CN109301460A - 5g毫米波双频段双阵列天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种5G毫米波双频段双阵列天线，包括依次间隔排列的低、高频天线单元，低、高频天线单元两者分别包括尺寸不同的天线模型单元，天线模型单元包括五层结构，其中，第一层结构为加载槽的金属贴片，第二层结构和第三层结构构成加载短路枝节的折叠开路谐振器，利用谐振器和加载槽的金属贴片产生两个反射零点，使得天线带宽增加；利用谐振器偶模，谐振器与贴片耦合分别产生可控的低、高端辐射零点，提高双阵列天线之间的近场及远场隔离，形成两个工作在不同频率的具有两个反射零点及两个辐射零点的阵列，且两个阵列具有总体尺寸小、相互隔离；并且通过改变槽的尺寸来控制贴片与谐振器之间的耦合从而达到天线低剖面设计的目的。
Description
技术领域
本发明涉及微波通信领域，尤其涉及一种5G毫米波双频段双阵列天线。
背景技术
第五代移动通信技术(5G)提出了毫米波应用需求(中国频段为24.75-27.5GHz和37-42.5GHz)，旨在通过宽带频谱实现高速率数据传输。为了覆盖这两个毫米波频段可以有单天线双频带天线、双天线双频带天线及宽带天线，然而宽带天线方案需要带宽为53％，其设计难度大、结构复杂，而双天线双频段方案相对于单天线双频带方案可以针对两个频段分别进行优化、设计难度降低、结构相对简单。因此双频段双毫米波天线是5G毫米波通信的一个重要技术。同时，在毫米波频段，相同路径条件下电磁波的传输损耗大，因此需要阵列天线来获得足够增益。可见，如何获得高性能、小尺寸的毫米波双频段双阵列天线对5G移动通信技术具有重要意义。
目前双频段双阵列天线有多种实现方式，从频率上来讲主要工作于较低频段，而工作于5G毫米波频段的设计较少，即其天线结构形式不适合毫米波频段。从排列方式分类有双排和单排两种形式，双排阵列尺寸较大，单排阵列尺寸相对较小。目前的单排双频段双阵列天线主要工作于低频段，且频率间距较大，因此在近场及远场隔离的设计难度较低。而在5G毫米波频段，两个频段的频率间距较小，因此需要新的技术手段实现近场及远场隔离，并使其适合工作于毫米波频段，具有足够的带宽和较低的剖面等。
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双频段双阵列天线主要工作于较低频段，天线结构形式不适合毫米波频段，并且尺寸较大；大多数设计没有通过辐射零点的技术提高阵列隔离，而具备辐射零点调控的双频段双阵列天线为双排阵列设计，尺寸偏大，并且设计复杂，即在辐射零点以及耦合调控时整体工作性能变化较大，需要复杂的综合优化的缺陷，提供一种5G毫米波双频段双阵列天线。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种5G毫米波双频段双阵列天线，包括依次间隔排列的低频天线单元和高频天线单元，所述低频天线单元和高频天线单元两者分别包括尺寸不同的天线模型单元，以便使两者工作于不同的工作频率，其中，所述天线模型单元包括：
设置在第一层介质基板上表面的第一层结构，包括开设有耦合槽的金属贴片；
设置在第二层介质基板上表面和第一层介质基板下表面之间的第二层结构，包括主金属条带和枝节金属条带；
设置在第三层介质基板上表面和第二层介质基板下表面之间的第三层结构，包括分别与所述主金属条带的两端经由穿过所述第二层介质基板的两个第一连接孔连接的两个折叠金属条带，所述第二层结构和第三层结构构成加载短路枝节的折叠开路谐振器；
设置在第四层介质基板上表面和第三层介质基板下表面之间的第四层结构，包括开设有通孔的金属大地，所述枝节金属条带端部经由第二连接孔与金属大地连接，第二连接孔依次穿过所述第二层介质基板和第三介质基板；
设置在第四层介质基板下表面的第五层结构，包括馈电结构，所述馈电结构经由第三连接孔与主金属条带连接，第三连接孔依次穿过所述第二层介质基板、第三介质基板、通孔和第四介质基板。
在本发明实施例中，所述耦合槽、金属贴片、主金属条带、金属大地四者的中心投影重合，所述金属贴片的一对侧边位于所述耦合槽两侧且关于所述耦合槽对称，所述耦合槽与主金属条带垂直。
在本发明实施例中，所述主金属条带的两侧的中心位置分别沿垂直于所述主金属条带方向向外延伸形成关于所述主金属条带对称的两个所述枝节金属条带；两个所述折叠金属条带的投影与所述主金属条带两端部分的投影重合。
在本发明实施例中，所述馈电结构为微带线，所述微带线的投影与所述耦合槽的投影平行且错开一定距离，所述微带线的前端经由竖直设置的所述第三连接孔与主金属条带连接，所述微带线的后端位于所述第四层介质基板下表面的一个侧边。
本发明的5G毫米波双频段双阵列天线，具有以下有益效果：实现5G毫米波单排双频段双阵列天线时，高、低频阵列中的每个天线单元都是采用加载短路枝节的折叠开路谐振器和加载槽的金属贴片结构，利用加载短路枝节的折叠开路谐振器和加载槽的金属贴片产生两个反射零点，使得天线带宽增加，通过调节二者之间的耦合间距和槽的大小，可以调节天线带宽，增加了设计自由度；利用谐振器偶模，谐振器与贴片耦合分别产生可控的低、高端辐射零点，提高双阵列天线之间的近场及远场隔离，形成两个工作在不同频率的具有两个反射零点及两个辐射零点的阵列，且两个阵列具有总体尺寸小、相互隔离；并且通过改变槽的尺寸来控制贴片与谐振器之间的耦合从而达到天线低剖面设计的目的。
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是本发明实施例提供的5G毫米波双频段双阵列天线的示意图；
图2是本发明实施例提供的5G毫米波双频段双阵列天线的剖视图；
图3是第一层结构的结构示意图；
图4是第二层结构的结构示意图；
图5是第三层结构的结构示意图；
图6是第四层结构的结构示意图；
图7是第五层结构的结构示意图；
图8是天线的仿真匹配图；
图9是天线的结增益曲线图；
图10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毫米波双频段双阵列天线，包括依次间隔排列的低频天线单元101和高频天线单元102，所述低频天线单元101和高频天线单元102两者分别包括尺寸不同的天线模型单元，以便使两者工作于不同的工作频率。
参考图2，所述天线模型单元包括：设置在第一层介质基板上表面的第一层结构2、设置在第二层介质基板上表面和第一层介质基板下表面之间的第二层结构3、设置在第三层介质基板上表面和第二层介质基板下表面之间的第三层结构4、设置在第四层介质基板上表面和第三层介质基板下表面之间的第四层结构5、设置在第四层介质基板下表面的第五层结构6。
参考图3，结合图2，第一层结构2，包括开设有耦合槽7的金属贴片8，金属贴片8的平面形状呈矩形，耦合槽7具体开设在金属贴片8中心，即所述耦合槽7和金属贴片8的中心投影重合，且所述金属贴片8的左右一对侧边位于所述耦合槽7两侧且关于所述耦合槽7对称。由于顶层的金属贴片8在中心开耦合槽7，保证了E面方向图的对称性，并且通过改变耦合槽7的尺寸来控制贴片8与谐振器14之间的耦合从而达到天线低剖面设计的目的；
参考图4，结合图2，第二层结构3，包括主金属条带9和枝节金属条带10，所述主金属条带9和耦合槽7的中心投影重合，且所述耦合槽7与主金属条带9垂直，主金属条带9的两侧的中心位置分别沿垂直于所述主金属条带9方向向外延伸形成关于所述主金属条带9对称的两个所述枝节金属条带10，两个短路枝节对称加载保证了H面方向图的对称性。
参考图5，结合图2，第三层结构4，包括分别与所述主金属条带9的两端经由穿过所述第二层介质基板的两个第一连接孔11连接的两个折叠金属条带13，，所述第二层结构3和第三层结构4构成加载短路枝节的折叠开路谐振器14具体的，两个所述折叠金属条带13的投影与所述主金属条带9两端部分的投影重合，类似于在第二层介质基板上表面放置一个金属条带，将金属条带两端折叠，折叠部分垂直落入到第三层介质基板上表面作为折叠金属条带13，其他部分留在第二层介质基板上表面作为所述主金属条带9，由于将金属条带两端折叠，在控制高端辐射零点位置的同时保证主辐射方向的稳定性。
参考图6，结合图2，第四层结构5，包括开设有通孔15的金属大地16，金属大地16与金属贴片8的中心投影重合，且两者的设置方向一致，即两者的四条侧边是一一对应平行的。所述枝节金属条带10端部经由第二连接孔12与金属大地16连接，第二连接孔12依次穿过所述第二层介质基板和第三介质基板，通孔15具体为圆形通孔。
参考图7，结合图2，第五层结构6，包括馈电结构17，所述馈电结构17优选为微带线，所述微带线的前端经由竖直设置的所述第三连接孔18与主金属条带9连接，第三连接孔18依次穿过所述第二层介质基板、第三介质基板、通孔15和第四介质基板，所述微带线的后端位于所述第四层介质基板下表面的前侧边，所述微带线的投影与所述耦合槽7的投影平行且错开一定距离。通过控制第三连接孔18的位置，即控制微带线与耦合槽7的投影之间的距离，可以调控天线的匹配。
其中，第一连接孔11、第二连接孔12、第三连接孔18实际上均是由金属铜柱的外表面形成。
本发明实施例的工作原理是：通过馈电结构17和第三连接孔18将信号传输到加载短路枝节的折叠开路谐振器14，而后信号耦合到加载了耦合槽7的金属贴片8，产生辐射。利用加载短路枝节的折叠开路谐振器14的奇模和加载了耦合槽7的金属贴片8产生两个反射零点，使得天线带宽增加，通过调节二者之间的耦合间距(通过调节第一介质基板的高度实现)和耦合槽7的大小，可以调节天线带宽，增加了设计自由度；而加载短路枝节的折叠开路谐振器14的偶模产生低端辐射零点，通过调节枝节金属条带10和折叠金属条带13的长度可以调节低端辐射零点的位置；同时，加载短路枝节的折叠开路谐振器14和加载了耦合槽7的金属贴片8之间的耦合产生高端辐射零点，通过调节耦合长度即主金属条带9的长度，可以改变高端辐射零点的位置，本发明实施例在设计5G毫米波双频段双阵列天线时，分别在不同的频率设计天线单元，然后将高频天线单元102插入低频天线单元101之间，通过调节辐射零点的位置，使低频阵列天线在高频阵列天线工作频率处产生辐射零点，高频阵列天线在低频阵列天线工作频率处产生辐射零点，增加双阵列天线之间的近场及远场隔离。
本发明实施例的天线的仿真的匹配响应和辐射响应如图8、9所示，可见其工作频带可覆盖24.75-27.5GHz及37-42.5GHz，在低频段的平均增益为10.6dBi，在高频端的平均增益为12.1dBi，且低频阵列天线在高频阵列天线频带处产生辐射零点，高频阵列天线在低频阵列天线频带处也产生辐射零点，天线整体剖面高度为0.65mm，即在26GHz时为0.056λ0。图10中左图是在26GHz处的天线方向图、右图是在40GHz处的天线方向图。该实施例采用的基板都是介电常数为3.38，损耗角为0.0027的RO4003C基板。
综上，本发明的5G毫米波双频段双阵列天线，具有以下有益效果：实现5G毫米波单排双频段双阵列天线时，高、低频阵列中的每个天线单元都是采用加载短路枝节的折叠开路谐振器和加载槽的金属贴片结构，分别利用二者的奇模和TM01模实现工作频段，利用加载短路枝节的折叠开路谐振器和加载槽的金属贴片产生两个反射零点，使得天线带宽增加，通过调节二者之间的耦合间距和槽的大小，可以调节天线带宽，增加了设计自由度；利用谐振器偶模，谐振器与贴片耦合分别产生可控的低、高端辐射零点，提高双阵列天线之间的近场及远场隔离，形成两个工作在不同频率的具有两个反射零点及两个辐射零点的阵列，且两个阵列具有总体尺寸小、相互隔离；并且通过改变槽的尺寸来控制贴片与谐振器之间的耦合从而达到天线低剖面设计的目的。
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 (4)
1.一种5G毫米波双频段双阵列天线，其特征在于，包括依次间隔排列的低频天线单元(101)和高频天线单元(102)，所述低频天线单元(101)和高频天线单元(102)两者分别包括尺寸不同的天线模型单元，以便使两者工作于不同的工作频率，其中，所述天线模型单元包括：
设置在第一层介质基板上表面的第一层结构(2)，包括开设有耦合槽(7)的金属贴片(8)；
设置在第二层介质基板上表面和第一层介质基板下表面之间的第二层结构(3)，包括主金属条带(9)和枝节金属条带(10)；
设置在第三层介质基板上表面和第二层介质基板下表面之间的第三层结构(4)，包括分别与所述主金属条带(9)的两端经由穿过所述第二层介质基板的两个第一连接孔(11)连接的两个折叠金属条带(13)，所述第二层结构(3)和第三层结构(4)构成加载短路枝节的折叠开路谐振器(14)；
设置在第四层介质基板上表面和第三层介质基板下表面之间的第四层结构(5)，包括开设有通孔(15)的金属大地(16)，所述枝节金属条带(10)端部经由第二连接孔(12)与金属大地(16)连接，所述第二连接孔(12)依次穿过所述第二层介质基板和第三介质基板；
设置在第四层介质基板下表面的第五层结构(6)，包括馈电结构(17)，所述馈电结构(17)经由第三连接孔(18)与主金属条带(9)连接，所述第三连接孔(18)依次穿过所述第二层介质基板、第三介质基板、通孔(15)和第四介质基板。
2.根据权利要求1所述的5G毫米波双频段双阵列天线，其特征在于，所述耦合槽(7)、金属贴片(8)、主金属条带(9)、金属大地(16)四者的中心投影重合，所述金属贴片(8)的一对侧边位于所述耦合槽(7)两侧且关于所述耦合槽(7)对称，所述耦合槽(7)与主金属条带(9)垂直。
3.根据权利要求2所述的5G毫米波双频段双阵列天线，其特征在于，所述主金属条带(9)的两侧的中心位置分别沿垂直于所述主金属条带(9)方向向外延伸形成关于所述主金属条带(9)对称的两个所述枝节金属条带(10)；两个所述折叠金属条带(13)的投影与所述主金属条带(9)两端部分的投影重合。
4.根据权利要求1所述的5G毫米波双频段双阵列天线，其特征在于，所述馈电结构(17)为微带线，所述微带线的投影与所述耦合槽(7)的投影平行且错开一定距离，所述微带线的前端经由竖直设置的所述第三连接孔(18)与主金属条带(9)连接，所述微带线的后端位于所述第四层介质基板下表面的一个侧边。
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