CN113270716A - 一种应用于5g新型mimo毫米波圆极化贴片天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通讯天线技术领域，尤其涉及一种应用于5G新型MIMO毫米波圆极化贴片天线，包括天线本体和PCB基板，天线本体位于PCB基板的上方，天线本体由对称的左旋圆极化天线和右旋圆极化天线组成，左旋圆极化天线和右旋圆极化天线均包括馈电输入组件、能量传输组件和能量辐射组件，馈电输入组件包括馈电传输线，能量传输组件包括阻抗变换线，能量辐射组件包括矩形辐射贴片、第一寄生贴片、第二寄生贴片、第三寄生贴片和矩形缝隙，矩形缝隙开设在矩形辐射贴片上，外部的馈电信号依次经过馈电传输线、阻抗变换线输入到能量辐射组件。本发明可以保持天线辐射方向性能的稳定性，同时可以减小天线的尺寸，有效的提高天线的性能一致性。

Description

一种应用于5G新型MIMO毫米波圆极化贴片天线

技术领域

本发明涉及通讯天线技术领域，尤其涉及一种应用于5G新型MIMO毫米波圆极化贴片天线。

背景技术

最近，随着5G的MIMO技术的蓬勃发展，毫米波频段的研究已经成为当前的热点之一，应用潜力巨大。5G无限通信系统对天线提出了更高的要求，一个性能优越的天线的具体表征为高增益、小型化、低副瓣、方便加工等。微带贴片天线由轻薄的介质基板(厚度小于工作波长)、基板背面印刷的金属接地板和正面印刷的辐射贴片单元组成。辐射贴片单元的形状多种多样，目前在市场上最常见的有矩形贴片、缺陷矩形贴片和圆形贴片。微带贴片天线不仅具有性能优势，还易实现圆极化，在生产方面，易集成，利于大批量生产，可降低制造成本，是目前移动智能终端不可缺少的一部分。因其超强的可塑性，国内外研究人员还设计出多频段、双极化的微带天线微带贴片天线具有体积小、重量轻、剖面薄、易共形等诸多优点，在5G通讯、卫星定位、无线通信、远程遥感、航空航天等领域的应用十分广泛。

而且随着科学技术的不断进步，各种遥控、遥测技术的发展，尤其是最近的物联网中射频识别技术的发展，单一的极化已很难满足实际工作要求。另外，卫星定位导航系统的接收机必须是圆极化天线，所以，圆极化天线的设计显得十分重要，引起了国内外学者的广泛关注。

参照图3-5是现有技术的圆极化贴片天线的示意图。三种天线的结构分别是以下三种，包括沿对角线进行馈电的矩形微带贴片天线，结构如图3所示、第二种是在第一种结构的基础上对矩形贴片进行切角，如图4所示，第三种是在第一种结构的基础上沿着对角线开缝，如图5所示。都是圆极化天线，具有很好的圆极化特性。这三种天线的结构共同之处在于都是单端口的点馈电的天线，馈电点需要通过同轴转换后通过点馈的方式穿过介质作用在贴片的指定点，在毫米波频段，馈电位置非常小，具有一定的实现难度。

其中，第一馈电点11在第一辐射贴片12上，第二馈电点13在第二辐射贴片14上，第二辐射贴片14沿着切角线15进行切角，第三馈电点16在第三辐射贴片17上，第三辐射贴片17沿着缝隙18进行开缝。

从现有的天线及装置可以看出有如下缺点：

1、天线的馈电方式采用了点馈的方式，在毫米波这个频段天线尺寸较小，同轴馈电的点馈方式具有一定实现难度。

2、天线为了实现圆极化，有些圆极化天线还需要两个馈电点，增加了设计难度和建模难度。

3、圆极化天线的馈电点位置和数量不确定，对于天线的性能尤其是方向图性能造成了不稳定性。

从现有的天线和装置可以看出，天线馈电的点馈电方式，这对天线设计增加了难度，并且增加了天线方向图的不对称性，对天线的辐射性能产生比较明显的不利影响。需要发展一种新颖的圆极化贴片天线，以满足方向图性能稳定，剖面低，低成本，易与集成电路集成等要求，应用到毫米波设备中。

发明内容

本发明提供了一种应用于5G新型MIMO毫米波圆极化贴片天线，可以保持天线辐射方向性能的稳定性，同时可以减小天线的尺寸，有效的提高天线的性能一致性。

为了实现本发明的目的，所采用的技术方案是：一种应用于5G新型MIMO毫米波圆极化贴片天线，包括天线本体和PCB基板，天线本体位于PCB基板的上方，天线本体由对称的左旋圆极化天线和右旋圆极化天线组成，左旋圆极化天线和右旋圆极化天线均包括馈电输入组件、能量传输组件和能量辐射组件，馈电输入组件包括馈电传输线，能量传输组件包括阻抗变换线，能量辐射组件包括矩形辐射贴片、第一寄生贴片、第二寄生贴片、第三寄生贴片和矩形缝隙，矩形缝隙开设在矩形辐射贴片上，外部的馈电信号依次经过馈电传输线、阻抗变换线输入到能量辐射组件。

作为本发明的优化方案，第一寄生贴片的排列方向与矩形缝隙垂直，第二寄生贴片和第三寄生贴片均与矩形缝隙排列成平行方向，第二寄生贴片和第三寄生贴片分布在矩形辐射贴片的两侧。

作为本发明的优化方案，矩形缝隙与水平面呈45°排列。

作为本发明的优化方案，天线本体还包括上层金属，PCB基板位于上层金属的下方，馈电传输线、阻抗变换线、矩形辐射贴片、第一寄生贴片、第二寄生贴片和第三寄生贴片均设置在上层金属上，矩形缝隙贯穿上层金属。

作为本发明的优化方案，上层金属采用0.035mm厚度的金属铜。

作为本发明的优化方案，馈电传输线和阻抗变换线排列成一字长条形。

作为本发明的优化方案，作为本发明的优化方案，PCB基板为TLY-5板材。

作为本发明的优化方案，应用于5G新型MIMO毫米波圆极化贴片天线还包括设置在PCB基板下方的下层金属地。

本发明具有积极的效果：1)本发明天线的馈电输入组件、能量传输组件的整体部分与水平面成90°排列，仅仅辐射贴片和寄生贴片与水平面呈45°排列，这种设计保证天线实现左旋圆极化性能的同时，极大的简化了天线设计建模的难度。

2)本发明一体化设计，天线本体的所有结构组件均连为一体，不需人工组装；

3)本发明天线采用辐射贴片斜角馈电的方式，相对于同轴馈电具有稳定性强，易于实现的优点；

4)本发明尺寸小，轮廓低，不占空间；

5)本发明天线本体不易弯折、变形；天线辐射方向图性能稳定可靠；驻波比性能好，增益大，效率高。

6)本发明整个天线的尺寸灵活可变，可以根据结构安装要求进行调整。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明整体的示意图；

图2是本发明的立体图；

图3是一种现有技术的圆极化贴片天线的示意图；

图4是一种现有技术的圆极化贴片天线的示意图；

图5是一种现有技术的圆极化贴片天线的示意图；

图6是本发明天线的驻波比S11数据图；

图7是本发明天线41.9GHz轴比数据图；

图8是本发明天线42.1GHz轴比数据图；

图9是本发明天线42.3GHz轴比数据图；

图10是本发明天线42.5GHz轴比数据图；

图11是本发明天线42.7GHz轴比数据图；

图12是本发明天线的左旋圆极化和右旋圆极化方向图。

其中：1、PCB基板，2、馈电传输线，3、阻抗变换线，4、矩形辐射贴片，5、第一寄生贴片，6、第二寄生贴片，7、第三寄生贴片，8、矩形缝隙，9、上层金属，10、下层金属地，11、第一馈电点，12、第一辐射贴片，13、第二馈电点，14、第二辐射贴片，15、切角线，16、第三馈电点，17、第三辐射贴片，18、缝隙。

具体实施方式

如图1-2所示，本发明公开了一种应用于5G新型MIMO毫米波圆极化贴片天线，包括天线本体和PCB基板1，天线本体位于PCB基板1的上方，天线本体由对称的左旋圆极化天线和右旋圆极化天线组成，左旋圆极化天线和右旋圆极化天线均包括馈电输入组件、能量传输组件和能量辐射组件，馈电输入组件包括馈电传输线2，能量传输组件包括阻抗变换线3，能量辐射组件包括矩形辐射贴片4、第一寄生贴片5、第二寄生贴片6、第三寄生贴片7和矩形缝隙8，矩形缝隙8开设在矩形辐射贴片4上，外部的馈电信号依次经过馈电传输线2、阻抗变换线3输入到能量辐射组件。馈电输入端口接收外部的馈电信号源，传输来的信号传输到馈电传输线2，馈电传输线2另一端直接与阻抗变换线3相连，将馈电信号传输到阻抗变换线3。阻抗变换线3的一端与馈电传输线2相连，阻抗变换线3的另一端与矩形辐射贴片4相连，阻抗变换线3一端接收来自馈电输入组件的输入信号，经过一段微带线的转换，将信号输入到能量辐射组件。矩形辐射贴片4是主体部分，起到能量辐射的作用，形成目标方向图；矩形缝隙8开在矩形辐射贴片4上，形成所需的圆极化工作模式；第一寄生贴片5、第二寄生贴片6、第三寄生贴片7共同起到拓宽带宽的作用。矩形辐射贴片4接收到来自阻抗变换线3的馈电能量，将能量辐射到外界空间，形成目标方向图。馈电传输线2通过设定特定的宽度，实现50欧姆阻抗变换的功能。第二组成部分的能量传输组件阻抗变换线3，通过设置特定的宽度实现馈电传输线2到矩形辐射贴片4之间的阻抗变换作用；第三组成部分的能量辐射组件中，矩形辐射贴片4与水平方向呈45角排列，第一寄生贴片5、第二寄生贴片6、第三寄生贴片7和矩形缝隙8也与水平方向呈45角排列，能量辐射组件共同实现圆极化的工作模式，其中矩形辐射贴片4接收来自阻抗变换线3传输的馈电能量，经过辐射实现所需的圆极化方向图；矩形缝隙8与水平方向呈45°，第一寄生贴片5、第二寄生贴片6、第三寄生贴片7共同起到拓宽带宽的作用。

PCB基板1是由基材和铜箔组成，基材的材料包括不仅包括FR4、Rogers、混压材料，铜箔的材料包括不仅包括铜、金、银、锡或者合金等良导体，且铜箔是附在基材的表面。天线本体的材料包括不仅包括铜、铁等金属或者不锈钢、马口铁及其它合金等。

第一寄生贴片5的排列方向与矩形缝隙8垂直，第二寄生贴片6和第三寄生贴片7均与矩形缝隙8排列成平行方向，第二寄生贴片6和第三寄生贴片7分布在矩形辐射贴片4的两侧。矩形缝隙8与水平面呈45°排列。

天线本体还包括上层金属9，PCB基板1位于上层金属9的下方，馈电传输线2、阻抗变换线3、矩形辐射贴片4、第一寄生贴片5、第二寄生贴片6和第三寄生贴片7均设置在上层金属9上，矩形缝隙8贯穿上层金属9。通过在矩形辐射贴片4上开槽的方式形成矩形缝隙8。应用于5G新型MIMO毫米波圆极化贴片天线还包括设置在PCB基板1下方的下层金属地10。上层金属9采用0.035mm厚度的金属铜，PCB基板1采用0.254mm的介质板材TLY-5，介电常数2.2。下层金属地11采用0.035mm的金属铜。整个天线介质层数量和金属层数量相对较少，大大节省的加工成本和加工难度。因此，具有低成本，可行性高的好处。

馈电传输线2和阻抗变换线3与水平方向成平行排布矩形辐射贴片4、第一寄生贴片5、第二寄生贴片6、第三寄生贴片7和矩形缝隙8与水平方向成45°角排列分布，此种设计有助于形成所需要的圆极化工作模式，简化了设计建模的难度，同时相对于图3-5现有天线的点馈电方式，本发明天线采用了在辐射贴片的斜馈电的方式，增加了馈电的稳定性，天线的辐射方向图稳定性能大大提升。

如图2天线的立体示意图所示，整个应用于5G新型MIMO毫米波圆极化贴片天线长度为40mm，天线宽度为18mm，馈电传输线2的长度为30mm，阻抗变换线3的长度为1.8mm，矩形辐射贴片4的长度和宽度都是2.18mm，矩形辐射缝隙与水平方向呈45°，长度为1.8mm，宽度是0.25mm，天线的馈电传输线2和阻抗变换线3，这两个长度可以根据天线实际装配空间和结构进行增加或者减小的调整，具有灵活可变，调整性强的优点，可以适配不同尺寸的装配要求。此外，天线整体结构紧凑，轻薄，方便结构固定安装，具有低轮廓、尺寸小、不占空间、低剖面等优点。

如图6所示，天线在41.2GHz-43.6GHz的频带范围内，S参数小于-10dB，其中，当天线工作在频率约为41.9GHz-43.0GHz时，S参数<-20dB，满足5G毫米波应用频段的要求，其中41.9GHz的S参数为-22.86dB，42.3GHz的S参数为-25.83dB，42.5GHz的S参数为-24.82dB，42.7GHz的S参数为-26.49dB，43.0GHz的S参数为-21.33dB。其天线S参数及带宽性能相当优良。

如图7-11所示，其为本发明关于轴比特性的数据图，其中，当天线工作在频率约为41.9GHz时，天线法向轴比约为1.21dB；当天线工作在频率约为42.1GHz时，天线法向轴比约为1.27dB；当天线工作在频率约为42.3GHz时，天线法向轴比约为1.36dB；当天线工作在频率约为42.5GHz时，天线法向轴比约为0.61dB；当天线工作在频率约为42.7GHz时，天线法向轴比约为1.62dB；如图12天线的圆极化方向图所示，天线的工作模式是左旋圆极化，最大增益为7.83dBi，在5G毫米波频段内呈现出相当优良的辐射场型，足以满足使用者的要求。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种应用于5G新型MIMO毫米波圆极化贴片天线，其特征在于：包括天线本体和PCB基板(1)，所述的天线本体位于PCB基板(1)的上方，所述的天线本体由对称的左旋圆极化天线和右旋圆极化天线组成，所述的左旋圆极化天线和右旋圆极化天线均包括馈电输入组件、能量传输组件和能量辐射组件，所述的馈电输入组件包括馈电传输线(2)，所述的能量传输组件包括阻抗变换线(3)，所述的能量辐射组件包括矩形辐射贴片(4)、第一寄生贴片(5)、第二寄生贴片(6)、第三寄生贴片(7)和矩形缝隙(8)，所述的矩形缝隙(8)开设在矩形辐射贴片(4)上，外部的馈电信号依次经过馈电传输线(2)、阻抗变换线(3)输入到能量辐射组件。

2.根据权利要求1所述的一种应用于5G新型MIMO毫米波圆极化贴片天线，其特征在于：第一寄生贴片(5)的排列方向与矩形缝隙(8)垂直，第二寄生贴片(6)和第三寄生贴片(7)均与矩形缝隙(8)排列成平行方向，所述的第二寄生贴片(6)和第三寄生贴片(7)分布在矩形辐射贴片(4)的两侧。

3.根据权利要求2所述的一种应用于5G新型MIMO毫米波圆极化贴片天线，其特征在于：矩形缝隙(8)与水平面呈45°排列。

4.根据权利要求3所述的一种应用于5G新型MIMO毫米波圆极化贴片天线，其特征在于：所述的天线本体还包括上层金属(9)，PCB基板(1)位于上层金属(9)的下方，所述的馈电传输线(2)、阻抗变换线(3)、矩形辐射贴片(4)、第一寄生贴片(5)、第二寄生贴片(6)和第三寄生贴片(7)均设置在上层金属(9)上，所述的矩形缝隙(8)贯穿上层金属(9)。

5.根据权利要求4所述的一种应用于5G新型MIMO毫米波圆极化贴片天线，其特征在于：上层金属(9)采用0.035mm厚度的金属铜。

6.根据权利要求3所述的一种应用于5G新型MIMO毫米波圆极化贴片天线，其特征在于：所述的馈电传输线(2)和阻抗变换线(3)排列成一字长条形。

7.根据权利要求1所述的一种应用于5G新型MIMO毫米波圆极化贴片天线，其特征在于：所述的PCB基板(1)为TLY-5板材。

8.根据权利要求1所述的一种应用于5G新型MIMO毫米波圆极化贴片天线，其特征在于：所述的应用于5G新型MIMO毫米波圆极化贴片天线还包括设置在PCB基板(1)下方的下层金属地(10)。

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