CN111244604B - 一种用于移动终端的双极化毫米波介质谐振器天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于移动终端的双极化毫米波介质谐振器天线，属于无线通信和天线技术领域。所述的基片集成圆柱形介质谐振器天线包括均为矩形且依次贴合的上层金属、上介质基板、中间层金属和下介质基板，上介质基板上设置金属柱和空气柱，中间层金属上开有矩形开口a和矩形开口b，下介质基板下表面覆有微带馈线a和微带馈线b；射频信号分别由微带馈线a和微带馈线b起始端输入，通过矩形开口a和矩形开口b耦合到圆柱形介质谐振器中，最后通过介质谐振辐射到自由空间中。本发明克服了现有毫米波天线极化单一的问题，天线的阻抗带宽大，对于于手机玻璃、外壳等外围设备的敏感度低，同时本发明易于加工，与手机终端的集成度高。
Description
技术领域
本发明属于无线通信和天线技术领域，尤其涉及一种用于移动终端的双极化毫米波介质谐振器天线。
背景技术
新一代移动通信技术(5G)的迅猛发展，给无线通信设备提出了越来越严格的要求，天线作为其关键部分之一，其性能的优劣直接决定了通信质量和用户体验。为了提高信息传输速率，天线的工作频段上升至毫米波频段，且往往要求天线有较宽的带宽和较高的增益。随着频率的升高，金属损耗对于天线效率的影响更加显著，影响天线的增益。同时，手机终端提供给毫米波天线的空间是极其有限的，天线的小型化和紧凑型十分重要。此外，由于终端的接收信号方向和极化方式的任意性，要求天线在较大的辐射范围内都有较高增益，且具备双极化的功能。与基站天线不同，手机天线集成到手机终端后会受到玻璃后盖等影响，因此天线性能的稳定性对于通信系统也至关重要。
现有的可应用于5G手机终端的天线面临着频带窄、极化单一、辐射效率低、对环境敏感度高等缺陷。因此如何设计出尺寸小、性能高的毫米波手机天线是5G移动通信的关键问题。
发明内容
本发明针对毫米波手机天线的设计难点，提出了一种用于移动终端的双极化毫米波介质谐振器天线，实现了终端天线的大带宽、双极化、高增益、高覆盖以及低环境敏感度。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种用于移动终端的双极化毫米波介质谐振器天线，所述的基片集成圆柱形介质谐振器天线包括均为矩形且依次贴合的上层金属1、上介质基板3、中间层金属6和下介质基板9。所述的上介质基板3上设置金属柱4和空气柱5；所述的空气柱5为圆柱形镂空体，以圆周阵列的形式分布在上介质基板3上；所述的金属柱4为圆柱形金属体，以圆周阵列的形式分布在上介质基板3上，且金属柱4与空气柱5的圆周阵列同心，金属柱4位于空气柱5外侧；所述的空气柱5相当于理想磁壁，满足双极化毫米波介质谐振器天线辐射所需要的边界条件；所述的金属柱4限制电磁波的泄漏，减小损耗。
所述的上层金属1上开有圆形开口2，圆形开口2的边缘位于金属柱4和空气柱5之间，圆形开口2是为了使双极化毫米波介质谐振器天线向自由空间中辐射电磁波。
所述的中间层金属6上开有矩形开口a7和矩形开口b8，用于为双极化毫米波介质谐振器天线提供耦合馈电；矩形开口a7和矩形开口b8相互垂直但不相交，以获得两种不同的极化。
所述的下介质基板9下表面覆有微带馈线a10和微带馈线b11。
微带馈线a10的起始端位于下介质基板9的侧边，末端与矩形开口a7垂直交叉；微带馈线b11起始端位于下介质基板9的侧边，末端与矩形开口b8垂直交叉。
由于双极化毫米波介质谐振器天线工作于28GHz的毫米波频段，相较于微波，毫米波在空气中的路径损耗较大。为了补偿路径损耗，必须提高双极化毫米波介质谐振器天线的增益。因此，将双极化毫米波介质谐振器天线作为天线单元，形成1×4相控阵天线，如图5所示，并将其集成于手机边框。该相控阵天线在工作频带内具有较高且稳定的增益，交叉极化比高。
所述的上介质基板3的材料采用介电常数为10.8、损耗正切角为0.0027的RogersRO3210材料。
所述的下介质基板9的材料采用介电常数为2.2、损耗正切角为0.0009的RogersRT5880材料。
上介质基板3和下介质基板9的厚度分别为1mm，0.127mm，上层金属1和中间层金属6均为厚度为0.035mm的铜。
本发明的工作过程为：射频信号分别由微带馈线a10和微带馈线b11起始端输入，通过矩形开口a7和矩形开口b8耦合到圆柱形介质谐振器中，最后通过介质谐振辐射到自由空间中。其中，所述的双极化毫米波介质谐振器天线可以有效覆盖26.2-30.2GHz的频率范围。
本发明的有益效果：
1)本发明所述的双极化毫米波介质谐振器天线以PCB工艺实现，与传统的介质谐振器相比剖面低，易于加工，与手机终端的集成度高。
2)本发明利用相互正交的矩形开口a和矩形开口b对双极化毫米波介质谐振器天线进行馈电，使得双极化毫米波介质谐振器天线具有双极化的特点，且端口隔离度高于40dB，克服了现有毫米波天线极化单一的问题。
3)天线的阻抗带宽大。与金属结构的天线相比，效率高，波瓣宽度宽，因而增益和覆盖范围都有所提高。
4)双极化毫米波介质谐振器天线的性能对于手机玻璃、外壳等外围设备的敏感度低。
附图说明
图1是本发明的正视图；
图2是本发明的组装示意图；
图3是本发明提出的双极化毫米波介质谐振器天线的仿真S曲线；
图4是本发明中双极化毫米波介质谐振器天线的辐射方向图；图4(a)为从微带馈线a11进行馈电；图4(b)为从微带馈线a10进行馈电；
图5是本发明提出的集成于手机终端的1×4相控阵天线的结构示意图；
图6是本发明的1×4相控阵天线的仿真S曲线；
图7是1×4相控阵天线的辐射效率和最大增益在整个带宽内的变化曲线图；
图8是1×4相控阵天线在28GHz处的仿真辐射方向图；
图中：1上层金属；2圆形开口；3上介质基板；4金属柱；5空气柱；6中间层金属；7矩形开口a；8矩形开口b；9下介质基板；10微带馈线a；11微带馈线b。
具体实施方式
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，以下参照附图并结合具体实施方式来进一步描述本发明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施，本发明保护范围并不受限于该具体实施方式。显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1、2，一种用于移动终端的双极化毫米波介质谐振器天线，所述的空气柱5圆心所在的圆周阵列半径为2.15mm；
所述的金属柱4圆心所在的圆周阵列半径为2.6mm；
所述的上层金属1的圆形开口2半径为2.4mm；
所述的中间层金属6的矩形开口a7尺寸为1.8×0.2mm2，距离中间层金属6中心的垂直距离为0.7mm；
矩形开口b8的尺寸为1.6×0.3mm2，距离中间层金属6中心的垂直距离为1mm。
所述的微带馈线a10和微带馈线b11位于介质基板9的表面，所述的微带馈线a10和微带馈线b11的宽度均为0.34mm；所述的微带馈线b11的末端端点距矩形开口8的距离为0.8mm；微带馈线a10的末端端点距矩形开口7的距离为0.9mm，由于双极化毫米波介质谐振器天线的整体尺寸非常小，为了方便馈电，将微带馈线a10与微带馈线b11的起始端分别置于介质基板9两个相互平行侧边上，并将微带馈线a10设计为L形的结构。
所述的上层金属1和中间层金属6的厚度均为0.035mm；
所述的上介质基板3的厚度为1mm，下介质基板9的厚度为0.127mm。参见图5，位于手机较长边的1×4相控阵天线由4个单元组成，它是一个线性阵列，其长、宽分别为32mm和8mm。
本发明所述的双极化毫米波介质谐振器天线仿真结果进一步说明如下：
图3是本发明提出的双极化毫米波介质谐振器天线的S曲线仿真结果，从图中看出双极化毫米波介质谐振器天线在28GHz频段内能产生有效谐振，带宽为26.2-30GHz，且两端口之间的隔离度大于40dB，双极化毫米波介质谐振器天线的工作性能和正交性好。
图4(a)、(b)分别是从微带馈线a10、微带馈线b11馈电时，在28GHz处的辐射方向图，从图4中看出本发明提出的双极化毫米波介质谐振器天线具有交叉极化低、单向辐射和高增益的优点。
参见图5，所述的1×4相控阵天线分别放置在手机终端的两个较长边框中间位置上(该位置可根据需求调整)，该手机终端的尺寸为140×70×8mm3。
图6是本发明提出的1×4相控阵天线的S曲线仿真结果，从图中看出1×4相控阵天线在28GHz频段能产生有效谐振，带宽为26.2-30.2GHz，天线单元两端口之间隔离度在整个带宽内高于40dB，不同天线单元之间的耦合低于20dB，这说明双极化毫米波介质谐振器天线两端口以及天线单元之间的互耦都很小，并且手机终端对1×4相控阵天线的影响也很小。
图7是本发明提出的1×4相控阵天线仿真最大增益和辐射效率，可以看出增益和辐射效率曲线在整个带宽内都是比较平稳的，效率较高。
图8为1×4相控阵天线在28GHz处的辐射方向图，可以看出该阵列在yoz平面有很宽的波束宽度，达到了81°。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种用于移动终端的双极化毫米波介质谐振器天线，其特征在于，所述的双极化毫米波介质谐振器天线包括均为矩形且依次贴合的上层金属（1）、上介质基板（3）、中间层金属（6）和下介质基板（9）；所述的上介质基板（3）上设置金属柱（4）和空气柱（5）；所述的空气柱（5）为圆柱形镂空体，以圆周阵列的形式分布在上介质基板（3）上；所述的金属柱（4）为圆柱形金属体，以圆周阵列的形式分布在上介质基板（3）上，且金属柱（4）与空气柱（5）的圆周阵列同心，金属柱（4）位于空气柱（5）外侧；
所述的上层金属（1）上开有圆形开口（2），圆形开口（2）的边缘位于金属柱（4）和空气柱（5）之间；
所述的中间层金属（6）上开有矩形开口a（7）和矩形开口b（8），用于为双极化毫米波介质谐振器天线提供耦合馈电；矩形开口a（7）和矩形开口b（8）相互垂直但不相交；
所述的下介质基板（9）下表面覆有微带馈线a（10）和微带馈线b（11）；微带馈线a（10）的起始端位于下介质基板（9）的侧边，末端与矩形开口a（7）垂直交叉；微带馈线b（11）起始端位于下介质基板（9）的侧边，末端与矩形开口b（8）垂直交叉。
2.根据权利要求1所述的一种用于移动终端的双极化毫米波介质谐振器天线，其特征在于，所述的双极化毫米波介质谐振器天线应用于手机终端时，将双极化毫米波介质谐振器天线作为天线单元，形成1×4相控阵天线，并将其集成于手机边框。
3.根据权利要求1所述的一种用于移动终端的双极化毫米波介质谐振器天线，其特征在于，所述的上介质基板（3）的材料采用介电常数为10.8、损耗正切角为0.0027的RogersRO3210材料。
4.根据权利要求1所述的一种用于移动终端的双极化毫米波介质谐振器天线，其特征在于，所述的下介质基板（9）的材料采用介电常数为2.2、损耗正切角为0.0009的RogersRT5880材料。
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