CN112787099A - 一种应用于5g毫米波通信的贴片驱动超表面天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种应用于5G毫米波通信的贴片驱动超表面天线，包括：第一介质层；矩形辐射贴片，所述矩形辐射贴片设置在所述第一介质层的上表面；环型超表面结构，所述环型超表面结构设置在所述第一介质层的下表面，所述环型超表面结构与矩形辐射贴片无电气连接；第二介质层，所述第二介质层设置在所述第一介质层和所述环型超表面结构的下方；带槽的金属地板，所述带槽的金属地板设置在所述第二介质层的下表面；矩形凹槽，所述矩形凹槽贯穿设置在所述带槽的金属地板中；第三介质层，所述第三介质层设置在所述带槽的金属地板的下方；以及终端开路微带馈线，所述终端开路微带线、所述环型超表面结构、所述矩形凹槽和所述矩形辐射贴片的中心处于同一垂直位置。

Description

一种应用于5G毫米波通信的贴片驱动超表面天线
技术领域
本发明涉及半导体封装及无线通信技术领域，尤其涉及一种应用于5G毫米波通信的超表面天线及其阵列。
背景技术
5G无线通信系统中，微带贴片天线得到广泛应用。微带贴片天线具有结构简单、制造方便、成本低、剖面低等优点，是5G毫米波封装天线(Antenna-in-package，AiP)应用的良好选择。
近年来，电磁超表面(Electromagnetic Metasurface)对电磁波的调控研究与应用得到了快速的发展。电磁超表面是一种二维电磁超材料，在超薄尺寸上制造周期性或非周期性排列的亚波长金属结构以此形成电磁超表面。与三维电磁超材料相比，电磁超表面大大降低了复杂制作工艺的要求，具有损耗低、重量轻、集成度高等优点，可以有效调控电磁波的相位、幅度、极化与辐射等特性，在天线工程应用中显示出巨大的潜力。
随着移动通信技术快速发展，5G无线通信系统对天线性能要求越来越高。为了满足5G毫米波无线通信系统的小型化和高数据速率的需求，众多研究者在天线设计与研发上投入了大量的精力。但现阶段，贴片天线的发展仍面临着许多需要迫切需要解决的问题。一方面，传统设计的贴片天线在小型化方面面临许多难题，尤其是纵向的小型化，贴片天线的剖面降低导致带宽等性能随之降低；另一方面，贴片天线在有限的剖面高度下提高带宽也面临许多困难。
目前，提高贴片天线带宽的技术主要包括叠层贴片，空气腔，U型、L型和E型贴片以及贴片负载超材料等天线技术。但是，叠层贴片技术贴片天线需要增加额外的剖面高度来实现带宽的叠层结构；空气腔贴片天线面临着天线结构复杂，在毫米波高密度集成系统中工艺难度高等问题；利用L型、U型、E型等结构实现宽频带，但这一类不对称的贴片结构会引起高交叉极化的问题；现代天线工程中利用负载超材料的贴片天线也能一定程度上增加带宽，但多数设计性能提升有限且增加天线单元的面积，不利于天线阵列布局设计。。
针对现有的5G毫米波无线通信所需的贴片天线小型化导致带宽等性能降低，贴片天线带宽提高方案结构复杂等问题，本发明提出一种应用于5G毫米波通信的贴片驱动超表面天线，在现有的贴片天线的基础上引入了环型超表面结构，至少部分的克服了上述问题。
发明内容
针对现有的5G毫米波无线通信所需的贴片天线小型化导致带宽等性能降低，贴片天线带宽提高方案结构复杂等问题，根据本发明的一个实施例，提供一种应用于5G毫米波通信的贴片驱动超表面天线，包括：
第一介质层；
矩形辐射贴片，所述矩形辐射贴片设置在所述第一介质层的上表面；
环型超表面结构，所述环型超表面结构设置在所述第一介质层的下表面，所述环型超表面结构与矩形辐射贴片无电气连接；
第二介质层，所述第二介质层设置在所述第一介质层和所述环型超表面结构的下方；
带槽的金属地板，所述带槽的金属地板设置在所述第二介质层的下表面；
矩形凹槽，所述矩形凹槽贯穿设置在所述带槽的金属地板中；
第三介质层，所述第三介质层设置在所述带槽的金属地板的下方；以及
终端开路微带馈线，所述终端开路微带线、所述环型超表面结构、所述矩形凹槽和所述矩形辐射贴片的中心处于同一垂直位置。
在本发明的一个实施例中，所述环型超表面结构由m×n个周期性对称排列的方形贴片阵列构成，且在垂直方向与所述矩形辐射贴片无重叠，其中m≥2，n≥2。
在本发明的一个实施例中，所述第一介质层和所述第三介质层的材料为GHPL-970半固化片介质板；所述第二介质层的材料为Rogers4350B高频介质板。
在本发明的一个实施例中，所述环型超表面结构由12个方形贴片单元围绕所述矩形辐射贴片的中心对称分布，按照4×4的阵列、等间距、周期性、均匀排列在阵列最外圈；各方形贴片单元之间无电气连接。
在本发明的一个实施例中，所述矩形辐射贴片的边长1.3mm×2.4mm；所述方形贴片单元的边长为1.4mm×1.4mm，相邻方形贴片单元之间的距离为0.05mm。
在本发明的一个实施例中，所述微带馈线为终端开路的50Ω传输线。
在本发明的一个实施例中，所述矩形辐射贴片由所述终端开路微带线通过所述带槽的金属地板上的所述矩形凹槽的缝隙耦合馈电；所述环型超表面结构由所述矩形辐射贴片产生的表面波激励馈电。
根据本发明的另一个实施例，提供一种应用于5G毫米波通信的贴片驱动超表面天线阵列，包括：
第一介质层；
M个矩形辐射贴片，所述M组矩形辐射贴片呈直线排列设置在所述第一介质层的上表面；
M组环型超表面结构，所述M组环型超表面结构围绕分别所述M组矩形辐射贴片的中心对称分布设置在所述第一介质层的下表面；
第二介质层，所述第二介质层设置在所述第一介质层和所述M组环型超表面结构的下方；
阵列反射地板，所述阵列反射地板设置在所述第二介质层的下表面；
M个矩形凹槽，所述M个矩形凹槽贯穿设置在所述阵列反射地板中；
第三介质层，所述第三介质层设置在所述阵列反射地板的下方；以及
阵列馈电网络，所述阵列馈电网络包括M个终端开路微带馈线，其中，M≥2。
在本发明的一个实施例中，M＝4，每组环型超表面结构由12个方形贴片单元围绕一个所述矩形辐射贴片的中心对称分布，按照4×4的阵列、等间距、周期性、均匀排列在阵列最外圈；各方形贴片单元之间无电气连接。
在本发明的一个实施例中，所述阵列馈电网络包括三个一分二馈电结构，每个馈电结构由一个T型功分器组成。
本发明提出一种应用于5G毫米波通信的贴片驱动超表面天线，包括由金属平面组成的带槽反射地板以及设置在反射地板中心上方的第一介质板、第二介质板，反射地板下方还设有第三介质板；在第一介质板上设置有矩形辐射贴片，贴片由第三介质板下方的微带馈线通过反射地板上的缝隙耦合馈电；在第二介质板上方设有环型超表面结构，该天环型超表面结构由第二介质板上表面环型排列的周期性方形贴片小单元形成。基于本发明的该种应用于5G毫米波通信的贴片驱动超表面天线及其阵列，采用中心贴片负载环型超表面结构，可以保证天线的低剖面的同时获得宽频特性，且起到提高天线增益的作用。天线利用中心矩形辐射贴片激励外圈由多个方形贴片小单元形成的环型超表面结构从而产生额外的谐振来增加带宽。同时，由于该天线辐射的物理孔径增大，天线增益得到提高。
附图说明
为了进一步阐明本发明的各实施例的以上和其它优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。
图1示出根据本发明的一个实施例的一种应用于5G毫米波通信的贴片驱动超表面天线单元平面结构示意图。
图2示出根据本发明的一个实施例的一种应用于5G毫米波通信的贴片驱动超表面天线单元剖面结构示意图。
图3示出根据本发明的一个实施例的一种应用于5G毫米波通信的贴片驱动超表面天线阵列整体平面结构示意图。
图4示出根据本发明的一个实施例的一种应用于5G毫米波通信的贴片驱动超表面天线阵列仿真结果示意图。
其中1为矩形辐射贴片，2为环型超表面结构，3为带槽的金属地板，4为地板上矩形槽，5为微带馈线，6为第一介质层，7为第二介质层，8为第三介质层，9为1×4阵列馈电网络，10为阵列反射地板。
具体实施方式
在以下的描述中，参考各实施例对本发明进行描述。然而，本领域的技术人员将认识到可在没有一个或多个特定细节的情况下或者与其它替换和/或附加方法、材料或组件一起实施各实施例。在其它情形中，未示出或未详细描述公知的结构、材料或操作以免使本发明的各实施例的诸方面晦涩。类似地，为了解释的目的，阐述了特定数量、材料和配置，以便提供对本发明的实施例的全面理解。然而，本发明可在没有特定细节的情况下实施。此外，应理解附图中示出的各实施例是说明性表示且不一定按比例绘制。
在本说明书中，对“一个实施例”或“该实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。在本说明书各处中出现的短语“在一个实施例中”并不一定全部指代同一实施例。
需要说明的是，本发明的实施例以特定顺序对工艺步骤进行描述，然而这只是为了方便区分各步骤，而并不是限定各步骤的先后顺序，在本发明的不同实施例中，可根据工艺的调节来调整各步骤的先后顺序。
本发明提出一种应用于5G毫米波通信的贴片驱动超表面天线，包括由金属平面组成的带槽反射地板以及设置在反射地板中心上方的第一介质板、第二介质板，反射地板下方还设有第三介质板；在第一介质板上设置有矩形辐射贴片，贴片由第三介质板下方的微带馈线通过反射地板上的缝隙耦合馈电；在第二介质板上方设有环型超表面结构，该天环型超表面结构由第二介质板上表面环型排列的周期性方形贴片小单元形成。基于本发明的该种应用于5G毫米波通信的贴片驱动超表面天线及其阵列，采用中心贴片负载环型超表面结构，可以保证天线的低剖面的同时获得宽频特性，且起到提高天线增益的作用。天线利用中心矩形辐射贴片激励外圈由多个方形贴片小单元形成的环型超表面结构从而产生额外的谐振来增加带宽。同时，由于该天线辐射的物理孔径增大，天线增益得到提高。
下面结合图1、图2来详细介绍根据本发明的一个实施例的一种应用于5G毫米波通信的贴片驱动超表面天线。图1示出根据本发明的一个实施例的一种应用于5G毫米波通信的贴片驱动超表面天线单元平面结构示意图；图2示出根据本发明的一个实施例的一种应用于5G毫米波通信的贴片驱动超表面天线单元剖面结构示意图。如图1、图2所示，该应用于5G毫米波通信的贴片驱动超表面天线单元进一步包括矩形辐射贴片1，环型超表面结构2，带槽的金属地板3，矩形凹槽4，微带馈线5，第一介质层6，第二介质层7，第三介质层8。
矩形辐射贴片1设置在第一介质层6的上表面，环型超表面结构2设置在第一介质层6的下表面，矩形辐射贴片1和环型超表面结构2构成天线辐射体。
在本发明的一个实施例中，环型超表面结构2由m×n周期性排列且对称的方形贴片阵列构成，且在垂直方向与所述矩形辐射贴片1无重叠。
在本发明的又一实施例中，矩形辐射贴片1为矩形金属铜片，环型超表面结构2由4×4方形贴片单元组成的阵列最外圈构成，共12个方形贴片单元，第一介质层6为用GHPL-970半固化片介质板。构成该环型超表面结构2的12个方形贴片单元以相同的间距周期均匀排列；各方形贴片单元之间无电气连接。环型超表面结构2与矩形辐射贴片1无电气连接。所述环型超表面结构2围绕所述矩形辐射贴片1的中心对称分布。
在本发明的一个具体实施例中，矩形辐射贴片1的边长为1.3mm×2.4mm，环型超表面结构2的组成单元的边长为1.4mm×1.4mm，相邻两个方形小单元之间的距离为0.05mm。
第二介质层7设置在第一介质层6和环型超表面结构2的下方，第三介质层8设置在第二介质层7的下方，在第二介质层7和第三介质层8之间设置有带槽的金属地板3，矩形辐射贴片1与环型超表面结构2共用带槽金属地板3作为反射地平面。在本发明的一个实施例中，第二介质层7采用Rogers4350B高频介质板；第三介质层8采用GHPL-970半固化片介质板；带槽的金属地板3为中间具有矩形凹槽4的金属铜片。
矩形凹槽4设置在带槽的金属地板3上的矩形辐射贴片1的垂直投影的中间对称位置。
第三介质层8下表面设有微带馈线5。所述微带馈线5为终端开路的50Ω传输线。
在本发明的一个具体实施例中，矩形辐射贴片1由终端开路微带线5通过第二介质层7下方的带槽的金属地板3上的矩形凹槽4的缝隙耦合馈电。环型超表面结构2由第一介质层6上方的矩形辐射贴片1产生的表面波激励馈电。终端开路微带线5设置在第三介质层8的下表面，其末端与馈电端口连接。矩形辐射贴片1和环型超表面结构2(有限周期人工磁导体单元)均作为辐射体分别设置在第一介质层6和第二介质层7上；矩形辐射贴片1处于该应用于5G毫米波通信得贴片驱动超表面天线的中心位置。带矩形凹槽的反射地板3设置在第二介质层7的下表面与第三介质层8的上表面，带矩形凹槽的反射地板3上的矩形凹槽4处于天线中心位置。终端开路微带线5、环型超表面结构2(有限周期人工磁导体单元)、矩形凹槽4与矩形辐射贴片1的中心处于同一垂直位置。
在本发明的又一具体实施例中，带矩形凹槽的反射地板3上的矩形凹槽4由终端开路的微带馈线5在四分之一波长处即矩形凹槽4中心正下方向上耦合馈电；矩形辐射贴片1由终端开路的微带馈线5通过带矩形凹槽的反射地板3上矩形凹槽4向上层耦合馈电；环型超表面结构2由矩形辐射贴片1产生的表面波所激励。
下面再结合图3来描述本发明的一种应用于5G毫米波通信的贴片驱动超表面天线阵列。图3示出根据本发明的一个实施例的一种应用于5G毫米波通信的贴片驱动超表面天线阵列整体平面结构示意图。如图3所示，该应用于5G毫米波通信的贴片驱动超表面天线阵列包括4组矩形辐射贴片1、4组环型超表面结构2、阵列反射地板10以及1×4阵列馈电网络9。
根据本发明的一个实施例，该天线阵列采用图2中相同的介质层结构，其中第一介质层6和第三介质层8采用的GHPL-970半固化片介质板；第二介质层8采用的Rogers4350B介质板。其中，4组矩形辐射贴片1均位于第一介质层6的上表面，呈直线排列，相邻两个天线单元的中心距离为6mm；矩形辐射贴片1各自负载对应的环型超表面结构2，且共用金属反射地板10；反射地板10位于第二介质层7的下表面，为金属地板，开设有1×4个矩形凹槽；1×4阵列馈电网络9位于第三介质层8下表面，包括三个一分二馈电结构组成，每个馈电结构由一个T型功分器组成。
图4示出根据本发明的一个实施例的一种应用于5G毫米波通信的贴片驱动超表面天线阵列仿真结果示意图。该天线单元基于矩形辐射贴片激励环型超表面结构在感兴趣频段产生相邻的两个谐振以增加带宽，以此为基础的天线阵列通过所述1×4阵列馈电网络9可以有效地在厚度为422um的核心层和40um的上下叠层介质的条件下，实现了从25GHz-31GHz的宽阻抗带宽，大于20％的相对带宽。
进一步的，本发明的一个实施例中，提供的超材料天线在负载一圈人工磁导体结构后造成天线辐射孔径的增大，从而提高了天线增益，进而以此为基础的阵列天线增益也得到提高。在工作频带范围内，所述天线阵列在29.7GHz处取得了13.3dBi的最大增益，同时天线工作频带范围内的平均增益为12.5dBi。
基于本发明的该种应用于5G毫米波通信的贴片驱动超表面天线及其阵列，具有如下特点：1)利用贴片天线负载环型超表面结构，实现了天线剖面的小型化，本发明天线单元小型化的尺寸为10.7mm×10.7mm×0.5mm,约为1λ28GHz×1λ28GHz×0.047λ28GHz(λ28GHz为自由空间中28GHz的波长)；2)利用中心矩形辐射贴片激励环型超表面结构并产生额外的谐振来增加带宽，有利于实现天线的宽频带特性，以此为基础的天线阵列的工作带宽可覆盖25－31GHz(大于20％)，涵盖26GHz与28GHz的5G频段，可应用于5G毫米波通信；3)使用对称的天线结构与耦合馈电技术，实现天线低交叉极化性，同时无通孔设计，简化了天线的结构，可实现天线的低交叉极化性能；4)利用负载环型超表面结构增加辐射孔径，实现天线高增益特性。同时本发明在图1天线单元的基础上，通过使用馈电网络，可实现高增益天线阵列。
尽管上文描述了本发明的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。

Claims (10)

1.一种应用于5G毫米波通信的贴片驱动超表面天线，包括：
第一介质层；
矩形辐射贴片，所述矩形辐射贴片设置在所述第一介质层的上表面；
环型超表面结构，所述环型超表面结构设置在所述第一介质层的下表面，所述环型超表面结构与矩形辐射贴片无电气连接；
第二介质层，所述第二介质层设置在所述第一介质层和所述环型超表面结构的下方；
带槽的金属地板，所述带槽的金属地板设置在所述第二介质层的下表面；
矩形凹槽，所述矩形凹槽贯穿设置在所述带槽的金属地板中；
第三介质层，所述第三介质层设置在所述带槽的金属地板的下方；以及
终端开路微带馈线，所述终端开路微带线、所述环型超表面结构、所述矩形凹槽和所述矩形辐射贴片的中心处于同一垂直位置。
2.如权利要求1所述的应用于5G毫米波通信的贴片驱动超表面天线，其特征在于，所述环型超表面结构由m×n个周期性对称排列的方形贴片阵列构成，且在垂直方向与所述矩形辐射贴片无重叠，其中m≥2，n≥2。
3.如权利要求1所述的应用于5G毫米波通信的贴片驱动超表面天线，其特征在于，所述第一介质层和所述第三介质层的材料为GHPL-970半固化片介质板；所述第二介质层的材料为Rogers4350B高频介质板。
4.如权利要求1所述的应用于5G毫米波通信的贴片驱动超表面天线，其特征在于，所述环型超表面结构由12个方形贴片单元围绕所述矩形辐射贴片的中心对称分布，按照4×4的阵列、等间距、周期性、均匀排列在阵列最外圈；各方形贴片单元之间无电气连接。
5.如权利要求4所述的应用于5G毫米波通信的贴片驱动超表面天线，其特征在于，所述矩形辐射贴片的边长1.3mm×2.4mm；所述方形贴片单元的边长为1.4mm×1.4mm，相邻方形贴片单元之间的距离为0.05mm。
6.如权利要求1所述的应用于5G毫米波通信的贴片驱动超表面天线，其特征在于，所述微带馈线为终端开路的50Ω传输线。
7.如权利要求1所述的应用于5G毫米波通信的贴片驱动超表面天线，其特征在于，所述矩形辐射贴片由所述终端开路微带线通过所述带槽的金属地板上的所述矩形凹槽的缝隙耦合馈电；所述环型超表面结构由所述矩形辐射贴片产生的表面波激励馈电。
8.一种应用于5G毫米波通信的贴片驱动超表面天线阵列，包括：
第一介质层；
M个矩形辐射贴片，所述M组矩形辐射贴片呈直线排列设置在所述第一介质层的上表面；
M组环型超表面结构，所述M组环型超表面结构围绕分别所述M组矩形辐射贴片的中心对称分布设置在所述第一介质层的下表面；
第二介质层，所述第二介质层设置在所述第一介质层和所述M组环型超表面结构的下方；
阵列反射地板，所述阵列反射地板设置在所述第二介质层的下表面；
M个矩形凹槽，所述M个矩形凹槽贯穿设置在所述阵列反射地板中；
第三介质层，所述第三介质层设置在所述阵列反射地板的下方；以及
阵列馈电网络，所述阵列馈电网络包括M个终端开路微带馈线，其中，M≥2。
9.如权利要求8所述的应用于5G毫米波通信的贴片驱动超表面天线阵列，其特征在于，M＝4，每组环型超表面结构由12个方形贴片单元围绕一个所述矩形辐射贴片的中心对称分布，按照4×4的阵列、等间距、周期性、均匀排列在阵列最外圈；各方形贴片单元之间无电气连接。
10.如权利要求9所述的应用于5G毫米波通信的贴片驱动超表面天线阵列，其特征在于，所述阵列馈电网络包括三个一分二馈电结构，每个馈电结构由一个T型功分器组成。
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