CN112952369A - 宽带±45°双极化毫米波端射天线及其阵列 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽带±45°双极化端射毫米波天线及其阵列，所述天线包括该端射天线包括由上往下依次设置的顶部金属层(1)、第一介质层(2)、第二金属层(3)、第二介质层(4)、第三金属层(5)；本专利利用基片集成波导的极化扭转器实现了两种正交模式的产生，从而在远场合成倾斜极化的电磁波。基片集成波导中弯曲排布的金属化过孔实现了天线整体尺寸的减小。本发明的天线结构简单。可以获得超过24.4％的双极化阻抗带宽，具有稳定的方向图，且该天线产生的±45°双极化的电磁波在手机边框的环境下能保持较为一致的方向图，特别适用于5G终端中的毫米波双极化天线阵列。

Description

宽带±45°双极化毫米波端射天线及其阵列

技术领域

本发明属于微波毫米波通信，具体涉及一种宽带±45°双极化毫米波端射天线及其阵列。

背景技术

第五代移动通信(5G)相较于4G，为用户带来了更高的数据率，更低的时延，更好的移动性。毫米波技术是5G的核心技术之一，也是其区别于前几代移动通信的重要特征之一。

终端中的毫米波系统处于商用刚起步的阶段，研究较少。一般来说为了实现足够的覆盖效率，终端中的毫米波天线采用多波束系统，且多个天线配合覆盖不同的方向，其中，端射天线比端射天线的设计难度更大，体积占用更多，因而成为研究的热点方向。

主流的毫米波端射双极化阵列设计中，水平极化一般采用电偶极子天线，因为它的体积小，带宽宽。垂直极化有的采用立体电偶极子天线，有的采用磁偶极子天线。从极化的角度来说，都是水平极化+垂直极化的组合。然而在终端的复杂环境中，特别是终端天线受到金属边框的影响，阻抗带宽和方向图都会因为遮挡效应而恶化，对于水平极化和垂直极化而言，两个极化受到的影响往往差异较大，从而两个正交的极化的方向图差异大，这就导致了当两个极化用于多输入多输出系统(MIMO)时，性能受到影响。

发明内容

发明目的：本发明旨在提供一种宽带±45°双极化毫米波端射天线及其阵列，利用基片集成波导(SIW)的极化扭转结构，将输入端口的TE10模式转化为TE10和TE01两个正交模式，在远场合成为±45°双极化，以实现两个正交极化的天线性能在终端环境中受到的影响基本一致，方向图也基本一致，从而提高系统的MIMO性能。

技术方案：本发明的一种宽带±45°双极化端射毫米波天线包括由上往下依次设置的顶部金属层、第一介质层、第二金属层、第二介质层、底部金属层；其中，由顶部金属层、第一介质层、第二金属层、上部第一列金属化过孔、上部第二列金属化过孔构成第一基片集成波导，由第二金属层、第二介质层、底部金属层、下部第一列金属化过孔、下部第二列金属化过孔构成第二基片集成波导；由此构成宽带±45°双极化端射毫米波天线单元。

其中，

所述第一介质层上设有上部第一列金属化过孔和上部第二列金属化过孔，上部第一列金属化过孔和上部第二列金属化过孔的上部连接顶部金属层，下部连接第二金属层。

所述第二介质层上设有下部第一列金属化过孔，下部第二列金属化过孔，下部第一列金属化过孔，下部第二列金属化过孔的上部连接第二金属层，下部连接底部金属层。

第二金属层是在长方形金属层的基础上开了阶梯状的槽，作为第一基片集成波导的下层金属和第二基片集成波导的上层金属，构成了极化扭转结构。

所述上部第一列金属化过孔和下部第一列金属化过孔为直线排列，上部第二列金属化过孔和下部第二列金属化过孔为弯折排布，实现了天线的小型化。

本发明的宽带±45°双极化端射毫米波天线的阵列天线由N个排列成宽带±45°双极化端射毫米波天线单元构成一个1×N的阵列天线，结构规模为1×N，N≥2，各个天线单元之间可以连接独立的幅相控制射频通道，或用1分N的各种功分器连接。

进一步，该阵列天线由四个排列成宽带±45°双极化端射毫米波天线单元构成一个1×4的阵列天线，即第一单元、第二单元、第三单元、第四单元组成；该4个天线单元用具有幅相控制功能的射频通道激励，从而在空间中形成多波束扫描，或通过1分4的功分器连接，形成一个固定波束的天线阵列。

有益效果：本发明公开了一种±45°双极化毫米波端射天线及其阵列，可以获得24％以上的双极化阻抗带宽和平坦的带内增益，该天线结构可以很方便地扩展成阵列。该天线单元与阵列辐射的电磁波为±45°，在终端环境，特别是金属边框的影响下，两个极化的方向图受到的影响基本一致，即覆盖空间基本一致，从而与传统的水平极化+垂直极化的组合相比，提高了极化MIMO的性能。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中天线的层次结构示意图；

图2为本发明具体实施方式中天线剖分结构顶层金属层的示意图；

图3为本发明具体实施方式中天线剖分结构第二金属层的示意图；

图4为本发明具体实施方式中1×4阵列天线的结构示意图；

图5为本发明具体实施方式中天线S参数仿真结果图；

图6为本发明具体实施方式中天线增益曲线仿真结果图；

图7为本发明具体实施方式中天线在27GHz的增益方向图仿真结果图；

图8为本发明具体实施方式中1×4阵列天线的单元1和单元3的回波损耗；

图9为本发明具体实施方式中1×4阵列天线的单元1的耦合度；

图10为本发明具体实施方式中1×4阵列天线的单元3的耦合度；

图11为本发明具体实施方式中1×4阵列天线在自由空间的波束扫描仿真结果图(27GHz)；

图12为本发明具体实施方式中1×4阵列天线的4个单元等幅同相激励的状态下，在真实手机模型中的方向图(27GHz)与自由空间的方向图对比；

图13为传统的端射双极化天线在真实手机模型中的方向图(27GHz)。

图中有：顶部金属层1、第一介质层2、第二金属层3、阶梯状的槽3-1、第二介质层4、底部金属层5、上部第二列金属化过孔6、上部第一列金属化过孔7、下部第二列金属化过孔8、下部第一列金属化过孔9。

具体实施方式

本发明的一种宽带±45°双极化毫米波端射天线，该端射天线包括由上往下依次设置的顶部金属层、第一介质层、第二金属层、第二介质层、底部金属层、第一列金属化过孔，第二列金属化过孔；

所述顶部金属层上印刷有一块长方形的贴片，为第一SIW的上导体；

所述第二金属层上印制有一块阶梯开槽的长方形贴片，开槽有6个，为第一SIW的下导体和第二SIW的上导体；

所述底部金属层上印刷有一块长方形的贴片，为第二SIW的下导体，大小与位置与顶部金属层一致；

所述的第一介质层为第一SIW的填充介质。

所述的第二介质层为第二SIW的填充介质，大小与位置和第一介质层一致。

所述的第一列金属化过孔连接了顶部金属层和底部金属层，按照一定间距直线排布，为第一SIW和第二SIW的导体侧壁。

所述的第二列金属化过孔连接了顶部金属层和底部金属层，排布与第一列金属化过孔类似，但是有若干过孔的位置向内偏移，为第一SIW和第二SIW的导体侧壁。

本发明的宽带±45°双极化毫米波端射天线的阵列天线由四个并排排列的双极化端射天线单元构成一个1×4的阵列天线，该四个双极化端射天线单元由第一双极化端射天线单元，第二双极化端射天线单元，第三双极化端射天线单元和第四双极化端射天线单元组成，每个天线单元单独馈电，由射频前端的调幅调相器件或者网络进行波束的控制。

所述阵列天线的结构规模可以为1×N，N≥2。

所述阵列天线的天线单元单独馈电，即采用N个独立的射频通道进行馈电，每个通道独立地控制相位和幅度，以实现阵列的波束形成。

为了进一步地说明本发明所公开的技术方案，下面结合具体实施方式和附图对本发明的技术方案作进一步的阐述。

如图1和所示，本具体实施方式公开了一种宽带±45°双极化毫米波端射天线，该端射天线包括由上往下依次设置的顶部金属层1、第一介质层2、第二金属层3、第二介质层4、底部金属层5、上部第一列金属化过孔7、下部第一列金属化过孔9，上部第二列金属化过孔6、下部第二列金属化过孔8。

进一步地，本发明所述天线的极化扭转结构由两个集成波导SIW构成，第一SIW由顶部金属层1、第一介质层2、第二金属层3、上部第二列金属化过孔6、上部第一列金属化过孔7构成。第二SIW由第二金属层3、第二介质层4、底部金属层5、下部第二列金属化过孔8、下部第一列金属化过孔9构成。

如图2所示，顶部金属层1为长方形，作为第一SIW的上层金属，上部第二列金属化过孔6、上部第一列金属化过孔7作为第一SIW的金属侧壁，第二SIW与第一SIW是完全上下对称的。

如图3所示，第二金属层3是在长方形的基础上开了阶梯状的槽3-1，作为第一SIW的下层金属和第二SIW的上层金属，构成了极化扭转结构。

如图4所示，可以由四个宽带±45°双极化毫米波端射天线构成一个1×4的阵列天线，分别为第一单元、第二单元、第三单元、第四单元。

除此之外，除了上述1×4阵列，阵列天线的规模也可以为1×N(N≥2)。

为了验证本发明提供的实现小宽带±45°双极化毫米波端射天线及其阵列结构的可实施性，首先利用商用全波仿真软件对公开的一种宽带±45°双极化毫米波端射天线结构模型进行了仿真，介质采用Rogers Ro4350B。图5-图9分别给出了相关仿真结果，结果显示，该双极化天线的|S11|和|S22|<-10dB带宽为24.4％(23.1～29.7GHz)，覆盖了5G毫米波的n257,n258频段；隔离度|S12|和|S21|<-15dB,具有较好的隔离度；增益在带内稳定，在5.3-6.2dBi的范围内，；可以观察到在27GHz处的二维方向图较为稳定和对称。

进一步地，按照本发明提供的方案和结构制作了一个1×4阵列天线实施例进行验证，图5-图9分别给出了相关仿真结果，结果显示，该双极化端射天线阵列的各个单元的回波损耗带宽都覆盖了24.25-29.5GHz的5G毫米波的n257,n258频段，单元的不同极化以及单元之间的隔离度都优于15dB。

进一步地，按照本发明提供的方案，将1×4阵列天线模型带入一个金属边框的手机中进行仿真验证，并与自由空间下的仿真结果进行对比。图12给出了该阵列天线的相关性能仿真结果，可以看出，相较于自由空间，手机中的天线阵列方向图向上偏转，但是两个极化的方向图几乎重合。图11给出了该阵列在自由空间的7个扫描方向图，相邻单元的移相梯度分别为-135°，-90°，-45°，0°，45°，90°，135°，可以看出天线阵列取得的最大增益为12.15dBi,扫描范围为-38°到38°，有较好的扫描性能。

进一步地，为了体现本专利的有益效果，将一个1×4传统的端射双极化阵列天线带入一个金属边框的手机中进行仿真验证，传统的端射双极化天线采用电偶极子和磁偶极子的组合，电偶极子产生水平极化的电磁波，磁偶极子产生垂直极化的电磁波。图13给出了该传统端射天线阵列的相关性能仿真结果，可以看出，由于手机环境的影响，电偶极子的方向图和磁偶极子的方向图差别较大，对系统的MIMO性能产生了不利的影响。

Claims (7)

1.一种宽带±45°双极化端射毫米波天线，其特征在于该端射毫米波天线包括由上往下依次设置的顶部金属层(1)、第一介质层(2)、第二金属层(3)、第二介质层(4)、底部金属层(5)；其中，由顶部金属层(1)、第一介质层(2)、第二金属层(3)、上部第一列金属化过孔(7)、上部第二列金属化过孔(6)构成第一基片集成波导，由第二金属层(3)、第二介质层(4)、底部金属层(5)、下部第一列金属化过孔(9)、下部第二列金属化过孔(8)构成第二基片集成波导；由此构成宽带±45°双极化端射毫米波天线单元。

2.根据权利要求1所述的宽带±45°双极化端射毫米波天线，其特征在于：所述第一介质层(2)上设有上部第一列金属化过孔(7)和上部第二列金属化过孔(6)，上部第一列金属化过孔(7)和上部第二列金属化过孔(6)的上部连接顶部金属层(1)，下部连接第二金属层(3)。

3.根据权利要求1所述的宽带±45°双极化端射毫米波天线，其特征在于：所述第二介质层(4)上设有下部第一列金属化过孔(9)，下部第二列金属化过孔(8)，下部第一列金属化过孔(9)，下部第二列金属化过孔(8)的上部连接第二金属层(3)，下部连接底部金属层(5)。

4.根据权利要求1所述的宽带±45°双极化端射毫米波天线，其特征在于：第二金属层(3)是在长方形金属层的基础上开了阶梯状的槽(3-1)，作为第一基片集成波导的下层金属和第二基片集成波导的上层金属，构成了极化扭转结构。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的宽带±45°双极化端射毫米波天线，其特征在于：所述上部第一列金属化过孔(7)和下部第一列金属化过孔(9)为直线排列，上部第二列金属化过孔(6)和下部第二列金属化过孔(8)为弯折排布，实现了天线的小型化。

6.一种如权利要求5所述的宽带±45°双极化端射毫米波天线的阵列天线，其特征在于：所述阵列天线由N个排列成宽带±45°双极化端射毫米波天线单元构成一个1×N的阵列天线，结构规模为1×N，N≥2，各个天线单元之间可以连接独立的幅相控制射频通道，或用1分N的各种功分器连接。

7.根据权利要求6所述的宽带±45°双极化端射毫米波天线的阵列天线，其特征在于该阵列天线由四个排列成宽带±45°双极化端射毫米波天线单元构成一个1×4的阵列天线，即第一单元、第二单元、第三单元、第四单元组成；该4个天线单元用具有幅相控制功能的射频通道激励，从而在空间中形成多波束扫描，或通过1分4的功分器连接，形成一个固定波束的天线阵列。

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