CN109301473A - 5g毫米波宽带差分天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种5G毫米波宽带差分天线，包括：设置于顶层介质基板上表面的顶层结构，包括金属条带以及对称分布于金属条带两侧的两组金属贴片谐振器，金属条带用于将微波信号耦合给所述两组金属贴片谐振器以产生所需要的谐振模式；设置于底层介质基板上表面和顶层介质基板下表面之间的中间层结构，所述中间层结构为在自身厚度方向开设有两个通孔的金属大地；设置于底层介质基板下表面的底层结构，包括两个馈电结构，两个馈电结构分别经由穿过两个通孔的两个金属通孔与所述金属条带连接，以对所述金属条带进行对称馈电，本发明的剖面低、带宽宽及结构简单，满足了第五代移动通信技术对带宽的需求，同时，本天线交叉极化低、方向图对称。
Description
技术领域
本发明涉及通信领域，尤其涉及一种5G毫米波宽带差分天线。
背景技术
随着通信领域对高传输速率和宽带宽的需求不断增长，第五代移动通信技术向着高频段发展，部分工作波段涵盖毫米波频段。在毫米波频段波长较小，因此差分毫米波前端系统的实际物理尺寸较小，并且差分系统能有效提高收发系统的稳定性和抗噪声能力，因此为毫米波差分系统提供了可行性及必要性。毫米波差分天线是毫米波差分系统的重要组成部分，能有效抑制共模噪声的发射，提高交叉极化抑制及端口隔离，并且能与差分系统有效直连，避免了差分信号与单端信号转换电路即巴伦。在此背景下，设计一款宽带差分天线，使其能满足第五代移动通信技术的毫米波频段需求，对于无线通信技术的发展具有重要意义。
目前已有关于毫米波差分天线的报道。部分技术利用基片集成波导对贴片天线进行双槽馈电，该基片集成波导工作于TE20模式在双槽上形成反相电场，因此形成差分天线效果，但是该种天线结构复杂、成本高且带宽较窄只有9％，不能满足大多数毫米波应用。另一部分技术利用差分微带对通过双槽向双层贴片馈电形成毫米波差分天线，但是开槽形成的背向辐射需要额外处理并且辐射体由多层贴片构成，因此结构层数较多，结构复杂，成本上升。
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使用基片集成波导双槽馈电贴片天线技术或差分微带对双槽馈电多层贴片技术等此类技术存在的天线结构复杂、成本高或带宽较窄等原因而不利于5G毫米波天线的普及应用的缺陷，提供一种5G毫米波宽带差分天线。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种5G毫米波宽带差分天线，包括：
设置于顶层介质基板上表面的顶层结构，包括金属条带以及对称分布于金属条带两侧的两组金属贴片谐振器，金属条带用于将微波信号耦合给所述两组金属贴片谐振器以产生所需要的谐振模式；
设置于底层介质基板上表面和顶层介质基板下表面之间的中间层结构，所述中间层结构为在自身厚度方向开设有两个通孔的金属大地；
设置于底层介质基板下表面的底层结构，包括两个馈电结构，两个馈电结构分别经由穿过两个通孔的两个金属通孔与所述金属条带连接，以对所述金属条带进行对称馈电。
在本发明的一个实施例中，所述两个馈电结构的两个馈电端之间的连线的中心点与金属条带的中心点的投影重合。
在本发明的一个实施例中，所述通孔为圆形通孔。
在本发明的一个实施例中，所述金属条带中心与所述顶层介质基板中心的投影重合，所述顶层介质基板的一对侧边位于所述金属条带两侧且关于所述金属条带对称，每一组金属贴片谐振器包括两个金属贴片，所述两个金属贴片沿平行于所述金属条带的方向并排设置，且两个金属贴片之间间隔预设距离形成条形缝隙，以使所述两个金属贴片工作在反相TE20模式。
在本发明的一个实施例中，所述金属贴片的平面形状为矩形。
在本发明的一个实施例中，所述两个馈电结构为并排设置的等长的两个微带线，两个微带线之间间隔一定距离，两个微带线均与所述金属条带垂直，两个微带线的后端位于所述底层介质基板下表面的同一侧边的不同位置，两个微带线的前端形成所述两个馈电端，所述两个馈电端分别通过两个竖直设置的所述金属通孔连接所述金属条带。
本发明的5G毫米波宽带差分天线，具有以下有益效果：本发明的5G毫米波宽带差分天线引入对称馈电的金属条带以及关于金属条带对称分布的两组金属贴片谐振器，构成单层结构毫米波差分天线，获得剖面低、带宽宽及结构简单的效果；进一步地，金属条带与金属贴片分布关于馈电连线中心点对称，保证了方向图的对称性及低交叉极化；金属贴片之间的条形缝隙保证两个金属贴片工作在反相TE20模式，使得天线在差分激励下能顺利工作，本发明可以作为独立的天线单体工作，也可以排成阵列形成定向天线阵列或具有波束扫描功能的相控阵阵列。
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毫米波宽带差分天线的剖面图；
图2是顶层结构的平面示意图；
图3是中间层结构的平面示意图；
图4是底层结构的平面示意图；
图5是本发明实施例提供的天线的仿真结果示意图；
图6是本发明实施例提供的天线的仿真方向图。
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1-4，本发明实施例提供一种5G毫米波宽带差分天线，包括从上至下依次设置的顶层结构1、顶层介质基板、中间层结构2、底层介质基板、底层结构3。
其中，顶层结构1设置于顶层介质基板上表面，由金属条带4以及对称分布于金属条带4两侧的两组金属贴片谐振器5组成。其中，金属条带4用于将微波信号耦合给所述两组金属贴片谐振器5以产生所需要的谐振模式。
其中，中间层结构2设置于底层介质基板上表面和顶层介质基板下表面之间，所述中间层结构2为在自身厚度方向开设有两个通孔6的金属大地7。金属大地7、顶层介质基板、底层介质基板的平面形状相同且均呈矩形，且在水平面的投影重合。通孔6具体为圆形通孔。
其中，底层结构3设置于底层介质基板下表面，由两个馈电结构8组成，所述两个馈电结构8的两个馈电端之间的连线的中心点与金属条带4的中心点的投影重合，两个馈电结构8分别经由穿过两个通孔6的两个金属通孔9与所述金属条带4连接，以对所述金属条带4进行对称馈电。其中，金属通孔9实际上是由金属铜柱的外表面形成。
具体的，所述金属条带4中心与所述顶层介质基板中心的投影重合，所述顶层介质基板的一对侧边位于所述金属条带4两侧且关于所述金属条带4对称，每一组金属贴片谐振器5包括两个金属贴片，所述金属贴片的平面形状为矩形。所述两个金属贴片沿平行于所述金属条带4的方向并排设置，且两个金属贴片之间间隔预设距离形成条形缝隙，以使所述两个金属贴片工作在反相TE20模式。
具体的，所述两个馈电结构8为并排设置的等长的两个微带线，两个微带线之间间隔一定距离，两个微带线均与所述金属条带4垂直，两个微带线的后端位于所述底层介质基板下表面的同一侧边的不同位置，两个微带线的前端形成所述两个馈电端，所述两个馈电端分别通过两个竖直设置的所述金属通孔9连接所述金属条带4。
本发明所提出的天线的工作原理是：差分毫米波信号分别从底层结构3的两条微带线的后端馈入，然后经由前端所连接的金属通孔9对顶层结构1中的金属条带4进行对称馈电，然后金属条带4将微波信号耦合给位于金属条带4两侧的两组金属贴片谐振器5，最终达到天线宽带工作的效果。通过在同一层引入对称馈电的金属条带以及关于金属条带对称分布的两组金属贴片谐振器，既满足了第五代移动通信技术对带宽的需求，又解决了现有的差分天线设计结构复杂，加工成本高的缺点，天线剖面低(0.044λ0)，带宽宽(16.4％)，结构简单。同时，本天线还具有交叉极化低、方向图对称等的效果。
例如，一个具体实施方式中，两个基板介电常数为3.38，损耗角为0.0027，天线部分厚度(即顶层介质基板的厚度)为0.508mm(0.044λ0)，馈线部分厚度(即底层介质基板的厚度)为0.203mm。如图5示意了该天线的仿真结果，图中示意了天线仿真的传输响应和辐射响应，可见其工作在26GHz频带，10-dB匹配带宽为16.4％，频带内增益为7.2-7.4dBi。图6是在26GHz处的天线仿真方向图，图6中左边是xoz面辐射方向图，图6中右边是yoz面辐射方向图，可见天线的交叉极化水平优于40dB。
综上，本发明的5G毫米波宽带差分天线，具有以下有益效果：本发明的5G毫米波宽带差分天线引入对称馈电的金属条带以及关于金属条带对称分布的两组金属贴片谐振器，构成单层结构毫米波差分天线，获得剖面低、带宽宽及结构简单的效果；进一步地，金属条带与金属贴片分布关于馈电连线中心点对称，保证了方向图的对称性及低交叉极化；金属贴片之间的条形缝隙保证两个金属贴片工作在反相TE20模式，使得天线在差分激励下能顺利工作，本发明可以作为独立的天线单体工作，也可以排成阵列形成定向天线阵列或具有波束扫描功能的相控阵阵列。
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 (6)
1.一种5G毫米波宽带差分天线，其特征在于，包括：
设置于顶层介质基板上表面的顶层结构(1)，包括金属条带(4)以及对称分布于金属条带(4)两侧的两组金属贴片谐振器(5)，金属条带(4)用于将微波信号耦合给所述两组金属贴片谐振器(5)以产生所需要的谐振模式；
设置于底层介质基板上表面和顶层介质基板下表面之间的中间层结构(2)，所述中间层结构(2)为在自身厚度方向开设有两个通孔(6)的金属大地(7)；
设置于底层介质基板下表面的底层结构(3)，包括两个馈电结构(8)，两个馈电结构(8)分别经由穿过两个通孔(6)的两个金属通孔(9)与所述金属条带(4)连接，以对所述金属条带(4)进行对称馈电。
2.根据权利要求1所述的5G毫米波宽带差分天线，其特征在于，所述通孔(6)为圆形通孔。
3.根据权利要求1所述的5G毫米波宽带差分天线，其特征在于，所述两个馈电结构(8)的馈电端之间连线的中心点与金属条带(4)的中心点的投影重合。
4.根据权利要求3所述的5G毫米波宽带差分天线，其特征在于，所述金属条带(4)中心与所述顶层介质基板中心的投影重合，所述顶层介质基板的一对侧边位于所述金属条带(4)两侧且关于所述金属条带(4)对称，每一组金属贴片谐振器(5)包括两个金属贴片，所述两个金属贴片沿平行于所述金属条带(4)的方向并排设置，且两个金属贴片之间间隔预设距离形成条形缝隙，以使所述两个金属贴片工作在反相TE20模式。
5.根据权利要求4所述的5G毫米波宽带差分天线，其特征在于，所述金属贴片的平面形状为矩形。
6.根据权利要求3所述的5G毫米波宽带差分天线，其特征在于，所述两个馈电结构(8)为并排设置的等长的两个微带线，两个微带线之间间隔一定距离，两个微带线均与所述金属条带(4)垂直，两个微带线的后端位于所述底层介质基板下表面的同一侧边的不同位置，两个微带线的前端形成所述两个馈电端，所述两个馈电端分别通过两个竖直设置的所述金属通孔(9)连接所述金属条带(4)。
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