CN112688079A - 一种基于加载弯折接地金属柱的双极化宽波束天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于加载弯折接地金属柱的双极化宽波束天线，包括两层介质基板及金属地板，所述两层介质基板包括上层介质基板及下层介质基板，所述金属地板设置在下层介质基板的一侧表面，所述下层介质基板的另一侧表面设置一个金属辐射贴片，所述上层介质基板的一侧表面设置寄生金属辐射贴片及弯折接地金属柱，所述弯折接地金属柱具体为多个，对称设置在寄生金属辐射贴片的周围，且关于寄生金属辐射贴片的中心轴线对称。本发明在实现宽波束性能的同时实现了较宽的带宽。
Description
技术领域
本发明涉及一种宽波束天线，具体涉及一种基于加载弯折接地金属柱的双极化宽波束天线。
背景技术
随着现代无线通信技术的发展，第五代移动通信(5G)已成为全球的热点。5G三大应用场景增强移动宽带(eMBB)、超高可靠超低时延通信(uRLLC)、大连接物联网(mMTC)促使通信技术向大带宽、低时延、高速率连接的方向发展。随着信息量的成倍的增加，仅依靠5G低频段有限而紧缺频谱资源显然无法满足上述应用场景，进而具有大频谱带宽的毫米波频段成为学术界与产业界的研究热点，这类5G系统可显著提高通信数据的传输速率，有望满足热点区域瞬时大流量和多用户的高速率通信需求，但是无线电波在毫米波波段遭受较大的路径损耗和有限的散射。
为了解决这个问题，相控阵将成为5G通信系统的关键技术之一，具有波束捷变、波束合成和分解等能力，但目前的5G毫米波相控阵技术还不够成熟，尤其是毫米波相控阵天线面临波束扫描范围窄、宽角扫描时辐射性能恶化严重(如增益下降大、副瓣高)等问题，导致效率低下，对毫米波技术在5G毫米波的应用带来了很大的制约。选择具备宽半功率波束宽度的阵列单元，可以有效的改善相控阵在扫描过程中增益下降大的问题，而现今对于毫米波宽波束天线单元的研究还相对较少。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种基于加载弯折接地金属柱的双极化宽波束天线，该天线能在低剖面下实现较宽阻抗带宽以及宽波束性能。
本发明的另一个目的是提供一种无线通信设备。
本发明采用如下技术方案：
一种基于加载弯折接地金属柱的双极化宽波束天线，包括两层介质基板及金属地板，所述两层介质基板包括上层介质基板及下层介质基板，所述金属地板设置在下层介质基板的一侧表面，所述下层介质基板的另一侧表面设置一个金属辐射贴片，所述上层介质基板的一侧表面设置寄生金属辐射贴片及弯折接地金属柱，所述弯折接地金属柱具体为多个，对称设置在寄生金属辐射贴片的周围，且关于寄生金属辐射贴片的中心轴线对称。
进一步，所述金属辐射贴片及寄生金属辐射贴片关于两层介质基板的中轴线对称设置。
进一步，每个弯折接地金属柱通过三根接地金属柱接地。
进一步，三根金属柱呈等腰直角三角形分布。
进一步，还包括同轴馈电结构，所述同轴馈电结构包括金属探针，金属探针从金属地板底部馈电，垂直穿过金属地板，与金属辐射贴片连接。
进一步，金属辐射贴片及寄生金属辐射贴片均为方形。
进一步，所述弯折接地金属柱通过将金属柱向介质基板边缘弯折，并平面化形成。
进一步，所述金属探针为四个。
进一步，所述弯折接地金属柱为四个，所述的弯折接地金属柱设置在寄生金属辐射贴片的四角或四边。
本发明的另一个目的是采用如下技术方案：
一种无线通信设备，包括一种基于加载弯折接地金属柱的双极化宽波束天线。
本发明的有益效果：
(1)本发明包括寄生金属辐射贴片、接地金属柱，弯折金属柱平面化后的六边形贴片辐射结构，由于平面结构，可以有效降低天线的剖面和易于平面化集成，使天线具有低剖面和平面结构。
(2)本发明在实现宽波束性能的同时实现了较宽的带宽。
(3)本发明通过在寄生金属辐射贴片四角加载弯折接地金属柱，通过贴片的电场耦合，在接地金属上引入垂直电流，产生类似于单极子天线的全向辐射方向图，在贴片方向图基础上两者进行叠加，改善其低仰角的增益，从而实现宽波束性能。
(4)本发明提出的基于加载弯折接地金属柱的双极化宽波束天线，采用两层介质基板和一层金属地板，结构简单，加工容易，且具有较好的波束展宽性能，可以改善毫米波相控阵宽角扫描的性能。
附图说明
图1是本发明实施例1的结构示意图。
图2(a)是本发明实施例1的结构俯视图。
图2(b)是本发明实施例1的结构侧视图。
图3是本发明实施例1的反射特性示意图及增益曲线。
图4(a)是本发明实施例1在24.5GHz处的辐射方向图示意图；图4(b)是本发明实施例1在26.5GHz处的辐射方向图示意图，图4(c)是本发明实施例1在28.5GHz处的辐射方向图示意图。
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
一种基于加载弯折接地金属柱的双极化宽波束天线，由两层介质基板和一层金属地板构成，并采用探针馈电的方式，介质基板的X轴方向为竖直方向，Y轴方向为水平方向，原点为介质基板的中心点，本实施例中提到的XY坐标系方向，以附图为准。
如图1及图2(a)及图2(b)所示，包括下层介质基板1、上层介质基板2、同轴馈电结构及金属地板3，两层介质基板紧密贴合设置，两层介质基板均为方形，金属地板位于下层介质基板的下表面，所述金属地板与下层介质基板相接，所述下层介质基板的上表面设置一个金属辐射贴片4，具体为方形。
所述上层介质基板的上表面设置寄生金属辐射贴片5及可弯折接地金属柱6，可弯折接地金属柱的个数为多个，但需要保证加载可弯折接地金属柱后，天线仍能保证中心对称即可，本实施例中具体为四个，分别位于寄生金属辐射贴片的四个角或四边，每个可弯折接地金属柱通过多根接地金属柱11接地，可弯折接地金属柱为六边形，也可以是其他形状如三角型、长方形等，具体形状由加载的接地金属柱个数及弯折方式而定，本例中具体是通过将圆柱形金属柱通过向介质基板边缘弯折且平面化形成，降低天线剖面，其天线剖面可低于0.07个波长。本实施例的六边形由两个相互垂直的矩形构成，三个接地金属柱构成等腰三角形。
所述的弯折接地金属柱通过贴片的电场耦合在接地金属柱上产生竖直电流，其辐射方向图可正好解决贴片低仰角增益下降过快问题，从而展宽天线单元波束宽度，其天线单元的波束宽度在带内超过107°。
所述同轴馈电结构包括金属探针及金属地板设置的圆孔，金属探针从金属地板底部圆孔馈电，垂直穿过金属地板与下层方形金属辐射贴片相连接，圆孔与金属探针同心。
本实施例采用差分馈电时，所述金属探针有四个，且关于介质基板Z轴中心对称，且可以保证方向图的对称性及提高两极化端口的隔离度。
金属辐射贴片4与寄生金属辐射贴片5均关于Z轴中心对称，寄生金属辐射贴片5位于下层金属辐射贴片的正上方，通过加载寄生辐射贴片展宽天线的阻抗带宽。
所述四个弯折接地金属柱分布于寄生金属辐射贴片的四角，关于Z轴呈中心对称。
各个部分的尺寸如下：
所述两层介质基板的介电常数εr为5.9，下层介质基板厚度为0.3338λ；上层介质基板厚度为0.0423λ；金属地板3厚度为0.0005λ，两者边长g都为0.45λ。其中，λ为自由空间波长。
金属辐射贴片4辐射边a为0.421λg0，寄生金属辐射贴片5辐射边b为0.378λg0，弯折接地金属柱6的各辐射边边长分别为c1、c2、c3分别为0.1967λg0、0.0983λg0、0.0983λg0，其中，λg0为天线中心频率对应的介质有效波长。
所述接地金属柱11的直径R2为0.009λ，相邻金属柱之间的中心距为0.027λ。
馈电用的金属探针的直径为0.009λ；金属探针与方形金属辐射贴片连接处与辐射贴片中心距离为d＝0.082λ。
金属地板3上蚀刻的圆孔的直径为0.0207λ，其中，λ为自由空间波长。
本实施例的具体尺寸如下：
上层介质基板及下层介质基板的介电常数εr均为5.9，下层介质基板1厚度h1＝0.376mm；上层介质基板2厚度h2＝0.47mm；金属地板厚度为0.006mm，两者的边长都是g＝5mm。其中，λ为自由空间波长。
金属辐射贴片辐射边a为1.93mm，寄生金属辐射贴片辐射边b为1.71mm，弯折接地金属柱的各辐射边边长分别为c1、c2、c3分别为0.9mm、0.45mm、0.45mm，其中，λg0为天线中心频率对应的介质有效波长。
所述接地金属柱11的直径R2为0.1mm，相邻金属柱之间的中心距为0.3mm。
馈电用的金属探针的直径为0.1mm；金属探针与下层金属辐射贴片连接处与辐射贴片中心距离为d＝0.5mm。
金属地板3上蚀刻的圆孔的直径为0.23mm。
结合图3，天线在中心频率处匹配良好，且具有较宽的阻抗带宽，带宽为21％,极化一与极化二的端口回损的一致性较好，端口极化隔离高于45dB。同时，由天线单元增益随频率变化曲线可以看出，由于天线单元的波束宽度随频率的升高，其单元波束越宽，所以其增益曲线即随着频率上升而下降，与此同时由于加载弯折金属柱的波束比贴片天线的波束更宽，所以其整体增益比普通贴片天线的低。
结合图4(a)、图4(b)、图4(c)及表1，图中进行加载弯折金属接地柱与普通贴片的方向图对比，实线是加载弯折接地金属柱，虚线为普通贴片的，其中普通贴片波束约95°。从图中三个频点的性能对比中，发现其低频段波束展宽相对没那么明显，但高频段其波束展宽效果更佳显著，其整个频带内波束宽度仍大于107°，并且高频段其波束宽度超过120°。
其中，λ为中心频率对应的自由空间波长，λg0为中心频率点对应的介质有效波长，本实施例中λ取值为11.11mm，λg0取值为4.574mm。
表1波束宽度对比表
实施例2
一种无线通信设备，包括如实施例1所述的一种基于加载弯折接地金属柱的双极化宽波束天线。
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 (10)
1.一种基于加载弯折接地金属柱的双极化宽波束天线，其特征在于，包括两层介质基板及金属地板，所述两层介质基板包括上层介质基板及下层介质基板，所述金属地板设置在下层介质基板的一侧表面，所述下层介质基板的另一侧表面设置一个金属辐射贴片，所述上层介质基板的一侧表面设置寄生金属辐射贴片及弯折接地金属柱，所述弯折接地金属柱具体为多个，对称设置在寄生金属辐射贴片的周围。
2.根据权利要求1所述的双极化宽波束天线，其特征在于，所述金属辐射贴片及寄生金属辐射贴片关于两层介质基板的中轴线对称设置。
3.根据权利要求1所述的双极化宽波束天线，其特征在于，每个弯折接地金属柱通过三根接地金属柱接地。
4.根据权利要求3所述的双极化宽波束天线，其特征在于，三根金属柱呈等腰直角三角形分布。
5.根据权利要求1-4任一项所述的双极化宽波束天线，其特征在于，还包括同轴馈电结构，所述同轴馈电结构包括金属探针，金属探针从金属地板底部馈电，垂直穿过金属地板，与金属辐射贴片连接。
6.根据权利要求1所述的双极化宽波束天线，其特征在于，金属辐射贴片及寄生金属辐射贴片均为方形。
7.根据权利要求1或3所述的双极化宽波束天线，其特征在于，所述弯折接地金属柱通过将金属柱向介质基板边缘弯折，并平面化形成。
8.根据权利要求5所述的双极化宽波束天线，其特征在于，所述金属探针为四个。
9.根据权利要求1所述的双极化宽波束天线，其特征在于，所述弯折接地金属柱为四个，所述的弯折接地金属柱设置在寄生金属辐射贴片的四角或四边。
10.一种无线通信设备，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的双极化宽波束天线。
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