CN112821051A - 毫米波天线及毫米波天线阵列 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供了一种毫米波天线及毫米波天线阵列。毫米波天线包括依次层叠设置的天线单元层、第一馈电网络层和第二馈电网络层；天线单元层包括多个用于将电磁波辐射至自由空间的辐射元件；第一馈电网络层配置为将接收来自于第二馈电网络层的电磁波，并将电磁波耦合至天线单元层；第二馈电网络层的内部形成有用于使电磁波通过的谐振腔，第二馈电网络层的靠近第一馈电网络层的表面上设置有第一缝隙天线元件，第一缝隙天线元件用于将通过谐振腔的电磁波耦合至第一馈电网络层，第二馈电网络层的背离第一馈电网络层的表面上设置有共面波导输入端，第一缝隙天线元件设置在谐振腔的一端，共面波导输入端设置在谐振腔的另一端。

Description

毫米波天线及毫米波天线阵列

技术领域

本申请涉及无线通信技术领域，特别涉及一种毫米波天线及毫米波天线阵列。

背景技术

随着无线通信技术的高速发展，无线电频谱的低端频率已趋于饱和，而毫米波具有丰富的频谱资源和高载波频率，故而，毫米波可以为未来的高速无线通信提供空前的机遇。目前，关于毫米天线阵列的研究已经得到科研人员和研发工程师的广泛关注。毫米波天线要求宽带和高增益性能，以实现高速数据传输，低时延和高可靠性。

在现有的毫米波天线系统中，天线和滤波器是分开设计的，两者通过匹配网络进行连接，这使得毫米波天线系统的尺寸较大。而随着集成电路的迅速发展，电子设备的尺寸越做越小，留给天线的布置空间也越来越小，故而，对天线提出了小型化的设计要求。因此，如何实现毫米波天线系统的小型化是亟需解决的问题。

发明内容

本申请实施例提供了一种毫米波天线及毫米波天线阵列，在具备滤波功能的同时可以实现毫米波天线系统的小型化设计，以适应电子设备尺寸越来越小的发展趋势。

本申请的第一方面提供了一种毫米波天线，包括依次层叠设置的天线单元层、第一馈电网络层和第二馈电网络层；所述天线单元层包括多个用于将电磁波辐射至自由空间的辐射元件；所述第一馈电网络层配置为将接收来自于所述第二馈电网络层的电磁波，并将所述电磁波耦合至所述天线单元层；所述第二馈电网络层的内部形成有用于使电磁波通过的谐振腔，所述第二馈电网络层的靠近所述第一馈电网络层的表面上设置有第一缝隙天线元件，所述第一缝隙天线元件用于将通过所述谐振腔的电磁波耦合至所述第一馈电网络层，所述第二馈电网络层的背离所述第一馈电网络层的表面上设置有共面波导输入端，所述第一缝隙天线元件设置在所述谐振腔的一端，所述共面波导输入端设置在所述谐振腔的另一端。

根据本申请实施例的毫米波天线，包括层叠设置的天线单元层、第一馈电网络层和第二馈电网络层。毫米波天线在工作时，外部的输入波通过共面波导输入端进入谐振腔，转化为沿谐振腔传播的电磁波，电磁波到达谐振腔的另一端后，通过第一缝隙天线元件耦合至第一馈电网络层，之后再由第一馈电网络层耦合至天线单元层，最终通过天线单元层上的辐射元件辐射至自由空间。在上述过程中，电磁波在沿谐振腔传播的过程中能够得到滤波处理，也就是说，通过对谐振腔的形状、尺寸等参数进行预先设定，能够使谐振腔具有滤除电磁波中的干扰信号的作用。由此可见，本申请实施例的毫米波天线将天线功能和滤波功能集成在了一起，相比于现有技术中的天线功能和滤波功能分开设置的方式，更能够满足天线系统的小型化设计要求。即，本申请实施例的毫米波天线既具备了滤波功能，又有利于实现小型化设计，因此，更加适应电子设备尺寸越来越小的发展趋势。

另外，根据本申请实施例的毫米波天线，还可具有如下附加的技术特征：

在本申请的一些实施例中，所述第二馈电网络层包括依次层叠设置的第一金属层、第一介质基板和第二金属层，所述第一金属层设置于所述第一介质基板的靠近所述第一馈电网络层的一侧，所述第二金属层设置于所述第一介质基板的背离所述第一馈电网络层的一侧，所述第一缝隙天线元件设置在所述第一金属层上，所述共面波导输入端设置在所述第二金属层上。

在本申请的一些实施例中，所述第二馈电网络层还包括金属化通孔阵列，所述金属化通孔阵列贯穿所述第一介质基板且与所述第一金属层和第二金属层共同围成谐振腔。

在本申请的一些实施例中，所述毫米波天线还包括层叠设置的第二介质基板和第三金属层，所述第二基板设置于所述第二金属层的背离所述第一介质基板的一侧，所述第三金属层设置于所述第二介质基板的背离所述第二金属层的一侧，所述第三金属层上设置有入射波接收口，在所述第二介质基板的内部设置有连接所述入射波接收口与所述共面波导输入端的入射波输入端。

在本申请的一些实施例中，所述第一馈电网络层包括依次层叠设置的第四金属层和第三介质基板，所述第三介质基板设置于所述第一金属层的背离所述第一介质基板的一侧，所述第四金属层设置于所述第三介质基板的背离所述第一金属层的一侧，在所述第四金属层的靠近所述天线单元层的表面上设置有多个第二缝隙天线元件，多个所述第二缝隙天线元件配置为将所述第一馈电网络层接收到的电磁波耦合至多个所述辐射元件。

在本申请的一些实施例中，所述辐射元件的数量为4个，4个所述辐射元件形成2×2辐射元件阵列，所述第二缝隙天线元件的数量为4个，每一所述第二缝隙天线元件与相应的一个所述辐射元件相对设置。

在本申请的一些实施例中，所述第一馈电网络层还包括设置在所述第三介质基板上的功分器，所述功分器配置为来自于所述第二馈电网络层的电磁波均匀等相位地馈到各所述第二缝隙天线元件。

在本申请的一些实施例中，所述辐射元件包括层叠设置的第一介质谐振器和第二介质谐振器，所述第一介质谐振器设置在所述第二介质谐振器的背离所述第一馈电网络层的一侧。

在本申请的一些实施例中，所述第一介质谐振器的介电常数为10.2，所述第二介质的介电常数为2.2，所述第一介质谐振器的厚度小于所述第二介质谐振器的厚度。

本申请的第二方面提供了一种毫米波天线阵列，包括多个分布在同一平面上的毫米波天线，所述毫米波天线为上述任一实施例中的毫米波天线。

根据本申请实施例的毫米波天线阵列，其所包括的毫米波天线将天线功能和滤波功能集成在了一起，相比于现有技术中的天线功能和滤波功能分开设置的方式，更能够满足天线系统的小型化设计要求。因此，本申请实施例的毫米波天线阵列也能够满足小型化的设计要求，从而适应电子设备尺寸越来越小的发展趋势。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或相关技术中的技术方案，下面对本申请实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，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的附图。

图1为本申请实施例的毫米波天线的整体结构示意图；

图2为本申请实施例的第二馈电网络层的结构示意图；

图3为本申请实施例的第二介质基板的结构示意图；

图4为本申请实施例的第一馈电网络层的结构示意图；

图5为本申请实施例的毫米波天线处于测试状态下的示意图；

图6为本申请实施例的毫米波天线的第二馈电网络层的S参数仿真和测试结果的对照曲线图；

图7为本申请实施例的毫米波天线的S参数仿真和测试结果的对照曲线图；

图8为本申请实施例的毫米波天线的增益仿真和测试的对照曲线图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本公开保护的范围。

为了使毫米波天线在具备滤波功能的同时能够实现小型化设计，以适应电子设备尺寸越来越小的发展趋势，本申请实施例提供了一种毫米波天线及毫米波天线阵列。本申请实施例的毫米波天线及毫米波天线阵列适用于各类无线通信设备，尤其适用于可实现5G通信的电子设备。

如图1、图2所示，本申请第一方面的实施例提供了一种毫米波天线1。毫米波天线1包括依次层叠设置的天线单元层10、第一馈电网络层20和第二馈电网络层30。具体地，天线单元层10包括多个用于将电磁波辐射至自由空间的辐射元件11，第一馈电网络层20配置为将接收来自于第二馈电网络层30的电磁波，并将电磁波耦合至天线单元层10，第二馈电网络层30的内部形成有用于使电磁波通过的谐振腔301，第二馈电网络层30的靠近第一馈电网络层20的表面上设置有第一缝隙天线元件302，第一缝隙天线元件302用于将通过谐振腔301的电磁波耦合至第一馈电网络层20，第二馈电网络层30的背离第一馈电网络层20的表面上设置有共面波导输入端303，第一缝隙天线元件302设置在谐振腔301的一端，共面波导输入端303设置在谐振腔301的另一端。

根据本申请实施例的毫米波天线1，包括层叠设置的天线单元层10、第一馈电网络层20和第二馈电网络层30。毫米波天线1在工作时，外部的输入波通过共面波导输入端303进入谐振腔301，转化为沿谐振腔301传播的电磁波，电磁波到达谐振腔301的另一端后，通过第一缝隙天线元件302耦合至第一馈电网络层20，之后再由第一馈电网络层20耦合至天线单元层10，最终通过天线单元层10上的辐射元件11辐射至自由空间。在上述过程中，电磁波在沿谐振腔301传播的过程中能够得到滤波处理，也就是说，通过对谐振腔301的形状、尺寸等参数进行预先设定，能够使谐振腔301具有滤除电磁波中的干扰信号的作用。由此可见，本申请实施例的毫米波天线1将天线功能和滤波功能集成在了一起，相比于现有技术中的天线功能和滤波功能分开设置的方式，更能够满足天线系统的小型化设计要求。即，本申请实施例的毫米波天线1既具备了滤波功能，又有利于实现小型化设计，因此，更加适应电子设备尺寸越来越小的发展趋势。

在本申请的一些实施例中，第二馈电网络层30包括依次层叠设置的第一金属层31、第一介质基板32和第二金属层33，第一金属层31设置于第一介质基板32的靠近第一馈电网络层20的一侧，第二金属层33设置于第一介质基板32的背离第一馈电网络层20的一侧，第一缝隙天线元件302设置在第一金属层31上，共面波导输入端303设置在第二金属层33上。在本实施例中，由于第二金属层33设置于第一介质基板32的背离第一馈电网络层20的一侧，而共面波导输入端303设置在第二金属层33上，因此，外部的输入波由第二馈电网络层30的背离第一馈电网络层20的一侧进入到第二馈电网络层30中，之后再通过第一缝隙天线元件302耦合至第一馈电网络层20。本申请实施例的第二馈电网络层30和第一馈电网络层20共同构建起设计较为简单的馈电网络结构，这种馈电网络结构一方面有利于降低制作成本，另一方面也有利于进一步提高毫米波天线1的小型化设计。

进一步地，第一缝隙天线元件302可以通过对第一金属层31实施腐蚀或光刻加工而形成。

在本申请的一些实施例中，第二馈电网络层30还包括金属化通孔阵列34，金属化通孔阵列34贯穿第一介质基板32且与第一金属层31和第二金属层33共同围成谐振腔301。其中，金属化通孔可以理解为内壁覆盖有金属层的通孔。本实施例中的金属化通孔阵列34以及第一金属层31和第二金属层33共同限定出电磁波的传输空间，该传输空间即为谐振腔301。通过对金属化通孔阵列34的形状和尺寸等参数进行控制，即可获得过滤电磁波中的干扰信号的效果。

在本申请的一些实施例中，如图1、图3所示，毫米波天线1还包括层叠设置的第二介质基板40和第三金属层50，第二基板设置于第二金属层33的背离第一介质基板32的一侧，第三金属层50设置于第二介质基板40的背离第二金属层33的一侧，第三金属层50上设置有入射波接收口(图中未示出)，在第二介质基板40的内部设置有连接入射波接收口与共面波导输入端303的入射波输入端401。外部的输入波在进入第二馈电网络层30之前先依次通过入射波接收口和入射波输入端401，其中，入射波输入端401和共面波导输入端303协同配合，共同实现将输入波化为沿谐振腔301传输的电磁波。

进一步地，毫米波天线1还可以包括贯穿第二馈电网络层30、第二介质基板40和第三金属层50设置的连接孔60，连接孔60用于连接外部的波导法兰，从而实现毫米波天线1与外部的电子设备之间的连接。

在本申请的一些实施例中，如图1、图4所示，第一馈电网络层20包括依次层叠设置的第四金属层21和第三介质基板22，第三介质基板22设置于第一金属层31的背离第一介质基板32的一侧，第四金属层21设置于第三介质基板22的背离第一金属层31的一侧，在第四金属层21的靠近天线单元层10的表面上设置有多个第二缝隙天线元件201，多个第二缝隙天线元件201配置为将第一馈电网络层20接收到的电磁波耦合至多个辐射元件11。

进一步地，第二缝隙天线元件201可以通过对第四金属层21实施腐蚀或光刻加工而形成。

在一些具体的示例中，辐射元件11的数量为4个，4个辐射元件11形成2×2辐射元件阵列，第二缝隙天线元件201的数量为4个，每一第二缝隙天线元件201与相应的一个辐射元件11相对设置，以将电磁波从第一馈电网络层20耦合至对应的辐射元件11。本示例的毫米波天线1设置有4个辐射元件11，这样有利于简化毫米波天线1的结构，从而能够进一步减小毫米波天线1的整体尺寸，进而更好地实现小型化设计。在其它的具体的示例中，辐射元件11的数量也可以是其它的数值，例如9个或者16个。在实际应用中，可以根据具体的使用需求对辐射元件11的数量进行选择。

在本申请的一些实施例中，第一馈电网络层20还包括设置在第三介质基板22上的功分器23，功分器23配置为来自于第二馈电网络层30的电磁波均匀等相位地馈到各第二缝隙天线元件201。进一步地，功分器23可以由多个金属化通孔构成。

具体地，可以在第三介质基板22上通过金属化的方式集成H型功分器，H型功分器为一输入四输出的功分器，在第二缝隙天线元件201的数量为4个的情况下，H型功分器可以实现将电磁波均匀等相位地馈4个第二缝隙天线元件201。

在本申请的一些实施例中，辐射元件11包括层叠设置的第一介质谐振器111和第二介质谐振器112，第一介质谐振器111设置在第二介质谐振器112的背离第一馈电网络层20的一侧。具体地，第一介质谐振器111和第二介质谐振器112可以通过导电胶固定在一起，从而组成一个辐射元件11。本实施例通过这种双层堆叠结构的辐射单元11，可以实现毫米波天线1的高增益和展宽带宽。

进一步地，第一介质谐振器111的介电常数为10.2，第二介质的介电常数为2.2，并且，第一介质谐振器111的厚度小于第二介质谐振器112的厚度。通过对上述参数的设定，可以使辐射元件11也具备一定的滤波特性，从而进一步提高对电磁波的滤波效果。

在一个具体的示例中，第一介质谐振器111是介电常数为10.2的罗杰斯6010板材，第二介质谐振器112是介电常数为2.2的罗杰斯5880板材。另外，第一介质谐振器111的尺寸可以设置为1.8mm×1.8×0.254mm，第二介质谐振器112的尺寸可以设置为1.8mm×1.8×0.787mm。在上述尺寸规格下，毫米波天线1可以实现高增益和展宽带宽，同时辐射元件11也具备较好的滤波特性以及较高的辐射效率。可以理解的是，本申请对第一介质谐振器111和第二介质谐振器112的形状不做限制，在实际应用中可以是矩形、圆形或其它形状等。

需要说明的是，本申请实施例对金属层的材质不做限定，在实际应用中，金属层可以是在介质基板表面镀铜和/或镀金形成的表层。

在本申请的一些实施例中，第一介质基板32、第二介质基板40和第三介质基板22均为聚四氟乙烯板材。由于罗杰斯衬底层的材料为聚四氟乙烯板材，因此，在实际应用中，可以将毫米波天线1中的所有介质层均设计成罗杰斯衬底层。罗杰斯衬底层能够减少电磁波的损耗，由此，可以使毫米波天线1在工作时，减少电磁波从第二馈电网络层30进入第一馈电网络层20时的电磁波损耗，以及减少电磁波从第一馈电网络层20进入天线单元层10时的电磁波损耗。

在一个具体的示例中，第一介质基板32、第二介质基板40和第三介质基板22均采用厚度为0.381mm的罗杰斯5880板材。另外，第一金属层31、第二金属层33、第三金属层50、第四金属层21均采用厚度为3μm的铜层。

图5为本申请实施例的毫米波天线处于测试状态下的示意图，为了进行测试，如图5所示，在第三金属层50上安装有波导到基片集成波导的过渡结构60。图6为本申请实施例的毫米波天线的第二馈电网络层的S参数仿真和测试结果的对照曲线图，图7为本申请实施例的毫米波天线的S参数仿真和测试结果的对照曲线图，从毫米波天线的S参数仿真和测试结果来看，本申请实施例提供的毫米波天线提高了工作带宽。图8为本申请实施例的毫米波天线的增益仿真和测试的对照曲线图，从毫米波天线的增益仿真和测试结果来看，本申请实施例提供的毫米波天线具有高增益的特性。

本申请第二方面的实施例提供了一种毫米波天线阵列。毫米波天线阵列包括多个分布在同一平面上的毫米波天线，毫米波天线为上述任一实施例中的毫米波天线1。

根据本申请实施例的毫米波天线阵列，其所包括的毫米波天线1将天线功能和滤波功能集成在了一起，相比于现有技术中的天线功能和滤波功能分开设置的方式，更能够满足天线系统的小型化设计要求。因此，本申请实施例的毫米波天线阵列也能够满足小型化的设计要求，从而适应电子设备尺寸越来越小的发展趋势。

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”或者其任何其它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它要素，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。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处。

以上所述仅为本公开的较佳实施例而已，并非用于限定本公开的保护范围。凡在本公开的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本公开的保护范围内。

Claims (10)

1.一种毫米波天线，其特征在于，包括依次层叠设置的天线单元层、第一馈电网络层和第二馈电网络层；

所述天线单元层包括多个用于将电磁波辐射至自由空间的辐射元件；

所述第一馈电网络层配置为将接收来自于所述第二馈电网络层的电磁波，并将所述电磁波耦合至所述天线单元层；

所述第二馈电网络层的内部形成有用于使电磁波通过的谐振腔，所述第二馈电网络层的靠近所述第一馈电网络层的表面上设置有第一缝隙天线元件，所述第一缝隙天线元件用于将通过所述谐振腔的电磁波耦合至所述第一馈电网络层，所述第二馈电网络层的背离所述第一馈电网络层的表面上设置有共面波导输入端，所述第一缝隙天线元件设置在所述谐振腔的一端，所述共面波导输入端设置在所述谐振腔的另一端。

2.根据权利要求1所述的毫米波天线，其特征在于，所述第二馈电网络层包括依次层叠设置的第一金属层、第一介质基板和第二金属层，所述第一金属层设置于所述第一介质基板的靠近所述第一馈电网络层的一侧，所述第二金属层设置于所述第一介质基板的背离所述第一馈电网络层的一侧，所述第一缝隙天线元件设置在所述第一金属层上，所述共面波导输入端设置在所述第二金属层上。

3.根据权利要求2所述的毫米波天线，其特征在于，所述第二馈电网络层还包括金属化通孔阵列，所述金属化通孔阵列贯穿所述第一介质基板且与所述第一金属层和第二金属层共同围成谐振腔。

4.根据权利要求2所述的毫米波天线，其特征在于，所述毫米波天线还包括层叠设置的第二介质基板和第三金属层，所述第二基板设置于所述第二金属层的背离所述第一介质基板的一侧，所述第三金属层设置于所述第二介质基板的背离所述第二金属层的一侧，所述第三金属层上设置有入射波接收口，在所述第二介质基板的内部设置有连接所述入射波接收口与所述共面波导输入端的入射波输入端。

5.根据权利要求2所述的毫米波天线，其特征在于，所述第一馈电网络层包括依次层叠设置的第四金属层和第三介质基板，所述第三介质基板设置于所述第一金属层的背离所述第一介质基板的一侧，所述第四金属层设置于所述第三介质基板的背离所述第一金属层的一侧，在所述第四金属层的靠近所述天线单元层的表面上设置有多个第二缝隙天线元件，多个所述第二缝隙天线元件配置为将所述第一馈电网络层接收到的电磁波耦合至多个所述辐射元件。

6.根据权利要求5所述的毫米波天线，其特征在于，所述辐射元件的数量为4个，4个所述辐射元件形成2×2辐射元件阵列，所述第二缝隙天线元件的数量为4个，每一所述第二缝隙天线元件与相应的一个所述辐射元件相对设置。

7.根据权利要求5所述的毫米波天线，其特征在于，所述第一馈电网络层还包括设置在所述第三介质基板上的功分器，所述功分器配置为来自于所述第二馈电网络层的电磁波均匀等相位地馈到各所述第二缝隙天线元件。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的毫米波天线，其特征在于，所述辐射元件包括层叠设置的第一介质谐振器和第二介质谐振器，所述第一介质谐振器设置在所述第二介质谐振器的背离所述第一馈电网络层的一侧。

9.根据权利要求8所述的毫米波天线，其特征在于，所述第一介质谐振器的介电常数为10.2，所述第二介质的介电常数为2.2，所述第一介质谐振器的厚度小于所述第二介质谐振器的厚度。

10.一种毫米波天线阵列，其特征在于，包括多个分布在同一平面上的毫米波天线，所述毫米波天线为根据权利要求1至9中任一项所述的毫米波天线。

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