CN109888486B - 一种双极化毫米波天线单体及阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了双极化毫米波天线单体及阵列天线，一种双极化毫米波天线单体，包括介质基材，介质基材的顶面具有呈矩阵排布的四个辐射片，介质基材底面设有第一馈电端口和第二馈电端口，介质基材内设有第一L型探头和第二L型探头，矩阵中位于一组斜对角上的两个辐射片分别与第一L型探头耦合，矩阵中位于另一组斜对角上的两个辐射片分别与第二L型探头耦合，介质基材内还设有地层，第一L型探头贯穿地层与第一馈电端口电连接，第二L型探头贯穿地层与第二馈电端口电连接，每个辐射片均与地层电连接。体积小、集成度高、性能优异，特别适用于毫米波终端设备。

Description

一种双极化毫米波天线单体及阵列天线

技术领域

本发明涉及天线领域，尤其涉及一种双极化毫米波天线单体及阵列天线。

背景技术

电磁波的工作频率越高，对应的工作波长越短，当工作波长在毫米量级时，我们把这样的频段称为毫米波频段，使用毫米波频段通信的好处在于具有非常宽的频谱资源，毫米波频段通信的挑战包括设计合适的天线单体及阵列天线。

毫米波天线单体的辐射特性包括单极化辐射特性与双极化辐射特性，由于单极化毫米波天线单体设计相对简单，当前常见的设计多为单极化的天线单体，但是双极化的天线单体能够在同一个天线区域内实现两个相互垂直的极化特性，相当于实现了两个独立天线，可以有效提高通信系统的信道容量，并节省天线占用的空间，可惜的是，现有的双极化毫米波天线单体体积偏大，并不适用于毫米波终端设备。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种小型化的双极化毫米波天线单体及阵列天线，该双极化毫米波天线单体及阵列天线特别适用于毫米波终端类产品。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种双极化毫米波天线单体，包括介质基材，所述介质基材的顶面具有呈矩阵排布的四个辐射片，所述介质基材底面设有第一馈电端口和第二馈电端口，所述介质基材内设有第一L型探头和第二L型探头，所述矩阵中位于一组斜对角上的两个所述辐射片分别与所述第一L型探头耦合，所述矩阵中位于另一组斜对角上的两个所述辐射片分别与所述第二L型探头耦合，所述介质基材内还设有地层，所述第一L型探头贯穿所述地层与所述第一馈电端口电连接，所述第二L型探头贯穿所述地层与所述第二馈电端口电连接，每个所述辐射片均与所述地层电连接。

为了解决上述技术问题，本发明还采用以下技术方案：阵列天线，包括多个天线单体，所述天线单体为上述双极化毫米波天线单体。

本发明的有益效果在于：双极化毫米波天线单体及阵列天线体积小、集成度高、性能优异，特别适用于毫米波终端设备。

附图说明

图1为本发明实施例一的双极化毫米波天线单体的透视图；

图2为本发明实施例一的双极化毫米波天线单体的正视图(隐藏介质基材后)；

图3为本发明实施例一的双极化毫米波天线单体的俯视图(隐藏介质基材和辐射片后)；

图4为本发明实施例一的双极化毫米波天线单体的驻波仿真结果图；

图5为本发明实施例一的双极化毫米波天线单体的隔离度的仿真曲线结果图；

图6为本发明实施例一的阵列天线的透视图；

图7为本发明实施例一的阵列天线的方向图。

标号说明：

1、介质基材；

2、辐射片；

3、第一馈电端口；

4、第二馈电端口；

5、第一L型探头；

51、第一激励带线；

52、第一金属化孔；

6、第二L型探头；

61、第二激励带线；

62、第二金属化孔；

7、地层；

8、接地金属孔。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。

本发明最关键的构思在于：设计出一种集成度高的双极化毫米波天线单体及阵列天线，该双极化毫米波天线单体及阵列天线体积小，尤其适用于毫米波终端设备。

请参照图1至图7，一种双极化毫米波天线单体，包括介质基材1，所述介质基材1的顶面具有呈矩阵排布的四个辐射片2，所述介质基材1底面设有第一馈电端口3和第二馈电端口4，所述介质基材1内设有第一L型探头5和第二L型探头6，所述矩阵中位于一组斜对角上的两个所述辐射片2分别与所述第一L型探头5耦合，所述矩阵中位于另一组斜对角上的两个所述辐射片2分别与所述第二L型探头6耦合，所述介质基材1内还设有地层7，所述第一L型探头5贯穿所述地层7与所述第一馈电端口3电连接，所述第二L型探头6贯穿所述地层7与所述第二馈电端口4电连接，每个所述辐射片2均与所述地层7电连接。

本发明的结构原理简述如下：四个相互独立的辐射片2(可选金属片)呈矩阵分布，位于矩阵一斜对角上的两个辐射片2构成一对电偶极子天线，由第一L型探头5激励，可以得到一种线极化辐射特性，此处记为+45°极化；位于矩阵另一斜对角上的两个辐射片2构成另一对电偶极子天线，由第二L型探头6激励，可以得到另一种垂直的线极化辐射特性，此处记为-45°极化；由此，天线单体成为了双极化毫米波天线单体。地层7的设置会使双极化毫米波天线单体呈定向性辐射特性。

从上述描述可知，本发明的有益效果在于：双极化毫米波天线单体及阵列天线体积小、集成度高、性能优异，特别适用于毫米波终端设备。

进一步的，所述第一L型探头5包括第一激励带线51和第一金属化孔52，第一金属化孔52的一端电连接所述第一激励带线51，第一金属化孔52的另一端电连接所述第一馈电端口3，所述第二L型探头6包括第二激励带线61和第二金属化孔62，第二金属化孔62的一端电连接所述第二激励带线61，第二金属化孔62的另一端电连接所述第二馈电端口4，所述第一激励带线51与所述第二激励带线61分别平行于所述辐射片2设置。

由上述描述可知，第一/二L型探头结构简单、加工方便，制造成本低。

进一步的，第一激励带线51的长度与第二激励带线61的长度不同和/或第一激励带线51的宽度与第二激励带线61的宽度不同。

进一步的，第一金属化孔52的直径与第二金属化孔62的直径不同。

由上述描述可知，为了第一/二馈电端口同时实现良好的阻抗匹配特性，需要调整第一/二金属化孔的尺寸及第一/二激励带线的尺寸，包括第一/二金属化孔的直径、第一/二金属化孔的高度、第一/二激励带线的长度、第一/二激励带线的宽度等。一般而言，第一/二金属化孔的尺寸互不相同、第一/二激励带线的尺寸互不相同，将会形成相互独立的第一/二L型探头，由此，在一个天线尺寸区域，得到互相垂直的两种辐射特性；简而言之，第一/二L型探头的各尺寸数据均不同将会极大程度上提高双极化毫米波天线单体的性能。

进一步的，每个所述辐射片2分别通过接地金属孔8与所述地层7电连接。

进一步的，每个所述辐射片2分别连接多个所述接地金属孔8，与同一辐射片2连接的多个接地金属孔8划分为两个接地金属孔组，一个所述接地金属孔组中的所述接地金属孔8沿所述矩阵的宽度方向排布，另一个所述接地金属孔组中的所述接地金属孔8沿所述矩阵的长度方向排布；一个所述接地金属孔组位于所述第一L型探头5的一侧，另一个所述接地金属孔组位于所述第一L型探头5的另一侧，或者，一个所述接地金属孔组位于所述第二L型探头6的一侧，另一个所述接地金属孔组位于所述第二L型探头6的另一侧。

由上述描述可知，位于第一/二L型探头两侧的两个接地金属孔组会对第一/二L型探头起到一定的屏蔽作用，避免信号泄露，利于保证双极化毫米波天线单体的性能。

进一步的，相邻的两个所述辐射片2中，一所述辐射片2连接的一个所述接地金属孔组与另一所述辐射片2连接的一个所述接地金属孔组共线设置。

进一步的，每个所述接地金属孔组分别包括至少一个所述接地金属孔8。

由上述描述可知，接地金属孔组中的接地金属孔的数量可以依据天线性能要求，自由选取。

进一步的，所述介质基材1的底面和/或地层7的下表面设有电路单元。

由上述描述可知，本申请的双极化毫米波天线单元非常适合与其它电路单元集成，形成天线模块。其中，电路单元可以放置在介质基材的底面或地层的下表面，并与微带线互联，激励天线单元，与此同时，地层也有效隔离了天线与电路单元，减小天线与电路单元之间的干扰。

阵列天线，包括多个天线单体，所述天线单体为上述双极化毫米波天线单体。

由上述描述可知，由于阵列天线采用了上述双极化毫米波天线单体，因此，阵列天线至少具有上述双极化毫米波天线单体的所有有益效果。

实施例一

请参照图1至图7，本发明的实施例一为：请参照图1至图3，一种双极化毫米波天线单体，包括介质基材1，所述介质基材1的顶面具有呈矩阵排布的四个辐射片2，所述介质基材1底面设有第一馈电端口3和第二馈电端口4，所述介质基材1内设有第一L型探头5和第二L型探头6，所述矩阵中位于一组斜对角上的两个所述辐射片2分别与所述第一L型探头5耦合，所述矩阵中位于另一组斜对角上的两个所述辐射片2分别与所述第二L型探头6耦合，所述介质基材1内还设有地层7，所述第一L型探头5贯穿所述地层7与所述第一馈电端口3电连接，所述第二L型探头6贯穿所述地层7与所述第二馈电端口4电连接，每个所述辐射片2均与所述地层7电连接。本实施例中，所述第一/二馈电端口分别包括微带线。

本实施例中，所述第一L型探头5包括第一激励带线51和第一金属化孔52，第一金属化孔52的一端电连接所述第一激励带线51，第一金属化孔52的另一端电连接所述第一馈电端口3，所述第二L型探头6包括第二激励带线61和第二金属化孔62，第二金属化孔62的一端电连接所述第二激励带线61，第二金属化孔62的另一端电连接所述第二馈电端口4，所述第一激励带线51与所述第二激励带线61分别平行于所述辐射片2设置。容易理解的，第一/二金属化孔由导电金属棒代替也是可行的，因此，用导电金属棒代替第一/二金属化孔理应视为本领域惯用手段的直接置换。可选的，所述第一、二激励带线分别为金属片。

优选的，第一激励带线51的长度与第二激励带线61的长度不同和/或第一激励带线51的宽度与第二激励带线61的宽度不同。

第一金属化孔52的长度与第二金属化孔62的长度不同，所以第一/二激励带线存在高度差，俯视本案的双极化毫米波天线单体时，第一、二激励带线组成X字型。优选的，第一激励带线和第二激励带线相互垂直。优选的，第一金属化孔52的直径与第二金属化孔62的直径不同。

每个所述辐射片2分别通过接地金属孔8与所述地层7电连接。详细的，每个所述辐射片2分别连接多个所述接地金属孔8，与同一辐射片2连接的多个接地金属孔8划分为两个接地金属孔组，一个所述接地金属孔组中的所述接地金属孔8沿所述矩阵的宽度方向排布，另一个所述接地金属孔组中的所述接地金属孔8沿所述矩阵的长度方向排布；一个所述接地金属孔组位于所述第一L型探头5的一侧，另一个所述接地金属孔组位于所述第一L型探头5的另一侧，或者，一个所述接地金属孔组位于所述第二L型探头6的一侧，另一个所述接地金属孔组位于所述第二L型探头6的另一侧。具体的，同一辐射片2上，一个所述接地金属孔组位于所述第一激励带线51的一侧，另一个所述接地金属孔组位于所述第一激励带线51的另一侧，或者，一个所述接地金属孔组位于所述第二激励带线61的一侧，另一个所述接地金属孔组位于所述第二激励带线61的另一侧。容易理解的，接地金属孔8由导电金属棒代替也是可行的，因此，用导电金属棒代替接地金属孔8理应视为本领域惯用手段的直接置换。

可选的，相邻的两个所述辐射片2中，一所述辐射片2连接的一个所述接地金属孔组与另一所述辐射片2连接的一个所述接地金属孔组共线设置。俯视双极化毫米波天线单体时，相邻两个所述辐射片2连接的四个接地金属孔组中，有两个接地金属孔组中的所有接地金属孔8均位于同一直线上，请结合图3，从图3在可以看到相邻两个辐射片2连接的八个接地金属孔8中有四个接地金属孔8位于同一直线上。

每个所述接地金属孔组分别包括至少一个所述接地金属孔8。本实施例中，每个所述接地金属孔组均包括两个所述接地金属孔8。

可选的，所述介质基材1的底面和/或地层7的下表面设有电路单元(图未示)。所述电路单元包括但不限于开关电路、衰减电路、移相电路、功率放大电路、滤波电路等，这些电路单元既可以使用集成电路芯片实现，也可以单独实现。利用本实施例的双极化毫米波天线单体组成阵列天线时，可以对每个双极化毫米波天线单体的幅度、相位做出调整，实现波束扫描功能，适用于第五代移动通信中毫米波频段的应用场景。

本实施例的双极化毫米波天线单体可以使用各种工艺方法加工，包括但不限于硬性电路板、柔性电路板、低温共烧陶瓷等，可选用的介质基材1也非常广泛，包括陶瓷、塑料、环氧树脂、PTFE、LCP、复合有机材料等损耗低的基材，因为当选用损耗低的基材时，可以得到高的天线辐射效率。此外，当选用介电常数高的基材时，可以令双极化毫米波天线单体整体尺寸进一步变小，利于天线模块和整机设备的小型化。

本实施例的双极化毫米波天线单体的仿真性能如图4所示，因为该天线为双极化天线，所以有两个激励端口(即前述第一/二馈电端口)，对应两条驻波曲线。对于两个激励端口驻波都小于2的情况，第一馈电端口3和第二馈电端口4的共同工作频段为26.39GHz～28.64GHz，能有效覆盖典型的5G毫米波频率，例如27.5GHz～28.35GHz。图5为本实施例的双极化毫米波天线单体仿真的隔离度曲线，由图可知两个极化端口的隔离度在-36dB以下，性能优异。

请参阅图6和图7，本实施例还提供一种阵列天线，该阵列天线包括上述双极化毫米波天线单体。作为实例，图6给出了由本实施例的双极化毫米波天线单体组成的4×4阵列天线，由于天线单体为双极化天线，该阵列天线共有32个激励端口，图6中标注了其中16个激励端口(即图中用圆圈标注的激励端口)，当给予这16个激励端口等幅同相激励时，可以得到高增益的辐射特性，图7给出了该种激励情况下，阵列天线的辐射方向图，天线最大增益可达17dBi。由此可知，由本实施例的双极化毫米波天线单体组成的阵列天线性能优异。

综上所述，本发明提供的双极化毫米波天线单体及阵列天线，体积小、集成度高、性能优异，特别适用于毫米波终端设备。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种双极化毫米波天线单体，其特征在于：包括介质基材，所述介质基材的顶面具有呈矩阵排布的四个辐射片，所述介质基材底面设有第一馈电端口和第二馈电端口，所述介质基材内设有第一L型探头和第二L型探头，所述矩阵中位于一组斜对角上的两个所述辐射片分别与所述第一L型探头耦合，所述矩阵中位于另一组斜对角上的两个所述辐射片分别与所述第二L型探头耦合，所述介质基材内还设有地层，所述第一L型探头贯穿所述地层与所述第一馈电端口电连接，所述第二L型探头贯穿所述地层与所述第二馈电端口电连接，每个所述辐射片均与所述地层电连接；

每个所述辐射片分别通过接地金属孔与所述地层电连接；

每个所述辐射片分别连接多个所述接地金属孔，与同一辐射片连接的多个接地金属孔划分为两个接地金属孔组，一个所述接地金属孔组中的所述接地金属孔沿所述矩阵的宽度方向排布，另一个所述接地金属孔组中的所述接地金属孔沿所述矩阵的长度方向排布；一个所述接地金属孔组位于所述第一L型探头的一侧，另一个所述接地金属孔组位于所述第一L型探头的另一侧，或者，一个所述接地金属孔组位于所述第二L型探头的一侧，另一个所述接地金属孔组位于所述第二L型探头的另一侧。

2.根据权利要求1所述的双极化毫米波天线单体，其特征在于：所述第一L型探头包括第一激励带线和第一金属化孔，第一金属化孔的一端电连接所述第一激励带线，第一金属化孔的另一端电连接所述第一馈电端口，所述第二L型探头包括第二激励带线和第二金属化孔，第二金属化孔的一端电连接所述第二激励带线，第二金属化孔的另一端电连接所述第二馈电端口，所述第一激励带线与所述第二激励带线分别平行于所述辐射片设置。

3.根据权利要求2所述的双极化毫米波天线单体，其特征在于：第一激励带线的长度与第二激励带线的长度不同和/或第一激励带线的宽度与第二激励带线的宽度不同。

4.根据权利要求2所述的双极化毫米波天线单体，其特征在于：第一金属化孔的直径与第二金属化孔的直径不同。

5.根据权利要求1所述的双极化毫米波天线单体，其特征在于：相邻的两个所述辐射片中，一所述辐射片连接的一个所述接地金属孔组与另一所述辐射片连接的一个所述接地金属孔组共线设置。

6.根据权利要求5所述的双极化毫米波天线单体，其特征在于：每个所述接地金属孔组分别包括至少一个所述接地金属孔。

7.根据权利要求1所述的双极化毫米波天线单体，其特征在于：所述介质基材的底面和/或地层的下表面设有电路单元。

8.阵列天线，包括多个天线单体，其特征在于：所述天线单体为权利要求1-7中任意一项所述的双极化毫米波天线单体。