CN112864617B - 5g毫米波双极化宽带宽角紧耦合阵列天线 - Google Patents

5g毫米波双极化宽带宽角紧耦合阵列天线 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种5G毫米波双极化宽带宽角紧耦合阵列天线。其包括天线阵列板(1)、金属地板(5)、馈电阵列(6)和辐射单元(7)。天线阵列板的上方覆盖有第一匹配层(2)、下方覆盖有第二匹配层(3)和第三匹配层(4)，馈电阵列和金属地板分别位于第三匹配层中间和下面；辐射单元由双极化偶极子臂和双极化耦合金属贴片组成，且y极化偶极子臂和x极化耦合金属贴片置于第一匹配层中，x极化偶极子臂和y极化耦合金属贴片置于第二匹配层中；馈电阵列由y极化探针和x极化探针组成，其下端与地板连接，上端对偶极子臂耦合馈电。本发明天线尺寸小、天线结构简单，辐射效率良好，天线增益高，馈电端口数目少，可用于5G毫米波波段通信。

Description

5G毫米波双极化宽带宽角紧耦合阵列天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，特别涉及一种双极化宽带宽角紧耦合阵列天线，可用于5G毫米波波段通信。
背景技术
随着现代化通信系统的日益发展，移动通信技术在社会发展和时代变革中起到了越来越重要的作用。通讯网络从最初的第一代1G移动通信技术到现在的第五代5G移动通信技术的过渡仅仅用了几十年的时间。毫米波由于具有高指向性、高分辨率以及丰富的频谱资源等优势而成为5G通信系统的备选频段。我国工业和信息化部批复开展5G系统技术研发试验，在毫米波波段的高频率范围为24.75GHz～27.5GHz和37GHz～42.5GHz。
相控阵相比于机械扫描，其扫描速度和方向更加稳定，且其波束扫描阵列的抗干扰能力比普通阵列强得多。相控阵的工作原理是通过调节相位来控制辐射方向的天线阵列，它既可以接收信号也可以发射信号。相控阵通过对相同间隔排列的天线阵列中的每一个天线单元的信号加以与辐射方向图相关的相位差来控制天线阵列辐射方向，在相位差变化的同时，阵列的辐射方向图随之也向不同方位进行扫描。
随着5G进程的加速推进，大规模的5G商用不久将实现。5G的一个重要趋势就是频段不断地向毫米波段延伸，由于毫米波段存在电磁损耗问题和传输过程中信号质量问题，传统的喇叭天线尺寸较大且制作成本高，不能用于现代微型通信设备，而相控阵列可以凭借其扫描特性有效缓解信号多径效应引起的衰减，在一定程度上减少了电磁损耗，并增大了信号传输效率，因此相控阵列可以有效应用于毫米波段。但随着通信平台对多功能性质的需求增大，不同功能的工作频段较为离散，为降低成本，宽带天线随着通信的发展愈发被需要。为了提高增益，抵消损耗和多径衰减等，相控阵扫描阵列成为毫米波频段的关键技术，近年来研究人员在尽可能减小天线尺寸的情况下对展宽天线带宽作了深入的研究。
2020年，Yanyi Lu等人在the University of Electronic Science andTechnology of China发表了一篇名为《Ultrawideband Tightly Coupled Dipole Arraywith 70°Scanning for Millimeter-Wave Bands》的论文，提出了一种用于毫米波段扫描角为70°的超宽带紧耦合阵列，其包括金属反射板、金属环、接地金属柱，连接金属化通孔的长条金属片，添加在天线上方的介电层和频率选择表面FSS，以及印制在介质基板上下表面的偶极子贴片和耦合贴片。该天线虽然可利用金属环展宽天线的带宽，但存在的缺陷是尺寸大、结构复杂，天线的馈电端口数目多，制作成本高，且天线形式局限于单极化，使天线辐射效率受限，不适用于现代微型通信设备的应用。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术存在的缺陷，提出一种5G毫米波双极化宽带宽角紧耦合阵列天线，旨在满足紧耦合相控阵宽带宽角扫描的情况下，进一步缩减天线的尺寸、简化天线结构，改善天线辐射效率，提高天线增益，减少天线馈电端口数目，降低制作成本。
为实现上述目的，本发明的5G毫米波双极化宽带宽角紧耦合阵列天线，包括天线阵列板、金属地板、馈电阵列和辐射单元，该天线阵列板的上方覆盖有第一匹配层、下方依次覆盖有第二匹配层和第三匹配层，馈电阵列位于第三匹配层中，金属地板位于第三匹配层的下面，其特征在于：
所述辐射单元，其由双极化偶极子臂和双极化耦合金属贴片组成，且y极化偶极子臂和x极化耦合金属贴片置于第一匹配层中，x极化偶极子臂和y极化耦合金属贴片置于第二匹配层中，形成于天线阵列板的中心法线90°旋转对称；
所述馈电阵列，其由y极化L型探针和x极化L型探针组成。
所述第一匹配层、第二匹配层、第三匹配层与天线阵列板的尺寸相同，其边长均为最高工作频率对应波长的0.372倍，这四者的总厚度为最高工作频率对应波长的0.129倍。
进一步，所述y极化偶极子臂和x极化偶极子臂采用阶梯状开槽的半圆弧结构，其首端为半圆弧状，且y极化偶极子臂由两个左右对称金属贴片组成，x极化偶极子臂由两个上下对称金属贴片组成。
进一步，所述x极化耦合金属贴片和y极化耦合金属贴片采用矩形开槽结构，且x极化耦合金属贴片由上下对称的两个金属贴片组成，y极化耦合金属贴片由两个左右对称金属贴片组成。
进一步，所述y极化L型探针由两个左右对称的八角星耦合贴片、一个横向放置的矩形长条贴片和一个左侧放置的八角星柱体组成，且左八角星耦合贴片与左侧八角星柱体二者中心重合。
进一步，所述x极化L型探针由两个上下对称的八角星耦合贴片、一个竖向放置的矩形长条贴片和一个下侧放置的八角星柱体组成，且下八角星耦合贴片和下侧八角星柱体二者中心重合。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1.本发明由于其辐射单元采用双极化形式，且通过结构优化与排布实现双极化设计，克服了现有技术中5G毫米波段紧耦合辐射单元的形式局限于单极化与辐射效率受限的问题，进一步改善了天线的辐射效率，提高了天线的增益，实现了5G毫米波段紧耦合天线双极化设计。
2.本发明由于其馈电阵列采用八角星型L型探针馈电，通过L型探针与金属贴片之间的耦合来激励贴片辐射电磁波，克服了现有技术中普通馈电引入附加电感的缺陷，且进一步拓展了天线单元的工作带宽，减少了天线的馈电端口数目，降低天线制作成本。
3.本发明的天线边长尺寸和总高度分别为最高工作频率对应波长的0.372倍和0.129倍，其与现有技术中天线边长尺寸和总高度分别为最高工作频率对应波长的0.456倍和0.528倍相比，缩减了天线的尺寸，简化了天线结构，更适用于现代微型通信设备的应用。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明中的辐射单元和馈电结构示意图；
图3是本发明中辐射单元的偶极子臂和耦合贴片结构示意图；
图4是本发明中馈电结构的L型馈电探针结构示意图；
图5是图3中偶极子臂、耦合贴片和馈电探针的位置参数示意图；
图6是本发明中辐射单元的y极化驻波比曲线图
图7是本发明中辐射单元的x极化驻波比曲线图；
图8是本发明中辐射单元y极化在43GHz处的增益方向图；
图9是本发明中辐射单元x极化在43GHz处的增益方向图；
图10是本发明阵列天线扫描角0°时随频率变化的y极化最大辐射方向图；
图11是本发明阵列天线扫描角0°时随频率变化的x极化最大辐射方向图；
图12是本发明阵列天线在43GHz处扫描角0°时随角度变化的y极化最大辐射方向图；
图13是本发明阵列天线在43GHz处扫描角0°时随角度变化的x极化最大辐射方向图；
图14是本发明阵列天线在43GHz处扫描角60°时随角度变化的y极化最大辐射方向图；
图15是本发明阵列天线在43GHz处扫描角60°时随角度变化的x极化最大辐射方向图。
具体实施方式
参照图1，本发明所述阵列天线，包括天线阵列板1、金属地板5、馈电阵列6和辐射单元7，该天线阵列板1的上方覆盖有第一匹配层2、下方依次覆盖有第二匹配层3和第三匹配层4，馈电阵列6位于第三匹配层4中，金属地板5位于第三匹配层4的下面，第一匹配层2、第二匹配层3、第三匹配层4与天线阵列板1的尺寸相同，其边长均为最高工作频率对应波长的0.372倍，这四者的总厚度为最高工作频率对应波长的0.129倍；天线阵列板1采用相对介电常数为ε1＝3.4，正切损耗角tanδ1＝0.004，厚度H1＝0.17mm的板材；第一匹配层2采用相对介电常数为ε2＝3.4，正切损耗角tanδ2＝0.004，厚度H2＝0.04mm的板材；第二匹配层3采用相对介电常数为ε3＝3.4，正切损耗角tanδ3＝0.004，厚度H3＝0.04mm的板材；第三匹配层4采用相对介电常数为ε4＝3.4，正切损耗角tanδ4＝0.004，厚度H4＝0.56mm的板材。
参照图2和图3，本实例的辐射单元7由双极化偶极子臂71和双极化耦合金属贴片72组成，双极化偶极子臂71包括y极化偶极子臂711和x极化偶极子臂712，双极化耦合金属贴片72包括x极化耦合金属贴片721和y极化耦合金属贴片722，且y极化偶极子臂711和x极化耦合金属贴片721置于第一匹配层2中，x极化偶极子臂712和y极化耦合金属贴片722置于第二匹配层3中，形成于天线阵列板1的中心法线90°旋转对称。
该y极化偶极子臂711由两个左右对称金属贴片7111，7112组成，该x极化偶极子臂712由两个上下对称金属贴片7121，7122组成，这四个贴片均采用阶梯状开槽的半圆弧结构，其首端为半圆弧状，后端为矩形状，在每个贴片表面依次开有十个槽缝隙，且前五个开槽缝隙长度呈阶梯状非均匀递增分布，后五个槽缝隙与前五个槽缝隙呈前后对称分布，采用这种阶梯状开槽的半圆弧结构可增加天线的电流路径，从而加长辐射单元的电长度。
该x极化耦合金属贴片721由上下对称的两个金属贴片7211，7212组成，该y极化耦合金属贴片722由两个左右对称金属贴片7221，7222组成，这四个贴片均开有矩形槽，以进一步缩减天线尺寸。
本实例的馈电阵列6由y极化L型探针61和x极化L型探针62组成，该y极化L型馈电探针61的下端与金属地板5连接，上端用以给y极化偶极子臂711进行耦合馈电，该x极化L型探针62的下端与金属地板5连接，上端对x极化偶极子臂712进行耦合馈电。
参照图4，本实例的y极化L型探针61由两个左右对称的八角星耦合贴片611，612、一个横向放置的矩形长条贴片613和一个左侧放置的八角星柱体614组成，且左八角星耦合贴片611与左侧八角星柱体614二者中心重合；x极化L型探针62由两个上下对称的八角星耦合贴片621，622、一个竖向放置的矩形长条贴片623和一个下侧放置的八角星柱体624组成，且下八角星耦合贴片622和下侧八角星柱体624二者中心重合。
参照图5，所述y极化L型馈电探针61的左八角星耦合贴片611与右八角星耦合贴片612之间的距离S1，大于y极化偶极子臂711的左金属贴片7111与右金属贴片7112之间的距离d1；x极化L型馈电探针62的上八角星耦合贴片621与下八角星耦合贴片622之间的距离S2，大于x极化偶极子臂712的上金属贴片7121与下金属贴片7122之间的距离d2，S1大于d1有助于y极化L型探针61对y极化偶极子臂711，S2大于d2有助于x极化L型探针62对x极化偶极子臂712的耦合馈电，本实例取但不限于S1＝1.25mm，d1＝0.7mm，S2＝1.25mm，d2＝0.7mm；
所述左右对称金属贴片7111，7112和上下对称金属贴片7121，7122中所开的十个槽缝隙中前五个开槽缝隙长分别为L1、L2、L3、L4和L5，且L1＜L2＜L3＜L4＜L5，长度呈阶梯状非均匀递增分布，本实例取但不限于L1＝0.04mm、L2＝0.06mm、L3＝0.11mm、L4＝0.13mm和L5＝0.16mm；
所述x极化耦合金属贴片721和y极化耦合金属贴片722上的矩形槽缝隙，其宽度为P1，相邻缝隙之间的距离P2为三倍的P1，本实例取但不限于P1＝0.04，P2＝0.12mm。
以下结合仿真实验，对本发明的技术效果作进一步说明：
仿真1，利用商业仿真软件HFSS-19.0对上述实施例中辐射单元的y极化驻波比进行仿真计算，结果如图6所示。
从图6可见，y极化驻波比小于2的频带范围为22.31GHz～44.20GHz，该天线覆盖了5G毫米波工作频段24.75GHz～27.5GHz、37GHz～42.5GHz。
仿真2，利用商业仿真软件HFSS-19.0对上述实施例中辐射单元的x极化驻波比进行仿真计算，结果如图7所示。
从图7可见，x极化驻波比小于2的频带范围为23.07GHz～43.23GHz，该天线覆盖了5G毫米波工作频段24.75GHz～27.5GHz、37GHz～42.5GHz。
仿真3，利用商业仿真软件HFSS-19.0对上述实施例中辐射单元y极化在43GHz处的增益方向图进行仿真计算，结果如图8所示。
从图8可见，辐射单元在最高工作频率43GHz处E面和H面的增益方向图可以看出，辐射单元y极化在宽频带内有稳定宽辐射波束特性。
仿真4，利用商业仿真软件HFSS-19.0对上述实施例中辐射单元x极化在43GHz处的增益方向图进行仿真计算，结果如图9所示。
从图9可见，辐射单元在最高工作频率43GHz处E面和H面的增益方向图可以看出，辐射单元x极化在宽频带内有稳定宽辐射波束特性。
仿真5，利用商业仿真软件HFSS-19.0对上述实施例中阵列天线扫描角0°时随频率变化的y极化最大辐射方向图进行仿真计算，结果如图10所示。
从图10可见，阵列天线在扫描角为0°时，阵列天线y极化随频率变化的最大辐射方向图中，该天线在5G毫米波工作频段24.75GHz～27.5GHz和37GHz～42.5GHz内可实现增益分别大于9.32dB和13.68dB，由此可以看出y极化工作状态良好。
仿真6，利用商业仿真软件HFSS-19.0对上述实施例中阵列天线扫描角0°时随频率变化的x极化最大辐射方向图进行仿真计算，结果如图11所示。
从图11可见，阵列天线在扫描角为0°时，阵列天线x极化随频率变化的最大辐射方向图中，该天线在5G毫米波工作频段24.75GHz～27.5GHz和37GHz～42.5GHz内可实现增益分别大于8.80dB和12.45dB，由此可以看出x极化工作状态良好。
仿真7，利用商业仿真软件HFSS-19.0对上述实施例中阵列天线在43GHz处扫描角0°时随角度变化的y极化最大辐射方向图进行仿真计算，结果如图12所示。
从图12可见，阵列天线在扫描角为0°时，阵列天线y极化在最高工作频率43GHz处随角度变化的最大辐射方向图中，阵列天线在方位角Theta＝0°处的可实现增益为14.29dB，且阵列天线在宽频带内有稳定宽频带辐射波束特性，由此可以看出y极化辐射性能和扫描状态良好。
仿真8，利用商业仿真软件HFSS-19.0对上述实施例中阵列天线在43GHz处扫描角0°时随角度变化的x极化最大辐射方向图进行仿真计算，结果如图13所示。
从图13可见，阵列天线在扫描角为0°时，阵列天线x极化在最高工作频率43GHz处随角度变化的最大辐射方向图中，阵列天线在方位角Theta＝0°处的可实现增益为12.25dB，且阵列天线在宽频带内有稳定宽频带辐射波束特性，由此可以看出x极化辐射性能和扫描状态良好。
仿真9，利用商业仿真软件HFSS-19.0对上述实施例中阵列天线在43GHz处扫描角60°时随角度变化的y极化最大辐射方向图进行仿真计算，结果如图14所示。
从图14可见，阵列天线在扫描角为60°时，阵列天线y极化在最高工作频率43GHz处随角度变化的最大辐射方向图中，阵列天线在方位角Theta＝60°处的可实现增益为10.34dB，且阵列天线在最高工作频率处主瓣波束指向明确，由此可以看出y极化辐射性能和扫描状态良好。
仿真10，利用商业仿真软件HFSS-19.0对上述实施例中阵列天线在43GHz处扫描角60°时随角度变化的x极化最大辐射方向图进行仿真计算，结果如图15所示。
从图15可见，阵列天线在扫描角为60°时，阵列天线在最高工作频率43GHz处随角度变化的最大辐射方向图中，阵列天线在方位角Theta＝60°处的可实现增益为11.47dB，且阵列天线在最高工作频率处主瓣波束指向明确，由此可以看出x极化辐射性能和扫描状态良好。
上述试验结果表明，本发明能在保证天线特性的情况下，实现天线的双极化设计，同时进一步缩减天线尺寸、简化天线结构，改善天线辐射效率，提高天线增益，减少馈电端口数目，降低制作成本，改善了现有技术的不足。
以上仅是本发明的一个实施例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种5G毫米波双极化宽带宽角紧耦合阵列天线，包括天线阵列板（1）、金属地板（5）、馈电阵列（6）和辐射单元（7），该天线阵列板（1）的上方覆盖有第一匹配层（2）、下方依次覆盖有第二匹配层（3）和第三匹配层（4），馈电阵列（6）位于第三匹配层（4）中，金属地板（5）位于第三匹配层（4）的下面，其特征在于：
所述辐射单元（7），其由双极化偶极子臂（71）和双极化耦合金属贴片（72）组成，且y极化偶极子臂（711）和x极化耦合金属贴片（721）置于第一匹配层（2）中，x极化偶极子臂（712）和y极化耦合金属贴片（722）置于第二匹配层（3）中，形成于天线阵列板（1）的中心法线90°旋转对称；所述y极化偶极子臂（711）和x极化偶极子臂（712）采用阶梯状开槽的半圆弧结构， 其首端为半圆弧状，后端为矩形状，且y极化偶极子臂（711）由两个左右对称金属贴片（7111，7112）组成， x极化偶极子臂（712）由两个上下对称金属贴片（7121，7122）组成；所述左右对称金属贴片（7111，7112）和上下对称金属贴片（7121，7122）所采用的阶梯状开槽的半圆弧结构，是在每个金属贴片表面依次开十个槽缝隙，其前五个开槽缝隙长分别为L1、L2、L3、L4和L5，且L1＜L2＜L3＜L4＜L5，长度呈阶梯状非均匀递增分布，后五个槽缝隙与前五个槽缝隙呈前后对称分布；
所述馈电阵列（6），其由y极化L型探针（61）和x极化L型探针（62）组成；
所述第一匹配层（2）、第二匹配层（3）、第三匹配层（4）与天线阵列板（1）的尺寸相同，其边长均为最高工作频率对应波长的0.372倍，这四者的总厚度为最高工作频率对应波长的0.129倍。
2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述x极化耦合金属贴片（721）和y极化耦合金属贴片（722）采用矩形开槽结构，且x极化耦合金属贴片（721）由上下对称的两个金属贴片（7211，7212）组成， y极化耦合金属贴片（722）由两个左右对称金属贴片（7221，7222）组成。
3.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述y极化L型探针（61）由两个左右对称的八角星耦合贴片（611，612）、一个横向放置的矩形长条贴片（613）和一个左侧放置的八角星柱体（614）组成，且左八角星耦合贴片（611）与左侧八角星柱体（614）二者中心重合。
4.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述x极化L型探针（62）由两个上下对称的八角星耦合贴片（621，622）、一个竖向放置的矩形长条贴片（623）和一个下侧放置的八角星柱体（624）组成，且下八角星耦合贴片（622）和下侧八角星柱体（624）二者中心重合。
5.根据权利要求3所述的天线，其特征在于：所述y极化L型探针（61）的左八角星耦合贴片（611）与右八角星耦合贴片（612）之间的距离S1，大于y极化偶极子臂（711）的左金属贴片（7111）与右金属贴片（7112）之间的距离d1。
6.根据权利要求4所述的天线，其特征在于：所述x极化L型探针（62）的上八角星耦合贴片（621）与下八角星耦合贴片（622）之间的距离S2，大于x极化偶极子臂（712）的上金属贴片（7121）与下金属贴片（7122）之间的距离d2。
7.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述第一匹配层（2）、第二匹配层（3）、第三匹配层（4）与天线阵列板（1）均采用相对介电常数为3.4，正切损耗角为0.004的正方形板材。
8.根据权利要求2所述的天线，其特征在于，所述x极化耦合金属贴片（721）和y极化耦合金属贴片（722）上的矩形槽缝隙，其宽度为P1，相邻缝隙之间的距离P2为三倍的P1。
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