CN111509379A - 一种双层5g微带阵列天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双层5G微带阵列天线，包括尺寸相同的顶层介质板和底层介质板及接地板，所述顶层介质板的上层和底层介质板的下层均印刷有结构尺寸相同的平行带线结构、功分器、天线单元，平行带线结构与功分器连接、功分器的端口与天线单元连接形成双层天线阵列；所述接地板印刷在顶层介质板的下层，所述顶层介质板、底层介质板共用所述接地板使顶层介质板、底层介质板的辐射相位相反。采用双面平行带线结构和功分器结构及5G微带天线单元组成双层微带阵列天线，具有双向辐射方向且尺寸是同天线单元数量的一半。

Description

一种双层5G微带阵列天线
技术领域
本发明涉及通信领域，尤其是一种双层5G微带阵列天线。
背景技术
目前，公知的微带阵列天线是由多个相同的微带天线单元按照一定规律排列组成，并印刷在一块平整的介质板上的天线系统，它具有增益高，方向性强，辐射效率高，副瓣低等优点，也正是因为这些优点，导致微带阵列天线通常尺寸较大，只能固定朝着某一方向辐射，在某些需要多个方向辐射的应用场所受到了限制，而全向天线又因增益低达不到使用要求，给实地应用带来一定的困扰。
发明内容
为了克服现有的微带阵列天线尺寸较大，辐射方向单一的不足，本发明创造提供了一种双层5G微带阵列天线，该阵列天线不仅能够双面辐射，并且尺寸较小。
本发明采用如下技术方案：
一种双层5G微带阵列天线，包括尺寸相同的顶层介质板和底层介质板及接地板，所述顶层介质板的上层和底层介质板的下层均印刷有结构尺寸相同的平行带线结构、功分器、天线单元，平行带线结构与功分器连接、功分器的端口与天线单元连接形成双层天线阵列；所述接地板印刷在顶层介质板的下层，所述顶层介质板、底层介质板共用所述接地板使顶层介质板、底层介质板的辐射相位相反。
进一步地，所述顶层介质板、底层介质板的平行带线结构组成一级馈电网络，顶层介质板、底层介质板的功分器组成二级馈电网络。
进一步地，根据权利要求1所述的一种双层5G微带阵列天线，其特征在于，所述接地板的长度与顶层介质板的长度一致，接地板的宽度比顶层介质板的宽度板略小，顶层介质板的下层和底层介质板的上层接触使双层5G微带阵列天线共用一个馈电点。
进一步地，所述顶层介质板和底层介质板的平行带线结构具有相同的结构及尺寸，且分别位于顶层介质板和底层介质板的中轴线上，接地板位于两层平行带线的中间位置把双面平行带线变成两条背靠背的微带线。
所述馈电点输入射频信号，以双面平行带线的形式进行传输，射频信号在顶层介质板和底层介质板的平行带线结构上是反相的，当射频信号走到接地板处，双面平行带线变成为背靠背的微带线。
进一步地，接地板是印刷在顶层介质板上的一层薄铜。
进一步地，所述平行带线结构包括依次连接的第一主干微带线、第一主干波长阻抗变换器、第二主干微带线。
进一步地，所述功分器为一分四威尔金森功分器，其包括一个第一分支波长阻抗变换器、两条第一分支微带线、两个第二分支波长阻抗变换器、四条第二分支微带线；所述第一分支波长阻抗变换器的输入端连接第二主干微带线，第一分支波长阻抗变换器的两个输出端分别连接第一分支微带线，第一分支微带线分别连接两个第二分支波长阻抗变换器的输入端，第二分支波长阻抗变换器的输出端分别连接第二分支微带线；所述第二分支微带线分别连接所述天线单元。
进一步地，所述天线单元的馈电处设有凹型槽，用于与第二分支微带线连接。
采用如上技术方案取得的有益技术效果为：
顶层介质板和底层介质板的平行带线结构具有相同的结构及尺寸，它们位于顶层介质板和底层介质板的的中轴线上，接地板位于两层平行带线的中间位置，它的作用是把双面平行带线变成两条背靠背的微带线。采用双面平行带线结构和功分器结构及5G微带天线单元组成双层微带阵列天线，具有双向辐射方向且尺寸是同天线单元数量的一半。
附图说明
图1为顶层介质板结构示意图。
图2为接地板结构示意图。
图3为底层介质板结构示意图。
图4为双层5G微带阵列天线结构示意图。
图5为顶层介质板和底层介质板相位仿真示意图。
图6为威尔金森功分器示意图。
图中，1、顶层介质板，2、第一主干微带线，3、第一主干波长阻抗变换器，4、第二主干微带线，5、第一分支波长阻抗变换器，6、第一分支微带线，7、第二分支波长阻抗变换器，8、第二分支微带线，9、天线单元，10、接地板。
具体实施方式
结合附图1至6对本发明的具体实施方式做进一步说明：
一种双层5G微带阵列天线，包括尺寸相同的顶层介质板1和底层介质板及接地板10，如图4所示。顶层介质板的上层和底层介质板的下层均印刷有结构尺寸相同的平行带线结构、功分器、天线单元。平行带线结构与功分器连接、功分器的端口与天线单元连接形成双层天线阵列，5G微带天线作为阵列天线的辐射单元。顶层介质板、底层介质板的平行带线结构组成一级馈电网络，顶层介质板、底层介质板的功分器组成二级馈电网络。双层5G微带阵列天线是一个拥有顶层介质板和底层介质板两块介质板的三层结构，顶层介质板的上层和底层介质板的馈电网络、天线辐射单元的结构完全一致。
接地板印刷在顶层介质板的下层，所述顶层介质板、底层介质板共用所述接地板使顶层介质板、底层介质板的辐射相位相反，如图5所示。接地板是印刷在顶层介质板上的一层薄铜。如图2所示，接地板的长度与顶层介质板的长度一致，接地板的宽度比顶层介质板的宽度板略小，顶层介质板的下层和底层介质板的上层接触，共用一个馈电口。
本实施例中，每一层的平行带线结构又与一个一分四的威尔金森功分器连接，这样每一层可形成4个端口，每个端口与一个5G微带天线单元连接，即可形成一个2(两层)*1(横向的天线数量)*4(纵向的天线数量)的天线阵列。这样既可比普通的8单元天线阵列尺寸减小一半，又可使得上下层的天线阵列朝向不同的方向进行辐射。
如图1、图3所示，平行带线结构包括依次连接的第一主干微带线2、第一主干波长阻抗变换器3、第二主干微带线4。第一主干微带线为50欧姆微带线，第一主干波长阻抗变换器为35.35欧姆1/4波长阻抗变换器，第二主干微带线为50欧姆微带线。
双层5G微带阵列天线的特征阻抗为50欧姆，业内一般使用50欧姆作为输出输入特征阻抗。当信号在接地板处，双面平行带线变成为背靠背的微带线，阻抗亦变为原来的一半，为25欧姆，为了把阻抗变为50欧姆，要加入1/4波长阻抗变换器，此阻抗变换器的阻值为35.35欧姆，即为第一主干波长阻抗变换器。
第一主干波长阻抗变换器的阻值定义为Z，其计算公式为：
Figure BDA0002444442730000031
其中，Zn＝25Ω，为接地板处阻抗值；ZL＝50欧姆，为第一主干波长阻抗变换器的输出输入端的特征阻抗值。
功分器为一分四威尔金森功分器，其包括第二主干微带线、第一分支波长阻抗变换器5、第一分支微带线6、第二分支波长阻抗变换器7、第二分支微带线8。第一分支波长阻抗变换器为70.7欧姆1/4波长阻抗变换器，第一分支微带线为50欧姆微带线，第二分支波长阻抗变换器为70.7欧姆1/4波长阻抗变换器，第二分支微带线为50欧姆微带线。
如图6所示，与第一分支波长阻抗变换器输入端、输出端分别连接的第二主干微带线、第一分支微带线的阻抗都是Z0＝50Ω，第一分支波长阻抗变换器的分支线特征阻抗为Z1，长度为λ/4，AC与AB两支路并联，满足端口一匹配条件有：
Zin2＝Zin3＝2Z0 (1)
其中，Zin2、Zin3是由A向端口2和端口3看的输入阻抗。
AB传输线的A矩阵为：
Figure BDA0002444442730000041
由此得出：
Figure BDA0002444442730000042
由式(1)、(3)得：
Figure BDA0002444442730000043
综上，第一分支波长阻抗变换器为70.7欧姆1/4波长阻抗变换器。同理，第二分支波长阻抗变换器为70.7欧姆1/4波长阻抗变换器。
第一分支波长阻抗变换器5的输入端连接第二主干微带线4，第一分支波长阻抗变换器5的两个输出端分别连接第一分支微带线6，第一分支微带线6分别连接两个第二分支波长阻抗变换器7的输入端，第二分支波长阻抗变换器7的输出端分别连接第二分支微带线8；所述第二分支微带线8分别连接所述天线单元9。
天线单元的馈电处设有凹型槽，用于与第二分支微带线连接。凹型槽的深度与天线单元50欧姆阻抗处深度一致。
双层5G微带阵列天线通过微带线的宽度来确定阻抗值，经验公式为：
Z＝{87/[sqrt(Er+1.41)]}ln[5.98H/(0.8W+T)]
其中，Er为介质板介电常数，H为介质板厚度，W为微带线宽度，T为微带线厚度。
双层5G微带阵列天线阻抗值的确定也可通过TxLine软件(PCB特性阻抗计算器)计算获得。
顶层介质板和底层介质板的平行带线结构具有相同的结构及尺寸，它们位于顶层介质板和底层介质板的的中轴线上，接地板位于两层平行带线的中间位置，它的作用是把双面平行带线变成两条背靠背的微带线，它并不会影响信号的传输，应为它们之间的场分布是相同的。这里采用奇偶模分析法可知，射频信号由馈电点输入，以双面平行带线的形式进行传输，那么信号在上下两条金属条带上是反相的，特征阻抗为50欧姆。当信号走到接地板处，双面平行带线变成为背靠背的微带线。
采用双面平行带线结构和威尔金森功分器结构及5G微带天线单元组成双层微带阵列天线，具有双向辐射方向且尺寸是同天线单元数量的一半。如上述实施例既可比普通的8单元天线阵列尺寸减小一半，又可使得上下层的天线阵列朝向不同的方向进行辐射。
当然，双层5G微带阵列天线不仅局限在8单元天线阵列，可为16单元天线阵列、32单元天线阵列等。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”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、第三、第四、一级、二级等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的指导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。

Claims (8)

1.一种双层5G微带阵列天线，其特征在于，包括尺寸相同的顶层介质板(1)和底层介质板及接地板(10)，所述顶层介质板(1)的上层和底层介质板的下层均印刷有结构尺寸相同的平行带线结构、功分器、天线单元，平行带线结构与功分器连接、功分器的端口与天线单元连接形成双层天线阵列；
所述接地板(10)印刷在顶层介质板(1)的下层，所述顶层介质板(1)、底层介质板共用所述接地板(10)使顶层介质板(1)、底层介质板的辐射相位相反。
2.根据权利要求1所述的一种双层5G微带阵列天线，其特征在于，所述顶层介质板(1)、底层介质板的平行带线结构组成一级馈电网络，顶层介质板(1)、底层介质板的功分器组成二级馈电网络。
3.根据权利要求1所述的一种双层5G微带阵列天线，其特征在于，所述接地板(10)的长度与顶层介质板(1)的长度一致，接地板(10)的宽度比顶层介质板(1)的宽度板略小，顶层介质板(1)的下层和底层介质板的上层接触使双层5G微带阵列天线共用一个馈电点。
4.根据权利要求3所述的一种双层5G微带阵列天线，其特征在于，所述顶层介质板(1)和底层介质板的平行带线结构具有相同的结构及尺寸，且分别位于顶层介质板(1)和底层介质板的中轴线上，接地板(10)位于两层平行带线的中间位置把双面平行带线变成两条背靠背的微带线。
5.根据权利要求4所述的一种双层5G微带阵列天线，其特征在于，所述馈电点输入射频信号，以双面平行带线的形式进行传输，射频信号在顶层介质板(1)和底层介质板的平行带线结构上是反相的，当射频信号走到接地板(10)处，双面平行带线变成为背靠背的微带线。
6.根据权利要求1所述的一种双层5G微带阵列天线，其特征在于，所述平行带线结构包括依次连接的第一主干微带线(2)、第一主干波长阻抗变换器(3)、第二主干微带线(4)。
7.根据权利要求6所述的一种双层5G微带阵列天线，其特征在于，所述功分器为一分四威尔金森功分器，其包括一个第一分支波长阻抗变换器(5)、两条第一分支微带线(6)、两个第二分支波长阻抗变换器(7)、四条第二分支微带线(8)；
所述第一分支波长阻抗变换器(5)的输入端连接第二主干微带线(4)，第一分支波长阻抗变换器(5)的两个输出端分别连接第一分支微带线(6)，第一分支微带线(6)分别连接两个第二分支波长阻抗变换器(7)的输入端，第二分支波长阻抗变换器(7)的输出端分别连接第二分支微带线(8)；所述第二分支微带线(8)分别连接所述天线单元(9)。
8.根据权利要求7所述的一种双层5G微带阵列天线，其特征在于，所述天线单元(9)的馈电处设有凹型槽，用于与第二分支微带线(8)连接。
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