一种兼容Sub-6GHz和毫米波频段的共享口径面天线
[技术领域]
本发明涉及电子通信天线技术领域,具体涉及一种兼容Sub-6GHz和毫米波频段的共享口径面天线。
[背景技术]
通信系统的发展正进入5G时代,急需能达到每秒几千兆到数十千兆比特的传输速率的先进移动系统来支撑潜在的无线应用,例如多媒体设备,物联网和智能交通系统等。为了克服带宽的限制,国际电信联盟已经为潜在的5G通信及其他应用授权了几个毫米波频段,其中包括24.25-27.5GHz,37-40GHz,66-76GHz。在未来移动通信系统的架构里毫米波通信系统将起到非常重要的作用。但是毫米波频段通信的问题在于:1)波长短,路径损耗严重。同时毫米波处于大气吸收峰频段,进一步加剧了路径损耗。2)毫米波很难穿透固体障碍物,所以仅限于视距传播,对于存在遮挡的环境,毫米波传输质量差。为了解决这一难题,目前使用Sub-6 GHz频段和毫米波频段同时作为通信的媒质,其中Sub-6GHz频段用于长距离,大范围的可靠通信媒质而毫米波频段用于高速率大容量的数据传输。
这一具体的应用场景要求天线可以同时覆盖毫米波和Sub-6GHz频段。同时,由于考虑到毫米波的路径损耗,天线在毫米波频段必须同时具有高增益的特性。为此,兼容sub-6GHz 和毫米波频段的共享口径面天线是接收机前端的重要设备。文献“J.F.Zhang,Y.J.Cheng,Y.R. Ding,and C.X.Bai,“Adual-band sharedaperture antenna with largefrequency ratio,high aperture reuse efficiency,and high channel isolation,”IEEE Trans.Antennas Propag.,vol.67,no.2,pp. 853-860,Feb.2019”中提出了一种共享口径面天线的设计,天线使用贴片天线作为sub-6GHz 的辐射单元,使用缝隙天线阵列作为毫米波辐射器,并与贴片共用辐射口径。该技术方案中全向天线虽然增益高,但是在毫米波频段天线阵列必须使用大规模的基于基片集成的馈电网络,使得加工复杂,同时多层的工艺使得加工成本很高。
[发明内容]
本发明目的是提供一种新的实现兼容Sub-6GHz和毫米波的大频率比共享口径面天线,以解决现有技术中存在的不足。
本发明的技术方案如下:
一种兼容Sub-6GHz和毫米波频段的共享口径面天线,由上往下依次设有第一基板、第二基板,还设有支撑柱,所述第一基板和第二基板通过支撑柱连接,所述第一基板上表面设有贴片天线,所述第二基板设有第一端口、第二端口、贴片地、微带线和缝隙天线,微带线馈电的缝隙天线作为主要的辐射源,微带线位于第二基板底部,辐射的缝隙天线设在第二基板顶部。
进一步地,所述贴片天线上刻有周期性金属槽,用于提高增益的部分反射。
进一步地,所述贴片天线的长度为2.4GHz介质波长一半,为46.2mm。
进一步地,所述周期性金属槽的数量为9*9个,均匀分布排列,单个金属槽尺寸为2.42mm*1.37mm。
进一步地,所述第一端口设有SMA接头,所述第二端口设有SMK接头。
进一步地,所述第一基板与第二基板的距离满足法布里-珀罗共振条件:
其中φPRS和φGround为部分反射面和地面的反射相位,λ0为自由空间波长,n为整数。
进一步地,第一基板与第二基板距离为1.76mm时,天线具有最小的剖面。
进一步地,所述第一基板的介电常数为3.55、损耗角正切为0.0027、厚度为1.524mm 的Rogers 4003板材。
进一步地,所述第二基板的厚度为0.813mm的Rogers 4003板材。
本发明具有如下优点:
实现兼容Sub-6GHz和毫米波的大频率比共享口径面天线,拥有高的口径共享效率。在毫米波实现高增益辐射,同时天线不需要馈电网络,结构简单。
[附图说明]
图1为本发明天线剖面图。
图2为本发明天线顶视图。
图3为本发明天线第二基板顶视图。
图4为本发明天线周期边界条件对蚀刻槽的传输性能仿真。
图5为本发明天线周期性蚀刻槽的透射/反射幅度。
图6为本发明天线周期性蚀刻槽的反射相位。
图7为本发明天线天线在Sub-6GHz频段的反射系数对比。
图8为本发明天线在Sub-6GHz频段的辐射方向图对比。
图9为本发明天线实测与仿真S-参数。
图10为本发明天线实测与仿真方向图在2.4-GHz。
图11为本发明天线实测与仿真方向图在28-GHz。
图12为本发明天线仿真与实测增益。
1为第一基板、2为第二基板、3为支撑柱、4为第一端口、5为第二端口、6为缝隙天线、7为微带线、8为低频贴片天线辐射、9为高频高增益辐射、11为金属槽、12为固定支柱、21为贴片地。
[具体实施方式]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,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,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
在本发明的描述中,需要说明的是,若出现术语“上”、“下”、“左”、“右”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制,若出现术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述,而不能理解为指示或暗示相对重要性。
因此,以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围,而是仅仅表示本发明的选定实施例。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。为了使本发明实现的技术手段清晰明了,下面结合附图进一步阐述本发明。
实施例
如图1、2、3所示基本结构,本实施例的天线,由上往下依次设有第一基板1、第二基板2,还设有支撑柱3,所述第一基板1和第二基板2通过支撑柱3及/或固定支柱12连接,所述第一基板1上表面设有贴片天线,所述第二基板2设有第一端口4、第二端口5、贴片地 21、微带线6和缝隙天线7,所述第一端口4设有SMA接头,所述第二端口5设有SMK接头。该天线主要分两个频段,其中一个是Sub-6GHz频段,一个是毫米波频段。
对于Sub-6GHz频段,使用位于第一基板1顶部的贴片天线来实现辐射,贴片天线的地及贴片地21位于第二基板2的顶部。
对于毫米波频段,其高增益辐射是采用微带线6馈电的缝隙天线7作为主要的辐射源,微带线6位于第二基板2底部,辐射的缝隙天线7设在第二基板2顶部,为了提高部分反射面的增益,所述贴片天线上刻有周期性金属槽,通过在贴片上切割周期性的槽来实现法布里- 珀罗腔所需要的部分反射。如图2所示。本实施例的周期性金属槽11由9*9的金属槽均匀排列实现,本实施例中,单个金属槽尺寸为2.42mm*1.37mm,分别对应2.4GHz波长的1.9%和1.1%。贴片天线上的金属槽线如果进一步增加,整个天线在毫米波频段的增益可以进一步增加。本设计中主要受限于贴片本身的大小,只能承载数量有限的金属槽。
其中第一基板1的介电常数为3.55、损耗角正切为0.0027、厚度为1.524mm的Rogers 4003 板材,第二基板2的厚度为0.813mm的Rogers 4003板材。以下为第一基板1和第二基本2 相关参数尺寸:
参数 |
W1 |
Wpatch |
Ws |
Wf |
L1 |
L2 |
Lpatch |
d1 |
d2 |
数值(mm) |
75 |
55.4 |
0.96 |
0.87 |
75.4 |
1.45 |
46.2 |
27.7 |
10.9 |
上述结构实现了兼容Sub-6GHz和毫米波频段的共享口径面大频比天线。以下详细介绍两个频段具体的技术方案:
毫米波高增益技术原理如下:
如图4所示,周期性的槽线的反射/透射幅度以及相位通过使用周期性边界条件来仿真得到,本实施例中金属槽的尺寸为
参数 |
L3 |
L4 |
Px |
Py |
数值(mm) |
2.42 |
1.37 |
5 |
5 |
如图5、6所示,槽线的反射/透射幅度以及相位,当金属槽长度为谐振点处介电波长的一半时,大部分能量可以通过金属槽传输。当频率偏离谐振点时,反射幅值逐渐增大。如图5所示,在谐振点33GHz处,实现高达0.88的传输幅度。当频率低于33GHz时,反射幅度随频率的降低而逐渐增大。因此,在期望频率处的反射幅度可以通过调整金属槽的长度来容易地调节。
法布里-珀罗腔天线的方向性D与部分反射面的的反射幅度|Γ|之间的关系可以表示为:
部分反射面的反射越强,天线的增益越高。因此,部分反射面的反射幅度被设计为在 28GHz处为0.9以提供足够的反射。
部分反射面的反射相位如图6所示,该值对于确定第一基板1和第二基板2之间的距离非常重要。第一基板1和第二基板2之间的距离H应满足法布里-珀罗共振条件:
其中φPRS和φGround为部分反射面和地面的反射相位,λ0为自由空间波长,n为整数。有多个H值可以满足该公式,在本实施例中选择最小的满足条件的H值1.76mm来使得天线具有最小的剖面。
Sub-6GHz贴片天线辐射原理如下:
确定了第一基板1和第二基板2之间的高度H之后,就可以设计出工作在2.4ghz的贴片天线。贴片天线印刷在第一基板1的顶部,贴片天线长度为2.4GHz介质波长的一半,为46.2mm。本实施例中贴片天线的贴片地21位于第二基板2的顶部,本实施例中将设有周期性金属槽的贴片天线与全金属贴片天线的性能进行了对比,如图7和8所示。结果表明,带金属槽的贴片天线的阻抗匹配只向低频方向轻微偏移10MHz,而辐射性能几乎相同。这是因为工作在28GHz的周期性金属槽的长度和宽度比2.4GHz的波长小得多,金属槽对贴片天线的辐射影响很小。
图9给出了两个频段的阻抗匹配数据。对于2.4-GHz频段,仿真的-10dB匹配带宽为2.40 GHz~2.48GHz,测量的-10dB匹配带宽为2.40GHz~2.47GHz。在毫米波段,仿真的-10dB 匹配带宽为27.7ghz~28.1ghz,测量的-10dB匹配带宽为27.7ghz~28.3ghz。2.2ghz和28ghz 的仿真和测量辐射图如图10和图11所示。图12给出了两个频段的峰值增益,对于2.4GHz 频段和28GHz频段,峰值增益分别达到8.0dBi和16dBi。
需要说明的是本实施例中法布里-珀罗腔天线的部分反射面使用周期性大小一致的金属槽来实现。本设计中使用长方形金属槽,但是其他形式的金属槽也能够实现,例如正方形,圆形等形式。
如图1所示,在天线结构示意图的基础上,画出了天线辐射示意图,实现了低频贴片天线辐射8以及基于法布里-珀罗腔的高频高增益辐射9,有效地实现了兼容Sub-6GHz和毫米波频段的共享口径面天线。该结构组装简单且更易于加工,加工成本低,毫米波频段具有高增益同时不需要馈电网络。
凡是属于本发明原理的技术方案均属于本发明的保护范围。对于本领域的技术人员而言,在不脱离本发明的原理的前提下进行的若干改进,这些改进也应视为本发明的保护范围。