CN111883910B - 一种双极化低剖面磁电偶极子天线及无线通信设备 - Google Patents

一种双极化低剖面磁电偶极子天线及无线通信设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双极化低剖面磁电偶极子天线及无线通信设备，包括PCB叠层及馈电结构，在PCB叠层的不同层分别设置主辐射单元、寄生辐射单元及天线金属地，所述寄生辐射单元位于主辐射单元的下方形成耦合，所述主辐射单元、寄生辐射单元分别与天线金属地相连，所述馈电结构与主辐射单元及寄生辐射单元形成耦合馈电。本发明在工作频段内，本发明天线的半功率波束宽度约为85°，较宽的波束宽度可满足5G大规模阵列的大角度扫描要求，具有较高的应用价值。

Description

一种双极化低剖面磁电偶极子天线及无线通信设备
技术领域
本发明涉及射频通信领域，具体涉及一种双极化低剖面磁电偶极子天线及无线通信设备。
背景技术
无线通信的进阶式发展使得低频频谱资源愈发紧张，可以预见的是，未来毫米波将加快进入5G战场。毫米波指的是频率在30GHz-300GHz范围内的电磁波，其对应的波长范围为1mm-10mm。近年来，由于频谱资源拥挤的现状，以及对高速通信需求的持续增长，毫米波领域已经成为国际电磁波频谱资源研究、开发和利用的一个极其活跃的领域，毫米波频段拥有着大量连续的频谱资源，为超高速宽带无线通信的实现提供了可能。
封装天线(AIP)技术是通过封装材料与工艺，将天线集成在携带芯片的封装内，使天线更靠近芯片，减少互连损耗。AIP技术很好的兼顾了天线的性能、成本及体积，代表近年来天线技术的重大成就。
磁电偶极子天线在传统电偶极子结构的基础上，通过增加接地结构，形成额外的短路四分之一波长微带天线结构，从而在缝隙上引入额外的磁偶极子辐射，极大地拓宽了天线的带宽，并且具有稳定的方向图。由于磁电偶极子天线的良好性能，近年来吸引了很多学者的研究，取得了很大的进展。
5G毫米波频段的基站天线通常需要覆盖24.25-29.5GHz，并且要求在整个频段内天线单元具有较宽的波束，以满足水平面±60°的扫描要求。此外，毫米波频段的天线通常使用封装天线(AIP)技术进行加工，过高的天线高度(高度大于0.15个波长)要求使用很厚的叠层，增加天线的加工难度及成本，不利于天线与有源电路集成。因此，设计低剖面的磁电偶极子天线可以大大降低叠层的复杂度及加工成本。
目前已有降低磁电偶极子天线高度的方法，例如通过弯折接地的金属结构来降低天线高度。但目前已公开的论文及专利中，低剖面的磁电偶极子天线多为单极化天线，而且波束较窄，无法应用于5G毫米波的基站天线设计。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明的首要目的是提供一种双极化低剖面磁电偶极子天线。本发明的天线具有宽带、宽波束的特点。天线在24.25-29.5GHz整个频段范围内具有较宽的波束，波束宽度大于85°。
本发明的次要目的是提供一种无线通信设备。
本发明的首要目的采用如下技术方案实现：
一种双极化低剖面磁电偶极子天线，包括PCB叠层及馈电结构，在PCB叠层的不同层分别设置主辐射单元、寄生辐射单元及天线金属地，所述寄生辐射单元位于主辐射单元的下方形成耦合，所述主辐射单元、寄生辐射单元分别与天线金属地相连，所述馈电结构与主辐射单元及寄生辐射单元形成耦合馈电。
所述主辐射单元包括四个主辐射贴片，四个主辐射贴片结构相同，且关于PCB层的中心点对称。
所述主辐射贴片的形状为正方形的一角切圆角。
所述寄生辐射单元包括四个关于PCB层中心点对称设置的寄生辐射贴片，四个寄生辐射贴片结构相同。
所述寄生辐射贴片的形状为正方形的一角切圆角。
所述馈电结构为L型馈电结构，具体为两个，分别为第一L型馈电结构及第二L型馈电结构；
所述第一L型馈电结构为-45°极化的L形馈电结构，与主辐射单元位于相同PCB层，包括第一长方形金属条及第一馈电过孔；
所述第二L型馈电结构为+45°极化的L形馈电结构，与寄生辐射单元位于相同PCB层，包括第二长方形金属条及第二馈电过孔。
所述天线金属地设置两个圆。
所述主辐射单元、寄生辐射单元分别通过四个接地过孔与天线金属地相连。
所述主辐射单元与寄生辐射单元的距离小于0.02个工作波长。
本发明的次要目的采用如下技术方案实现：
一种无线通信设备，包括双极化低剖面磁电偶极子天线。
本发明的有益效果：
(1)本发明引入寄生贴片，与主辐射贴片形成强耦合，从而额引入额外的谐振，大大拓宽了天线的带宽，而且寄生贴片的引入没有恶化方向图，天线在整个工作频段内具有稳定的宽波束方向图；
(2)本发明从辐射体的参考地面到天线顶部仅有0.086个工作波长长度，大大降低了传统的磁电偶极子天线的高度，具有低剖面，宽波束的特点，且在通带内方向图波瓣稳定，交叉极化鉴别率(XPD)高；
(3)天线整体结构采用多层PCB加工工艺封装设计，成本低，结构紧凑，可靠性强，适用于高集成度的有源阵列天线系统之中；天线的低剖面、宽波束特性有利于减小PCB叠层的厚度，降低成本及加工难度；工作频段内稳定的宽波束适用于5G毫米波有源阵列天线的宽角度波束扫描。
附图说明
图1是本发明实施例1的多层PCB结构示意图；
图2是本发明实施例1中主辐射贴片的结构示意图；
图3是本发明实施例1中寄生贴片的结构示意图；
图4是本发明实施例1中天线金属地的结构示意图；
图5是本发明实施例1中馈电微带线的结构示意图；
图6是本发明实施例的增益曲线仿真结果图；
图7是本发明的回波损耗与极化隔离曲线仿真结果图。
图8是本发明实施例1天线的辐射方向图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
如图1所示，一种双极化低剖面磁电偶极子天线，包括PCB叠层，PCB叠层由多个PCB板叠加放置构成，多个PCB板的长度和宽度相同，但是厚度不同，具体几层根据设计情况确定。
本实施例中PCB叠层由三层PCB板构成，101、102、103分别为叠层的第一介质层、第二介质层及第三介质层，应使用低损耗的介质板材；第一介质层101的厚度应较小，本实施例厚度约为3mil；第二介质层102的厚度约为0.08个工作波长，本实施例厚度约为33mil。104、105、106、107是叠层的第一、第二、第三及第四金属层。
本实施例由上至下还包括主辐射单元、寄生辐射单元、天线金属地及馈电微带线，其中，主辐射单元位于第一金属层104，寄生辐射单元位于第二金属层105，所述主辐射单元与寄生辐射单元分别位于叠层的两个不同层，呈上下分布，主辐射贴片与寄生辐射贴片形成耦合结构，引入额外的谐振，从而拓宽带宽。天线金属地位于第三金属层106，馈电微带线位于第四金属层107。
如图2所示为第一金属层的结构示意图，第一金属层上设置主辐射单元、第一馈电结构及四个接地过孔204。
所述主辐射单元包括四个主辐射贴片201，四个主辐射贴片结构相同，且关于该金属层的中心点对称。优选的，主辐射贴片的形状是正方形的一角切圆角构成，所述第一馈电结构构成-45°极化的L形馈电结构，包括第一长方形金属条202及第一馈电过孔205，所述第一馈电过孔位于长方形金属条的一端，第一L形馈电结构与主辐射贴片及寄生辐射贴片形成耦合馈电。四个接地过孔分别位于四个主辐射贴片上，主辐射贴片通过接地过孔与天线金属地连接，提供额外的电流通路，从而形成磁电偶极子的辐射模式。
本实施例中，第一长方形金属条穿过该金属层的中心点，其位于金属层的对角线上，主辐射寄生单元的尺寸约为0.35个工作波长。
如图3所示为第二金属层102的结构示意图，第二金属层设置寄生辐射单元、第二L型馈电结构及四个金属过孔，所述寄生辐射单元通过四个金属过孔与天线金属地连接。
所述寄生辐射单元包括四个寄生辐射贴片301，四个寄生辐射贴片关于该金属层中心点对称，寄生辐射贴片的形状可以根据具体情况进行选择，本实施例优选为正方形的一角切圆角构成，寄生辐射贴片所切圆角的半径大于主辐射贴片所切圆角的半径。
所述第二L型馈电结构包括第二长方形金属条303及第二馈电过孔302，所述第二馈电过孔位于第二长方形金属条的一端共同构成+45°极化的L形馈电结构，所述第二L型馈电结构与主辐射贴片及寄生辐射贴片形成耦合馈电。
本实施例中第二长方形金属条设置在金属层的对角线上，四个金属过孔分别位于四个寄生辐射贴片上。
本实施例中主辐射贴片及寄生辐射贴片所切的圆角半径不同，可以各自独立调节以实现最佳的阻抗匹配。
主辐射贴片和寄生辐射贴片的垂直间距很小，以使两者形成较强的互耦。
第一L型馈电结构及第二L形馈电结构的长度与宽度相同，PCB的金属层构成L形馈电结构的水平部分，金属化过孔构成L形馈电结构的竖直部分，通过调节所述L形馈电结构的大小、L形馈电结构与辐射贴片的间距，可灵活控制馈电结构与辐射贴片的耦合量，实现最佳的阻抗匹配。L形馈电结构的水平部分不限于长方形，其他任意组合形状均可实现对辐射贴片的馈电。
图4为第三金属层的结构示意图，天线金属地401设置在第三金属层，所述在天线金属地挖去两个圆402，避免第一、第二馈电过孔205、302与天线金属地相连导致短路。
图5为第四金属层的结构示意图，两个馈电微带线501分别与第一馈电过孔及第二馈电过孔连接，用于馈电。所述馈电微带线宽度和长度可根据需要调节，使天线实现最佳的阻抗匹配。
本实施例的工作频段为24-30GHz，图6是本实施例天线单元两个端口的反射系数，反射系数S11、S22在24-30GHz均小于-15dB，相对阻抗带宽为22％，具有良好的宽带匹配性能。
图7是本实施例天线两个端口的隔离度，隔离度在24-30GHz频段内均小于-25dB，所述天线具有良好的隔离性能。
图8是本实施例天线的方向图，具有波束宽、前后比高的特点，波束宽度约90度，适用于5G大规模阵列的宽角度扫描。
本实施例的双极化磁电偶极子天线具有剖面低、带宽宽、成本低、体积小、波束宽和工艺成熟的优点，可满足5G毫米波通信设备规模化市场需求。
实施例2
一种无线通信设备，包括双极化低剖面磁电偶极子天线。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种双极化低剖面磁电偶极子天线，其特征在于，包括PCB叠层及馈电结构，在PCB叠层的不同层分别设置主辐射单元、寄生辐射单元及天线金属地，所述寄生辐射单元位于主辐射单元的下方形成耦合，所述主辐射单元、寄生辐射单元分别与天线金属地相连，所述馈电结构与主辐射单元及寄生辐射单元形成耦合馈电；
所述馈电结构为L型馈电结构，具体为两个，分别为第一L型馈电结构及第二L型馈电结构；
所述第一L型馈电结构为-45°极化的L形馈电结构，与主辐射单元位于相同PCB层，包括第一长方形金属条及第一馈电过孔；
所述第二L型馈电结构为+45°极化的L形馈电结构，与寄生辐射单元位于相同PCB层，包括第二长方形金属条及第二馈电过孔。
2.根据权利要求1所述的一种双极化低剖面磁电偶极子天线，其特征在于，所述主辐射单元包括四个主辐射贴片，四个主辐射贴片结构相同，且关于PCB层的中心点对称。
3.根据权利要求2所述的一种双极化低剖面磁电偶极子天线，其特征在于，所述主辐射贴片的形状为正方形的一角切圆角。
4.根据权利要求1所述的一种双极化低剖面磁电偶极子天线，其特征在于，所述寄生辐射单元包括四个关于PCB层中心点对称设置的寄生辐射贴片，四个寄生辐射贴片结构相同。
5.根据权利要求4所述的一种双极化低剖面磁电偶极子天线，其特征在于，所述寄生辐射贴片的形状为正方形的一角切圆角。
6.根据权利要求1所述的一种双极化低剖面磁电偶极子天线，其特征在于，所述天线金属地设置两个圆。
7.根据权利要求1所述的一种双极化低剖面磁电偶极子天线，其特征在于，所述主辐射单元、寄生辐射单元分别通过四个接地过孔与天线金属地相连。
8.根据权利要求1所述的一种双极化低剖面磁电偶极子天线，其特征在于，所述主辐射单元与寄生辐射单元的距离小于0.02个工作波长。
9.一种无线通信设备，其特征在于，包括权利要求1-8任一项所述的双极化低剖面磁电偶极子天线。
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