层介质基板的左右对称面。所述一对金属贴片7、一对第二金属条带10、一对第三金属条带14均分别关于所述第一层介质基板的左右对称面对称，且每一所述金属贴片7、第二金属条带10、第三金属条带14均分别关于所述第一层介质基板的前后对称面对称；所述一对槽线19关于所述第一层介质基板的前后对称面对称，且每一所述槽线19关于所述第一层介质基板的左右对称面对称。所述一对槽线19之间的距离小于所述金属贴片7的长度。所述通孔16位于所述一对槽线19之间以及所述一对金属贴片7之间。
其中，所述金属贴片7的靠近所述第一层介质基板的左右对称面的一侧经由竖直设置的一排第一金属化过孔8与第二金属条带10的靠近所述第一层介质基板的左右对称面的一侧连接，第二金属条带10的另一侧经由竖直设置的一排第三金属化过孔9连接金属大地11。
其中，所述第一金属条带12的左右两侧分别经由竖直设置的一组第二金属化过孔13与所述一对第三金属条带14的靠近所述第一层介质基板的左右对称面的端部连接，靠右的一个第三金属条带14的远离所述第一层介质基板的左右对称面的端部经由竖直设置的第四金属化过孔15连接开路金属条带18的右端以及微带线17的左端，微带线17的右端位于第五层介质基板下表面的边缘。
本发明的工作原理如下：信号通过微带线17传导到由金属条带12、14以及金属化过孔13、15混合连接构成馈电结构上，而后信号耦合到由两个金属贴片7构成的电偶极子与由金属化过孔8、9和金属条带10混合连接构成磁偶极子的侧壁上，在此工作过程中馈电结构在低频产生辐射零点，开路金属条带18与两条槽线19在高频产生两个辐射零点，从而达到宽带滤波的工作效果。可见，本发明实施例将开路金属条带及双槽结构引入到由贴片、连接孔及金属条带混合连接而成的低剖面宽带基片集成磁电偶极子中，实现了具有滤波特性的可用于AiP架构的低剖面宽带毫米波天线，带宽可覆盖中国5G毫米波双频段，特别适合面向5G移动端。
本发明的实施例具有如下效果：1)将开路金属条带和两条槽线引入到由贴片、连接孔及金属条带混合连接而成的新型低剖面宽带基片集成磁电偶极子中，形成了具有上下边带辐射零点的毫米波宽带滤波天线，且兼具较低的剖面利于AiP架构；2)两条槽相对于电偶极子对称，在实现频率高端辐射零点的同时不破坏方向图的对称性；3)开路金属条带的方向与电偶极子的极化方向一致，在实现频率高端辐射零点的同时不破坏磁偶极子在工作频带内的辐射；4)金属化过孔与金属条带错位连接构成磁偶极子的侧壁及馈电结构，有利于天线的低剖面实现。
例如，一个具体的实施方式中，天线仿真的匹配及增益响应如图8所示，可见其6-dB匹配带宽达到了53％，很好的覆盖了5G毫米波的两个频段。频带内增益范围为5.15-6.16dBi。图9是在26GHz与39GHz处的天线仿真方向图，具体的，左图是26GHz yoz面方向图和xoz面方向图，右图是39GHz yoz面方向图和xoz面方向图，本案例采用的是介电常数为3.4，损耗角为0.004的基板，介质基板总厚度0.78mm，即在26GHz时为0.068λ0。
综上，相比于现有技术，本发明能在低剖面条件下覆盖5G毫米波的24.75-27.5GHz和37-42.5GHz两个频段，带宽约为53％以上，有利于AiP架构，并且在工作频带两端形成辐射零点提高了天线的频率选择性，有利于天线滤波，降低系统对滤波器的需求。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (7)
1.一种5G毫米波滤波宽带天线，其特征在于，包括：
设置于第一层介质基板上表面的第一层结构(1)，包括并排设置的一对金属贴片(7)以及位于所述一对金属贴片(7)之间的第一金属条带(12)；
设置于第一层介质基板下表面和第二层介质基板上表面之间的第二层结构(2)，包括与所述一对金属贴片(7)对应的并排设置的一对第二金属条带(10)，所述第二金属条带(10)经由穿过第一层介质基板的第一金属化过孔(8)与对应的金属贴片(7)连接；
设置于第二层介质基板下表面和第三层介质基板上表面之间的第三层结构(3)，包括一对第三金属条带(14)，所述一对第三金属条带(14)分别经由的第二金属化过孔(13)与所述第一金属条带(12)连接，第二金属化过孔(13)依次穿过第一、二层介质基板；
设置于第三层介质基板下表面和第四层介质基板上表面之间的第四层结构(4)，包括开路金属条带(18)；
设置于第四层介质基板下表面和第五层介质基板上表面之间的第五层结构(5)，包括开设有一对槽线(19)以及一个通孔(16)的金属大地(11)，所述第二金属条带(10)经由一排第三金属化过孔(9)连接金属大地(11)，第三金属化过孔(9)依次穿过第二至第四层介质基板；
设置于第五层介质基板下表面的第六层结构(6)，包括微带线(17)，微带线(17)、开路金属条带(18)、其中一个第三金属条带(14)三者通过第四金属化过孔(15)连接，第四金属化过孔(15)依次穿过第三和四层介质基板、通孔(16)以及第五层介质基板；
其中，所述一对金属贴片(7)构成电偶极子，第一金属化过孔(8)、第三金属化过孔(9)以及第二金属条带(10)构成磁偶极子的侧壁，第一金属条带(12)、第三金属条带(14)、第二金属化过孔(13)、第四金属化过孔(15)、微带线(17)构成馈电结构。
2.根据权利要求1所述的5G毫米波滤波宽带天线，其特征在于，所述第一金属条带(12)和金属贴片(7)平行设置；
所述一对金属贴片(7)、一对第二金属条带(10)、一对第三金属条带(14)均分别关于所述第一层介质基板的左右对称面对称，且每一所述金属贴片(7)、第二金属条带(10)、第三金属条带(14)均分别关于所述第一层介质基板的前后对称面对称；
所述一对槽线(19)关于所述第一层介质基板的前后对称面对称，且每一所述槽线(19)关于所述第一层介质基板的左右对称面对称。
3.根据权利要求2所述的5G毫米波滤波宽带天线，其特征在于，所述金属贴片(7)、第二金属条带(10)的长度方向均平行于所述第一层介质基板的左右对称面，第三金属条带(14)、槽线(19)、微带线(17)、开路金属条带(18)的长度方向均垂直于所述第一层介质基板的左右对称面。
4.根据权利要求3所述的5G毫米波滤波宽带天线，其特征在于，所述金属贴片(7)的靠近所述第一层介质基板的左右对称面的一侧经由竖直设置的一排第一金属化过孔(8)与第二金属条带(10)的靠近所述第一层介质基板的左右对称面的一侧连接，第二金属条带(10)的另一侧经由竖直设置的一排第三金属化过孔(9)连接金属大地(11)。
5.根据权利要求3所述的5G毫米波滤波宽带天线，其特征在于，所述第一金属条带(12)的左右两侧分别经由竖直设置的一组第二金属化过孔(13)与所述一对第三金属条带(14)的靠近所述第一层介质基板的左右对称面的端部连接，靠右的一个第三金属条带(14)的远离所述第一层介质基板的左右对称面的端部经由竖直设置的第四金属化过孔(15)连接开路金属条带(18)的右端以及微带线(17)的左端。
6.根据权利要求3所述的5G毫米波滤波宽带天线，其特征在于，所述一对槽线(19)之间的距离小于所述金属贴片(7)的长度。
7.根据权利要求3所述的5G毫米波滤波宽带天线，其特征在于，所述通孔(16)位于所述一对槽线(19)之间以及所述一对金属贴片(7)之间。
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