CN112886234B - 一种基于嵌入式结构的微波毫米波共面共口径天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于嵌入式结构的微波毫米波共面共口径天线，包括：高频馈电微带结构；低频馈电微带结构；金属地；第一金属化槽，设置在第二基板上；第二金属化槽，设置在第三基板上；馈电金属带条，设置在所述第二基板上，位于两行所述第一金属化槽之间，所述馈电金属带条依次通过设置在所述第二基板上的第一金属通孔、设置在所述金属地上的第一圆孔、设置在所述第一基板上的第二金属通孔与低频馈电微带结构相连且于金属地不接触；以及天线辐射贴片。本发明的一种基于嵌入式结构的微波毫米波共面共口径天线，将毫米波介质谐振器天线阵列嵌入微波天线阵列中，实现了边射的微波/毫米波共面共口径天线，天线整体可通过PCB工艺加工实现，集成度高。

Description

一种基于嵌入式结构的微波毫米波共面共口径天线
技术领域
本发明涉及微波毫米波通信技术领域，具体涉及一种基于嵌入式结构的微波毫米波共面共口径天线。
背景技术
随着5G技术的飞速发展，频段数量的增加以及性能指标的提升，给高度追求小型化和轻薄化的无线终端设备造成了前所未有的设计挑战。就终端天线而言，其便面临着如何在本已十分受限的空间内对新增的微波频段天线与毫米波频段天线阵列进行设计集成这一显著问题，其中，微波天线须在实现宽带或双频带的同时具备极低的剖面高度以满足设备的轻薄化需求。为了克服较高的传输损耗，毫米波天线须以阵列形式实现，增益通常要在10dBi以上，同时毫米波天线须是能支持宽波束扫描范围的高效率双/圆极化相控阵列以满足毫米波蜂窝通信的实际应用需求。可以预测，该问题还将随着更多微波及毫米波新增频谱的纳入(如广电的700MHz频段，毫米波WLAN的45GHz、60GHz等频段、卫星通信网的Ka/Q/V等频段)而变得愈发棘手。微波/毫米波共口径天线技术是解决上述问题的一条有效途径，通过实现微波天线与毫米波阵列的物理口径共享，可以大大减小待集成天线的实际“占地面积”，从而有效缓解终端设备的空间布局压力。在此背景下，设计一款微波毫米波共面共口径天线具有重要的研究意义。
随着各类无线终端快速发展，其内部要集成越来越多的微波与毫米波频段天线的迫切需求促使研究人员和工程师开始关注微波/毫米波共口径天线的研究与开发。目前，天线实现共口径的方式主要有四种，第一种是将两副不同频率的天线相邻放置来实现，这种共口径天线实现形式对空间的利用效率较低；第二种是高低频天线的层叠放置，这种天线的剖面较高，并且往往在天线结构中间存在空气层，导致无法实现一个较高的集成度；第三种是基于模式复合结构的微波/毫米波共口径天线，这类天线更适用于端射天线设计，如用于边射天线设计则往往存在高低频天线的带宽较窄问题；第四种是嵌入式结构，该结构因具备极佳的高低频独立设计能力而极具应用潜力。但是，上述几种微波/毫米波共口径技术目前都存在一个共性缺陷，即未能实现边射的微波天线与毫米波波束扫描阵列的共口径集成，因此难以解决终端设备对边射天线的应用需求。基于嵌入式结构的微波/毫米波共面共口径天线独具特色，拥有极佳的高低频独立设计能力。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种基于嵌入式结构的微波毫米波共面共口径天线，将毫米波介质谐振器天线阵列嵌入微波天线阵列中，实现了边射的微波/毫米波共面共口径天线，天线整体可通过PCB工艺加工实现，集成度高。
为了实现以上目的，本发明采取的一种技术方案是：
一种基于嵌入式结构的微波毫米波共面共口径天线，包括：高频馈电微带结构，设置在第一基板上，所述高频馈电微带结构具有两行高频微带，每行所述高频微带具有四条所述高频微带；低频馈电微带结构，设置在所述第一基板上，所述低频馈电微带结构位于两行所述高频微带行间；金属地，设置在所述第一基板远离所述高频馈电微带结构的一面；第一金属化槽，设置在第二基板上，所述第二基板设置在所述金属地远离所述第一基板的一面，八个所述第一金属化槽按2×4阵列排布在所述第二基板上；第二金属化槽，设置在第三基板上，所述第三基板设置在所述第二基板远离所述第一基板的一面，八个所述第二金属化槽按2×4阵列排布在所述第三基板上；馈电金属带条，设置在所述第二基板上，位于两行所述第一金属化槽之间，所述馈电金属带条依次通过设置在所述第二基板上的第一金属通孔、设置在所述金属地上的第一圆孔、设置在所述第一基板上的第二金属通孔与所述低频馈电微带结构相连，所述馈电金属带条不与所述金属地接触；以及天线辐射贴片，四个所述天线辐射贴片按2×2阵列排布设置在所述第三基板上，每个所述天线辐射贴片设有两个金属槽容置孔，每个所述第二金属化槽位于一个所述金属槽容置孔内。
进一步地，所述金属地上设有按2×4阵列排布H型缝隙，所述第一圆孔与所述第二金属通孔同轴线设置，所述第一圆孔的直径大于所述第二金属通孔的直径。
进一步地，所述金属地上的H型缝隙、所述第一金属化槽、所述第二金属化槽与所述金属槽容置孔的数量相同位置相应。
进一步地，每个所述高频微带位于一个所述H型缝隙的正下方。
进一步地，每个所述第一金属化槽包括四条第一直角金属线以及四个第一直角缝，四个所述第一直角金属线分别位于同一方形的四个顶角位置，所述第一直角缝位于所述第一直角金属线所围成的方形区域内，四个所述第一直角缝围成的方形与四个所述第一直角缝围成的方形的两条对角线均在同一直线上。
进一步地，每个所述第二金属化槽包括四条第二直角金属线以及四个第二直角缝，四个所述第二直角金属线分别位于同一方形的四个顶角位置，所述第二直角缝位于所述第二直角金属线所围成的方形区域内，四个所述第二直角缝围成的方形与四个所述第二直角缝围成的方形的两条对角线均在同一直线上。
进一步地，所述第一基板的介电常数为3.38，损耗角为0.0027，所述第二基板与所述第三基板的介电常数为6.15，损耗角为0.0019。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
(1)本发明的一种基于嵌入式结构的微波毫米波共面共口径天线，第二基板以及第三基板形成了毫米波段介质谐振器天线阵列，第二基板、第三基板以及天线辐射贴片形成了微波天线阵列，将毫米波介质谐振器天线阵列嵌入微波天线阵列中，实现了边射的微波/毫米波共面共口径天线，天线整体可通过PCB工艺加工实现，集成度高。
(2)本发明的一种基于嵌入式结构的微波毫米波共面共口径天线，在毫米波频段，采用了介质谐振器天线阵列方案，具备高效率，高增益的优点，通过对每一个介质谐振器天线单元进行独立馈电，能够实现宽角度波束扫描；
(3)本发明的一种基于嵌入式结构的微波毫米波共面共口径天线，微波频段，在天线结构中间层引入馈电金属带条，从而获得一个额外的寄生谐振模式，同时，引入了离散的天线辐射贴片，使得馈电金属带条与天线辐射贴片之间形成“松”耦合，从而在极低剖面高度条件下实现了宽带效果。
(4)本发明的一种基于嵌入式结构的微波毫米波共面共口径天线，在实现微波/毫米波双频带边射覆盖的同时能够实现毫米波频段的波束扫描并兼具低剖面及较小平面尺寸的优异特性，极具实用价值。
附图说明
下面结合附图，通过对本发明的具体实施方式详细描述，将使本发明的技术方案及其有益效果显而易见。
图1所示为本发明一实施例的基于嵌入式结构的微波毫米波共面共口径天线的爆炸图；
图2所示为本发明一实施例的第一直角金属线与第一直角缝的位置关系图；
图3所示为本发明一实施例的第二直角金属线与第二直角缝的位置关系图；
图4所示为本发明一实施例的基于嵌入式结构的微波毫米波共面共口径天线在3.5GHz频段天线的反射系数和增益的仿真结果；
图5所示为本发明一实施例的基于嵌入式结构的微波毫米波共面共口径天线在26GHz频段天线的反射系数和增益的仿真结果；
图6所示为本发明一实施例的基于嵌入式结构的微波毫米波共面共口径天线在(a)3.4GHz和(b)3.6GHz方向图天线的仿真方向图；
图7所示为本发明一实施例的基于嵌入式结构的微波毫米波共面共口径天线在26GHz天线波束扫描的仿真方向图；
图8所示为本发明一实施例的基于嵌入式结构的微波毫米波共面共口径天线在天线毫米波频段和微波频段的隔离仿真图；
图9所示为本发明一实施例的基于嵌入式结构的微波毫米波共面共口径天线在毫米波单元之间的隔离仿真图。
图中附图标记：
1高频馈电微带结构、11高频微带、2低频馈电微带结构、3金属地、31第一圆孔、4第二基板、41第一金属化槽、411第一直角金属线、42第一直角缝、43第一金属通孔、5第三基板、51第二金属化槽、511第二直角金属线、52第二直角缝、6馈电金属带条、7天线辐射贴片、71金属槽容置孔、8第一基板、9H型缝隙。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域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，都属于本发明保护的范围。
本实施例提供了一种基于嵌入式结构的微波毫米波共面共口径天线，如图1所示，包括高频馈电微带结构1、低频馈电微带结构2、金属地3、第一金属化槽41、第二金属化槽51、馈电金属带条6以及天线辐射贴片7，所述高频馈电微带结构1以及所述低频馈电微带结构2设置在所述第一基板8上，所述金属地3设置在所述第一基板8远离所述高频馈电微带结构1的一面。所述第一金属化槽41以及所述馈电金属带条6设置在第二基板4上，所述第二金属化槽51设置在第三基板5上，所述天线辐射贴片7设置在所述第三基板5上。所述第一金属化槽41以及所述第二金属化槽51用于实现毫米波天线与微波天线间的相互隔离。
所述高频馈电微带结构1具有两行高频微带11，每行所述高频微带11具有四条所述高频微带11，所述低频馈电微带结构2位于两行所述高频微带11行间。所述高频微带11分别提供了端口#2、#3、#4、#5、#6、#7、#8以及#9。所述低频馈电微带结构2提供了端口#1。
所述金属地3上设有按2×4阵列排布H型缝隙9，所述H型缝隙9用于高频馈电。所述金属地3上的H型缝隙9、所述第一金属化槽41、所述第二金属化槽51与所述金属槽容置孔71的数量相同位置相应。每个所述高频微带11位于一个所述H型缝隙9的正下方。
所述第二基板4设置在所述金属地3远离所述第一基板8的一面，八个所述第一金属化槽41按2×4阵列排布在所述第二基板4上。所述第三基板5设置在所述第二基板4远离所述第一基板8的一面，八个所述第二金属化槽51按2×4阵列排布在所述第三基板5上。所述第一基板8的介电常数为3.38，损耗角为0.0027，所述第二基板4与所述第三基板5的介电常数为6.15，损耗角为0.0019。
所述馈电金属带条6位于两行所述第一金属化槽41之间，所述馈电金属带条6依次通过设置在所述第二基板4上的第一金属通孔43、设置在所述金属地3上的第一圆孔31、设置在所述第一基板8上的第二金属通孔与所述低频馈电微带结构2相连，所述馈电金属带条6不与所述金属地3接触。所述第一圆孔31与所述第二金属通孔同轴线设置，所述第一圆孔31的直径大于所述第二金属通孔的直径。
四个所述天线辐射贴片7按2×2阵列排布设置在所述第三基板5上，每个所述天线辐射贴片7设有两个金属槽容置孔71，每个所述第二金属化槽51位于一个所述金属槽容置孔71内。
如图2～3所示，每个所述第一金属化槽41包括四条第一直角金属线411以及四个第一直角缝42，四个所述第一直角金属线411分别位于同一方形的四个顶角位置，所述第一直角缝42位于所述第一直角金属线411所围成的方形区域内，四个所述第一直角缝42围成的方形与四个所述第一直角缝42围成的方形的两条对角线均在同一直线上。
每个所述第二金属化槽51包括四条第二直角金属线511以及四个第二直角缝52，四个所述第二直角金属线511分别位于同一方形的四个顶角位置，所述第二直角缝52位于所述第二直角金属线511所围成的方形区域内，四个所述第二直角缝52围成的方形与四个所述第二直角缝52围成的方形的两条对角线均在同一直线上。
使用时，首先，在毫米波频段，所述第二基板4、所述第一金属化槽41、所述第一直角缝42、所述第三基板5、所述第二金属化槽51以及第二直角缝52一起构成了介质谐振器天线阵，射频激励信号由底层的所述高频微带11馈入，通过所述金属地3上的所述H型缝隙9耦合对位于其上的介质谐振器天线进行耦合馈电，实现了26GHz毫米频段的工作，同时2×4介质谐振器天线阵列实现了毫米波波束扫描。
在微波频段，所述第二基板4、所述第三基板5一起构成了微波天线介质基板，所述天线辐射贴片7作为天线辐射贴片，射频激励信号由底层的所述低频馈电微带结构2馈入，所述馈电金属带条6通过所述第一金属通孔43以及所述第一金属通孔与所述低频馈电微带结构2相连，引入了一个寄生的谐振模式，实现了3.5GHz微波频段的低剖面宽带效果。
本发明将边射的毫米波介质谐振器天线阵列共面嵌入边射的微波天线之中，实现了一种边射的3.5/26GHz微波/毫米波共面共口径天线。在26GHz毫米波频段，本发明采用了2×4介质谐振器天线阵列，可以获得较高的辐射增益。利用馈电缝隙对每一个介质谐振器天线单元进行独立馈电，不仅能实现可控的波束扫描功能，还能获得较宽的工作带宽。毫米波天线还通过所述第一金属化槽41与所述第二金属化槽51金属隔离槽结构来获得与微波天线之间的良好隔离度。在3.5GHz微波频段，本发明在天线结构的中间层引入了所述馈电金属带条6，从而获得了一个额外的寄生谐振模式。同时，引入了所述天线辐射贴片7，使得所述馈电金属带条6与所述天线辐射贴片7之间形成“松”耦合，从而在极低剖面高度条件下实现了宽带效果。本方案提出的微波/毫米波共口径边射天线可以有效的进行共面集成并实现毫米波段的波束扫描，其中微波天线能覆盖5G中的中国电信频段(3.4-3.5GHz)和中国联通频段(3.5-3.6GHz)，毫米波天线能覆盖中国5G毫米波试验频段(24.75-27.5GHz)。
实施例1
本案例采用的第三基板的介电常数为3.38，损耗角为0.0027，厚度为0.305mm，第一基板和第二基板的介电常数为6.15，损耗角为0.0019，厚度分别为1.016mm、1.27mm。整体剖面高度2.591mm(～0.03λ0@3.5GHz)，平面尺寸35.5mm×26mm(～0.4×0.3λ0 2@3.5GHz)。
天线的传输响应和辐射响应如图4～5所示，对于S11≤-10dB，带宽范围为3.3-3.7GHz，24.5-27.8GHz，可见很好的覆盖了5G中的中国电信频段(3.4-3.5GHz)和中国联通频段(3.5-3.6GHz)以及中国5G毫米波试验频段(24.75-27.5GHz)，频带内增益分别为5dBi和15dBi以上。
如图6所示，天线的方向图对称，交叉极化优于20dB。如图7所示，波束扫描性能可满足±30°范围。如图8所示，3.5GHz和26GHz天线端口之间的隔离大于20dB。如图9所示，是毫米波单元之间的隔离仿真图，毫米波段单元之间的隔离大于15dB，由于毫米波单元间的间距较小，相邻单元之间的耦合比其他单元更强。
以上所述仅为本发明的示例性实施例，并非因此限制本发明专利保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于嵌入式结构的微波毫米波共面共口径天线，其特征在于，包括：
高频馈电微带结构（1），设置在第一基板（8）上，所述高频馈电微带结构（1）具有两行高频微带（11），每行所述高频微带（11）具有四条所述高频微带（11）；
低频馈电微带结构（2），设置在所述第一基板（8）上，所述低频馈电微带结构（2）位于两行所述高频微带（11）行间；
金属地（3），设置在所述第一基板（8）远离所述高频馈电微带结构（1）的一面；
第一金属化槽（41），设置在第二基板（4）上，所述第二基板（4）设置在所述金属地（3）远离所述第一基板（8）的一面，八个所述第一金属化槽（41）按2×4阵列排布在所述第二基板（4）上；
第二金属化槽（51），设置在第三基板（5）上，所述第三基板（5）设置在所述第二基板（4）远离所述第一基板（8）的一面，八个所述第二金属化槽（51）按2×4阵列排布在所述第三基板（5）上；
馈电金属带条（6），设置在所述第二基板（4）上，位于两行所述第一金属化槽（41）之间，所述馈电金属带条（6）依次通过设置在所述第二基板（4）上的第一金属通孔（43）、设置在所述金属地（3）上的第一圆孔（31）、设置在所述第一基板（8）上的第二金属通孔与所述低频馈电微带结构（2）相连，所述馈电金属带条（6）不与所述金属地（3）接触；以及
天线辐射贴片（7），四个所述天线辐射贴片（7）按2×2阵列排布设置在所述第三基板（5）上，每个所述天线辐射贴片（7）设有两个金属槽容置孔（71），每个所述第二金属化槽（51）位于一个所述金属槽容置孔（71）内。
2.根据权利要求1所述的基于嵌入式结构的微波毫米波共面共口径天线，其特征在于，所述金属地（3）上设有按2×4阵列排布H型缝隙（9），所述第一圆孔（31）与所述第二金属通孔同轴线设置，所述第一圆孔（31）的直径大于所述第二金属通孔的直径。
3.根据权利要求2所述的基于嵌入式结构的微波毫米波共面共口径天线，其特征在于，所述金属地（3）上的H型缝隙（9）、所述第一金属化槽（41）、所述第二金属化槽（51）与所述金属槽容置孔（71）的数量相同位置相应。
4.根据权利要求3所述的基于嵌入式结构的微波毫米波共面共口径天线，其特征在于，每个所述高频微带（11）位于一个所述H型缝隙（9）的正下方。
5.根据权利要求1所述的基于嵌入式结构的微波毫米波共面共口径天线，其特征在于，每个所述第一金属化槽（41）包括四条第一直角金属线（411）以及四个第一直角缝（42），四个所述第一直角金属线（411）分别位于同一个方形的四个顶角位置，所述第一直角缝（42）位于所述第一直角金属线（411）所围成的方形区域内，四个所述第一直角缝（42）围成的方形与四个所述第一直角缝（42）围成的方形的两条对角线均在同一直线上。
6.根据权利要求5所述的基于嵌入式结构的微波毫米波共面共口径天线，其特征在于，每个所述第二金属化槽（51）包括四条第二直角金属线（511）以及四个第二直角缝（52），四个所述第二直角金属线（511）分别位于同一方形的四个顶角位置，所述第二直角缝（52）位于所述第二直角金属线（511）所围成的方形区域内，四个所述第二直角缝（52）围成的方形与四个所述第二直角缝（52）围成的方形的两条对角线均在同一直线上。
7.根据权利要求1所述的基于嵌入式结构的微波毫米波共面共口径天线，其特征在于，所述第一基板（8）的介电常数为3.38，损耗角为0.0027，所述第二基板（4）与所述第三基板（5）的介电常数为6.15，损耗角为0.0019。
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