CN109921187B - 毫米波双极化天线和阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种毫米波双极化天线和阵列天线。该天线包括：逐层依次分布的第一金属层、第一介质基板、第二金属层、第二介质基板和第三金属层；第一金属层上设有缝隙天线；第一介质基板和第二介质基板均设有第一金属通孔和第二金属通孔；第一金属通孔的第一部分、第二金属层和第二金属通孔的第一部分形成SIEW结构，第一金属通孔的第二部分以及第二金属通孔的第二部分形成SIW结构；SIEW结构的一端具有第一馈电端口用于对缝隙天线进行馈电，形成第一极化方向的辐射模式；SIW结构的一端具有第二馈电端口用于对缝隙天线进行馈电，形成第二极化方向的辐射模式。本发明实施例实现了双极化天线，并且在毫米波频段损耗较小。

Description

毫米波双极化天线和阵列天线

技术领域

本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种毫米波双极化天线和阵列天线。

背景技术

近年来，随着通信技术的发展，尤其是第五代通信技术中的毫米波技术备受广大学者的关注。而无限频谱资源是一种有限且非常珍贵的自然资源，随着大量无线设备的接入，频谱占用率越来越高。

由于双极化天线既能满足通信系统扩展频带的要求，又能提升通信系统的容量，同时还可以减少天线的安装数目，得到了广泛应用。但是由于双极化天线的微带线在毫米波的巨大损耗，无法在毫米波段得到广泛应用。

因此，对于本领域技术人员来说，亟需实现一种毫米波双极化天线。

发明内容

本发明提供一种毫米波双极化天线和阵列天线，实现一种损耗较小的小型化毫米波双极化天线。

第一方面，本发明提供一种毫米波双极化天线，包括：

逐层依次分布的第一金属层、第一介质基板、第二金属层、第二介质基板和第三金属层；

其中，所述第一金属层上设有缝隙天线；

所述第一介质基板和所述第二介质基板均设有第一金属通孔和第二金属通孔；

所述第一金属通孔的第一部分、所述第二金属层和所述第二金属通孔的第一部分形成基片集成E面波导SIEW结构，所述第一金属通孔的第二部分以及所述第二金属通孔的第二部分形成基片集成波导SIW结构；

所述SIEW结构的一端具有第一馈电端口，所述第一馈电端口用于对所述缝隙天线进行馈电，形成第一极化方向的辐射模式；

所述SIW结构远离所述SIEW结构的一端具有第二馈电端口，所述第二馈电端口用于对所述缝隙天线进行馈电，形成第二极化方向的辐射模式。

在一种可能的实现方式中，第一金属通孔和所述第二金属通孔均为矩形金属通孔，所述第一金属通孔和所述第二金属通孔之间的距离沿远离所述第一馈电端口的方向逐渐增大。

在一种可能的实现方式中，所述SIEW结构中的所述第一金属通孔和所述第二金属通孔之间的距离，小于所述SIW结构中的所述第一金属通孔和所述第二金属通孔之间的距离。

在一种可能的实现方式中，所述缝隙天线包括：第一缝隙分支和第二缝隙分支；其中，所述第一缝隙分支的宽度小于所述第二缝隙分支的宽度。

在一种可能的实现方式中，所述第一缝隙分支设置在位于所述SIEW结构侧的所述第一金属层上；所述第二缝隙分支设置在位于所述SIW结构侧的所述第一金属层上。

在一种可能的实现方式中，所述第一介质基板和所述第二介质基板上还均设有第三金属通孔；所述第三金属通孔位于所述第一金属通孔和所述第二金属通孔之间，用于调节所述缝隙天线在所述第二极化方向上的匹配。

在一种可能的实现方式中，所述第一介质基板和所述第二介质基板上还均设有第四金属通孔；所述第四金属通孔位于所述第一金属通孔和所述第二金属通孔之间，且位于所述第三金属通孔远离所述SIEW结构的一侧；所述第四金属通孔的直径小于所述第三金属通孔的直径。

在一种可能的实现方式中，所述第三金属通孔为圆柱形金属通孔；所述第四金属通孔为圆柱形金属通孔。

在一种可能的实现方式中，所述第二金属层为Y字型金属带，设置在所述SIEW结构中所述第一介质基板和所述第二介质基板之间。

第二方面，本发明提供一种阵列天线，包括：

至少两个如第一方面中任一项所述的天线。

本发明实施例提供的毫米波双极化天线和阵列天线，包括：逐层依次分布的第一金属层、第一介质基板、第二金属层、第二介质基板和第三金属层；其中，所述第一金属层上设有缝隙天线；所述第一介质基板和所述第二介质基板均设有第一金属通孔和第二金属通孔；所述第一金属通孔的第一部分、所述第二金属层和所述第二金属通孔的第一部分形成基片集成E面波导SIEW结构，所述第一金属通孔的第二部分以及所述第二金属通孔的第二部分形成基片集成波导SIW结构；所述SIEW结构的一端具有第一馈电端口，所述第一馈电端口用于对所述缝隙天线进行馈电，形成第一极化方向的辐射模式；所述SIW结构远离所述SIEW结构的一端具有第二馈电端口，所述第二馈电端口用于对所述缝隙天线进行馈电，形成第二极化方向的辐射模式，上述结构实现了双极化天线，并且由于通过基片集成E面波导和基片集成波导进行馈电，使得天线在毫米波频段损耗较小。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。

图1是本发明提供的毫米波双极化天线一实施例的结构示意图；

图2是本发明提供的一实施例的天线辐射结构图；

图3是本发明提供的一实施例的天线结构示意图；

图4是本发明提供的一实施例的S参数仿真示意图；

图5是本发明提供的一实施例的第一极化方向的辐射图；

图6是本发明提供的天线一实施例的第一极化方向的远场矢量电场示意图；

图7是本发明提供的一实施例的第二极化方向的辐射图；

图8是本发明提供的天线一实施例的第二极化方向的远场矢量电场示意图。

附图标记说明：

1、第一金属层； 2、第一介质基板；

3、第二金属层； 4、第二介质基板；

5、第三金属层； 10、缝隙天线；

11、第一金属通孔； 12、第二金属通孔；

13、第三金属通孔； 14、第四金属通孔；

P1、第一馈电端口； P2、第二馈电端口；

101、第一缝隙分支； 102、第二缝隙分支。

通过上述附图，已示出本公开明确的实施例，后文中将有更详细的描述。这些附图和文字描述并不是为了通过任何方式限制本公开构思的范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本公开的概念。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

本发明的说明书和权利要求书及所述附图中的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

首先对本发明所涉及的应用场景进行介绍：

本发明实施例提供的天线，可以应用于多波束天线阵，以实现小型化的毫米波双极化天线。

本发明实施例中，通过在介质基板设置金属通孔，形成基片集成E面波导(Substrate Integrated E-plane Waveguide，简称SIEW)结构和基片集成波导(SubstrateIntegrated Waveguide，简称SIW)结构,使得位于SIEW结构和SIW结构两端的馈电端口通过SIEW结构和SIW结构向缝隙天线馈电，实现了双极化天线的辐射模式，而且在毫米波频段天线的损耗较小。

下面以具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。

图1是本发明提供的毫米波双极化天线一实施例的结构示意图。如图1所示，本实施例提供的毫米波双极化天线，包括：

逐层依次分布的第一金属层1、第一介质基板2、第二金属层3、第二介质基板4和第三金属层5；

其中，所述第一金属层1上设有缝隙天线10；

所述第一介质基板2和所述第二介质基板4均设有第一金属通孔11和第二金属通孔12；

所述第一金属通孔11的第一部分、所述第二金属层3和所述第二金属通孔12的第一部分形成基片集成E面波导SIEW结构，所述第一金属通孔11的第二部分以及所述第二金属通孔12的第二部分形成基片集成波导SIW结构；

所述SIEW结构的一端具有第一馈电端口P1，所述第一馈电端口P1用于对所述缝隙天线进行馈电，形成第一极化方向的辐射模式；

所述SIW结构远离所述SIEW结构的一端具有第二馈电端口P2，所述第二馈电端口P2用于对所述缝隙天线进行馈电，形成第二极化方向的辐射模式。

具体的，如图1所示，整个毫米波双极化天线集成在两层介质基板上，例如第一介质基板2和第二介质基板4的厚度为1.524mm，相对介电常数为2.2，三层金属层依次分别位于第一介质基板2的上面，第一介质基板2和第二介质基板4之间，以及第二介质基板4下面。

其中，第一金属层1和第三金属层5可以为平板状金属层；

第二金属层3可以为Y字型金属带，设置在所述SIEW结构中所述第一介质基板2和所述第二介质基板4之间。

在本发明的其他实施例中，第二金属层的形状还可以是其他形状，尺寸也可以根据实际需要设计，本发明实施例对此并不限定。

第一介质基板2和第二介质基板4均设有第一金属通孔11和第二金属通孔12，图中第一金属通孔和第二金属通孔均为矩形金属通孔，矩形金属通孔沿第一介质基板2的平面的横截面的形状并不限定为图1中的形状。

第一金属通孔11的第一部分、第二金属层3和第二金属通孔12的第一部分形成基片集成E面波导SIEW结构，例如图中第一金属通孔11和第二金属通孔12左侧的部分与第二金属层3形成SIEW结构。

第一金属通孔11的第二部分以及所述第二金属通孔12的第二部分形成基片集成波导SIW结构，例如图中第一金属通孔11和第二金属通孔12右侧的部分形成SIW结构。

如图2所示，天线结构的两端分别具有第一馈电端口P1和第二馈电端口P2，第一馈电端口P1位于SIEW结构的一端，第二馈电端口P2位于SIW结构的一端。

第一馈电端口P1用于对缝隙天线进行馈电，形成第一极化方向的辐射模式；第一馈电端口P2用于对缝隙天线进行馈电，形成第二极化方向的辐射模式。第一极化方向和第二极化方向正交。例如第一极化方向为水平极化方向，第二极化方向为垂直极化方向。

例如，第一馈电端口P1在SIEW结构的一端，对该第一馈电端口P1进行波端口馈电，在SIEW结构中激励起TE01模式，并通过SIEW传输到缝隙天线的左侧缝隙分支，在该缝隙分支处形成水平极化的辐射模式。在远离SIEW结构的SIW结构的一端有一个第二馈电端口P2，对该第二馈电端口P2进行波端口馈电，在SIW结构中激励起TE10模式，并通过SIW结构传输到缝隙天线的右侧缝隙分支处，在该缝隙分支形成垂直极化的辐射模式。

本实施例的毫米波双极化天线，包括：逐层依次分布的第一金属层、第一介质基板、第二金属层、第二介质基板和第三金属层；其中，所述第一金属层上设有缝隙天线；所述第一介质基板和所述第二介质基板均设有第一金属通孔和第二金属通孔；所述第一金属通孔的第一部分、所述第二金属层和所述第二金属通孔的第一部分形成基片集成E面波导SIEW结构，所述第一金属通孔的第二部分以及所述第二金属通孔的第二部分形成基片集成波导SIW结构；所述SIEW结构的一端具有第一馈电端口，所述第一馈电端口用于对所述缝隙天线进行馈电，形成第一极化方向的辐射模式；所述SIW结构远离所述SIEW结构的一端具有第二馈电端口，所述第二馈电端口用于对所述缝隙天线进行馈电，形成第二极化方向的辐射模式，上述结构实现了双极化天线，并且由于通过基片集成E面波导和基片集成波导进行馈电，使得天线在毫米波频段损耗较小。

在上述实施例的基础上，如图1所示，第一金属通孔11和所述第二金属通孔12均为矩形金属通孔，所述第一金属通孔11和所述第二金属通孔12之间的距离沿远离所述第一馈电端口P1的方向逐渐增大。

其中，所述SIEW结构中的所述第一金属通孔和所述第二金属通孔之间的距离，小于所述SIW结构中的所述第一金属通孔和所述第二金属通孔之间的距离。

具体的，如图1所示，第一金属通孔11和第二金属通孔12均沿Y方向延伸，矩形金属通孔内部镀有金属，第一金属通孔11和所述第二金属通孔12之间的距离沿远离第一馈电端口P1的方向逐渐增大(如图1和图3中Y方向)逐渐增大，从而使得矩形金属通孔的一端(图1中左侧)形成SIEW结构，用于传输TE01模式；另一端(图1中右侧)形成SIW结构，用于传输TE10模式。

进一步的，如图3所示，缝隙天线包括：第一缝隙分支101和第二缝隙分支102；其中，所述第一缝隙分支101的宽度小于所述第二缝隙分支102的宽度。例如，第一缝隙分支101与第二缝隙分支102构成T型缝隙结构。

其中，第一缝隙分支101设置在位于所述SIEW结构侧的所述第一金属层上；所述第二缝隙分支102设置在位于所述SIW结构侧的所述第一金属层上。

具体的，第一缝隙分支101和第二缝隙分支102的宽度为图3中沿X方向的宽度，第一缝隙分支101的宽度较窄，第二缝隙分支102的宽度较宽，第一缝隙分支101的宽度小于第二缝隙分支102的宽度，也即在SIEW侧的第一缝隙分支101的宽度，小于在SIW侧的第二缝隙分支102的宽度。

在本发明的一实施例中，缝隙天线可以为T型缝隙天线。

第一缝隙分支101的一端与第二缝隙分支102的中间区域连接，第一缝隙分支101和第二缝隙分支102垂直连接形成一T字型。

第一缝隙分支和第二缝隙分支均可以为矩形长条缝隙。

在本发明的其他实施例中，缝隙天线还可以为其他形式，本发明实施例对此并不限定。

第一馈电端口P1在靠近第一缝隙分支对应的SIEW结构的一端有进行波端口馈电，在SIEW结构中激励起TE01模式，并通过SIEW传输到缝隙天线的第一缝隙分支处，在第一缝隙分支处形成水平极化的辐射模式。在远离第二缝隙分支的SIW结构的一端有一个第二馈电端口P2，对该第二馈电端口P2进行波端口馈电，在SIW结构中激励起TE10模式，并通过SIW结构传输到第二缝隙分支处，在第二缝隙分支处形成垂直极化的辐射模式。

在上述实施例的基础上，如图3所示，第一介质基板2和所述第二介质基板4上还均设有第三金属通孔13；所述第三金属通孔13位于所述第一金属通孔11和所述第二金属通孔12之间，用于调节所述缝隙天线在所述第二极化方向上的匹配。

具体的，第三金属通孔13位于第一金属通孔11和第二金属通孔12之间，例如位于缝隙天线的第二缝隙分支的中间位置，对缝隙天线在第二极化方向的匹配进行调节。

进一步的，如图3所示，所述第一介质基板2和所述第二介质基板3上还均设有第四金属通孔14；所述第四金属通孔14位于所述第一金属通孔11和所述第二金属通孔12之间，且位于所述第三金属通孔13远离所述SIEW结构的一侧；所述第四金属通孔14的直径小于所述第三金属通孔13的直径。

其中，所述第三金属通孔为圆柱形金属通孔；所述第四金属通孔为圆柱形金属通孔。

具体的，第四金属通孔14位于第一金属通孔11和第二金属通孔12之间，例如位于第三金属通孔13的右侧，对缝隙天线在第二极化方向的匹配进行进一步调节。

本实施例中，第三金属通孔和第四金属通孔用于对第二缝隙分支的匹配带宽进行调节。

以下通过仿真对天线的性能进行分析：

图4所示为S参数的仿真示意图，S11曲线为第一馈电端口进行激励的天线的S参数的仿真结果，在28-32GHz频段内满足S参数小于-10dB；S21曲线为两馈电端口之间隔离度的仿真结果，从图4中可以看出隔离度均小于-40dB，隔离度较高，S22曲线为第二馈电端口进行激励的天线的S参数的仿真结果，在29-32GHz频段内满足S参数小于-10dB。

图5示出了水平极化方向图，图7示出了垂直极化方向图。图6和图8中示出了远场矢量电场方向，可以看出在缝隙天线的第一缝隙分支形成水平极化方向的辐射模式，在缝隙天线的第二缝隙分支形成垂直极化方向的辐射模式。

在本发明的一实施例中，还提供一种阵列天线，包括：

至少两个如前述任一实施例所述的毫米波双极化天线。

本实施例的阵列天线，其实现原理和技术效果与前述实施例类似，此处不再赘述。

本实施例的阵列天线可以包括至少两个毫米波双极化天线，其中，毫米波双极化天线可以包括：逐层依次分布的第一金属层、第一介质基板、第二金属层、第二介质基板和第三金属层；其中，所述第一金属层上设有缝隙天线；所述第一介质基板和所述第二介质基板均设有第一金属通孔和第二金属通孔；所述第一金属通孔的第一部分、所述第二金属层和所述第二金属通孔的第一部分形成基片集成E面波导SIEW结构，所述第一金属通孔的第二部分以及所述第二金属通孔的第二部分形成基片集成波导SIW结构；所述SIEW结构的一端具有第一馈电端口，所述第一馈电端口用于对所述缝隙天线进行馈电，形成第一极化方向的辐射模式；所述SIW结构远离所述SIEW结构的一端具有第二馈电端口，所述第二馈电端口用于对所述缝隙天线进行馈电，形成第二极化方向的辐射模式，上述结构实现了双极化天线，并且由于通过基片集成E面波导和基片集成波导进行馈电，使得天线在毫米波频段损耗较小。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本发明旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的权利要求书指出。

应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求书来限制。

Claims (8)

1.一种毫米波双极化天线，其特征在于，包括：

逐层依次分布的第一金属层、第一介质基板、第二金属层、第二介质基板和第三金属层；

其中，所述第一金属层上设有缝隙天线；所述缝隙天线包括第一缝隙分支和第二缝隙分支；其中，所述第一缝隙分支的宽度小于所述第二缝隙分支的宽度，所述第一缝隙分支和所述第二缝隙分支垂直连接形成T字型；

所述第一介质基板和所述第二介质基板均设有第一金属通孔和第二金属通孔；

所述第一金属通孔的第一部分、所述第二金属层和所述第二金属通孔的第一部分形成基片集成E面波导SIEW结构，所述第一金属通孔的第二部分以及所述第二金属通孔的第二部分形成基片集成波导SIW结构；所述第二金属层为Y字型金属带，设置在所述SIEW结构中所述第一介质基板和所述第二介质基板之间；

所述SIEW结构的一端具有第一馈电端口，所述第一馈电端口用于对所述缝隙天线进行馈电，形成第一极化方向的辐射模式；

所述SIW结构远离所述SIEW结构的一端具有第二馈电端口，所述第二馈电端口用于对所述缝隙天线进行馈电，形成第二极化方向的辐射模式。

2.根据权利要求1所述的毫米波双极化天线，其特征在于，

所述第一金属通孔和所述第二金属通孔均为矩形金属通孔，所述第一金属通孔和所述第二金属通孔之间的距离沿远离所述第一馈电端口的方向逐渐增大。

3.根据权利要求2所述的毫米波双极化天线，其特征在于，

所述SIEW结构中的所述第一金属通孔和所述第二金属通孔之间的距离，小于所述SIW结构中的所述第一金属通孔和所述第二金属通孔之间的距离。

4.根据权利要求2所述的毫米波双极化天线，其特征在于，

所述第一缝隙分支设置在位于所述SIEW结构侧的所述第一金属层上；所述第二缝隙分支设置在位于所述SIW结构侧的所述第一金属层上。

5.根据权利要求1-3任一项所述的毫米波双极化天线，其特征在于，

所述第一介质基板和所述第二介质基板上还均设有第三金属通孔；所述第三金属通孔位于所述第一金属通孔和所述第二金属通孔之间，用于调节所述缝隙天线在所述第二极化方向上的匹配。

6.根据权利要求5所述的毫米波双极化天线，其特征在于，

所述第一介质基板和所述第二介质基板上还均设有第四金属通孔；所述第四金属通孔位于所述第一金属通孔和所述第二金属通孔之间，且位于所述第三金属通孔远离所述SIEW结构的一侧；所述第四金属通孔的直径小于所述第三金属通孔的直径。

7.根据权利要求6所述的毫米波双极化天线，其特征在于，

所述第三金属通孔为圆柱形金属通孔；所述第四金属通孔为圆柱形金属通孔。

8.一种阵列天线，其特征在于，包括：

至少两个如权利要求1-7任一项所述的毫米波双极化天线。

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