CN113410631B - 一种面向5g毫米波双频段应用的混合天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种面向5G毫米波双频段应用的混合天线，包括自下而上依次层叠设置的第一介质基板、金属反射地板和第二介质基板，金属反射地板的中央设置有耦合缝隙，第一介质基板的底面设置有对应的微带馈线，第二介质基板的上表面设置其中央嵌有介质薄片的第三介质基板，介质薄片的介电常数高于第三介质基板的介电常数；第三介质基板上印刷有围绕介质薄片设置的金属条带。本发明首次采用金属带条‑缝隙‑介质谐振器混合天线方案，实现5G毫米波双频段应用。主要解决现有的毫米波天线设计中存在的天线带宽较窄、平面尺寸大、剖面高度高、各频段不易单独调节等问题。

Description

一种面向5G毫米波双频段应用的混合天线
技术领域
本发明涉及微波通信领域，尤其涉及一种面向5G毫米波双频段应用的贴片-缝隙-介质谐振器混合天线。
背景技术
毫米波技术是第五代移动通信技术实现高数据速率无线通信的关键因素。目前世界范围内授权的5G毫米波频段为n257(26.5-29.5GHz)、n258(24.25-27.5GHz)、n260(37.0-40.0GHz)和n261(27.5-28.35GHz)，一般来说，n257、n258和n261频段被划分为28GHz频段，而n260频段被划分为39GHz频段；另一方面，考虑到毫米波蜂窝网的实际应用以及市场的消费导向均高度追求设备的小型化与轻薄化。在此背景下，就天线技术领域而言，设计一款毫米波小型化低剖面的天线具有重要的研究意义。
在同一个天线中为了覆盖28GHz和39GHz这两个毫米波热点频段可以有双频段天线以及宽频段天线两种实现方式。宽频段天线如果同时覆盖28GHz和39GHz这两个频段，需要的带宽为50％以上，因此导致天线的设计难度大，结构复杂；双频段天线通过采用一个辐射单元或多个辐射单元来实现双频段工作。相较于宽频段天线，双频段天线制作方便，简化了系统，降低了总成本。毫米波双频段天线通常有三种实现方法，第一种是单个辐射单元产生多个谐振模式从而实现双频段天线，但是通常每个频段不易单独调节且实现的带宽很窄；第二种是采用多个辐射单元，每个谐振单元分别产生一个独立的谐振从而实现双频段天线，优点是各频段可以单独调节，缺点是容易导致天线的尺寸较大且难以实现两个频段的宽带；第三种方法是将前两种方法结合实现双频段宽频天线，该方法是最好的实现方式，但是目前仅有的一个设计依然存在天线尺寸过大的问题，无法满足毫米波蜂窝网的波束扫描阵列应用需求。
发明内容
本发明的目的在于，克服现有的毫米波天线设计中存在的天线带宽较窄、平面尺寸大、剖面高度高、各频段不易单独调节等问题，提出一种面向5G毫米波双频段应用的混合天线，实现5G毫米波双频段应用。
为了实现本发明目的，本发明提供的一种面向5G毫米波双频段应用的混合天线，包括自下而上依次层叠设置的第一介质基板、金属反射地板和第二介质基板，金属反射地板的中央设置有耦合缝隙，第一介质基板的底面设置有对应的微带馈线，其特征在于：所述第二介质基板的上表面设置其中央嵌有介质薄片的第三介质基板，所述介质薄片的介电常数高于第三介质基板的介电常数；所述第三介质基板上印刷有覆盖介质薄片或围绕介质薄片设置的金属条带。
进一步的，微带馈线上设置有匹配枝节。
首先，本发明采用缝隙给混合结构馈电，且缝隙本身也可以作为一个辐射单元提供一个谐振点在28GHz频段；其次，采用高介电常数的介质薄片与低介电常数介质基板相结合的低剖面的层叠型介质谐振器天线设计，产生了基模TE111和高次模TE131这两个模式在39GHz频段；然后，在天线顶层印刷一层金属条带在28GHz频段引入一个谐振点进一步拓展其带宽；在28GHz频段和39GHz频段均存在两个谐振点，实现了毫米波双频段宽频设计，覆盖范围为26.32GHz-30.41GHz，35.65GHz-40.35GHz；最后，在馈电微带线上引入匹配枝节调节各个频段的阻抗匹配。
本发明使用混合天线设计方案，结构紧凑具有较小的单元平面尺寸，单元平面尺寸为0.37λ1×0.47λ1(～λ1@28GHz)，因此可以方便地拓展为波束扫描天线阵列。相对于毫米波天线其他方案，本发明具有结构紧凑，宽频的双频段，尺寸小，每个谐振点可以进行单独调节，剖面低等优点。本发明在实现毫米波双频带宽频覆盖的同时能兼具低剖面及较小平面尺寸的优异特性，可以方便地拓展为波束扫描天线阵列，极具实用价值。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1(a)是本发明混合天线的三维爆炸图。
图1(b)是本发明混合天线的侧视图。
图2(a)是本发明混合天线的顶层透视图。
图2(b)是本发明混合天线的中间层透视图(金属反射地板向下)。
图3是本发明混合天线的|S11|和增益的仿真结果。
图4是本发明混合天线的效率仿真结果。
图5是本发明混合天线的仿真方向图，(a)27GHz方向图，(b)29GHz方向图，(c)37GHz方向图，(d)39GHz方向图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
如图1至图2所示，包括：第一介质基板9、位于第一介质基板9上方的第二介质基板5、位于第二介质基板上方的第三介质基板3、嵌入到第三介质基板中央位置的高介电常数介质薄片2、印刷在第三介质基板上表面的四个折线形金属条带1(金属条带1围绕介质薄片2设置)。除此之外，金属条带1也可设计为覆盖介质薄片2的矩形金属贴片，但采用直接覆盖的形式，天线的带宽会变窄，并非最优方案。本实施例中，金属条带1两侧分别设置有一排金属化通孔，金属化通孔贯穿第二介质基板5与第一介质基板9形成基片集成波导背腔4，金属化通孔的上下表面分别通过金属条带相连。金属化通孔的作用是抑制表面波，提高天线增益。第一介质基板9的下表面设置用于馈电的微带馈线8。第一介质基板9的上表面设置有金属反射地板7，金属反射地板中央开有耦合缝隙6。
本实施例中，低介电常数介质基板的介电常数为3.55，损耗角为0.0027，第一介质基板厚度为0.203mm，第二介质基板厚度为0.508mm，第三介质基板厚度为0.305mm；高介电常数介质薄片的介电常数为45，损耗角为0.00019，厚度为0.305mm。整体剖面高度1mm(～0.1λ0@28GHz)，平面尺寸0.37λ1×0.47λ1(～λ1@28GHz)。
金属反射地板7以上为本发明提出的金属条带-缝隙-介质谐振器混合整体结构。首先，位于最上层的高介电常数介质薄片2和低介电常数的第二介质基板5、第三介质基板3一起构成了层叠型介质谐振器天线。射频激励信号由底层的微带馈线8馈入，通过耦合缝隙6耦合对位于其上的天线结构进行馈电。该结构中，耦合缝隙本身也可作为一个辐射单元提供一个谐振模式工作于28GHz频段；位于第三介质基板3的上表面的金属条带可以产生另一个谐振点工作于28GHz频段；嵌入到第三介质基板3中间的介质薄片可以产生基模TE111以及高次模TE131两种谐振模式，分别产生两个谐振点工作于39GHz频段；由此，每个频段均存在两个谐振点从而实现毫米波双频段宽频的工作效果。
在此基础上，如图1(a)所示，在微带馈线8进一步引入匹配枝节10改善混合天线的整体阻抗匹配。
本实例中，介质薄片2为长方形，金属化通孔的布置方向与介质薄片2的长边平行，微带馈线8与介质薄片2的长边平行。耦合缝隙6选用H型耦合馈电槽，中央缝隙与介质薄片2的长边垂直，耦合缝隙6两侧的缝隙与介质薄片2的长边平行。
本实施例混合天线的具体参数在表I中给出。
表I天线的详细尺寸
本发明的关键创新在于采用金属条带-缝隙-介质谐振器三种辐射结构组成混合天线，使得每个频段均存在两个谐振点，覆盖范围为26.32GHz-30.41GHz，35.65GHz-40.32GHz，实现了28GH和39GHz这两个5G毫米波热点频段的宽频工作效果。本发明采用层叠型介质谐振器结构，且第三介质基板(3)的上表面印刷的金属贴片对天线的剖面高度几乎没有影响，因此具有低的剖面高度，天线整体高度仅为1mm(～0.1λ0@28GHz)；在同一结构下混合多种辐射单元，结构紧凑，只需较小的单元平面尺寸便可实现，单元平面尺寸为0.37λ1×0.47λ1(～λ1@28GHz)，本发明因此可以方便地拓展为波束扫描天线阵列。
天线的传输响应和辐射响应如图3所示，对于|S11|≤-10dB，带宽范围为26.32-30.41GHz(～14.6％)，35.65-40.25GHz(～11.8％)，可见很好的覆盖了band n257、bandn261以及band n260的这三个5G热点频段，频带内平均增益6dBi以上。图4是天线效率图，频带范围内效率达95％以上。图5是在28GHz与39GHz处的天线仿真方向图，天线的方向图对称，交叉极化在3-dB波束范围内优于15dB。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种面向5G毫米波双频段应用的混合天线，包括自下而上依次层叠设置的第一介质基板（9）、金属反射地板（7）和第二介质基板（5），金属反射地板（7）的中央设置有耦合缝隙（6），第一介质基板（9）的底面设置有对应的微带馈线（8），其特征在于：所述第二介质基板（5）的上表面设置其中央嵌有介质薄片（2）的第三介质基板（3），所述介质薄片（2）的介电常数高于第三介质基板（3）的介电常数；所述第三介质基板（3）上印刷有覆盖介质薄片（2）或围绕介质薄片（2）设置的金属条带（1）。
2.根据权利要求1所述的一种面向5G毫米波双频段应用的混合天线，其特征在于：所述金属条带（1）两侧分设有贯穿第一介质基板（9）和第二介质基板（5）的一排金属化通孔，形成基片集成波导背腔（4）。
3.根据权利要求2所述的一种面向5G毫米波双频段应用的混合天线，其特征在于：相邻金属化通孔的上下表面分别通过金属条带相连。
4.根据权利要求1所述的一种面向5G毫米波双频段应用的混合天线，其特征在于：所述微带馈线（8）上设置有匹配枝节（10）。
5.根据权利要求1所述的一种面向5G毫米波双频段应用的混合天线，其特征在于：所述金属条带（1）为围绕介质薄片（2）设置的四根折线形金属条带。
6.根据权利要求5所述的一种面向5G毫米波双频段应用的混合天线，其特征在于：所述介质薄片（2）为长方形，金属化通孔的布置方向与介质薄片（2）的长边平行。
7.根据权利要求6所述的一种面向5G毫米波双频段应用的混合天线，其特征在于：所述微带馈线（8）与介质薄片（2）的长边平行。
8.根据权利要求6所述的一种面向5G毫米波双频段应用的混合天线，其特征在于：所述耦合缝隙（6）为H型，耦合缝隙（6）的中央缝隙与介质薄片（2）的长边垂直，耦合缝隙（6）两侧的缝隙与介质薄片（2）的长边平行。
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