CN113517560B - 一种宽角扫描的毫米波阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽角扫描的毫米波阵列天线，包括：辐射天线阵列和周期性金属覆层结构；辐射天线阵列包括至少一个宽带谐振的天线单元；周期性金属覆层结构设置在辐射天线阵列的上方，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；周期性金属覆层结构与辐射天线阵列之间保持一定距离。通过在辐射天线阵列上方设置周期性金属覆层结构，调节覆层结构距离阵列天线的高度和周期性金属材料的特性，可以极大程度的展宽天线单元的辐射方向图，以提高整个天线阵列的波束扫描角度，同时也提升了天线单元之间的隔离度和天线阵列的增益；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。

Description

一种宽角扫描的毫米波阵列天线

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种宽角扫描的毫米波阵列天线。

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），为国际移动通讯（IMT）确定了一个全球统一的毫米波频段，目前全球主要的5G毫米波频段为24.25-27.5GHz，37-43.5GHz，45.5-47GHz，47.2-48.2GHz和66-71GHz。在移动终端中，由于Sub-6GHz天线以及金属挡板和屏幕的存在，毫米波阵列的空间非常有限，因此，对毫米波段宽扫描角、小型化的天线阵列提出了更高的要求。

随着移动通信领域毫米波频段的划分，越来越多的学者开始设计毫米波天线，但是由于毫米波天线单元的局限性，并不能很好的满足通讯领域的需求，所以需要将单元天线组阵，随着阵列天线的引入，在移动终端通信里，天线阵列的相扫能力成为一个重要的技术指标；由于简单的阵列天线并不能满足毫米波终端对宽角扫描的需求，所以现在的毫米波阵列天线会采取不同的方法来提高相扫角度。为了实现宽角扫描性能，有两个关键因素：较小的单元间距和较宽的单元方向图，所以这就要求在阵列天线中元件间距都必须相对较小，否则在扫描时会产生光栅波瓣，但是较小的间距就会产生天线单元间的耦合现象，就会导致阵列天线性能的恶化，如何在较小体积内实现阵列天线宽角扫描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：提供一种宽角扫描的毫米波阵列天线，在较小体积内实现阵列天线宽角扫描。

本发明的技术方案是：一种宽角扫描的毫米波阵列天线，包括：辐射天线阵列和周期性金属覆层结构；所述辐射天线阵列包括至少一个宽带谐振的天线单元；所述周期性金属覆层结构设置在所述辐射天线阵列的上方，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；所述周期性金属覆层结构与所述辐射天线阵列之间保持一定距离。

通过在辐射天线阵列上方设置周期性金属覆层结构，由于周期性金属覆层结构是由相同介电常数的介质层和周期性排列的金属组成的夹杂材料，这种夹杂材料在极宽的频率范围内，有效介电常数比辐射天线阵列的主基板大得多，通过调节覆层结构距离阵列天线的高度和周期性金属材料的特性，可以极大程度的展宽天线单元的辐射方向图，以提高整个天线阵列的波束扫描角度，同时也提升了天线单元之间的隔离度和天线的增益，可以以较小的尺寸同时实现高隔离度和宽角扫描性能；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排列的方形金属片。

方形金属片的结构制作简单，周期性排列的方形金属片可以展宽天线单元的辐射方向图，提高天线增益，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：所述天线单元设计为E形结构。

天线单元采用E形结构，通过在天线单元上刻槽的方法，改变了电流的走向，极大程度的展宽了天线的带宽，使其能覆盖毫米波频段较宽的带宽。

其进一步的技术方案是：所述辐射天线阵列的下部依次包括第一介质基板、第一金属地层、第二介质基板、第二金属地层；所述第二介质基板上开设有金属化通孔；所述第二金属地层用于焊接测试接头，所述测试接头用于连接测试设备。

通过设置双层金属地，使得阵列天线连接测试设备时不会影响第一金属地层的结构，在第二介质基板上设置金属化通孔，使得第一金属地层与第二金属地层的结构有良好的接触，可以保证阵列天线具有完整的辐射接地板。

其进一步的技术方案是：还包括馈电柱；所述馈电柱的一端与所述天线单元连接，依次穿过所述第一介质基板、所述第一金属地层、所述第二介质基板，另一端与所述第二金属地层上测试接头的焊接处连接。

其进一步的技术方案是：所述馈电柱与E形结构天线单元的中间凸出部分的末端连接。

通过与E形结构天线单元的中间凸出部分的末端连接，可以保证天线的性能。

其进一步的技术方案是：所述辐射天线阵列与所述周期性金属覆层结构的边角设置固定结构，所述固定结构用于保持所述辐射天线阵列和所述周期性金属覆层结构的位置相对固定且高度可调。

通过固定结构保持辐射天线阵列和周期性金属覆层结构的位置相对固定，可以在调整好周期性金属覆层结构与辐射天线阵列的间距后保证周期性金属覆层结构提高天线阵列的波束扫描角度，提升天线单元之间的隔离度的效果。

其进一步的技术方案是：所述固定结构包括周期性金属覆层结构的介质层的凸出部分，以及所述辐射天线阵列的介质基板的凸出部分，两个凸出部分上设有位置对应的安装孔，螺栓和螺母穿过所述安装孔进行固定。

通过在介质层和介质基板上设置凸出部分，通过螺栓和螺母穿过凸出部分的安装孔进行固定，不仅可以保持辐射天线阵列和周期性金属覆层结构的相对固定，而且可以调节辐射天线阵列和周期性金属覆层结构之间的间距。

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是本申请提供的宽角扫描的毫米波阵列天线的剖视图；

图2是本申请提供的宽角扫描的毫米波阵列天线的示意图；

图3是本申请提供的宽角扫描的毫米波阵列天线的局部放大图；

图4是本申请提供的辐射天线阵列的示意图；

图5是本申请提供的天线单元的示意图；

图6是本申请提供的宽角扫描的毫米波阵列天线的俯视图。

其中：1、辐射天线阵列；11、天线单元；2、周期性金属覆层结构；21、介质层；22、金属图案；3、第一介质基板；4、第一金属地层；5、第二介质基板；51、金属化通孔；6、第二金属地层；7、馈电柱；8、螺栓；9、螺母。

具体实施方式

实施例：阵列天线系统中展宽工作带宽并提高相扫能力，需要考虑：（1）如何设计天线单元的结构能使得其在较小的体积实现宽频带的工作；（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，设计简单的结构来提高天线阵列的相扫角度。

基于上述问题，本申请提供了一种宽角扫描的毫米波阵列天线，结合参考图1至图6，该宽角扫描的毫米波阵列天线包括：辐射天线阵列1和周期性金属覆层结构2。

辐射天线阵列1包括至少一个宽带谐振的天线单元11。

辐射天线阵列1的下部依次包括第一介质基板3、第一金属地层4、第二介质基板5、第二金属地层6。

第二介质基板5上开设有金属化通孔51。

第二金属地层6用于焊接测试接头，测试接头用于连接测试设备。

该宽角扫描的毫米波阵列天线还包括馈电柱7；馈电柱7的一端与天线单元11连接，依次穿过第一介质基板3、第一金属地层4、第二介质基板5，另一端与第二金属地层6上测试接头的焊接处连接。

示例性的，为了便于加工，馈电柱7（馈电探针）的直径设计为0.15mm。从工业加工和实际成本两方面考虑，第一介质基板3和第二介质基板5均采用工业标准厚度下罗杰斯RT4350，同时使用罗杰斯RO4450F作为上下介质基板的粘合层，第一介质基板3、第一金属地/4、第二介质基板5、第二金属地层6的尺寸一致。

由于需要在金属地上连接毫米波测试接头，为了避免对天线阵列所接金属地进行破坏，因此在第一金属地层4的底部增加第二金属地层，上层金属地是完好的，下层金属地用来连接测试用的接头。

可选的，如图5所示，天线单元11设计为E形结构。通过在天线单元上刻槽，改变电流走向，极大程度的展宽天线的带宽，使其能覆盖毫米波频段较宽的带宽。E形贴片用于产生所需要的谐振频率，示例性的，天线单元11可以在第一介质基板3上刻蚀E形贴片作为E形结构的天线单元。

馈电柱7与E形结构天线单元11的中间凸出部分的末端连接，示例性的，图5中的圆圈部分表示连接位置。可选的，天线单元采用电容式馈电，馈电柱7的一端与天线单元11连接，另一端接到金属地。

周期性金属覆层结构2设置在辐射天线阵列1的上方，是由相同介电常数的介质层21和周期性排列的金属图案22组成的夹杂材料。

在整个辐射天线阵列1的顶部设计周期性金属覆层结构2来提高天线阵列的相扫能力，目的是为阵列天线提供较高的相扫角度。周期性金属覆层结构2包括介质基板和周期性排列的金属所组成的夹杂材料，在极宽的频率范围内有效介电常数比辐射天线阵列1的主基板大的多，通过调节周期性金属覆层结构2距离辐射阵列天线1的高度（由于周期性金属覆层结构2表面的反射系数控制反射波的幅度，表面距离天线单元11的高度控制反射波的相位）以及周期性金属材料的特性，可以极大程度的展宽天线单元的辐射方向图，并且提升天线的辐射增益，以提高整个天线阵列的波束扫描角度，同时也提升了天线单元之间的隔离度，从而缩进天线单元之间的距离，且不会破坏天线阵列的增益等辐射指标。

可选的，周期性排列的金属图案22包括周期排列的方形金属片。

需要说明的是，本申请中周期性排列的金属图案22是悬浮在天线阵列的上方，通过改变金属图案22的形状、距离阵列天线的高度和介电常数，可以对天线阵列的相扫角度产生影响，通过设置合适数值可以产生最大的相扫角度。

周期性金属覆层结构2与辐射天线阵列1之间保持一定距离。

辐射天线阵列1与周期性金属覆层结构2的边角设置固定结构，固定结构用于保持辐射天线阵列1和周期性金属覆层结构2的位置相对固定且高度可调。

可选的，固定结构包括周期性金属覆层结构2的介质层的凸出部分，以及辐射天线阵列1的介质基板的凸出部分，两个凸出部分上设有位置对应的安装孔，螺栓8和螺母9穿过安装孔进行固定。

为了不影响周期性金属覆层结构2和辐射天线阵列1的工作性能，对于二者的固定采用额外的凸出部分进行连接。

本申请提供的宽角扫描的毫米波阵列天线，可适用于终端设备的毫米波频段通信，用来制备智能移动终端智能移动终端、无线路由器等产品和系统上。

综上所述，本申请提供的宽角扫描的毫米波阵列天线，通过在辐射天线阵列上方设置周期性金属覆层结构，由于周期性金属覆层结构是由相同介电常数的介质层和周期性排列的金属组成的夹杂材料，这种夹杂材料在极宽的频率范围内，有效介电常数比辐射天线阵列的主基板大得多，通过调节覆层结构距离阵列天线的高度和周期性金属材料的特性，可以极大程度的展宽天线单元的辐射方向图，以提高整个天线阵列的波束扫描角度，同时也提升了天线单元之间的隔离度和天线的增益，可以以较小的尺寸同时实现高隔离度和宽角扫描的性能；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，方形金属片的结构制作简单，周期性排列的方形金属片可以展宽天线单元的辐射方向图，提高天线增益，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，天线单元采用E形结构，通过在天线单元上刻槽的方法，改变了电流的走向，极大程度的展宽了天线的带宽，使其能覆盖毫米波频段较宽的带宽。

另外，通过设置双层金属地，使得阵列天线连接测试设备时不会影响第一金属地层的结构，在第二介质基板上设置金属化通孔，使得第一金属地层与第二金属地层的结构有良好的接触，可以保证阵列天线具有完整的辐射接地板。

另外，通过与E形结构天线单元的中间凸出部分的末端连接，可以保证天线的性能。

另外，通过固定结构保持辐射天线阵列和周期性金属覆层结构的位置相对固定，可以在调整好周期性金属覆层结构与辐射天线阵列的间距后保证周期性金属覆层结构提高天线阵列的波束扫描角度，提升天线单元之间的隔离度的效果。

另外，通过在介质层和介质基板上设置凸出部分，通过螺栓和螺母穿过凸出部分的安装孔进行固定，不仅可以保持辐射天线阵列和周期性金属覆层结构的相对固定，而且可以调节辐射天线阵列和周期性金属覆层结构之间的间距。

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 (5)

1.一种宽角扫描的毫米波阵列天线，其特征在于，包括：辐射天线阵列、周期性金属覆层结构和馈电柱；

所述辐射天线阵列包括沿着直线方向排列的多个宽带谐振的天线单元，其中，所述天线单元设计为E形结构，所述E形结构包括沿所述直线方向延伸的本体部分、以及分别从所述本体部分的两端和中部延伸出的三个凸出部分，所述三个凸出部分沿所述直线方向间隔排列；

所述馈电柱的一端连接所述三个凸出部分中的中间凸出部分的末端；

所述周期性金属覆层结构设置在所述辐射天线阵列的上方，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，所述周期性排列的金属图案包括二维矩阵状排列的方形金属片，其中，所述二维矩阵的行方向为所述直线方向；

所述周期性金属覆层结构与所述辐射天线阵列之间保持一定距离。

2.根据权利要求1所述的宽角扫描的毫米波阵列天线，其特征在于，所述辐射天线阵列的下部依次包括第一介质基板、第一金属地层、第二介质基板、第二金属地层；

所述第二介质基板上开设有金属化通孔；

所述第二金属地层用于焊接测试接头，所述测试接头用于连接测试设备。

3.根据权利要求2所述的宽角扫描的毫米波阵列天线，其特征在于，所述馈电柱的另一端依次穿过所述第一介质基板、所述第一金属地层、所述第二介质基板，与所述第二金属地层上测试接头的焊接处连接。

4.根据权利要求1至3任一所述的宽角扫描的毫米波阵列天线，其特征在于，所述辐射天线阵列与所述周期性金属覆层结构的边角设置固定结构，所述固定结构用于保持所述辐射天线阵列和所述周期性金属覆层结构的位置相对固定且高度可调。

5.根据权利要求4所述的宽角扫描的毫米波阵列天线，其特征在于，所述固定结构包括周期性金属覆层结构的介质层的凸出部分，以及所述辐射天线阵列的介质基板的凸出部分，两个凸出部分上设有位置对应的安装孔，螺栓和螺母穿过所述安装孔进行固定。

Images