CN112952376B - 一种宽频带毫米波天线单元和天线阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种宽频带毫米波天线单元和具有该宽频带毫米波天线单元的天线阵列，其中宽频带毫米波天线单元包括：介质基板；其底面设有传输贴片和地板贴片，地板贴片的中部设有开槽，传输贴片设于开槽内；辐射贴片，其设于介质基板的顶面；第一导柱，其使得传输贴片和辐射贴片电性连接；两个第二导柱，分别设于传输贴片相对的左侧和右侧，辐射贴片通过两个第二导柱分别与位于左侧的地板贴片和位于右侧的地板贴片电性连接。第一导柱传输信号到辐射贴片上辐射信号，在第二导柱的位置会激励起两个频段相邻的谐振点，从而使得天线单元在所需频段具有良好的阻抗带宽，工作带宽得到扩展，结构比现有的多层结构简单，可降低制造难度和成本。

Description

一种宽频带毫米波天线单元和天线阵列
技术领域
本发明涉及天线技术领域，特别涉及一种宽频带毫米波天线单元和天线阵列。
背景技术
目前，第五代通信受到工业界和学术界的广泛研究与开发。预计新的5G无线移动系统将获得比当前系统更好的性能，例如更高的数据速率、更高的能源效率以及更高的可靠性。天线的设计为5G通信的一项关键技术。
现有的具有宽频带特性的毫米波天线通常采用多层结构进行设计，如申请号为201410073352.X的发明专利《宽带平板阵列天线》中采用多层结构来拓展带宽，这种方法大大增大了天线的剖面高度，同时增加了制造难度和成本。本领域技术人员希望有一种结构更简单的宽频带毫米波天线，可以降低制造难度和成本。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种宽频带毫米波天线单元，旨在解决现有技术中的宽频带毫米波天线的多层结构复杂的技术问题。
为实现上述目的，本发明提出一种宽频带毫米波天线单元，包括：
介质基板；
传输贴片，其设于所述介质基板的底面；
地板贴片，其设于所述介质基板的底面，所述地板贴片的中部设有开槽，所述传输贴片设于所述开槽内，所述传输贴片与所述地板贴片不相连；
辐射贴片，其设于所述介质基板的顶面；
第一导柱，其穿过所述介质基板，并使得所述传输贴片和所述辐射贴片电性连接；
第二导柱，其穿过所述介质基板，所述第二导柱的数量为两个，两个所述第二导柱分别设于所述传输贴片相对的左侧和右侧，所述辐射贴片通过两个所述第二导柱分别与位于左侧的所述地板贴片和位于右侧的所述地板贴片电性连接。
在介质基板的底面设置传输贴片和地板贴片，传输贴片可连接信号线，地板贴片接地，传输贴片和位于左右两侧的地板贴片形成共面波导结构传输信号；在介质基板的顶面设置辐射贴片，辐射贴片通过第一导柱与传输贴片电性连接，辐射贴片通过第二导柱与地板贴片电性连接；第一导柱传输信号到辐射贴片上辐射信号，同时，在两个第二导柱的位置会激励起两个频段相邻的谐振点，从而使得天线单元在所需频段具有良好的阻抗带宽，工作带宽得到扩展。本毫米波天线单元在实现具有宽频带特性的同时，结构比现有的多层结构简单，可降低制造难度和成本。
优选地，所述宽频带毫米波天线单元还包括同轴连接器，所述同轴连接器与所述介质基板固定连接，所述同轴连接器的内导体与所述传输贴片电性连接，所述同轴连接器的外导体与所述地板贴片电性连接。天线单元通过同轴连接器与外设的信号源连接，同轴连接器的内导体与传输贴片连接传输信号，同轴连接器的外导体与地板贴片连接接地，实现信号的传输。
优选地，所述同轴连接器为贴片式的SMPM同轴连接器，所述同轴连接器设于所述传输贴片的前侧，所述宽频带毫米波天线单元还包括传输馈线，所述传输馈线设于所述介质基板的底面，所述传输贴片与所述传输馈线电性连接，所述传输馈线与所述地板贴片不相连，所述传输馈线与所述同轴连接器的内导体电性连接，所述传输馈线设于所述传输贴片与所述同轴连接器之间。
SMPM同轴连接器在高频的损耗较低，适合应用于毫米波频段。采用贴片式的SMPM同轴连接器，天线单元的结构和制造较简单。为了适应贴片式的SMPM同轴连接器安装，设置传输馈线连接在同轴连接器的内导体与传输贴片之间，传输馈线与地板贴片也形成共面波导结构。
优选地，所述地板贴片一体成型，所述地板贴片的后侧设有第一辐射槽，所述第一辐射槽沿左右方向延伸，所述第一辐射槽设于所述传输贴片的后侧。位于后侧的地板贴片与传输贴片的后侧之间设置第一辐射槽，第一辐射槽可以进行信号的辐射，与辐射贴片共同工作提高辐射强度。
优选地，所述地板贴片上还设有两个第二辐射槽，所述第二辐射槽设于所述第一辐射槽的前侧，所述第二辐射槽与所述第一辐射槽连通并向前延伸，两个所述第二辐射槽分别设于所述传输贴片的左侧和右侧。
第二辐射槽与第一辐射槽连通，第二辐射槽可作为第一辐射槽在左右方向的延长部分，增大辐射电磁波的波长，这样可在达到相同波长的情况下减小第一辐射槽在左右方向的长度，缩短天线单元的左右宽度，减小体积。
本发明另一方面，还提出一种具有上述宽频带毫米波天线单元的天线阵列。通过采用上述的宽频带毫米波天线单元，可简化天线阵列的结构，降低制造难度和成本。
优选地，所述宽频带毫米波天线单元的数量为多个，多个所述宽频带毫米波天线单元规则阵列排布。
优选地，多个所述宽频带毫米波天线单元沿左右方向依次排列。
优选地，多个所述宽频带毫米波天线单元的地板贴片电性连接。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有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发明的一些实施例，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示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明的宽频带毫米波天线单元的底部的结构示意图；
图2为本发明的宽频带毫米波天线单元的分解结构示意图；
图3为本发明的宽频带毫米波天线单元的顶面的结构示意图；
图4为本发明的宽频带毫米波天线单元的顶面的尺寸示意图；
图5为本发明的宽频带毫米波天线单元的底面的结构示意图；
图6为本发明的宽频带毫米波天线单元的底面的尺寸示意图；
图7为本发明的宽频带毫米波天线单元仿真的反射系数曲线图；
图8为本发明的宽频带毫米波天线单元在28GHz工作频率下仿真的远场辐射方向图；
图9为本发明的天线阵列的顶面的结构示意图；
图10为本发明的天线阵列的底面的结构示意图；
图11为本发明的天线阵列仿真的阻抗带宽结果图；
图12为本发明的天线阵列在27GHz频点下仿真的相扫辐射方向图；
图13为本发明的天线阵列在28GHz频点下仿真的相扫辐射方向图；
图14为本发明的天线阵列在29GHz频点下仿真的相扫辐射方向图。
附图中：1-介质基板、11-通孔、2-传输贴片、3-地板贴片、31-开槽、33-第一辐射槽、34-第二辐射槽、4-辐射贴片、5-第一导柱、6-第二导柱、7-同轴连接器、71-内导体、72-外导体、8-传输馈线。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
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的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
如图1至图8所示，一种宽频带毫米波天线单元，包括介质基板1、传输贴片2、地板贴片3、辐射贴片4、第一导柱5和两个第二导柱6。
介质基板1为矩形的绝缘板，是天线单元的主结构件，介质基板1可根据实际情况设置为其他形状。介质基板1上设有三个通孔11。
传输贴片2和地板贴片3均为金属贴片，都印刷在所述介质基板1的底面上。所述地板贴片3的中部设有开槽31，所述传输贴片2设于所述开槽31内，所述传输贴片2与所述地板贴片3不相连。地板贴片3位于传输贴片2的外周，所述传输贴片2与所述地板贴片3之间设有缝隙。传输贴片2可连接信号线，地板贴片3接地，传输贴片2和位于左右两侧的地板贴片3形成共面波导结构传输信号。
辐射贴片4为矩形的金属贴片，其印刷在所述介质基板1的顶面。
第一导柱5和两个第二导柱6分别穿过介质基板1的三个通孔11，所述第一导柱5使得所述传输贴片2和所述辐射贴片4电性连接，电性连接可通过焊接连接。两个所述第二导柱6分别设于所述传输贴片2的左侧和右侧，所述辐射贴片4通过两个所述第二导柱6分别与位于左侧的所述地板贴片3和位于右侧的所述地板贴片3电性连接。
在介质基板1的顶面设置辐射贴片4，辐射贴片4通过第一导柱5与传输贴片2电性连接，辐射贴片4通过第二导柱6与地板贴片3电性连接；第一导柱5传输信号到辐射贴片4上辐射信号，同时，在第二导柱6的位置会激励起两个频段相邻的谐振点，从而使得天线单元在所需频段具有良好的阻抗带宽，工作带宽得到扩展。本毫米波天线单元在实现具有宽频带特性的同时，结构比现有的多层结构简单，可降低制造难度和成本。
在一些具体实施例中，所述宽频带毫米波天线单元还包括同轴连接器7，所述同轴连接器7与所述介质基板1固定连接，所述同轴连接器7的内导体71与所述传输贴片2电性连接，所述同轴连接器7的外导体72与所述地板贴片3电性连接。天线单元通过同轴连接器7与外设的信号源连接，同轴连接器7的内导体71与传输贴片2连接传输信号，同轴连接器7的外导体72与地板贴片3连接接地，实现信号的传输。
进一步地，所述同轴连接器7为贴片式的SMPM同轴连接器，所述同轴连接器7设于所述传输贴片2的前侧，所述宽频带毫米波天线单元还包括传输馈线8，所述传输馈线8设于所述介质基板1的底面，所述传输贴片2与所述传输馈线8电性连接，所述传输馈线8与所述地板贴片3不相连，所述传输馈线8与所述同轴连接器7的内导体71电性连接，所述传输馈线8设于所述传输贴片2与所述同轴连接器7之间。
SMPM同轴连接器在高频的损耗较低，适合应用于毫米波频段。采用贴片式的SMPM同轴连接器，天线单元的结构和制造较简单。贴片式的SMPM同轴连接器的尺寸较小，为了适应安装连接，设置传输馈线8连接在同轴连接器7的内导体71与传输贴片2之间，传输馈线8与地板贴片3也形成共面波导结构。
在一些具体实施例中，所述地板贴片3一体成型，所述地板贴片3的后侧设有第一辐射槽33，所述第一辐射槽33沿左右方向延伸，所述第一辐射槽33设于所述传输贴片2的后侧。位于后侧的地板贴片3与传输贴片2的后侧之间设置第一辐射槽33，第一辐射槽33可以进行辐射信号，与辐射贴片4共同工作增强辐射强度。
进一步地，所述地板贴片3上还设有两个第二辐射槽34，所述第二辐射槽34设于所述第一辐射槽33的前侧，所述第二辐射槽34与所述第一辐射槽33连通并向前延伸，两个所述第二辐射槽34分别设于所述传输贴片2的左侧和右侧。
第一辐射槽33发出电磁波的频率和波长与第一辐射槽33的长度和宽度有关，第二辐射槽34与第一辐射槽33连通，第二辐射槽34可作为第一辐射槽33在左右方向的延长部分，增大辐射电磁波的波长，这样可在达到相同波长的情况下减小第一辐射槽33在左右方向的长度，合理利用地板贴片3的位置，缩短天线单元的左右宽度，减小体积。
天线单元发出电磁波的频率和波长与第一辐射槽33、第二辐射槽34、辐射贴片4、传输贴片2等的尺寸有关，根据实际需求进行调整。以5G通信中n257频段为例，对本宽频带毫米波天线单元的信号传输效果进行仿真。在本实施例中，介质基板1采用长度LS和宽度WS分别为11mm和6mm，单层厚度0.762mm的Rogers4350基板，图4和图6中其余尺寸如下：Lp=2.9mm，Wp=5.18mm，Ls1=5.76mm，Ls2=0.73mm，Ls3=4.92mm，Ls4=0.14mm，Ws1=0.77mm，Ws2=0.58mm，Ws3=0.42mm，d1=0.82mm，d2=2.3mm，d3=0.52mm，Ø1=0.6mm，Ø2=0.3mm。
参照图7和图8可知，该宽频带毫米波天线单元在26.9GHz和29.8GHz两个频点处激励两个相邻的谐振点，可知在n257频段具有良好的阻抗带宽；同时，在26.5～29.5GHz频段内反射系数小于-10dB，在28GHz频点时天线的辐射增益在5.5dBi左右，证明本实施例中宽频带毫米波天线单元具有优异的性能。
另一方面，参照图9至图14，一种具有上述宽频带毫米波天线单元的天线阵列。通过采用上述的宽频带毫米波天线单元，可简化天线阵列的结构，降低制造难度和成本。多个所述宽频带毫米波天线单元的地板贴片3电性连接。
进一步地，所述宽频带毫米波天线单元的数量为多个，多个所述宽频带毫米波天线单元规则阵列排布。宽频带毫米波天线单元的排列方式可以为多个所述宽频带毫米波天线单元沿左右方向依次排列，如图9和图10，也可依据实际沿前后方向依次排列，或可以为多行多列规则排布。
以具有四个宽频带毫米波天线单元的天线阵列进行测试，每个宽频带毫米波天线单元之间的间距s为6mm。从图11可以看出，天线阵列在n257频段各个端口的电压驻波比均小于2，单元之间的互耦小于-12dB。另外，通过适当地激励具有不同相位差的天线单元，图12至图14给出了四单元天线阵列在27GHz、28GHz和29GHz的不同频率时，沿着左右方向的波束扫描性能的仿真结果，可以看出，天线阵列可实现的增益约为10dBi，该四单元天线阵列具有良好的扫描性能。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种宽频带毫米波天线单元，其特征在于，包括：
介质基板；
传输贴片，其设于所述介质基板的底面；
地板贴片，其设于所述介质基板的底面，所述地板贴片的中部设有开槽，所述传输贴片设于所述开槽内，所述传输贴片与位于四周的所述地板贴片不相连，传输贴片用于连接信号线，地板贴片用于接地，传输贴片和位于左右两侧的地板贴片形成共面波导结构；
辐射贴片，其设于所述介质基板的顶面；
第一导柱，其穿过所述介质基板，并使得所述传输贴片和所述辐射贴片电性连接；
第二导柱，其穿过所述介质基板，所述第二导柱的数量为两个，两个所述第二导柱分别设于所述传输贴片相对的左侧和右侧，所述辐射贴片通过两个所述第二导柱分别与位于左侧的所述地板贴片和位于右侧的所述地板贴片电性连接。
2.如权利要求1所述的宽频带毫米波天线单元，其特征在于，所述宽频带毫米波天线单元还包括同轴连接器，所述同轴连接器与所述介质基板固定连接，所述同轴连接器的内导体与所述传输贴片电性连接，所述同轴连接器的外导体与所述地板贴片电性连接。
3.如权利要求2所述的宽频带毫米波天线单元，其特征在于，所述同轴连接器为贴片式的SMPM同轴连接器，所述同轴连接器设于所述传输贴片的前侧，所述宽频带毫米波天线单元还包括传输馈线，所述传输馈线设于所述介质基板的底面，所述传输贴片与所述传输馈线电性连接，所述传输馈线与所述地板贴片不相连，所述传输馈线与所述同轴连接器的内导体电性连接，所述传输馈线设于所述传输贴片与所述同轴连接器之间。
4.如权利要求1所述的宽频带毫米波天线单元，其特征在于，所述地板贴片一体成型，所述地板贴片的后侧设有第一辐射槽，所述第一辐射槽沿左右方向延伸，所述第一辐射槽设于所述传输贴片的后侧。
5.如权利要求4所述的宽频带毫米波天线单元，其特征在于，所述地板贴片上还设有两个第二辐射槽，所述第二辐射槽设于所述第一辐射槽的前侧，所述第二辐射槽与所述第一辐射槽连通并向前延伸，两个所述第二辐射槽分别设于所述传输贴片的左侧和右侧。
6.一种天线阵列，其特征在于，包括如权利要求1至5任意一项所述的宽频带毫米波天线单元。
7.如权利要求6所述的天线阵列，其特征在于，所述宽频带毫米波天线单元的数量为多个，多个所述宽频带毫米波天线单元规则阵列排布。
8.如权利要求7所述的天线阵列，其特征在于，多个所述宽频带毫米波天线单元沿左右方向依次排列。
9.如权利要求6所述的天线阵列，其特征在于，多个所述宽频带毫米波天线单元的地板贴片电性连接。
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