CN112736449A - 一种双频共口径天线结构与天线阵面 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了一种双频共口径天线结构与天线阵面，涉及天线技术领域。该双频共口径天线结构包括第一金属层、第一介质层、第二金属层、第二介质层以及第三金属层，第一金属层、第一介质层、第二金属层、第二介质层以及第三金属层逐层连接，第二金属层接地，且第一金属层与第二金属层通过金属孔连接；其中，第一金属层上设置有多个贯穿的缝隙，以通过缝隙围成多个第一高频天线与低频天线，其中，低频天线环绕于第一高频天线外，且低频天线的工作频率小于第一高频天线的工作频率。本申请提供的双频共口径天线结构与天线阵面具有占用空间小，结构简单的优点。

Description

一种双频共口径天线结构与天线阵面
技术领域
本申请涉及天线技术领域，具体而言，涉及一种双频共口径天线结构与天线阵面。
背景技术
在通信中，系统通常工作分为接收天线、发射天线，而接收和发射天线的工作频率属于2个不同的频段，常规的设计方法是把接收天线和发射天线分成2个天线来进行设计，最后放置在一个口径面上，这样天线的占用面积就会变得很大，应用场景受到限制。
因此，现有技术中存在天线的占用面积大，应用场景受到限制的问题。
发明内容
本申请的目的在于提供一种双频共口径天线结构与天线阵面，以解决现有技术中天线的占用面积大，应用场景受到限制的问题。
为了实现上述目的，本申请实施例采用的技术方案如下：
一方面，本申请实施例提供一种双频共口径天线结构，所述双频共口径天线结构包括第一金属层、第一介质层、第二金属层、第二介质层以及第三金属层，所述第一金属层、所述第一介质层、所述第二金属层、所述第二介质层以及所述第三金属层逐层连接，所述第二金属层接地，且所述第一金属层与所述第二金属层通过金属孔连接；其中，
所述第一金属层上设置有多个贯穿的缝隙，以通过所述缝隙围成多个第一高频天线与低频天线，其中，所述低频天线环绕于所述第一高频天线外，且所述低频天线的工作频率小于所述第一高频天线的工作频率。
可选地，所述缝隙还围成多个第二高频天线，所述第二高频天线与所述低频天线呈距离设置，且所述第一高频天线与所述第二高频天线的工作频率相同。
可选地，所述低频天线呈矩形阵列排布，每个所述第二高频天线均位于四个相邻的低频天线的几何中心，且相邻两个所述低频天线的间距满足公式：
d1<λ1/(1+|cos(θ1) |)
其中，d1表示相邻两个低频天线的几何中心间距，λ1表示低频天线工作频率在自由空间的波长，θ1表示低频天线的仰角；
相邻两个第一高频天线的几何中心间距或相邻两个第二高频天线的间距满足公式：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
其中，d2表示相邻两个第一高频天线的几何中心间距或相邻两个第二高频天线的几何中心间距，其中，相邻两个第一高频天线的几何中心间距与相邻两个第二高频天线的几何中心间距相等；λ2表示第一高频天线或第二高频天线工作频率在自由空间的波长，且第一高频天线工作频率在自由空间的波长与第二高频天线工作频率在自由空间的波长相等，θ2表示第一高频天线或第二高频天线的仰角。
可选地，所述金属孔的数量包括多个，多个所述金属孔环绕于所述缝隙外，且所述金属孔与所述缝隙呈距离设置。
可选地，相邻两个金属孔之间的距离小于第一高频天线或第二高频天线工作频率在自由空间的波长的1/10。
可选地，所述第一高频天线与所述低频天线的几何中心重叠。
可选地，所述缝隙的宽度大于0.1mm。
可选地，所述金属孔的直径大于0.1mm。
可选地，所述第一高频天线的形状均包括圆形与正多边形。
另一方面，本申请还提供了一种天线阵面，所述天线阵面包括上述的双频共口径天线结构。
相对于现有技术，本申请具有以下有益效果：
本申请提供了一种双频共口径天线结构与天线阵面，该双频共口径天线结构包括第一金属层、第一介质层、第二金属层、第二介质层以及第三金属层，第一金属层、第一介质层、第二金属层、第二介质层以及第三金属层逐层连接，第二金属层接地，且第一金属层与第二金属层通过金属孔连接；其中，第一金属层上设置有多个贯穿的缝隙，以通过缝隙围成多个第一高频天线与低频天线，其中，低频天线环绕于第一高频天线外，且低频天线的工作频率小于第一高频天线的工作频率。通过本申请提供的双频共口径天线结构，实现了第一高频天线与低频天线的相互嵌套设置，将2个频段的天线设置于同一金属层上，进而使天线口径的效率高，双频天线占用空间小，且结构简单。
为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它相关的附图。
图1为本申请实施例提供的双频共口径天线结构的剖面示意图。
图2为本申请实施例提供的第一金属层的俯视图。
图中：100-双频共口径天线结构；110-第一金属层；120-第一介质层；130-第二金属层；140-第二介质层；150-第三金属层；160-金属孔；111-缝隙；112-第一高频天线；113-低频天线；114-第二高频天线。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”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，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，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申请的限制。
在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
下面结合附图，对本申请的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
正如背景技术中所述，目前的接收天线与发射天线需要分成2个天线独立设计，因此其占用面积相对较大，应用场景受到限制。
有鉴于此，本申请提供了一种双频共口径天线结构，通过将低频天线与高频天线嵌套设置的方式，实现了双频天线的共口径，进而实现了将高频天线与低频天线设置于同一金属层上，减小了双频天线的占用空间，且结构较为简单。
下面对本申请提供的双频共口径天线结构进行实例性说明：
作为一种实现方式，请参阅图1，双频共口径天线结构100包括第一金属层110、第一介质层120、第二金属层130、第二介质层140以及第三金属层150，第一金属层110、第一介质层120、第二金属层130、第二介质层140以及第三金属层150逐层连接，第二金属层130接地，且第一金属层110与第二金属层130通过金属孔160连接。可选的，本申请所述的金属层，可以选用铜层；本申请所述的介质层可以为微波介质基片。
可以理解地，通过该实现方式，第一金属层110作为整个双频共口径天线结构的表层，第二金属层130作为双频共口径天线结构的底层地，由于第一金属层110与第二金属层130之间通过金属孔160连接，因此第一金属层110也接地，第三金属层150作为双频共口径天线结构的馈电网络。
在金属孔160的实际制作过程中，首先对第一金属层110、第一基质层以及第二金属层130进行钻孔，并在孔壁上镀金属，例如镀铜等，进而通过金属孔160实现第一金属层110与第二金属层130的连接。
为了实现在第一金属层110上形成高频天线与低频天线，请参阅图2，第一金属层110上设置有多个贯穿的缝隙111，即在实际工艺中，可以在第一金属层110上刻蚀出多条规则形状的缝隙111，且该缝隙111穿过第一金属层110，并通过该缝隙111漏出第一介质层120，以通过缝隙111围成多个第一高频天线112与低频天线113，其中，低频天线113环绕于第一高频天线112外，且低频天线113的工作频率小于第一高频天线112的工作频率。
例如，第一高频天线112与低频天线113的工作频率比为1.5:1，可以理解地，通过设置第一高频天线112与低频天线113，即可实现接收天线与发射天线的设计，例如，作为一种实现方式，将第一高频天线112作为发射天线，将低频天线113作为接收天线，进而实现了在同一金属层上同时设置出发射天线与接收天线的效果，减小了天线结构的占用体积，应用场景更广。当然地，在其它可能的实现方式中，也可能将第一高频天线112作为接收天线，将低频天线113作为发射天线，在此不做限定。
作为一种可选的实现方式，为了充分利用第一金属层110的面积，第一金属层110上还设置有第二高频天线114，即第一金属层110上的缝隙111还围成多个第二高频天线114，第二高频天线114与低频天线113呈距离设置，且第一高频天线112与第二高频天线114的工作频率相同。其中，本申请所述的呈距离设置，即表示第二高频天线114与低频天线113之间不接触。
换言之，低频天线113与第一高频天线112组成了一组双频辐射天线，且低频天线113套设于第一高频天线112外，同时，第二高频天线114组成独立的高频天线，进而使得在第一金属板上设置出两种不同形式的高频天线，且其工作频率相同。
需要说明的是，本申请并不对第一高频天线112、第二高频天线114以及低频天线113的形状进行限定，而仅需满足第一高频天线112、第二高频天线114的工作频率相等，且大于低频天线113的工作频率即可。作为一种实现方式，第一高频天线112与第二高频天线114状均可以为圆形或正多边形。
同时，作为一种实现方式，第一高频天线112与低频天线113的几何中心重叠，以第一高频天线112与第二高频天线114的形状为圆形为例，在实际制作过程中，可以刻蚀出多个圆形缝隙111，进而在圆形缝隙111的内部即形成了第一高频天线112与第二高频天线114。在此基础上，低频天线113的形状可以为圆环型。例如，如图2所示，在制作一组双频辐射天线时，可以在第一金属层110上刻蚀出两条缝隙111，分别为第一缝隙与第二缝隙，且第一缝隙的周长大于第二缝隙的周长，并且，两条缝隙形成同心圆的形状，进而使得处于中心的圆形区域形成第一高频天线112，处于外侧的圆环形区域形成低频天线113。
当然地，低频天线113的形状也可以为其它形状，例如，第一缝隙111围成的形状为正方形，第二缝隙111围成的形状为圆形，则使得第一高频天线112的形状为圆形，且低频天线113的内侧为圆形，外侧为正方形。或者，第一缝隙111围成的形状为圆形，第二缝隙111围成的形状为正六边形，则使得第一高频天线112的形状为正六边形，且低频天线113的内侧为正六边形，外侧为圆形。
此外，第一高频天线112与第二高频天线114的形状可以相同也可以不同，例如，第一高频天线112的形状为圆形，第二高频天线114形状为正五边形。当然地，第一高频天线112与第二高频天线114也可以为其它形状，例如矩形或椭圆形等，在此不做限定。
需要说明的是，为了使加工更加方便，本申请中，围成每个天线的缝隙111的宽度相等，缝隙111的宽度均大于0.1mm。例如，对于其中任意一个第二高频天线114而言，围成第二高频天线114的缝隙111在不同位置的宽度均相同。此外，围成不同天线的缝隙111的宽度也可以不同，例如，围成第一高频天线112的缝隙111的宽度为0.2mm，围成第二高频天线114的缝隙111的宽度为0.3mm，在此不做限定。
为了保证在第一金属层110上设置尽可能多的第一高频天线112、第二高频天线114以及低频天线113，低频天线113呈矩形阵列排布。同时，为了保证阵列天线扫描到仰角30度无栅瓣，每个第二高频天线114均位于四个相邻的低频天线113的几何中心，且相邻两个低频天线113的间距满足公式：
d1<λ1/(1+|cos(θ1) |)
其中，d1表示相邻两个低频天线的几何中心间距，λ1表示低频天线工作频率在自由空间的波长，θ1表示低频天线的仰角（低频天线的扫描角度）。需要说明的是，如图2所示，本申请所述的相邻两个低频天线的几何中心间距，指横向相邻两个低频天线与纵向相邻两个低频天线之间均需满足该公式。并且，θ1是低频天线的最大辐射方向。
同时，相邻两个第一高频天线的几何中心间距或相邻两个第二高频天线的间距满足公式：
Figure 441549DEST_PATH_IMAGE001
其中，d2表示相邻两个第一高频天线的几何中心间距或相邻两个第二高频天线的几何中心间距，其中，相邻两个第一高频天线的几何中心间距与相邻两个第二高频天线的几何中心间距相等；λ2表示第一高频天线或第二高频天线工作频率在自由空间的波长，且第一高频天线工作频率在自由空间的波长与第二高频天线工作频率在自由空间的波长相等，θ2表示第一高频天线或第二高频天线的仰角（第一高频天线或第二高频天线的扫描角度）。
可以理解地，在图2的实现方式的基础上，由于第二高频天线114位于四个相邻的低频天线113的几何中心，同时其也位于四个相邻的第一高频天线112的几何中心，因此第二高频天线114与四个相邻的第一高频天线112中的任意一个高频天线的间距均需满足上述公式。
在一种可选的实现方式中，金属孔160的数量包括多个，例如，图2中黑色小圆圈均为金属孔160，多个金属孔160环绕于缝隙111外，且金属孔160与缝隙111呈距离设置，即金属孔160与缝隙111并不接触。可以理解地，本申请提供金属孔160可以分为三种，第一种环绕于围成第一高频天线112的缝隙111外，第二种环绕于围成第二高频天线114的缝隙111外，第三种环绕于围成低频天线113的缝隙111外。
为了提高高频天线（包括第一高频天线112与第二高频天线114）与高频天线之间的隔离度、高频天线与低频天线之间的隔离度以及低频天线与低频天线之间的隔离度，围绕缝隙111分布的金属孔160的直线距离小于第一高频天线或第二高频天线工作频率在自由空间的波长的1/10。
此外，为了在加工金属孔160时更加方便，作为一种实现方式，金属孔160的直径大于0.1mm，例如，金属孔160的直径为0.3mm。
在上述实现方式的基础上，本申请实施例还提供了一种天线阵面，该天线阵面包括上述的双频共口径天线结构。
综上所述，本申请提供了一种双频共口径天线结构与天线阵面，该双频共口径天线结构包括第一金属层110、第一介质层120、第二金属层130、第二介质层140以及第三金属层150，第一金属层110、第一介质层120、第二金属层130、第二介质层140以及第三金属层150逐层连接，第二金属层130接地，且第一金属层110与第二金属层130通过金属孔160连接；其中，第一金属层110上设置有多个贯穿的缝隙111，以通过缝隙111围成多个第一高频天线112与低频天线，其中，低频天线环绕于第一高频天线112外，且低频天线的工作频率小于第一高频天线112的工作频率。通过本申请提供的双频共口径天线结构，实现了第一高频天线112与低频天线的相互嵌套设置，将2个频段的天线设置于同一金属层上，进而使天线口径的效率高，双频天线占用空间小，且结构简单。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
对于本领域技术人员而言，显然本申请不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本申请的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本申请。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本申请的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本申请内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (10)

1.一种双频共口径天线结构，其特征在于，所述双频共口径天线结构包括第一金属层、第一介质层、第二金属层、第二介质层以及第三金属层，所述第一金属层、所述第一介质层、所述第二金属层、所述第二介质层以及所述第三金属层逐层连接，所述第二金属层接地，且所述第一金属层与所述第二金属层通过金属孔连接；其中，
所述第一金属层上设置有多个贯穿的缝隙，以通过所述缝隙围成多个第一高频天线与低频天线，其中，所述低频天线环绕于所述第一高频天线外，且所述低频天线的工作频率小于所述第一高频天线的工作频率。
2.如权利要求1所述的双频共口径天线结构，其特征在于，所述缝隙还围成多个第二高频天线，所述第二高频天线与所述低频天线呈距离设置，且所述第一高频天线与所述第二高频天线的工作频率相同。
3.如权利要求2所述的双频共口径天线结构，其特征在于，所述低频天线呈矩形阵列排布，每个所述第二高频天线均位于四个相邻的低频天线的几何中心，且相邻两个所述低频天线的间距满足公式：
d1<λ1/(1+|cos(θ1) |)
其中，d1表示相邻两个低频天线的几何中心间距，λ1表示低频天线工作频率在自由空间的波长，θ1表示低频天线的仰角；
相邻两个第一高频天线的几何中心间距或相邻两个第二高频天线的间距满足公式：
Figure 793530DEST_PATH_IMAGE001
其中，d2表示相邻两个第一高频天线的几何中心间距或相邻两个第二高频天线的几何中心间距，其中，相邻两个第一高频天线的几何中心间距与相邻两个第二高频天线的几何中心间距相等；λ2表示第一高频天线或第二高频天线工作频率在自由空间的波长，且第一高频天线工作频率在自由空间的波长与第二高频天线工作频率在自由空间的波长相等，θ2表示第一高频天线或第二高频天线的仰角。
4.如权利要求2所述的双频共口径天线结构，其特征在于，所述金属孔的数量包括多个，多个所述金属孔环绕于所述缝隙外，且所述金属孔与所述缝隙呈距离设置。
5.如权利要求4所述的双频共口径天线结构，其特征在于，相邻两个金属孔之间的距离小于第一高频天线或第二高频天线工作频率在自由空间的波长的1/10。
6.如权利要求1所述的双频共口径天线结构，其特征在于，所述第一高频天线与所述低频天线的几何中心重叠。
7.如权利要求1所述的双频共口径天线结构，其特征在于，所述缝隙的宽度大于0.1mm。
8.如权利要求1所述的双频共口径天线结构，其特征在于，所述金属孔的直径大于0.1mm。
9.如权利要求1所述的双频共口径天线结构，其特征在于，所述第一高频天线的形状均包括圆形与正多边形。
10.一种天线阵面，其特征在于，所述天线阵面包括如权利要求1至9任意一项所述的双频共口径天线结构。
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