CN110970722A - 一种应用于5g毫米波无线通信的低剖面宽带贴片天线结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于5G毫米波无线通信的低剖面宽带贴片天线结构，包括：辐射贴片；第一介质层，所述第一介质层设置在所述辐射贴片的下方；人工磁导体单元，所述人工磁导体单元设置在所述第一介质层的下方，且在水平投影方向上与所述辐射贴片不重叠；第二介质层，所述第二介质层位于所述人工磁导体单元的下方；反射地板，所述反射地板位于所述第二介质层下方；缝隙凹槽，所述缝隙凹槽位于所述辐射贴片正下方的反射地板上；第三介质层，所述第三介质层位于所述反射地板和所述缝隙凹槽的下方；以及微带馈线，所述微带馈线位于所述第三介质层的下方，所述微带馈线为终端开路的导线，其中开路端位于缝隙凹槽中心正下方，另一端连接馈电端口。

Description

一种应用于5G毫米波无线通信的低剖面宽带贴片天线结构

技术领域

本发明涉及通讯天线技术，尤其涉及一种应用于5G毫米波无线通信的低剖面宽带贴片天线结构。

背景技术

在现代无线通信系统中，贴片天线广泛被使用。贴片天线具有结构简单、制造方便、成本低、剖面低等优点，是5G毫米波封装天线(Antenna-in-package，AiP)应用的良好选择。

随着移动通信技术快速发展，5G无线通信系统对天线性能要求越来越高。为了满足5G毫米波无线通信系统的小型化和高数据速率的需求，众多研究者在天线设计与研发上投入了大量的精力。但现阶段，贴片天线的发展仍面临着许多需要迫切需要解决的问题。一方面，贴片天线在小型化方面面临许多难题，尤其是纵向的小型化，贴片天线的剖面降低导致带宽等性能随之降低；另一方面，贴片天线在有限的剖面高度下提高带宽也面临许多困难。

目前，提高贴片天线带宽的技术主要包括四种方法：包括叠层贴片，空气腔，U型、L型和E型贴片以及贴片负载超材料等天线。但是，叠层贴片技术贴片天线需要增加额外的剖面高度来实现带宽的叠层结构；空气腔贴片天线面临着天线结构复杂，在毫米波高密度集成系统中工艺难度高等问题；利用L型、U型、E型等结构实现宽频带，但这一类不对称的贴片结构会引起高交叉极化的问题；现代天线工程中利用超材料负载如人工磁导体(Artificial magnetic conductor，AMC)的贴片天线也能实现降剖面增加带宽，人工磁导体具有同相反射特性，即其表面的入射波与反射波相位一致，因此，其与天线之间的距离可以非常近，从而有效缩小波程，降低天线的纵向尺寸。但是现阶段，基于人工磁导体作为天线反射面的低剖面天线面临阻抗带宽增加不明显，需要人工磁导体单元数量多且仅利用人工磁导体同相反射特性原理进行降低剖面设计和提升天线性能。

针对现有的提高贴片天线带宽技术中叠层贴片会增加剖面高度、空气腔贴片结构复杂、不对称贴片结构会引起高交叉极化，以及现有基于人工磁导体作为天线反射面的低剖面天线面临阻抗带宽增加不明显，需要人工磁导体单元数量多，且仅利用人工磁导体同相反射特性原理进行降低剖面设计和提升天线性能等问题。本发明提出一种应用于5G毫米波无线通信的低剖面宽带贴片天线结构至少部分的克服上述现有技术存在的问题，拓展了5G毫米波无线通信的低剖面宽带贴片天线的应用场景。

发明内容

针对现有的提高贴片天线带宽技术中叠层贴片会增加剖面高度、空气腔贴片结构复杂、不对称贴片结构会引起高交叉极化，以及现有基于人工磁导体作为天线反射面的低剖面天线面临阻抗带宽增加不明显，需要人工磁导体单元数量多，且仅利用人工磁导体同相反射特性原理进行降低剖面设计和提升天线性能等问题，根据本发明的一个实施例，提供一种应用于5G毫米波无线通信的低剖面宽带贴片天线结构，包括：

辐射贴片；

第一介质层，所述第一介质层设置在所述辐射贴片的下方；

人工磁导体单元，所述人工磁导体单元设置在所述第一介质层的下方，且在水平投影方向上与所述辐射贴片不重叠；

第二介质层，所述第二介质层位于所述人工磁导体单元的下方；

反射地板，所述反射地板位于所述第二介质层下方；

缝隙凹槽，所述缝隙凹槽位于所述辐射贴片正下方的反射地板上；

第三介质层，所述第三介质层位于所述反射地板和所述缝隙凹槽的下方；以及

微带馈线，所述微带馈线位于所述第三介质层的下方，所述微带馈线为终端开路的导线，其中开路端位于缝隙凹槽中心正下方，另一端连接馈电端口。

在本发明的一个实施例中，所述辐射贴片为矩形辐射贴片；所述缝隙凹槽为矩形凹槽。

在本发明的一个实施例中，所述第一介质层为GHPL-970半固化片介质板；所述第二介质层为Rogers4350B高频介质板；所述第三介质层为GHPL-970半固化片介质板。

在本发明的一个实施例中，所述人工磁导体单元包括多个人工磁导体单元，构成人工磁导体阵列，所述多个人工磁导体单元之间无电气连接；所述多个人工磁导体单元与所述辐射贴片无电气连接；所述人工磁导体阵列围绕所述辐射贴片的中心对称分布。

在本发明的一个实施例中，所述多个人工磁导体单元为两对2×4个，共16个人工磁导体单元。

在本发明的一个实施例中，所述微带馈线通过所述缝隙凹槽对所述辐射贴片进行馈电；所述人工磁导体单元由所述辐射贴片产生的表面波进行激励。

在本发明的一个实施例中，所述微带馈线、所述人工磁导体阵列、所述反射地板上的所述缝隙凹槽与所述辐射贴片的中心处于同一垂直位置。

根据本发明的另一个实施例，提供一种基于应用于5G毫米波无线通信的低剖面宽带贴片天线结构的天线阵列，包括：

N个辐射贴片；

位于所述N个辐射贴片下方的第一介质层；

位于所述第一介质层下方的N个人工磁导体阵列，所述N个人工磁导体阵列在水平投影方向上与所述N个辐射贴片不重叠，且所述每个人工磁导体阵列围绕其对应的所述辐射贴片的中心对称分布；

位于所述N个人工磁导体阵列下方的第二介质层；

位于所述第二介质层下方的反射地板和N个缝隙凹槽；

位于所述反射地板和所述N个缝隙凹槽下方的第三介质层；

位于所述第三介质层下方的N个微带馈线；以及

电连接到所述N个微带馈线的馈电网络。

在本发明的另一个实施例中，所述辐射贴片为矩形辐射贴片；所述缝隙凹槽为矩形凹槽；所述第一介质层为GHPL-970半固化片介质板；所述第二介质层为Rogers4350B高频介质板；所述第三介质层为GHPL-970半固化片介质板；所述天线阵列采用的辐射贴片、所述人工磁导体阵列、带所述缝隙凹槽的所述反射地板以及所述微带馈线均为金属材料。

在本发明的另一个实施例中，N＝4；所述馈电网络通过3个T型功分器电连接至所述微带馈线。

本发明提供一种应用于5G毫米波无线通信的低剖面宽带贴片天线结构，包括由金属贴片构成的反射地板，设置在反射地板上方的第一介质层，设置在第一介质层上的人工磁导体结构，设置在第一介质层和人工磁导体结构上方的第二介质层，设置在第二介质层上的矩形辐射贴片，设置在反射地板下方的第三介质层以及设置在第三介质层下方的微带馈线；反射地板还包括矩形凹槽，矩形辐射贴片通过反射地板上的矩形凹槽耦合馈电。基于本发明提供的该种应用于5G毫米波无线通信的低剖面宽带贴片天线结构，采用负载有限周期的人工磁导体单元，可以保证天线的低剖面的同时获得宽频特性，起到提高增益的作用；天线利用中心矩形辐射贴片产生的表面波被诱导激励有限周期的人工磁导体负载单元并产生额外的谐振来增加带宽；同时由于天线中辐射孔径增大，天线增益获得提高。

附图说明

为了进一步阐明本发明的各实施例的以上和其它优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。

图1示出根据本发明的一个实施例的一种应用于5G毫米波无线通信的低剖面宽带贴片天线结构100的整体截面投影示意图。

图2示出根据本发明的一个实施例的一种应用于5G毫米波无线通信的低剖面宽带贴片天线结构100的矩形辐射贴片和人工磁导体单元的俯视示意图。

图3示出根据本发明的一个实施例的一种基于应用于5G毫米波无线通信的低剖面宽带贴片天线结构100的天线阵列整体结构俯视示意图。

具体实施方式

在以下的描述中，参考各实施例对本发明进行描述。然而，本领域的技术人员将认识到可在没有一个或多个特定细节的情况下或者与其它替换和/或附加方法、材料或组件一起实施各实施例。在其它情形中，未示出或未详细描述公知的结构、材料或操作以免使本发明的各实施例的诸方面晦涩。类似地，为了解释的目的，阐述了特定数量、材料和配置，以便提供对本发明的实施例的全面理解。然而，本发明可在没有特定细节的情况下实施。此外，应理解附图中示出的各实施例是说明性表示且不一定按比例绘制。

在本说明书中，对“一个实施例”或“该实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。在本说明书各处中出现的短语“在一个实施例中”并不一定全部指代同一实施例。

需要说明的是，本发明的实施例以特定顺序对工艺步骤进行描述，然而这只是为了方便区分各步骤，而并不是限定各步骤的先后顺序，在本发明的不同实施例中，可根据工艺的调节来调整各步骤的先后顺序。

本发明提供一种应用于5G毫米波无线通信的低剖面宽带贴片天线结构，包括由金属贴片构成的反射地板，设置在反射地板上方的第一介质层，设置在第一介质层上的人工磁导体结构，设置在第一介质层和人工磁导体结构上方的第二介质层，设置在第二介质层上的矩形辐射贴片，设置在反射地板下方的第三介质层以及设置在第三介质层下方的微带馈线；反射地板还包括矩形凹槽，矩形辐射贴片通过反射地板上的矩形凹槽耦合馈电。基于本发明提供的该种应用于5G毫米波无线通信的低剖面宽带贴片天线结构，采用负载有限周期的人工磁导体单元，可以保证天线的低剖面的同时获得宽频特性，起到提高增益的作用；天线利用中心矩形辐射贴片产生的表面波被诱导激励有限周期的人工磁导体负载单元并产生额外的谐振来增加带宽；同时由于天线中辐射孔径增大，天线增益获得提高。

下面结合图1来详细介绍根据本发明的一个实施例的一种应用于5G毫米波无线通信的低剖面宽带贴片天线结构。图1示出根据本发明的一个实施例的一种应用于5G毫米波无线通信的低剖面宽带贴片天线结构100的整体截面投影示意图；图2示出根据本发明的一个实施例的一种应用于5G毫米波无线通信的低剖面宽带贴片天线结构100的矩形辐射贴片和人工磁导体单元的俯视示意图。如图1、图2所示，该应用于5G毫米波无线通信的低剖面宽带贴片天线结构100进一步包括矩形辐射贴片110、第一介质层120、人工磁导体单元130、第二介质层140、反射地板150、矩形凹槽160、第三介质层170以及微带馈线180。

矩形辐射贴片110设置在该贴片天线结构的最顶层。在本发明的一个实施例中，矩形辐射贴片110为矩形铜片，通过加成法电镀形成或者通过减成法刻蚀形成。

第一介质层120位于矩形辐射贴片110的下方，第一介质层120可以为圆形或者矩形。在本发明的一个实施例中，第一介质层120的材料为GHPL-970半固化片，通过压合、固化形成。

人工磁导体单元130设置在第一介质层120的下方，形状为矩形，有限周期的人工磁导体单元130构成人工磁导体阵列135。在本发明的一个实施例中，人工磁导体阵列135包括两对2×4方形人工磁导体单元130，共16个人工磁导体单元130；人工磁导体单元130以相同的间距周期均匀排列；人工磁导体单元130之间无电气连接，人工磁导体单元130与矩形辐射贴片110无电气连接；人工磁导体阵列135对称设置在第一介质层120的下方；人工磁导体阵列135围绕矩形辐射贴片110的中心对称分布。在本发明的一个具体实施例中，人工磁导体单元130的边长为1.32mm×1.32mm，相邻两个人工磁导体单元130的距离为0.05mm；最内侧的人工磁导体单元130与第一介质层120上表面的矩形辐射贴片110在水平方向上的距离为0.3mm。

第二介质层140位于人工磁导体单元130或人工磁导体阵列135的下方，第二介质层140的材料为Rogers4350B高频介质板。

反射地板150设置在第二介质层140下方，反射地板150作为矩形辐射贴片110与人工磁导体单元130共用的反射地平面；在矩形辐射贴片110下方的对应位置的反射地板150上具有矩形凹槽160。

第三介质层170设置在反射地板150和矩形凹槽160的下方。在本发明的一个实施例中，第三介质层170的材料为GHPL-970半固化片介质板。

微带馈线180设置在第三介质层170的下方，微带馈线180为终端开路的导线，在约四分之一波长处，即位于矩形凹槽160中心正下方。矩形辐射贴片110由微带馈线180通过反射地板150上的矩形凹槽160向上层耦合馈电；人工磁导体单元130由矩形辐射贴片110产生的表面波所激励。

下面结构图3来介绍基于应用于5G毫米波无线通信的低剖面宽带贴片天线结构100的天线阵列。图3示出根据本发明的一个实施例的一种基于应用于5G毫米波无线通信的低剖面宽带贴片天线结构100的天线阵列整体结构俯视示意图。如图3所示，该天线阵列包括矩形辐射贴片110、人工磁导体阵列135、反射地板150、矩形凹槽160、微带馈线180以及1×4阵列馈电网络190。

在本发明的一个具体实施例中，该天线阵列采用图1中所述第一介质层120和第三介质层170，材料为GHPL-970半固化片介质板；采用图1中所述第二介质层140所采用的Rogers4350B介质板。

如图3所示，该天线阵列的矩形辐射贴片110阵列包括1×4个矩形辐射贴片110单元。在本发明的一个具体实施例中，矩形辐射贴片110单元的边长为1.3mm×2.4mm，相邻两个矩形辐射贴片110单元的中心距离为6mm；该天线阵列的人工磁导体阵列135包括1×4个有限周期的人工磁导体阵列135；该天线阵列的矩形凹槽160包括1×4个矩形凹槽160；该天线阵列的1×4阵列馈电网络190，包括三个一分二馈电结构组成，每个馈电结构由一个T型功分器组成，该1×4阵列馈电网络190位于第三介质层170下方。在本发明的一个实施例中，该天线阵列采用的矩形辐射贴片110、有限周期人工磁导体阵列135、所述带矩形凹槽160的反射地板150以及微带馈线180均采用金属材料制成。

基于本发明提供的该种应用于5G毫米波无线通信的低剖面宽带贴片天线结构，包括由金属贴片构成的反射地板，设置在反射地板上方的第一介质层，设置在第一介质层上的人工磁导体结构，设置在第一介质层和人工磁导体结构上方的第二介质层，设置在第二介质层上的矩形辐射贴片，设置在反射地板下方的第三介质层以及设置在第三介质层下方的微带馈线；反射地板还包括矩形凹槽，矩形辐射贴片通过反射地板上的矩形凹槽耦合馈电。基于本发明提供的该种应用于5G毫米波无线通信的低剖面宽带贴片天线结构，采用负载有限周期的人工磁导体单元，可以保证天线的低剖面的同时获得宽频特性，起到提高增益的作用；天线利用中心矩形辐射贴片产生的表面波被诱导激励有限周期的人工磁导体负载单元并产生额外的谐振来增加带宽；同时由于天线中辐射孔径增大，天线增益获得提高。具体如图3所示的天线阵列具有如下特点：1)利用贴片天线负载有限周期AMC单元，实现了天线剖面的小型化。本发明天线单元小型化的尺寸为10.7mm×10.7mm×0.5mm，约为1λ28GHz×1λ28GHz×0.047λ28GHz(λ28GHz为自由空间中28GHz的波长)。2)利用中心矩形辐射贴片产生的表面波被诱导激励有限周期的人工磁导体负载单元并产生额外的谐振来增加带宽，有利于实现天线的宽频带特性，天线阵列的带宽可覆盖25-31GHz(大于20％)，可应用于5G毫米波通信。3)使用对称的天线结构与耦合馈电技术，实现天线低交叉极化性，同明无通孔设计，简化了天线的结构，可实现天线的低交叉极化性能。4)利用负载有限周期人工磁导体单元增加辐射孔径，实现天线高增益特性。

尽管上文描述了本发明的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。

Claims (10)

1.一种应用于5G毫米波无线通信的低剖面宽带贴片天线结构，包括：

辐射贴片；

第一介质层，所述第一介质层设置在所述辐射贴片的下方；

人工磁导体单元，所述人工磁导体单元设置在所述第一介质层的下方，且在水平投影方向上与所述辐射贴片不重叠；

第二介质层，所述第二介质层位于所述人工磁导体单元的下方；

反射地板，所述反射地板位于所述第二介质层下方；

缝隙凹槽，所述缝隙凹槽位于所述辐射贴片正下方的反射地板上；

第三介质层，所述第三介质层位于所述反射地板和所述缝隙凹槽的下方；以及

微带馈线，所述微带馈线位于所述第三介质层的下方，所述微带馈线为终端开路的导线，其中开路端位于缝隙凹槽中心正下方，另一端连接馈电端口。

2.如权利要求1所述的应用于5G毫米波无线通信的低剖面宽带贴片天线结构，其特征在于，所述辐射贴片为矩形辐射贴片；所述缝隙凹槽为矩形凹槽。

3.如权利要求1所述的应用于5G毫米波无线通信的低剖面宽带贴片天线结构，其特征在于，所述第一介质层为GHPL-970半固化片介质板；所述第二介质层为Rogers4350B高频介质板；所述第三介质层为GHPL-970半固化片介质板。

4.如权利要求1所述的应用于5G毫米波无线通信的低剖面宽带贴片天线结构，其特征在于，所述人工磁导体单元包括多个人工磁导体单元，构成人工磁导体阵列，所述多个人工磁导体单元之间无电气连接；所述多个人工磁导体单元与所述辐射贴片无电气连接；所述人工磁导体阵列围绕所述辐射贴片的中心对称分布。

5.如权利要求4所述的应用于5G毫米波无线通信的低剖面宽带贴片天线结构，其特征在于，所述多个人工磁导体单元为两对2×4个，共16个人工磁导体单元。

6.如权利要求1所述的应用于5G毫米波无线通信的低剖面宽带贴片天线结构，其特征在于，所述微带馈线通过所述缝隙凹槽对所述辐射贴片进行馈电；所述人工磁导体单元由所述辐射贴片产生的表面波进行激励。

7.如权利要求4所述的应用于5G毫米波无线通信的低剖面宽带贴片天线结构，其特征在于，所述微带馈线、所述人工磁导体阵列、所述反射地板上的所述缝隙凹槽与所述辐射贴片的中心处于同一垂直位置。

8.一种基于应用于5G毫米波无线通信的低剖面宽带贴片天线结构的天线阵列，包括：

N个辐射贴片；

位于所述N个辐射贴片下方的第一介质层；

位于所述第一介质层下方的N个人工磁导体阵列，所述N个人工磁导体阵列在水平投影方向上与所述N个辐射贴片不重叠，且所述每个人工磁导体阵列围绕其对应的所述辐射贴片的中心对称分布；

位于所述N个人工磁导体阵列下方的第二介质层；

位于所述第二介质层下方的反射地板和N个缝隙凹槽；

位于所述反射地板和所述N个缝隙凹槽下方的第三介质层；

位于所述第三介质层下方的N个微带馈线；以及

电连接到所述N个微带馈线的馈电网络。

9.如权利要求8所述的基于应用于5G毫米波无线通信的低剖面宽带贴片天线结构的天线阵列，其特征在于，所述辐射贴片为矩形辐射贴片；所述缝隙凹槽为矩形凹槽；所述第一介质层为GHPL-970半固化片介质板；所述第二介质层为Rogers4350B高频介质板；所述第三介质层为GHPL-970半固化片介质板；所述天线阵列采用的辐射贴片、所述人工磁导体阵列、带所述缝隙凹槽的所述反射地板以及所述微带馈线均为金属材料。

10.如权利要求9所述的基于应用于5G毫米波无线通信的低剖面宽带贴片天线结构的天线阵列，其特征在于，N＝4；所述馈电网络通过3个T型功分器电连接至所述微带馈线。

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