CN111916892A - 5g毫米波双极化天线单元、天线阵列及终端设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了5G毫米波双极化天线单元、天线阵列及终端设备，5G毫米波双极化天线单元包括基体及设于基体内的两组馈电组件，基体的顶面设有与馈电组件导通的呈正方形的辐射贴片，基体的底面设有地层及与馈电组件导通的馈电口，馈电组件包括阻抗变换微带线，两个阻抗变换微带线相互垂直设置，基体内设有导通辐射贴片和地层的短路结构，短路结构位于两个阻抗变换微带线的延长线的交点处。短路结构在拓宽天线带宽的同时提高了极化的隔离度，有效地改善了天线性能；能够有效地覆盖N257波段，可以满足5G通信终端设备在该波段的应用；基体厚度小，利于减弱基体表面波，利于进一步改善天线性能。
Description
技术领域
本发明涉及天线技术领域，尤其涉及5G毫米波双极化天线单元、天线阵列及终端设备。
背景技术
第五代移动通信技术(5G)即将进入商用，根据通信频段，可以分为sub-6GHz和毫米波段。其中，毫米波段拥有丰富的频谱资源能够极大地提高通信速率，且具有低延迟的优点。同之前已经广泛应用的低频段相比，由于毫米波传输时路径损耗较大，其传输距离较短，因此需要将多个天线单元组成阵列提高增益。然而高增益致使天线的波束变窄，为了增大天线的覆盖范围，波束赋形技术得到应用。
贴片天线因为其简单的结构被广泛应用。为了增加带宽，采用较厚的介质，但是较厚的介质带来了表面波，对天线性能造成影响，尤其当其组成阵列天线时，表面波对扫描的性能影响较大。另外，现有的5G毫米波双极化天线单元还存在极化隔离度偏差的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种5G毫米波双极化高性能天线单元、天线阵列及终端设备。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案一为：5G毫米波双极化天线单元，包括基体及设于所述基体内的两组馈电组件，所述基体的顶面设有与所述馈电组件导通的呈正方形的辐射贴片，所述基体的底面设有地层及与所述馈电组件导通的馈电口，所述馈电组件包括阻抗变换微带线，两个所述阻抗变换微带线相互垂直设置，所述基体内设有导通所述辐射贴片和所述地层的短路结构，所述短路结构位于两个所述阻抗变换微带线的延长线的交点处。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案二为：天线阵列，包括上述5G毫米波双极化天线单元。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案三为：终端设备，包括上述天线阵列。
本发明的有益效果在于：本5G毫米波双极化天线单元内具有短路结构，在拓宽天线带宽的同时提高了极化的隔离度，有效地改善了天线性能；本5G毫米波双极化天线单元及天线阵列能够有效地覆盖N257(26.5至29.5GHz)波段，可以满足5G通信终端设备在该波段的应用；另外，本5G毫米波双极化天线单元中基体厚度能够做得较小，利于减弱基体表面波，利于进一步改善天线性能。
附图说明
图1为本发明实施例一的5G毫米波双极化天线单元的结构示意图；
图2为本发明实施例一的5G毫米波双极化天线单元的俯视图；
图3为本发明实施例一的5G毫米波双极化天线单元的剖视图；
图4为本发明的5G毫米波双极化天线单元的另一种结构的结构示意图；
图5为本发明的5G毫米波双极化天线单元的另一种结构的结构示意图；
图6为本发明的5G毫米波双极化天线单元的另一种结构的结构示意图；
图7为本发明实施例一的5G毫米波双极化天线单元的s参数图；
图8为本发明实施例一的5G毫米波双极化天线单元的增益仿真结果图；
图9为本发明实施例一的5G毫米波双极化天线单元的辐射方向仿真结果图；
图10为本发明的一种天线阵列的俯视图；
图11为本发明实施例一的天线阵列的俯视图；
图12为本发明实施例一的天线阵列的立体图；
图13为本发明实施例一的天线阵列的辐射方向仿真结果图；
图14为本发明实施例一的天线阵列的CDF仿真结果图；
图15为本发明实施例一的天线阵列与芯片集成的结构示意图；
图16为本发明实施例一的终端设备的结构示意图；
图17为本发明实施例一的终端设备中的天线系统的CDF仿真结果图。
标号说明：
1、基体；2、辐射贴片；3、地层；4、馈电口；5、阻抗变换微带线；6、短路结构；7、第一匹配枝节；8、第二匹配枝节；9、馈电柱；10、缝隙；11、隔离墙；12、开窗；13、芯片。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
请参照图1至图17，5G毫米波双极化天线单元，包括基体1及设于所述基体1内的两组馈电组件，所述基体1的顶面设有与所述馈电组件导通的呈正方形的辐射贴片2，所述基体1的底面设有地层3及与所述馈电组件导通的馈电口4，所述馈电组件包括阻抗变换微带线5，两个所述阻抗变换微带线5相互垂直设置，所述基体1内设有导通所述辐射贴片2和所述地层3的短路结构6，所述短路结构6位于两个所述阻抗变换微带线5的延长线的交点处。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：本5G毫米波双极化天线单元内具有短路结构6，在拓宽天线带宽的同时提高了极化的隔离度，有效地改善了天线性能；本5G毫米波双极化天线单元及天线阵列能够有效地覆盖N257(26.5至29.5GHz)波段，可以满足5G通信终端设备在该波段的应用；另外，本5G毫米波双极化天线单元中基体1厚度能够做得较小，利于减弱基体1表面波，利于进一步改善天线性能。
进一步的，所述馈电组件还包括第一匹配枝节7、第二匹配枝节8和馈电柱9，所述阻抗变换微带线5的一端设有与所述馈电口4导通的第一匹配枝节7，所述阻抗变换微带线5的另一端连接所述馈电柱9的一端，所述馈电柱9的另一端连接所述辐射贴片2。
由上述描述可知，馈电组件结构简单，加工容易；第一、二匹配枝节的作用主要用于增加天线的容性、抵消天线的感性，增加第一、二匹配枝节的长度或者宽度，均可增加天线的容性。而且在第一/二匹配枝节与阻抗变换微带线5两者的协作下，于馈电口4处，阻抗可匹配到50ohm。
进一步的，所述辐射贴片2上具有对应于所述阻抗变换微带线5设置的缝隙10，所述缝隙10与所述阻抗变换微带线5垂直。
由上述描述可知，缝隙10作用主要用来调节匹配和两个馈电口4的隔离，同时对工作频率也有一定影响。
进一步的，两个所述阻抗变换微带线5分别沿所述辐射贴片2的两条斜对角线设置，或者，两个所述阻抗变换微带线5分别垂直于所述辐射贴片2的两条边线设置。
进一步的，所述基体1沿竖直方向的投影轮廓呈正方形，两个所述阻抗变换微带线5分别沿所述投影轮廓的两条斜对角线设置，或者，两个所述阻抗变换微带线5分别垂直于所述投影轮廓的两条边线设置。
由上述描述可知，本5G毫米波双极化天线单元至少包括上述四种构造形式，上述四种构造形式包含了水平/垂直极化和±45°极化。本5G毫米波双极化天线单元的具体构造多种多样，用户可以按需选择。
进一步的，所述基体1的四周设有隔离墙11。
由上述描述可知，隔离墙11的设置能够增大单元间的隔离，利于进一步改善天线单元的性能。
进一步的，所述隔离墙11上设有开窗12。
由上述描述可知，当多个5G毫米波双极化天线单元形成天线阵列时，隔离墙11上开窗12的存在能够提高天线阵列扫描到大角度时的匹配，从而改善天线阵列的性能。
进一步的，所述基体1为低温共烧陶瓷体或多层线路板。
由上述描述可知，低温共烧陶瓷体或多层线路板制成的基体1能够方便后续5G毫米波双极化天线单元与芯片13集成，利于降低生产成本。而且，低温共烧陶瓷体或多层线路板制成的基体1还能够为馈电组件的设置提供便利，降低加工难度。
天线阵列，包括上述5G毫米波双极化天线单元。
由上述描述可知，本天线阵列波束覆盖范围广，性能优异。
终端设备，包括上述天线阵列。
由上述描述可知，当终端设备具有多个上述天线阵列时，终端设备能够实现多方位覆盖。
实施例一
请参照图1至图17，本发明的实施例一为：请结合图1至图3，5G毫米波双极化天线单元，包括基体1及设于所述基体1内的两组馈电组件，所述基体1的顶面设有与所述馈电组件导通的呈正方形的辐射贴片2，所述基体1的底面设有地层3及与所述馈电组件导通的馈电口4，详细的，所述地层3设有具有两个未覆盖区域，所述馈电口4设于所述未覆盖区域内，从而防止馈电口4与地层3导通。本实施例中的所述基体1沿竖直方向的投影轮廓呈正方形。进一步的，所述基体1为低温共烧陶瓷体或多层线路板。
所述馈电组件包括阻抗变换微带线5，两个所述阻抗变换微带线5相互垂直设置，所述基体1内设有导通所述辐射贴片2和所述地层3的短路结构6，所述短路结构6位于两个所述阻抗变换微带线5的延长线的交点处，优选的，所述短路结构6与所述辐射贴片2的连接处位于所述辐射贴片2的中央区域。具体的，所述馈电组件还包括第一匹配枝节7、第二匹配枝节8和馈电柱9，所述阻抗变换微带线5的一端设有与所述馈电口4导通的第一匹配枝节7，所述阻抗变换微带线5的另一端连接所述馈电柱9的一端，所述馈电柱9的另一端连接所述辐射贴片2，所述馈电柱9既可以是探针结构，也可以是金属化孔结构，还可以是孔内填充成型结构。
可选的，所述辐射贴片2上具有对应于所述阻抗变换微带线5设置的缝隙10，所述缝隙10与所述阻抗变换微带线5垂直。本实施例中，所述缝隙10呈长条形，所述缝隙10横跨所述阻抗变换微带线5的两侧。需要说明的是，在其他实施例中，也可以不设置所述缝隙10。
本实施例中，两个所述阻抗变换微带线5分别垂直于所述辐射贴片2的两条边线设置，且两个所述阻抗变换微带线5分别沿所述投影轮廓的两条斜对角线设置，即本实施例的5G毫米波双极化天线单元中的两个馈电柱9分别激励天线的±45°极化。容易理解的，此时，所述缝隙10的长度方向与辐射贴片2的边长方向一致。如图4所示，在其他的一个实施例中，两个所述阻抗变换微带线5分别沿所述辐射贴片2的两条斜对角线设置，且两个所述阻抗变换微带线5分别沿所述投影轮廓的两条斜对角线设置，此时，5G毫米波双极化天线单元中的两个馈电柱9分别激励天线的±45°极化。如图5所示，在其他的另一个实施例中，两个所述阻抗变换微带线5分别垂直于所述辐射贴片2的两条边线设置，且两个所述阻抗变换微带线5分别垂直于所述投影轮廓的两条边线设置，此时，5G毫米波双极化天线单元中的两个馈电柱9分别激励天线的垂直极化和水平极化。如图6所示，在其他的再一个实施例中，两个所述阻抗变换微带线5分别沿所述辐射贴片2的两条斜对角线设置，且两个所述阻抗变换微带线5分别垂直于所述投影轮廓的两条边线设置，此时，5G毫米波双极化天线单元中的两个馈电柱9分别激励天线的垂直极化和水平极化。由此可见，本5G毫米波双极化天线单元既可以用作垂直水平双极化天线，也可以用作±45°双极化天线。
请结合图1至图3，可选的，所述短路结构6为短路柱，本实施例中，所述短路结构6包括四个相互导通的短路柱，四个所述短路柱呈矩形排布，形成矩形体，所述阻抗变换微带线5垂直于所述矩形体的侧面设置。
进一步的，所述基体1的四周设有隔离墙11以提高5G毫米波双极化天线单元间的隔离，进而保证天线性能。
请结合图10至图12和图15，本实施例还提供一种天线阵列，该天线阵列包括多个上述5G毫米波双极化天线单元，数量为多个的所述5G毫米波双极化天线单元呈一排设置，通过调整所述5G毫米波双极化天线的馈电相位，该天线阵列即可实现波束扫描的能力。详细的，该天线阵列可以通过flip chip的方式与芯片13集成，芯片13中的移相器可为5G毫米波双极化天线提供相位差，从而实现波束赋形的能力。
为了让阅者更清楚地理解本技术方案，申请人接下来以覆盖N257(26.5至29.5GHz)波段的本5G毫米波双极化天线单元为例进行更详细的阐述。所述辐射贴片2、短路柱、馈电柱9、第一匹配枝节7、阻抗变换微带线5、第二匹配枝节8、地层3和隔离墙11均为金属/金属化结构。为了覆盖N257波段，基体1的厚度约为0.06倍的介质波长。辐射贴片2的边长约为该天线工作频率下的半介质波长，即如基体1的介电常数为6，工作在N257波段的该辐射贴片2的边长约为2.2mm，辐射贴片2中心通过短路柱连接地层3。
图7至图9给出了覆盖N257波段的该5G毫米波双极化天线单元的仿真性能结果图。其中，所述基体1的材质选用RO4350，5G毫米波双极化天线单元的轮廓尺寸为4.5mm*4.5mm*0.65mm。如图7所示，对于反射系数小于-10dB，5G毫米波双极化天线单元的带宽从26.2GHz到29.8GHz，覆盖N257波段，且两个馈电口4的隔离度大于22dB。图8给出了该5G毫米波双极化天线单元的增益，可以看到在带宽内，增益约为5.6～6.4dBi。图9给出了该5G毫米波双极化天线单元的方向图，由图可知，该5G毫米波双极化天线单元呈现定向辐射，且交叉极化良好。
如图10至图12中所示，将四个前述5G毫米波双极化天线单元组成天线阵列，图10和图11给出了两种不同的组成方式，图12为图11所示组成方式的的3D示意图。相邻的两个5G毫米波双极化天线单元的中心距离约为半波长，工作在N257波段时，中心距离约为4.5mm至5mm。根据不同的设计要求，工作在N257波段时，整个天线阵列的尺寸约为长17mm至20mm，宽4.4至5mm。图中注意到，同5G毫米波双极化天线单元相比，在天线阵列中，隔离墙11上开了开窗12，这是为了提高天线阵列扫描到大角度时的匹配。图13给出了该天线阵列的扫描性能。该天线阵列的最大增益为10.4dBi，若选取7dBi作为阈值，该天线阵列的波束覆盖范围为±70度。图14给出了该天线阵列的CDF仿真结果图，从图10可以看到若选取7dBi作为阈值，CDF值为0.7，即该天线阵列在30％的空间上的增益大于7dBi。因此，该天线阵列具有优良的天线性能。图15给出了该天线阵列与芯片13集成的结构示意图。
如图16所示，本实施例还提供一种终端设备，该终端设备包括至少一个上述天线阵列，本实施例中，所述天线阵列的数量为三个，一个所述天线阵列设于所述终端设备的左边框上，面向Y轴负方向，另一个所述天线阵列设于所述终端设备的右边框上，面向Y轴正方向，剩下的一个所述天线阵列设于所述终端设备的背部，面对Z轴正方向，由此可见，本终端设备实现了实现多方位覆盖。
图17给出了该终端设备的天线系统的CDF仿真结果图，从图17可以看到该终端设备的天线系统在78％的空间上可以实现增益大于7dBi，在92％的空间上，可以实现增益大于5dBi。
综上所述，本发明提供的5G毫米波双极化天线单元、天线阵列及终端设备，拥有较宽的带宽，能够很好的覆盖N257(26.5至29.5GHz)波段，可以满足5G通信终端设备在该波段的应用；极化隔离度高，天线性能优良；基体采用LTCC或多层板制成，不仅厚度小，利于降低表面波，进一步改善天线性能，而且后续与芯片集成方便；可通过第一/二匹配枝节、缝隙等调节天线性能，调试方便。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.5G毫米波双极化天线单元，包括基体及设于所述基体内的两组馈电组件，所述基体的顶面设有与所述馈电组件导通的呈正方形的辐射贴片，所述基体的底面设有地层及与所述馈电组件导通的馈电口，其特征在于：所述馈电组件包括阻抗变换微带线，两个所述阻抗变换微带线相互垂直设置，所述基体内设有导通所述辐射贴片和所述地层的短路结构，所述短路结构位于两个所述阻抗变换微带线的延长线的交点处。
2.根据权利要求1所述的5G毫米波双极化天线单元，其特征在于：所述馈电组件还包括第一匹配枝节、第二匹配枝节和馈电柱，所述阻抗变换微带线的一端设有与所述馈电口导通的第一匹配枝节，所述阻抗变换微带线的另一端连接所述馈电柱的一端，所述馈电柱的另一端连接所述辐射贴片。
3.根据权利要求1所述的5G毫米波双极化天线单元，其特征在于：所述辐射贴片上具有对应于所述阻抗变换微带线设置的缝隙，所述缝隙与所述阻抗变换微带线垂直。
4.根据权利要求1所述的5G毫米波双极化天线单元，其特征在于：两个所述阻抗变换微带线分别沿所述辐射贴片的两条斜对角线设置，或者，两个所述阻抗变换微带线分别垂直于所述辐射贴片的两条边线设置。
5.根据权利要求1所述的5G毫米波双极化天线单元，其特征在于：所述基体沿竖直方向的投影轮廓呈正方形，两个所述阻抗变换微带线分别沿所述投影轮廓的两条斜对角线设置，或者，两个所述阻抗变换微带线分别垂直于所述投影轮廓的两条边线设置。
6.根据权利要求1所述的5G毫米波双极化天线单元，其特征在于：所述基体的四周设有隔离墙。
7.根据权利要求6所述的5G毫米波双极化天线单元，其特征在于：所述隔离墙上设有开窗。
8.根据权利要求1所述的5G毫米波双极化天线单元，其特征在于：所述基体为低温共烧陶瓷体或多层线路板。
9.天线阵列，其特征在于：包括权利要求1-8中任意一项所述的5G毫米波双极化天线单元。
10.终端设备，其特征在于：包括权利要求9所述的天线阵列。
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