CN109560387B - 一种用于移动终端的毫米波双极化天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于移动终端的毫米波双极化天线，由一个基于半开放式基片集成波导谐振腔的磁偶极子天线单元和一个基片集成波导作为馈电巴伦的电偶极子天线单元共同组成。采用三付天线分别安装于设备的左侧、右侧和上侧，可以满足终端设备超过半球的三维空间信号覆盖需求，并提供双极化特性。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于移动终端的毫米波双极化天线，属于无线通信技术领域。
背景技术
作为无线通信系统的重要器件之一，毫米波天线或天线阵列的性能直接决定了系统可达到的性能水准。而对于终端设备，更要求其所使用天线，除了能满足传统的带宽和增益指标外，还需要具备小型化、宽波束覆盖等特点；特别的，如果该天线还能具备端射辐射特性，则可以带来更多诸如提高能量利用率、减少天线与设备内部电路之间干扰等额外益处。
双极化(两种相互正交的线极化)天线因其在对抗信道干扰的优势，在诸多应用场合收到青睐，在毫米波频段实现双极化的端射辐射也是目前的研究热点。
针对手机或平板电脑等终端应用场景，其信号辐射的全方位覆盖能力也很有实际意义。然而使用单一天线或者单一天线阵列，并不能满足手持终端设备信号在整个三维空间上半球面全方位覆盖的需求。对于这一实际问题，业界到目前为止还没有明确的解决方案，但随着5G毫米波通信系统的疾速发展，提出一种终端设备信号辐射全方位覆盖解决方案的必要性和实际意义不言而喻。
发明内容
本发明的目的就是为了解决现有技术方案之不成熟而提供的一种能集成在终端设备中的毫米波双极化天线，在性能上具有端射辐射特性且能提双极化辐射，在结构上具有低轮廓、轻质材、易集成和共形方便等优点；特别的，在应用到手机或平板电脑等移动终端设备上时，使终端辐射信号覆盖超过半球空间。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种用于移动终端的毫米波双极化天线，包括一个基于半开放式基片集成波导谐振腔的磁偶极子天线单元和一个基片集成波导作为馈电巴伦的电偶极子天线单元，由所述磁偶极子天线单元和电偶极子天线单元进行层压并交替使用形成毫米波双极化天线。
进一步的，所述磁偶极子天线单元的辐射由一个一边开放的半开放式基片集成波导谐振腔形成，该半开放式基片集成波导谐振腔由探针馈电；
所述电偶极子天线单元的辐射由印刷阵子形成，该印刷阵子通过基片集成波导构成的馈电巴伦进行馈电。
进一步的，所述电偶极子天线单元设置1个或多个大小相同的印刷阵子，并通过金属化过孔进行连接。
进一步的，所述磁偶极子天线单元和电偶极子天线分别独立设有微带线，通过各自的微带线分别进行激励。
进一步的，所述探针由金属化过孔实现。
进一步的，所述磁偶极子天线单元包括第一介质板、第一微带线、分别设置在第一介质板上、下表面的第一金属地板、第二金属地板和包含于第一介质板中的第一金属化过孔群，该第一金属化孔群构成半开放式基片集成波导谐振腔；该半开放式基片集成波导谐振腔由探针馈电，该探针由第一微带线连接至微波转接头；
所述电偶极子天线单元还包括第二介质板、第二微带线、设置在第二介质板上表面的第三金属地板和包含于第二介质板中的第二金属化过孔群，该第二金属化过孔群构成基片集成波导馈电巴伦；所述第二微带线中传输的信号通过第二微带线和转换结构耦合进入基片集成波导馈电巴伦；
所述第一微带线和第二微带线均设置在第二介质板下表面。
进一步的，在所述第二金属地板上开设有一大于探针投影面积的挖空区域，该挖空区域的位置与探针设置位置相对应。
进一步的，本发明的双极化天线可安装在移动终端设备的各方位上。
有益效果：本发明的基于磁偶极子辐射和电偶极子辐射组合的端射双极化毫米波天线，具有以下特点：
1)具有端射辐射方向图。本发明的磁偶极子天线单元，具有端射特性，E面方向图宽，能提供垂直极化分量，电偶极子天线，具有端射特性，H面方向图宽，能提供水平极化分量利用手机等移动终端的金属外框提升天线性能的同时，解决了金属外框屏蔽毫米波信号的瓶颈问题。其辐射是由集成波导谐振腔的开放一侧产生，实现在波导传播方向的定向辐射。
2)在一个主面上具有较宽的波束宽度，易于实现信号的大角度覆盖；进一步的，本发明具有低轮廓、易集成和宽波束覆盖的特性，采用三付天线分别安装于设备的左侧、右侧和上侧，可以满足终端设备超过半球的三维空间信号覆盖需求，其中主要空间区域满足双极化特性。
3)结构简单，加工容易，且因为制作于介质基片上，使用PCB技术，所以天线轮廓低、重量轻、利于大量生产、易集成于终端设备。
附图说明
图1是本发明端射双极化天线的三维结构图；
图中，1为第一金属地板、2为第二金属地板、3为第三金属地板、4为第一金属化过孔群、5为探针、6为第二金属化过孔群、7为金属化过孔、8为印刷阵子、9为第一介质板、10为第二介质板、11为第一微带线、12为第二微带线、13为天线，14为移动终端设备；
图2是本发明端射双极化天线中金属过孔位置示意图；
图3是本发明电偶极子辐射结构示意图；
图4是本发明磁偶极子辐射结构示意图；
图5是本发明端射双极化天线的底层覆铜区域示意图；
图6是手机终端利用本发明端射双极化天线(三付)实现毫米波通信信号超过半球三维空间的覆盖方案；
图7是本发明端射双极化天线的S参数设计结果；
图8是本发明端射双极化天线提供垂直极化的设计方向图E面内结果；
图9是本发明端射双极化天线提供水平极化的设计方向图H面内结果；
具体实施方式
下面结合附图进一步阐述本发明。
如图1和2所示，本发明是一种毫米波端射双极化天线，它包括一个基于半开放式基片集成波导谐振腔的磁偶极子天线单元和一个基片集成波导作为馈电巴伦的电偶极子天线单元，半开放式基片集成波导谐振腔集成在第一介质板9，基片集成波导作为馈电巴伦的电偶极子辐射集成于第二介质板10，第一介质板9为上层介质板，第二介质板10为下层介质板，本发明的天线结构为两层介质板层压而成。
将此天线应用于终端设备毫米波通信时，拟采用三付天线安装在终端设备的上侧面、左侧面和右侧面，分别用来实现终端设备的上方、左方和右方三个方向的信号覆盖。借助于磁偶极子和电偶极子的交替使用，能实现终端设备超过半球的三维空间信号覆盖需求，并提供双极化特性。
图3为电偶极子天线单元，该电偶极子天线的辐射由印刷阵子8形成，印刷阵子8通过基片集成波导构成的巴伦进行馈电，具体包括第二介质板10，其介质板材料为TaconicTLY-5，厚度为0.254mm，在第二介质板10的上表面设置有第三金属地板3，包含于第二介质板10中的第二金属化过孔群6构成了基片集成波导馈电巴伦，该第二金属化过孔群6的孔周期为0.5mm，构成宽度为4.9mm的基片集成波导馈电巴伦。在第二介质板10下表面设有第二微带线12，第二微带线12中传输的信号通过第二微带线12和转换结构耦合进入基片集成波导馈电巴伦。辐射结构中，位于第二介质板10两侧、同大小的印刷阵子8通过金属化过孔7相连，以增加工作带宽，其中金属化过孔7位于印刷阵子8的一端中心线处。
图4为磁偶极子天线单元，磁偶极子天线的辐射由一个一边开放的半开放式基片集成波导谐振腔形成，具体包括第一介质板9，其材料为Taconic TLY-5，厚度为1.524mm，在该第一介质板9的上表面和下表面分别设置有第一金属地板1和第二金属地板2。包含于上层介质板中的第一金属化过孔群4构成了半开放式基片集成波导谐振腔，构成半开放式基片集成波导谐振腔的金属化过孔直径为0.5mm，该第一金属化孔群4的孔周期为0.75mm，构成的半开放式基片集成波导谐振腔宽度为6.4mm。半开放式基片集成波导谐振腔由探针5馈电，该探针5位于谐振腔中心线且距离谐振腔底边3.95mm处，该探针5由直径为0.5mm的金属化过孔实现，并通过宽度为0.8mm，介质厚度为0.254mm的第一微带线11连接至微波转接头，所有介质材料均选用Taconic TLY-5，该第一微带线11也设置在第二介质板10下表面，与第二微带线12处于同一水平线上。
第一微带线11中传输的信号通过探针5耦合进入半开放式基片集成波导谐振腔。在第二金属地板2中，探针5位置，有一块略大于探针5投影面积的挖空区域，以避免信号短路。
当使用磁偶极子天线单元和电偶极子天线单元形成双极化辐射时，通过各自的微带线分别进行激励。
如图6所示为采用三付天线13安装在移动终端设备14的上侧面、左侧面和右侧面，分别用来实现终端设备的上方、左方和右方三个方向的信号覆盖。借助于该发明天线方向图在一个主面的宽波束特性，可以满足终端设备超过半球的三维空间信号覆盖需求，并提供双极化特性。
由图7可看出天线阻抗交叠带宽仿真结果可达到15.3％左右，覆盖5G频段的24.75GHz至27.5GHz范围。图8为天线垂直极化E面内的方向图，图9为天线水平极化H面内的方向图。可以看出，本发明的天线可以提供端射且具备两种交叉极化特性的辐射方向图。
Claims (4)
1.一种用于移动终端的毫米波双极化天线，其特征在于：包括一个基于半开放式基片集成波导谐振腔的磁偶极子天线单元和一个基片集成波导作为馈电巴伦的电偶极子天线单元，由所述磁偶极子天线单元和电偶极子天线单元进行层压并交替使用形成毫米波双极化天线；
所述磁偶极子天线单元的辐射由一个一边开放的半开放式基片集成波导谐振腔形成，该半开放式基片集成波导谐振腔由探针(5)馈电；
所述电偶极子天线单元的辐射由印刷阵子(8)形成，该印刷阵子(8)通过基片集成波导构成的馈电巴伦进行馈电；
所述电偶极子天线单元设置2个大小相同的印刷阵子(8)，并通过金属化过孔(7)进行连接；
所述磁偶极子天线单元和电偶极子天线分别独立设有微带线，通过各自的微带线分别进行激励；
所述磁偶极子天线单元包括第一介质板(9)、第一微带线(11)、分别设置在第一介质板(9)上、下表面的第一金属地板(1)、第二金属地板(2)和包含于第一介质板(9)中的第一金属化过孔群(4)，该第一金属化过孔群(4)构成半开放式基片集成波导谐振；该半开放式基片集成波导谐振腔由位于谐振腔中心轴偏上位置的探针(5)馈电，该探针(5)由第一微带线(11)连接至微波转接头；
所述电偶极子天线单元还包括第二介质板(10)、第二微带线(12)、设置在第二介质板(10)上表面的第三金属地板(3)和包含于第二介质板(10)中的第二金属化过孔群(6)，该第二金属化过孔群(6)构成基片集成波导馈电巴伦；所述第二微带线(12)中传输的信号通过第二微带线(12)和转换结构耦合进入基片集成波导馈电巴伦；
所述第一微带线(11)和第二微带线(12)均设置在第二介质板(10)下表面。
2.根据权利要求1所述的一种用于移动终端的毫米波双极化天线，其特征在于：所述探针(5)由金属化过孔实现。
3.根据权利要求1所述的一种用于移动终端的毫米波双极化天线，其特征在于：在所述第二金属地板(2)上开设有一大于探针(5)投影面积的挖空区域，该挖空区域的位置与探针(5)设置位置相对应。
4.根据权利要求1所述的一种用于移动终端的毫米波双极化天线，其特征在于：安装在移动终端设备的各方位上。
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