CN110233329B - 一种基于结构复用的小型化高隔离度共口径天线 - Google Patents

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Abstract

本发明属于共口径天线的技术领域，具体提供一种基于结构复用的小型化高隔离度共口径天线，用以进一步减小共口径天线占用面积。本发明首先利用贴片天线的电场在贴片天线中心处为零的特征，在贴片天线中心处引入短路点，使得在不改变贴片天线的工作频率的基础上，减半了贴片天线的占用面积，从而达到小型化sub‑6G贴片天线的目的；然后，将基片集成波导天线与馈电结构复用作为贴片天线，进而实现基片集成波导天线和贴片天线共口径设计；最终实现了小型化的高隔离度sub‑6G和38GHZ共口径天线。

Description

一种基于结构复用的小型化高隔离度共口径天线
技术领域
本发明属于共口径天线的技术领域，更具体的，涉及未来5G通信中sub-6G(3.5GHz)和毫米波频段(38GHz)的共口径天线。
背景技术
针对现有4G通信系统中sub-6G频谱资源紧张导致的通信速率无法进一步提升问题，未来5G通信系统中将会采用sub-6G频段和毫米波频段(如28GHz和38GHz)共存方案以拓宽频谱，提升通信速率。天线作为通信系统中必不可少的一部分，未来5G通信系统将会同时拥有sub-6G天线和毫米波频段天线；如何在有限的空间内放置两个频段的天线将会是一个巨大的挑战。
天线小型化技术是指在不改变天线工作频率的条件下，减小天线所占用的物理面积或者体积。共口径天线技术是指将多个频段，多种极化，多种工作方式，多种功能的天线放置于同一个物理口径面内，从而减小天线的占用面积。未来5G通信系统中，sub-6G天线将会占用绝大部分物理面积；为此应该先将sub-6G天线小型化，然后再将其与毫米波频段天线共口径以契合如5G通信中的基站、终端等物理尺寸有限的应用场景。然而，sub-6G和毫米波频段频率比差异较大，如何同时满足两个频段天线的高性能也是一个亟待克服的问题。
传统共口径天线基本只关注将不同频段的天线放置于统一物理口径面内，很少关注小型化问题。如文献“Zhou,P.K.Tan and T.H.Chio,“Wideband,low profile P-and Kuba nd shared aperture antenna with high isolation and low cross-polarisation,”IET Microw.,Antennas Propag.,vol.7,no.4,pp.223-229,Mar.2013.”中采用重叠技术设计P/Ku频段共口径天线，将不同频段的贴片天线重叠放置在不同层，并且低频频段的贴片可用作高频天线的金属地；但是，由于高频贴片的地会影响其工作性能，因此很难将低频贴片小型化后再与高频贴片共口径。又如文献“S.G.Zhou,and T.H.“Chio,Dual-wideband,Dual-polarized Shared Aperture Antenna with High Isolation andLow Cross-polarization”,2012International Symposium on Antenna andPropagation(ISAP),Nagoys,Japan.29,Oct.2012.”中的L/X频段共口径天线，将不同频段的贴片重叠放置，并且在低频上刻蚀出可供高频贴片辐射的空气窗口；该结构无法满足在共口径的情况下，对低频进行小型化。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有共口径天线结构无法小型化的问题，提供一种基于结构复用的小型化高隔离度共口径天线，用以进一步减小天线占用面积；本发明首先利用贴片天线的电场在贴片天线中心线处为零的特征，在贴片天线中心线处引入短路点，使得在不改变贴片天线的工作频率的基础上，减半了贴片天线的占用面积，从而达到小型化sub-6G贴片天线的目的；并且在此基础上再将毫米波频段基片集成波导天线与小型化后的贴片天线共口径，最终实现了小型化的高隔离度sub-6G和38GHZ共口径天线。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于结构复用的小型化高隔离度共口径天线，包括：从下往上依次层叠设置的下层金属覆铜层7、下层介质层6、馈电网络层5、中层介质层4、中层金属覆铜层3、上层介质层2及上层金属覆铜层1；其特征在于：
所述上层金属敷铜层1与中层金属敷铜层3通过第一金属化过孔11电气连接，所述第一金属化过孔11贯穿上层介质层2，所述中层金属覆铜层3、上层介质层2、上层金属覆铜层1与第一金属化过孔11共同构成多个呈矩阵排布的基片集成波导腔；每个基片集成波导腔中，上层金属覆铜层上开设辐射缝隙1-1，中层金属覆铜层3上开设馈电缝隙3-1，形成基片集成波导缝隙天线，作为高频天线；所述馈电网络层5通过馈电缝隙3-1将信号馈至基片集成波导天线；
所述中层金属覆铜层3与下层金属覆铜层7通过第二金属化过孔12电气连接，所述第二金属化过孔12贯穿下层介质层6、馈电网络层5及中层介质层4、且沿下层介质层6的边缘排布，同时，第二金属化过孔12与馈电网络层5相绝缘；所述下层金属覆铜层7、下层介质层6、馈电网络层5、中层介质层4、中层金属覆铜层3、上层介质层2及上层金属覆铜层1共同形成一个贴片天线，作为低频天线；所述下层金属覆铜层7与等效磁流辐射边平行的另一边的边缘位置与金属地8短路连接。
进一步地，所述基片集成波导天线和贴片天线的中心频率为fL0/fH0≥2的任意两个频段，其中，fL0是低频天线中心频率，fH0是高频天线中心频率。
进一步地，所述贴片天线为方形或圆形贴片。
进一步地，所述贴片天线的馈电方式为同轴馈电或缝隙耦合馈电。
进一步地，所述贴片天线包括一个或多个短路点。
进一步地，所述基片集成波导天线为方形基片集成波导线或圆形基片集成波导天线，其工作模式为主模、高次模等任意模式。
进一步地，所述馈电网络层采用带状线、微带线、共面波导或共面带状线。
进一步地，所述基片集成波导天线和贴片天线的极化方式均为线极化方式。
本发明的有益效果在于：
本发明提供一种基于结构复用的小型化高隔离度共口径天线，在小型化的基础上满足sub-6G和毫米波天线共口径；其中，将基片集成波导天线(高频天线)与馈电结构复用作为贴片天线(低频天线)，进而实现基片集成波导天线(高频天线)和贴片天线(低频天线)共口径设计；同时，通过贴片天线中心点设置短路点小型化技术，实现小型化设计；综上，本发明具有如下优点：
1)基于小型化技术和共口径天线技术，实现了两个频段天线占用面积最少；
2)基于结构复用技术，利用封闭结构实现了不同频段间隔离度最高。
附图说明
图1为本发明小型化高隔离度共口径天线整体结构示意图；其中，图1(a)是剖面图，图1(b)是上层金属敷铜层1示意图，图1(c)是中层金属敷铜层3示意图，图1(d)是馈电网络层5示意图，图1(e)是下层金属敷铜层7示意图。
图2是实施实例1中新型小型化高隔离度共口径天线高频天线单元示意图。
图3是实施实例1中sub-6G频段天线的S参数和方向图。
图4是实施实例1中毫米波频段天线的S参数和方向图。
图5是实施实例1中不同频段天线之间的隔离度。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
本实施例中提供一种基于结构复用的小型化高隔离度共口径天线，其工作频率为5G通信中sub-6G频段(3.4GHz-3.6GHz)和毫米波频段(37.7GHz-39.0GHz)；天线结构如图1所示。
本实施例中，基片集成波导天线采用方形基片集成波导天线，所述中层金属覆铜层3、上层介质层2、上层金属覆铜层1与第一金属化过孔11共同构成8个呈2×4矩阵排布的基片集成波导腔，每个基片集成波导腔中，上层金属覆铜层上开设辐射缝隙1-1、如图1(b)所示，中层金属覆铜层3上开设馈电缝隙3-1、如图1(c)所示；
贴片天线采用方形贴片天线，所述第二金属过孔12沿下层介质层6的边缘排布，如图1(e)所示；第二金属过孔12与位于上层介质层2边缘的第一金属过孔11上下对应，如图1(a)所示；
馈电网络层采用馈电带状线5-1构成，如图1(d)所示；
基片集成波导缝隙天线采用同轴馈电，同轴馈电接头10的内导体10-1穿透下层金属敷铜层7和下层介质层6与馈电网络层5中馈电带状线5-1连接，将毫米波信号通过带状线5-1馈至基片集成波导；同轴馈电接头10的外导体10-2则将下层金属敷铜层7与金属地8电气连接，用来作为贴片天线的短路结构，从而达到小型化贴片天线的目的，如图1(a)所示；
贴片天线同样采用同轴馈电，同轴馈电接头9的内导体9-1与下层金属敷铜层7电气连接，用以实现贴片天线馈电；同轴馈电接头9的外导体9-2与金属地8连接，如图1(a)所示；
如图2所示为共口径天线中高频天线(基片集成波导天线)的单元示意图，当高频天线工作时，毫米波信号从馈电带状线5-1通过耦合缝隙3-1耦合，激励基片集成波导腔，再通过辐射缝隙1-1辐射。
另外，需要说明的是，本实施例中，上述高频单元组成一个2×4阵列以后，共同对应构成一个低频单元，整个高频天线阵列由同轴接头10馈电；同轴接头10同时还复用为低频贴片天线的短路点如图1(e)所示，此时，同轴接头10位于整个天线结构右侧边缘的中心点处，但此结构已经为贴片天线小型化后的结构，实际上小型化设计前，一个低频贴片天线对应的高频天线为4×4阵列，在贴片天线中心线处电场为零，故在中心线上(中心点处)引入一个短路点(同轴接头10)，使得在不改变贴片天线的工作频率的基础上，减半了贴片天线的占用面积，减半后天线结构如图1所示；其中，贴片天线左侧为等效磁流辐射边，短路点位于贴片天线右侧边。
更进一步的，本实施例中，上层介质层2厚度为0.508mm、相对介电常数为2.2，下层介质层6厚度为0.254mm、相对介电常数为2.2。基于此参数，对上述共口径天线进行仿真测试；如图3所示为上述小型化高隔离度共口径天线sub-6G频段的S参数和方向图，结果显示在3.4GHz-3.6GHz的频带范围内，sub-6G贴片天线S参数均可以满足-10dB以下；在中心频点处(3.5GHz)实现了最大增益3.5dBi。如图4所示为上述小型化高隔离度共口径天线毫米波频段的S参数和方向图，结果显示在37.8GHz-39.0GHz的频带范围内，基片集成波导背腔缝隙阵S参数均可以满足-10dB以下；在中心频点处(38.5GHz)实现了最大增益19.6dBi。如图5所示为上述小型化高隔离度共口径天线在不同频段之间的隔离度，结果显示在3.4GHz-3.6GHz的频带范围内，隔离度高于70dB；在37.7GHz-39.0GHz的频带范围内，隔离度高于40dB。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (8)

1.一种基于结构复用的小型化高隔离度共口径天线，包括：从下往上依次层叠设置的下层金属覆铜层(7)、下层介质层(6)、馈电网络层(5)、中层介质层(4)、中层金属覆铜层(3)、上层介质层(2)及上层金属覆铜层(1)；其特征在于：
所述上层金属覆铜层(1)与中层金属覆铜层(3)通过第一金属化过孔(11)电气连接，所述第一金属化过孔(11)贯穿上层介质层(2)，所述中层金属覆铜层、上层介质层、上层金属覆铜层与第一金属化过孔共同构成多个呈矩阵排布的基片集成波导腔；每个基片集成波导腔中，上层金属覆铜层上开设辐射缝隙(1-1)，中层金属覆铜层(3)上开设馈电缝隙(3-1)，形成基片集成波导缝隙天线；所述馈电网络层(5)通过馈电缝隙(3-1)将信号馈至基片集成波导缝隙天线；
所述中层金属覆铜层(3)与下层金属覆铜层(7)通过第二金属化过孔(12)电气连接，所述第二金属化过孔(12)贯穿下层介质层(6)、馈电网络层(5)及中层介质层(4)、且沿下层介质层(6)的边缘排布，同时，第二金属化过孔(12)与馈电网络层(5)相绝缘；所述下层金属覆铜层、下层介质层、馈电网络层、中层介质层、中层金属覆铜层、上层介质层及上层金属覆铜层共同形成一个贴片天线；所述贴片天线有且只有一个等效磁流辐射边，与等效磁流辐射边平行的另一边与金属地(8)短路连接，短路点位于下层金属覆铜层(7)上；
所述基片集成波导缝隙天线采用同轴馈电，第一同轴馈电接头(10)的内导体(10-1)穿透下层金属覆铜层(7)和下层介质层(6)与馈电网络层(5)中馈电带状线连接，第一同轴馈电接头(10)的外导体(10-2)将下层金属覆铜层(7)与金属地(8)电气连接；
所述贴片天线采用同轴馈电，第二同轴馈电接头(9)的内导体(9-1)与下层金属覆铜层(7)电气连接，第二同轴馈电接头(9)的外导体(9-2)与金属地(8)电气连接；
所述金属地(8)位于下层金属覆铜层(7)的下方。
2.按权利要求1所述基于结构复用的小型化高隔离度共口径天线，其特征在于，所述基片集成波导天线和贴片天线的中心频率为fH0/fL0≥2的任意两个频段，其中，fH0为集成波导天线中心频率，fL0为贴片天线中心频率。
3.按权利要求1所述基于结构复用的小型化高隔离度共口径天线，其特征在于，所述基片集成波导天线和贴片天线的极化方式均为线极化方式。
4.按权利要求1所述基于结构复用的小型化高隔离度共口径天线，其特征在于，所述贴片天线为方形或圆形贴片。
5.按权利要求1所述基于结构复用的小型化高隔离度共口径天线，其特征在于，所述贴片天线的馈电方式为同轴馈电或缝隙耦合馈电。
6.按权利要求1所述基于结构复用的小型化高隔离度共口径天线，其特征在于，所述贴片天线包括一个或多个短路点。
7.按权利要求1所述基于结构复用的小型化高隔离度共口径天线，其特征在于，所述基片集成波导天线为方形基片集成波导天线或圆形基片集成波导天线，其工作模式为任意模式。
8.按权利要求1所述基于结构复用的小型化高隔离度共口径天线，其特征在于，所述馈电网络层采用带状线、微带线、共面波导或共面带状线。
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