CN113517559B - 一种高隔离度双频双极化毫米波阵列天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高隔离度双频双极化毫米波阵列天线，由上至下依次包括：周期性金属覆层、寄生天线层、辐射天线层、金属地层；周期性金属覆层设置在阵列天线的上方，是由相同介电常数的介质层和周期性排列的金属图案组成的夹杂材料；寄生天线层上包括至少一个谐振寄生天线单元组成的寄生天线阵列；辐射天线层上包括至少一个多频谐振天线单元组成的辐射天线阵列；金属地层上设有馈电端口，馈电端口通过馈电柱与对应的多频谐振天线单元连接。双层天线结构减小天线尺寸，周期性金属覆层改善天线单元间的隔离度，保证天线的性能。

Description

一种高隔离度双频双极化毫米波阵列天线
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，涉及一种高隔离度双频双极化毫米波阵列天线。
背景技术
应用的毫米波技术是学术界和行业的热门话题，在2019世界无线电通信大会（WRC-19）上确定了24GHz至86GHz之间的毫米波频段将用于国际移动通讯（IMT），其中24.25-27.5GHz频段的手机天线设计备受设计者关注，这同时也标志着全球产业朝5G毫米波的最佳性能和规模效应最大化迈出了坚实的一步。且与传统的Sub-6GHz天线设计相对比，毫米波天线具有更快的传输速度、更大的带宽，所以使得移动通信领域的毫米波天线设计受到越来越多研究者的关注。
随着通讯技术的发展，毫米波天线的设计正在被越来越多的学者研究，但是单一的毫米波天线单元并不能满足移动通讯的要求，所以需要将单元天线组阵来获得更高的增益和更大的带宽。随着阵列天线的引入，天线阵列的隔离度是其中一个重要的指标，随着天线净空的减少，使得天线单元间的耦合问题成为一个难点。由于天线单元之间的间距较近，造成互相干扰变差，进而直接影响数据吞吐率，而较强的耦合使得能够有效辐射的能量减少，造成天线阵增益降低，能量利用效率低下；由于现阶段天线阵列设计的复杂性，如何在不改变天线单元的结构下，在较小体积内实现毫米波阵列天线较好的隔离效果成为设计毫米波阵列天线所重视的问题。
发明内容
本发明目的是：提供一种高隔离度双频双极化毫米波阵列天线，在较小体积内实现毫米波阵列天线较好的隔离效果。
本发明的技术方案是：一种高隔离度双频双极化毫米波阵列天线，由上至下依次包括：周期性金属覆层、寄生天线层、辐射天线层、金属地层；所述周期性金属覆层设置在阵列天线的上方，是由相同介电常数的介质层和周期性排列的金属图案组成的夹杂材料；所述寄生天线层上包括至少一个谐振寄生天线单元组成的寄生天线阵列；所述辐射天线层上包括至少一个多频谐振天线单元组成的辐射天线阵列；所述金属地层上设有馈电端口，所述馈电端口通过馈电柱与对应的多频谐振天线单元连接。
通过在寄生天线层和辐射天线层组成的双层天线结构，使得一个天线单元可以覆盖多个毫米波频段，同时也减小天线的占用空间，以更小的尺寸实现更佳的性能，在天线结构的上方设置周期性金属覆层，由于周期性金属覆层在极宽的频率范围内，有效介电常数比主基板大的多，通过调节周期性金属覆层距离阵列天线的高度以及周期性金属材料的特性，可以极大程度地改善天线单元之间的隔离度，且不会破坏天线阵列的增益、匹配等辐射指标；同时，天线的设计工艺简单，成本较低，结构稳定，加工技术成熟，良品率高，适合大规模量产。
其进一步的技术方案是：所述周期性排列的金属图案包括周期性排列的十字形金属结构。
十字形金属结构制作简单，周期性排列的金属结构可以展宽天线单元的辐射方向图，提高天线增益，大大提升天线单元之间的隔离度，从而缩进天线单元之间的距离。
其进一步的技术方案是：所述多频谐振天线单元采用低频天线，工作于26GHz；所述多频谐振天线单元为微带贴片天线，采用方形天线贴片切除四个角的对称式结构。
下层的辐射天线层采用工作于26GHz的微带贴片天线，采用切除四个角的对称式结构，减少天线贴片所占面积，对称式结构以便微带贴片天线以正交极化工作。
其进一步的技术方案是：所述多频谐振天线单元采用两个电容式馈电端口。
采用电容式馈电，可以抵消同轴探针的电感性，拓宽带宽，采用两个电容式馈电端口可以实现正交极化。
其进一步的技术方案是：所述谐振寄生天线单元采用高频天线，工作于39GHz；所述谐振寄生天线单元包括中间挖去方形槽的天线贴片和围绕在所述天线贴片四周的四个寄生贴片。
上层的寄生天线层采用工作于39GHz的高频天线，通过采用中间挖去方形槽的天线贴片来实现更好的匹配和增益，围绕在天线贴片四周设计四个寄生贴片，可以有效改善隔离度，并且寄生贴片带入的新谐振频率也拓宽了高频带宽。
其进一步的技术方案是：所述寄生贴片工作于41GHz。
通过工作于41GHz的寄生贴片可以拓宽高频频带。
其进一步的技术方案是：所述寄生天线层与所述辐射天线层之间还包括第一介质板层，所述辐射天线层和所述金属地层之间还包括第二介质板层。
通过在第一介质板层上印刷寄生天线层，在第二介质板层上印刷辐射天线层，使用堆叠设计将介质板层粘合形成一个整体，大大减小了天线所占用的空间。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1是本申请一个实施例提供的高隔离度双频双极化毫米波阵列天线的侧面剖视图；
图2是本申请一个实施例提供的高隔离度双频双极化毫米波阵列天线的示意图；
图3是本申请一个实施例提供的高隔离度双频双极化毫米波阵列天线的局部放大图；
图4是本申请一个实施例提供的谐振寄生天线单元的示意图；
图5是本申请一个实施例提供的多频谐振天线单元的示意图；
图6是本申请一个实施例提供的寄生天线层和辐射天线层叠加的俯视图；
图7是本申请一个实施例提供的周期性金属覆层、寄生天线层、辐射天线层叠加的俯视图。
其中：1、周期性金属覆层；11、介质层；12、金属图案；2、寄生天线层；21、谐振寄生天线单元；22、天线贴片；23、寄生贴片；3、辐射天线层；31、多频谐振天线单元；32、电容式馈电端口；4、金属地层；41、馈电端口；5、馈电柱；6、第一介质板层；7、第二介质板层；8、粘合层。
具体实施方式
实施例：毫米波阵列天线系统中各天线单元之间的互相耦合、干扰，造成天线阵列性能下降，阵列天线系统中改善隔离度的需求主要表现在：（1）由于天线单元之间的间距较近，造成互相干扰变差，进而直接影响数据吞吐率；而较强的耦合使得能够有效辐射的能量减少，造成天线阵增益降低，能量利用效率低下；（2）由于现阶段天线阵列设计的复杂性，如何在不改变天线单元的结构下，通过简单的结构来改善隔离度。
基于上述问题，本申请提供了一种高隔离度双频双极化毫米波阵列天线，结合参考图1至图7，该高隔离度双频双极化毫米波阵列天线由上至下依次包括：周期性金属覆层1、寄生天线层2、辐射天线层3、金属地层4。
周期性金属覆层1设置在阵列天线的上方，是由相同介电常数的介质层11和周期性排列的金属图案12组成的夹杂材料。
通过设计周期性金属覆层1来模拟高介电常数的人造介质板，由于人造介质板具有较高的介电常数，周期性金属覆层1在极宽的频率范围内，有效介电常数比天线单元的主基板大得多，通过调节周期性金属覆层1距离阵列天线的高度和周期性的金属图案的材料特性，周期性金属覆层1表面反射回来的电波与耦合电波基本幅度相等相位相反，从而利用周期性金属覆层1表面制造额外的电波路径来抵消现有的耦合，可以极大程度的改善天线单元之间的隔离度，且不会破坏天线阵列的增益、匹配等辐射指标。
可选的，周期性排列的金属图案12包括周期性排列的十字形金属结构。示例性的，十字形金属结构印刷在介质层11上，介质层11固定设置在天线阵列的上方。
结合参考图1至图3，天线单元使用叠层电容耦合贴片设计。
寄生天线层2上包括至少一个谐振寄生天线单元21组成的寄生天线阵列。
结合参考图4，谐振寄生天线单元21采用高频天线，工作于39GHz；谐振寄生天线单元21包括中间挖去方形槽的天线贴片22和围绕在天线贴片22四周的四个寄生贴片23。
上层的谐振寄生天线单元21通过在贴片中间挖去方形槽来实现更好的匹配和增益，挖去方形槽的天线贴片22用于产生39GHz处的谐振频率，围绕天线贴片22设计的四个寄生贴片23，可以有效的改善隔离度。
可选的，寄生贴片23工作于41GHz。
寄生贴片23工作于41GHz，其所带入的新谐振频率拓宽了高频带宽。
辐射天线层3上包括至少一个多频谐振天线单元31组成的辐射天线阵列。
结合参考图5，多频谐振天线单元31采用低频天线，工作于26GHz；多频谐振天线单元31为微带贴片天线，采用方形天线贴片切除四个角的对称式结构。
下层的多频谐振天线单元31切除天线贴片的四个角以减少所占面积，用于产生26GHz处的谐振频率。
多频谐振天线单元31采用两个电容式馈电端口32。
多频谐振天线单元31采用电容式馈电，用于抵消同轴探针的电感性，拓宽了带宽，采用两个电容式馈电端口32用于实现正交极化。
上下叠加的一个谐振寄生天线单元21和一个多频谐振天线单元31组成天线单元，通过叠加的双层天线结构获得双频的效果，使得一个天线单元覆盖多个毫米波频段，同时也减小天线的占用空间，可以使天线以更小的尺寸实现更佳的性能，另外通过寄生结构和电容式馈电结构来展宽带宽。
由于采用了堆叠的设计，两层天线贴片可以分别调节以改变其频带内的工作特性，下层贴片天线（多频谐振天线单元31）能够产生较低的谐振频率，在26GHz时对应的电长度为0.27λ，切去方形贴片的四个角以改变其谐振频率；上层贴片天线（谐振寄生天线单元21）能够产生更高的谐振频率，在39GHz时对应的电长度为0.22λ，通过切去中间的方形槽来实现更好的匹配并提高天线单元的增益。电容耦合有助于拓宽带宽，但会导致双极化端口的隔离性差，因此在上层贴片天线的四周设计了寄生贴片以提高端口间的隔离度，同时寄生贴片产生的新谐振频率也拓宽了高频带宽，寄生贴片在41GHz时对应的电长度为0.26λ。
金属地层4上设有馈电端口41，馈电端口41通过馈电柱5与对应的多频谐振天线单元31连接。
可选的，寄生天线层2与辐射天线层3之间还包括第一介质板层6，辐射天线层3和金属地层4之间还包括第二介质板层7。
为了便于大量生产，馈电柱（馈电探针）的直径设计为0.15mm。示例性的，从工业加工和实际成本两方面考虑，两层介质板均采用工业标准厚度下罗杰斯RT4350，同时使用罗杰斯RO4450F作为连接上下介质板的粘合层8，第一介质板层6、第二介质板层7、金属地层4的尺寸一致。
图6示出了寄生天线层2和辐射天线层3叠加的俯视图，图7示出了周期性金属覆层1、寄生天线层2、辐射天线层3叠加的俯视图，示例性的，寄生天线层2上的谐振寄生天线单元21和辐射天线层3上的多频谐振天线单元31组成一个天线单元，相邻两个天线单元之间的间距设置为5.5mm。在整个天线阵列的上方都设计有周期性金属覆层1以展宽天线单元的辐射方向图，提高天线增益，同时提升天线单元之间的隔离度，从而缩进天线单元之间的距离。
本申请提供的高隔离度双频双极化毫米波阵列天线改善5G毫米波通讯中由于天线单元间距过近导致的耦合问题，可适用于终端设备毫米波频段通信，能够很好的应用在智能移动终端、无线路由器等产品和系统上。
综上所述，本申请提供的高隔离度双频双极化毫米波阵列天线，通过在寄生天线层和辐射天线层组成的双层天线结构，使得一个天线单元可以覆盖多个毫米波频段，同时也减小天线的占用空间，以更小的尺寸实现更佳的性能，在天线结构的上方设置周期性金属覆层，由于周期性金属覆层在极宽的频率范围内，有效介电常数比主基板大的多，通过调节周期性金属覆层距离阵列天线的高度以及周期性金属材料的特性，可以极大程度地改善天线单元之间的隔离度，且不会破坏天线阵列的增益、匹配等辐射指标；同时，天线的设计工艺简单，成本较低，结构稳定，加工技术成熟，良品率高，适合大规模量产。
另外，十字形金属结构制作简单，周期性排列的金属结构可以展宽天线单元的辐射方向图，提高天线增益，大大提升天线单元之间的隔离度，从而缩进天线单元之间的距离。
另外，下层的辐射天线层采用工作于26GHz的微带贴片天线，采用切除四个角的对称式结构，减少天线贴片所占面积，对称式结构使得微带贴片产生正交极化。
另外，采用电容式馈电，可以抵消同轴探针的电感性，拓宽带宽，采用两个电容式馈电端口可以实现正交极化。
另外，上层的寄生天线层采用工作于39GHz的高频天线，通过采用中间挖去方形槽的天线贴片来实现更好的匹配和增益，围绕在天线贴片四周设计四个寄生贴片，可以有效改善隔离度，并且寄生贴片带入的新谐振频率也拓宽了高频带宽。
另外，通过工作于41GHz的寄生贴片可以拓宽高频频带。
另外，通过在第一介质板层上印刷寄生天线层，在第二介质板层上印刷辐射天线层，使用堆叠设计将介质板层粘合形成一个整体，大大减小了天线所占用的空间。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含所指示的技术特征的数量。由此，限定的“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或者两个以上。
上述本申请实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本申请的较佳实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种高隔离度双频双极化毫米波阵列天线，其特征在于，由上至下依次包括：周期性金属覆层、寄生天线层、辐射天线层、金属地层；
所述周期性金属覆层设置在阵列天线的上方，在整个天线阵列的上方都设计有周期性金属覆层，所述周期性金属覆层是由相同介电常数的介质层和周期性排列的金属图案组成的夹杂材料，通过调节周期性金属覆层距离阵列天线的高度以及周期性金属材料的特性，改善天线单元之间的隔离度，所述周期性排列的金属图案包括周期性排列的十字形金属结构；
所述寄生天线层上包括多个谐振寄生天线单元组成的寄生天线阵列，所述谐振寄生天线单元包括中间挖去方形槽的天线贴片和围绕在所述天线贴片四周的四个寄生贴片；
所述辐射天线层上包括多个多频谐振天线单元组成的辐射天线阵列，所述多频谐振天线单元为微带贴片天线，采用方形天线贴片切除四个角的对称式结构；
所述金属地层上设有馈电端口，所述馈电端口通过馈电柱与对应的多频谐振天线单元连接。
2.根据权利要求1所述的高隔离度双频双极化毫米波阵列天线，其特征在于，所述多频谐振天线单元采用低频天线，工作于26GHz。
3.根据权利要求2所述的高隔离度双频双极化毫米波阵列天线，其特征在于，所述多频谐振天线单元采用两个电容式馈电端口。
4.根据权利要求1所述的高隔离度双频双极化毫米波阵列天线，其特征在于，所述谐振寄生天线单元采用高频天线，工作于39GHz。
5.根据权利要求4所述的高隔离度双频双极化毫米波阵列天线，其特征在于，所述寄生贴片工作于41GHz。
6.根据权利要求1至5任一所述的高隔离度双频双极化毫米波阵列天线，其特征在于，所述寄生天线层与所述辐射天线层之间还包括第一介质板层，所述辐射天线层和所述金属地层之间还包括第二介质板层。
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