CN113540765B - 双频双极化天线和双频双极化天线阵列 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种双频双极化天线和双频双极化天线阵列，该双频双极化天线包括寄生单元、辐射单元、巴伦结构；辐射单元包括正交设置的第一辐射贴片组和第二辐射贴片组；第一辐射贴片组和第二辐射贴片组分别通过巴伦结构与金属地连接；寄生单元叠层设置于辐射单元远离金属地的一侧，与辐射单元的位置对应；在第一极化方向上，第一辐射贴片组与巴伦结构用于产生低频通带，第二辐射贴片组与寄生单元用于产生高频通带；在第二极化方向上，第二辐射贴片组与巴伦结构用于产生低频通带，第一辐射贴片组与寄生单元用于产生高频通带；能够实现宽带宽的双频双极化辐射特性，大大缩小了该双频双极化天线的整体尺寸，有利于天线的小型化。

Description

双频双极化天线和双频双极化天线阵列

技术领域

本申请涉及天线技术领域，特别是涉及一种双频双极化天线和双频双极化天线阵列。

背景技术

在5G通信系统中，通常采用毫米波频段来提高无线信道的容量和传输质量，目前，全球5G通信系统的工作频段普遍为24.25-29.5GHz和37-43.5GHz两个毫米波频段，而对于工作在这两个毫米波频段的天线的设计要求也越来越趋向于天线的小型化、集成化以及多极化。

现有的双频双极化天线由于能够同时实现多频段工作和双极化工作，在5G通信系统中的应用越来越多，该双频双极化天线通常是通过参数调整的方式使得一个天线贴片可以工作在多个不同的频段；例如：如果要同时实现24.25-29.5GHz和37-43.5GHz两个频段，那么可以通过调整参数使得该双频双极化天线能够工作在24.25-29.5GHz和37-43.5GHz两个频段；但是，现有技术中通过参数调整的方式仅能实现这两个频段中的部分频段，工作带宽较窄，也就是无法完整覆盖24.25-29.5GHz和37-43.5GHz两个频段。

然而，为了扩展该双频双极化天线的带宽，通常需要多个这样的天线贴片，导致该双频双极化天线的尺寸较大，不利于天线的小型化设计。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够在展宽双频双极化天线带宽的同时，缩小该双频双极化天线尺寸的双频双极化天线和双频双极化天线阵列。

第一方面，提供了一种双频双极化天线，该双频双极化天线包括：寄生单元、辐射单元、巴伦结构；辐射单元包括正交设置的第一辐射贴片组和第二辐射贴片组；第一辐射贴片组和第二辐射贴片组分别通过巴伦结构与金属地连接；

寄生单元叠层设置于辐射单元远离金属地的一侧，与辐射单元的位置对应；

在第一极化方向上，第一辐射贴片组与巴伦结构用于产生低频通带，第二辐射贴片组与寄生单元用于产生高频通带；在第二极化方向上，第二辐射贴片组与巴伦结构用于产生低频通带，第一辐射贴片组与寄生单元用于产生高频通带。

在其中一个实施例中，第一辐射贴片组和第二辐射贴片组上设置有缺陷结构，该缺陷结构用于在高频通带和低频通带之间的阻带内形成第一辐射零点。

在其中一个实施例中，该缺陷结构为缝隙结构；该缝隙结构的尺寸与第一辐射零点在阻带内的位置相关。

在其中一个实施例中，该缝隙结构为U形缝隙结构，该U形缝隙结构的凹口朝向辐射单元的内侧。

在其中一个实施例中，该缺陷结构为凹陷结构；该凹陷结构的凹口朝向辐射单元的外侧。

在其中一个实施例中，第一辐射贴片组包括两个相对设置的辐射贴片，第二辐射贴片组包括两个相对设置的辐射贴片；每个辐射贴片分别通过一个巴伦结构与金属地连接；

寄生单元包括4个寄生贴片，分别与辐射贴片位置对应；该寄生贴片用于在高频通带和低频通带之间的阻带内形成第二辐射零点，寄生贴片的大小与第二辐射零点在阻带内的位置相关。

在其中一个实施例中，第一辐射贴片组的两个辐射贴片和第二辐射贴片组的两个辐射贴片在正交处设置有内侧切角，该内侧切角用于聚拢各辐射贴片。

在其中一个实施例中，巴伦结构为多层金属柱，以及设置于相邻两层金属柱之间的金属贴片形成的折叠巴伦结构；多层金属柱垂直设置于辐射贴片与金属地之间。

在其中一个实施例中，双频双极化天线还包括馈电结构；

馈电结构包括第一极化馈电单元和第二极化馈电单元，第一辐射贴片组用于耦合第一极化馈电单元的信号；第二辐射贴片组用于耦合第二极化馈电单元的信号。

在其中一个实施例中，第一极化馈电单元和第二极化馈电单元为倒L型馈电结构，该倒L型馈电结构包括短路柱和馈电线；

短路柱通过金属地上的过孔与外部馈电单元连接，短路柱穿过各辐射贴片围成的区域与馈电线连接，馈电线与寄生单元共面。

在其中一个实施例中，第一极化馈电单元的第一馈电线与第二极化馈电单元的第二馈电线正交设置；在第一馈电线与第二馈电线的交叉位置，通过换层连接实现极化隔离。

在其中一个实施例中，寄生单元靠近金属地的一侧垂直连接金属结构；该金属结构由至少一个垂直金属柱组成。

第二方面，提供了一种双频双极化天线阵列，该双频双极化天线阵列包括N×M个上述第一方面中任一实施例中的双频双极化天线；其中，相邻两列的双频双极化天线之间呈镜像对称设置。

上述双频双极化天线和双频双极化天线阵列，该双频双极化天线包括寄生单元、辐射单元、巴伦结构；该辐射单元包括正交设置的第一辐射贴片组和第二辐射贴片组；第一辐射贴片组和第二辐射贴片组分别通过巴伦结构与金属地连接；寄生单元叠层设置于辐射单元远离金属地的一侧，与辐射单元的位置对应；在第一极化方向上，第一辐射贴片组与巴伦结构用于产生低频通带，第二辐射贴片组与寄生单元用于产生高频通带；在第二极化方向上，第二辐射贴片组与巴伦结构用于产生低频通带，第一辐射贴片组与寄生单元用于产生高频通带；也就是说，本申请实施例中的双频双极化天线能够通过正交对称设置的两组辐射贴片结合寄生单元和巴伦结构，在同一极化方向上，两组辐射贴片分别工作在不同的工作模式，以产生两个不同的频段，实现双频双极化的辐射特性；相比于现有技术中通过增加多个多频段天线贴片来增加天线的带宽的方式，本申请实施例中的双频双极化天线仅需通过两组正交的辐射贴片结合寄生单元和巴伦结构，就能实现宽带宽的双频双极化辐射特性，即通过寄生单元展宽双频双极化天线带宽的同时，大大缩小了该双频双极化天线的整体尺寸，有利于天线的小型化。

附图说明

图1为本申请实施例提供的一种双频双极化天线的立体结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种双频双极化天线的侧视结构示意图；

图3为本申请实施例提供的一种寄生贴片的结构示意图；

图4为本申请实施例提供的一种辐射贴片的结构示意图；

图5为本申请实施例提供的一种双频辐射模式原理图；

图6为本申请实施例提供的另一种辐射贴片的结构示意图；

图7为本申请实施例提供的另一种辐射贴片的结构示意图；

图8为本申请实施例提供的另一种辐射贴片的结构示意图；

图9为本申请实施例提供的一种寄生单元和辐射单元的结构示意图；

图10为本申请实施例提供的另一种寄生单元和辐射单元的结构示意图；

图11为本申请实施例提供的一种巴伦结构的立体结构示意图；

图12为本申请实施例提供的另一种巴伦结构的立体结构示意图；

图13为本申请实施例提供的一种馈电结构的立体结构示意图；

图14为本申请实施例提供的另一种馈电结构的立体结构示意图；

图15为本申请实施例提供的另一种馈电结构的立体结构示意图；

图16为本申请实施例提供的另一种寄生贴片的立体结构示意图；

图17为本申请实施例提供的另一种双频双极化天线的的立体结构示意图；

图18为本申请实施例提供的另一种双频双极化天线的的侧视结构示意图；

图19为本申请实施例提供的一种双频双极化天线的两个端口的回波损耗与极化隔离曲线仿真结果图；

图20为本申请实施例提供的一种双频双极化天线的两个端口的增益曲线仿真结果图；

图21为本申请实施例提供的另一种双频双极化天线的立体结构示意图；

图22为本申请实施例提供的另一种双频双极化天线的侧视结构示意图；

图23为本申请实施例提供的一种2×2天线阵列的结构示意图；

图24为本申请实施例提供的一种2×2天线阵列的有源回波损耗仿真结果图；

图25为本申请实施例提供的一种2×2天线阵列的增益曲线仿真结果图；

图26为本申请实施例提供的一种2×2天线阵列在27GHz处的波束扫描仿真结果图；

图27为本申请实施例提供的一种2×2天线阵列在40GHz处的波束扫描仿真结果图。

附图标记说明：

10：双频双极化天线；11：寄生单元；12：辐射单元；13：巴伦结构；

14：金属地；15：馈电结构；121：第一辐射贴片组；

122：第二辐射贴片组；123：辐射贴片上的缺陷结构；131：第一层金属柱；

132：第一金属贴片；133：第二层金属柱；134：第二金属贴片；

135：第三层金属柱；151：第一极化馈电单元；152：第二极化馈电单元；

161：短路柱；162：馈电线；1621：第一极化馈电单元的第一馈电线；

1622：第二极化馈电单元的第二馈电线；163：带状线；164：馈电接口。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请实施方式作进一步地详细描述。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请实施例。但是本申请实施例能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请实施例内涵的情况下做类似改进，因此本申请实施例不受下面公开的具体实施例的限制。

在本申请实施例的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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申请实施例和简化描述，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申请实施例的限制。

此外，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者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请实施例的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本申请实施例中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请实施例中的具体含义。

在本申请实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本申请实施例所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

本申请实施例提供一种双频双极化天线，其立体结构图如图1所示，侧视结构图如图2所示。其中，该双频双极化天线10包括：寄生单元11、辐射单元12、巴伦结构13；辐射单元12包括正交设置的第一辐射贴片组121和第二辐射贴片组122；第一辐射贴片组121和第二辐射贴片组122分别通过巴伦结构13与金属地14连接；寄生单元11叠层设置于辐射单元12远离金属地14的一侧，与辐射单元12的位置对应；在第一极化方向上，第一辐射贴片组121与巴伦结构13用于产生低频通带，第二辐射贴片组122与寄生单元11用于产生高频通带；在第二极化方向上，第二辐射贴片组122与巴伦结构13用于产生低频通带，第一辐射贴片组121与寄生单元11用于产生高频通带。

可选地，该第一辐射贴片组121可以包括至少两个辐射贴片，该第二辐射贴片组122也可以包括至少两个辐射贴片，且第一辐射贴片组121和第二辐射贴片组122的辐射贴片数量一致，即第一辐射贴片组121和第二辐射贴片组122正交对称；对于每一个辐射贴片可以通过一个巴伦结构13与金属地14连接，可选地，该巴伦结构13可以包括一排金属柱（该一排金属柱中包括至少一个金属柱），该一排金属柱与辐射贴片靠近正交处的内边缘电连接；对于寄生单元11可以包括与辐射单元12相同数量的寄生贴片，叠层设置在每一个辐射贴片远离金属地14的一侧，例如图1和图2中的寄生贴片可以间隔一定高度设置在辐射贴片的上方；其中，该寄生贴片能够展宽天线的带宽，增加天线高频通带内的增益，并使天线整体尺寸有所减少。

可选地，该寄生贴片可以为矩形贴片，如图3所示；也可以为其他形状的贴片，例如圆形、扇形、三角形、四边形、五边形或者六边形等，本申请实施例对此并不做限定，实际应用中可根据天线设计需求灵活设置，只要由该寄生贴片组成的寄生单元为正交对称即可。

可选地，该辐射贴片可以为矩形贴片，也可以为将矩形中靠近正交处的边缘的两侧角切除后形成的具有内侧切角的六边形结构贴片，如图4所示；还可以为其他形状的具有内侧切角或者不具有内侧切角的任意形状的切片等，本申请实施例对此并不做限定，实际应用中可根据天线设计需求灵活设置，只要由该辐射贴片组成的辐射单元为正交对称即可。

可选地，该第一辐射贴片组121和第二辐射贴片组122可以根据不同的天线极化方向正交设置，例如：0°和90°正交设置、＋45°和－45°正交设置等；在不同的极化方向上，该第一辐射贴片组121和第二辐射贴片组122工作在不同的工作模式，用于产生两个不同的通带；例如：如图5所示，第一辐射贴片组121可以为上下设置的两个辐射贴片，第二辐射贴片组122可以为左右设置的两个辐射贴片；在第一（如0°）极化方向上，该第一辐射贴片组121（上下两个辐射贴片）与巴伦结构共同形成偶极子天线工作模式，相当于偶极子天线，用于产生低频通带，该低频通带可以为24.25-29.5GHz频段，此时，该上下两个辐射贴片作为低频辐射贴片，由该上下两个辐射贴片上的电流辐射；该第二辐射贴片组122（左右两个辐射贴片）与寄生单元共同形成叠层贴片天线工作模式，相当于贴片天线，用于产生高频通带，该高频通带可以为37-43.5GHz频段，此时，该左右两个辐射贴片作为高频辐射贴片，由该左右两个辐射贴片上的切向电流辐射。

相反的，在第二（如90°）极化方向上，该第二辐射贴片组122（左右两个辐射贴片）与巴伦结构共同形成偶极子天线工作模式，相当于偶极子天线，用于产生低频通带，该低频通带可以为24.25-29.5GHz频段，此时，该左右两个辐射贴片作为低频辐射贴片，由该左右两个辐射贴片上的电流辐射；该第一辐射贴片组121（上下两个辐射贴片）与寄生单元共同形成叠层贴片天线工作模式，相当于贴片天线，用于产生高频通带，该高频通带可以为37-43.5GHz频段，此时，该上下两个辐射贴片作为高频辐射贴片，由该上下两个辐射贴片上的切向电流辐射。

本实施例中，双频双极化天线包括寄生单元、辐射单元、巴伦结构；该辐射单元包括正交设置的第一辐射贴片组和第二辐射贴片组；第一辐射贴片组和第二辐射贴片组分别通过巴伦结构与金属地连接；寄生单元叠层设置于辐射单元远离金属地的一侧，与辐射单元的位置对应；在第一极化方向上，第一辐射贴片组与巴伦结构用于产生低频通带，第二辐射贴片组与寄生单元用于产生高频通带；在第二极化方向上，第二辐射贴片组与巴伦结构用于产生低频通带，第一辐射贴片组与寄生单元用于产生高频通带；也就是说，本申请实施例中的双频双极化天线能够通过正交对称设置的两组辐射贴片结合寄生单元和巴伦结构，在同一极化方向上，两组辐射贴片分别工作在不同的工作模式，以产生两个不同的频段，实现双频双极化的辐射特性；相比于现有技术中通过增加多个多频段天线贴片来增加天线的带宽的方式，本申请实施例中的双频双极化天线仅需通过两组正交的辐射贴片结合寄生单元和巴伦结构，就能实现宽带宽的双频双极化辐射特性，即通过寄生单元展宽双频双极化天线带宽的同时，大大缩小了该双频双极化天线的整体尺寸，有利于天线的小型化。

在一个实施例中，如图6所示，上述第一辐射贴片组121和第二辐射贴片组122上还可以设置有缺陷结构123，该缺陷结构123用于在高频通带和低频通带之间的阻带内形成第一辐射零点；可选地，该缺陷结构123可以为该辐射贴片上的缝隙结构，即缝隙结构123可以为矩形缝隙、弧形缝隙、U形缝隙、V形缝隙或者任意非闭合形的缝隙结构等，该缝隙结构123的尺寸与第一辐射零点在阻带内的位置相关，即通过调整该缝隙结构的尺寸，可以控制该第一辐射零点在阻带内的位置；需要说明的是，本申请实施例对该缝隙结构的形状和尺寸大小并不做限定，以及对该缝隙结构在该辐射贴片上位置和方向也并不做限定。

本实施例中，通过在第一辐射贴片组和第二辐射贴片组上设置有缺陷结构，能够在高频通带和低频通带之间的阻带内形成第一辐射零点，该第一辐射零点能够降低阻带内各频率点的电磁波信号的增益，提高带外抑制能力，进而提高天线的带阻滤波效果。

在一个实施例中，如图7所示，上述缝隙结构123可以为U形缝隙结构，该U形缝隙结构的凹口朝向辐射单元的内侧；在辐射贴片上增加该U形缝隙结构，可以延长辐射贴片上的电流路径，产生附加谐振模式，增加天线带宽；另外，该U形缝隙的长度（即图7中的L1+2L2）可以为该第一辐射零点对应的频率的二分之一波长的等效电长度，通过调节该U形缝隙的长宽比（即图6中的L1/L2），可以调节该第一辐射零点在阻带内的位置，即可以调节增益曲线频率选择性和带外抑制能力。

本实施例中，通过在每个辐射贴片上增加U形缝隙结构，并将该U形缝隙结构的凹口朝向辐射单元的内侧，便于通过调整该U形缝隙结构的长宽比，灵活调整第一辐射零点在阻带内的位置，提高操作便捷性，进而增强天线的带阻滤波效果。

在一个实施例中，如图8所示，上述缺陷结构123还可以为凹陷结构；该凹陷结构的凹口朝向辐射单元的外侧；即该辐射贴片还可以为具有凹陷结构的U形结构，可选地，该辐射贴片还可以为具有凹陷结构的V形结构，或者具有凹陷结构的其他形状等，例如：C形结构，本申请实施例中对具有凹陷结构的辐射贴片的具体形状并不做限定。可选地，该具有凹陷结构的辐射贴片还可以为具有两个内侧切角的辐射贴片，以聚拢各辐射贴片，进一步缩小天线的整体尺寸。

本实施例中，通过采用具有凹陷结构，且该凹陷结构的凹口朝向辐射单元外侧的辐射贴片，能够实现天线的阻抗匹配，即可以直接通过调整凹陷结构的形状以及凹陷结构的尺寸进行天线的阻抗匹配，从而能够避免增加额外的阻抗匹配结构，能够简化天线的结构，提高天线阻抗匹配的效率。

在一个实施例中，第一辐射贴片组121包括两个相对设置的辐射贴片，第二辐射贴片组122包括两个相对设置的辐射贴片；每个辐射贴片分别通过一个巴伦结构13与金属地14连接；寄生单元11包括4个寄生贴片，分别与辐射贴片位置对应，通过辐射贴片耦合馈电；该寄生贴片用于在高频通带和低频通带之间的阻带内形成第二辐射零点，寄生贴片的大小与第二辐射零点在阻带内的位置相关。

在本实施例的一个可选的天线结构中，该寄生单元和辐射单元的形状可以如图9所示，其中，该寄生单元11中的每一个寄生贴片为矩形贴片，该辐射单元12中的每一个辐射贴片为具有内侧切角和U形缝隙结构的六边形贴片，该天线可以工作在0°和90°极化方向上，实现双频双极化辐射性能。

在本实施例的另一个可选的天线结构中，该寄生单元和辐射单元的形状可以如图10所示，该寄生单元11中的每一个寄生贴片为六边形贴片，该辐射单元12中的每一个辐射贴片为具有内侧切角和U形凹陷结构的U形贴片，该天线可以工作在＋45°和－45°极化方向上，实现双频双极化辐射性能。

可选地，在上述两种天线结构中，适当调节寄生贴片的大小，可以控制阻带内第二辐射零点的位置，该第二辐射零点越靠近通带时，增益曲线频率选择性越好，该第二辐射零点越远离通带时，增益曲线带外抑制性能越好；可选地，寄生贴片越大，该第二辐射零点的位置越向低频方向移动；另外，该寄生贴片与辐射贴片之间的距离和相对位置还可以影响天线高频处的匹配，也就是说，通过调整寄生贴片与辐射贴片之间的距离和相对位置，能够实现更好的天线匹配，提高天线的性能。

本实施例中，第一辐射贴片组包括两个相对设置的辐射贴片，第二辐射贴片组包括两个相对设置的辐射贴片；每个辐射贴片分别通过一个巴伦结构与金属地连接；寄生单元包括4个寄生贴片，分别与辐射贴片位置对应；该寄生贴片用于在高频通带和低频通带之间的阻带内形成第二辐射零点，寄生贴片的大小与第二辐射零点在阻带内的位置相关；即本申请实施例中，通过正交设置的四个辐射贴片结合四个寄生贴片，能够实现宽带宽的双频双极化的辐射性能，且有利于天线的小型化。

在一个实施例中，上述巴伦结构13可以为多层金属柱，以及设置于相邻两层金属柱之间的金属贴片形成的折叠巴伦结构；该多层金属柱垂直设置于辐射贴片与金属地之间，每一层金属柱被金属贴片折叠，通过该折叠巴伦结构，在同样高度条件下（即辐射贴片和金属地之间的高度），电流的流通路径可以增加在金属贴片上流动的路径，那么通过适当调节该金属贴片的宽度来设计水平距离，可以延长电流路径，进行能够降低辐射贴片和金属地之间的高度，即实现天线的低剖面设计。

可选地，每一层金属柱可以包括多个金属柱（金属柱也可以称之为金属化过孔），每一层的多个金属柱位于同一轴线上，不同层的金属柱的轴线之间存在一定的间隔距离，其中，该轴线可以与金属贴片的一个边平行或者垂直。

在本实施例的一个可选的巴伦结构中，如图11所示，该巴伦结构可以采用两层折叠巴伦结构，包括第一层金属柱131、金属贴片132和第二层金属柱133，其中，第一层金属柱131设置在该金属贴片132的上方，第二层金属柱133设置在金属贴片132的下方，第一层金属柱131与辐射贴片电连接，第二层金属柱133与金属地14电连接。

在本实施例的另一个可选的巴伦结构中，如图12所示，该巴伦结构可以采用三层折叠巴伦结构，包括第一层金属柱131、第一金属贴片132、第二层金属柱133、第二金属贴片134和第三层金属柱135，其中，第一层金属柱131设置在第一金属贴片132的上方，第二层金属柱133设置在第一金属贴片132和第二金属贴片134之间，第三层金属柱135设置在第二金属贴片134的下方，第一层金属柱131与辐射贴片电连接，第三层金属柱135与金属地14电连接。

需要说明的是，上述图11和图12只是作为对折叠巴伦结构的两种举例说明，并不用于对该折叠巴伦结构的限定，在实际天线结构设计中，可以根据天线的性能需求和工艺要求灵活设置该巴伦结构。

本实施例中，巴伦结构为多层金属柱，以及设置于相邻两层金属柱之间的金属贴片形成的折叠巴伦结构，该多层金属柱垂直设置于辐射贴片与金属地之间；通过多层折叠巴伦结构，能够降低辐射贴片和金属地之间的高度，实现天线的低剖面，进一步降低天线的尺寸。

在一个实施例中，如图13所示，上述双频双极化天线还包括馈电结构15；该馈电结构15包括第一极化馈电单元151和第二极化馈电单元152，第一辐射贴片组121用于耦合第一极化馈电单元151的信号；第二辐射贴片组122用于耦合第二极化馈电单元152的信号。

可选地，该第一极化馈电单元151和第二极化馈电单元152可以为倒L型馈电结构，该倒L型馈电结构包括短路柱161和馈电线162；该短路柱161通过金属地14上的过孔与外部馈电单元连接，短路柱161穿过各辐射贴片围成的区域与馈电线162连接，馈电线162与寄生单元11共面；可选地，该外部馈电单元可以为同轴线缆，也就是说，该短路柱161通过金属地14上的过孔与同轴线缆的内芯连接，以便外部供电设备可以通过该同轴线缆向该短路柱馈电。

可选地，该第一极化馈电单元151的馈电线162和第二极化馈电单元152的馈电线162正交设置，且该第一极化馈电单元151的馈电线162和第二极化馈电单元152的馈电线162间隔一定距离上下设置，以实现极化隔离。

可选地，为了提高天线的阻抗匹配（50Ω的阻抗匹配）性能，在馈电线162的末端还可以增加宽度可调的馈电线，构成T形馈电线结构。

本实施例中，该双频双极化天线还包括馈电结构；该馈电结构包括第一极化馈电单元和第二极化馈电单元，第一辐射贴片组用于耦合第一极化馈电单元的信号，第二辐射贴片组用于耦合第二极化馈电单元的信号；第一极化馈电单元和第二极化馈电单元为倒L型馈电结构，该倒L型馈电结构包括短路柱和馈电线；短路柱通过金属地上的过孔与外部馈电单元连接，短路柱穿过各辐射贴片围成的区域与馈电线连接，馈电线与寄生单元共面；本申请实施例中的双频双极化天线，通过倒L型馈电结构，将外部馈电单元输入的电流信号通过短路柱流至馈电线，接着通过馈电线和辐射贴片之间的耦合作用，将电流信号耦合至辐射贴片，能够提高天线馈电的可靠性；另外，本申请中的馈电结构，通过馈电线与辐射贴片间隔设置形成耦合，还可以在一定程度上展宽天线的阻抗带宽，实现宽带宽的双频双极化辐射性能。

在一个实施例中，如图14所示，上述第一极化馈电单元151的第一馈电线1621与第二极化馈电单元152的第二馈电线1622正交设置；在第一馈电线1621与第二馈电线1622的交叉位置，通过换层连接实现极化隔离；可选地，对于其中一条馈电线，在交叉位置，可以通过两个短路柱和一条馈电线建立空气桥，使得该馈电线的交叉位置的部分馈电线位于不同层，实现两条馈电线之间的极化隔离；例如：对于第一极化馈电单元151的第一馈电线1621，在交叉位置，通过两个短路柱和一条馈电线建立空气桥，以避免第一馈电线1621和第二馈电线1622在正交位置重叠，提高天线的极化隔离度。

可选地，为了提高天线的阻抗匹配（50Ω的阻抗匹配）性能，在馈电线162的末端还可以增加宽度可调的馈电线，构成T形馈电线结构。

本实施例中，第一极化馈电单元的第一馈电线与第二极化馈电单元的第二馈电线正交设置，并在第一馈电线与第二馈电线的交叉位置，通过换层连接实现极化隔离，能够提高极化隔离度，即实现高极化隔离度。

在一个实施例中，如图15所示，上述馈电结构15还可以包括外部馈电接口单元，该外部馈电接口单元包括与短路柱161远离馈电线162的一端连接的带状线163和馈电接口164，本申请实施例中对馈电接口164的形式并不做限定；外部供电设备可以通过同轴线缆连接该馈电接口164，通过该馈电接口164输入电流信号，并通过带状线163将该电流信号传输至短路柱161，进而传输至馈电线162，馈电线162通过与辐射贴片之间的耦合作用，向辐射贴片馈电。

本实施例中，通过在馈电结构的短路柱下方连接带状线和馈电接口，相当于为该双频双极化天线提供可连接的馈电接口，以便于外部供电设备通过该馈电接口为该天线进行馈电，提高了为天线馈电的便捷性。

在一个实施例中，如图16所示，上述寄生单元靠近金属地的一侧垂直连接金属结构；该金属结构由至少一个垂直金属柱（也即金属化过孔）组成；也就是说，对于寄生单元中的每一个寄生贴片在靠近金属地的一侧均垂直连接一金属结构；可选地，为了满足AIP加工要求，可以通过一根金属化过孔与寄生贴片电性连接，并与下方对称的四根金属化过孔电性连接；需要说明的是，该垂直金属结构不局限于金属过孔，也可以包括通过产生垂直电流拓宽波宽的其他金属结构。进一步地，在该垂直金属结构产生的垂直化电流的作用下，能进一步展宽天线波宽（即天线的波束宽度），增强天线在阵列中的波束扫描能力；此外，该垂直金属结构还能稳定天线单元方向图，改善不同频率方向图的一致性，即针对现有技术中频率越大，波束越窄的问题，通过本申请实施例中的垂直金属结构，能够增加不同频率的波束宽度，使得不同频率的波束宽窄基本保持一致；另外，由于该垂直金属结构能够增加电流路径，因此，在相同电流路径下，可以减少寄生贴片的长度，从而更有利于天线的小型化设计。

在一个实施例中，如图17所示，为一种可选的双频双极化天线的立体结构示意图，该天线结构为由上述图9、图11和图14组成的天线结构，其侧视结构图如图18所示；该天线结构的天线高度H=0.9mm，天线宽度L=4.9mm；该天线结构的散射（Scatter，简称S）参数图如图19所示，其中，S11表示端口1的回波损耗，S22表示端口2的回波损耗，S21表示端口1到端口2的传输系数，从图19中可以看到，两端口共有的阻抗带宽为24-30GHz、37-45GHz，回波损耗均在-10dB以下；通带内两端口的隔离较好，极化隔离始终保持在20dB以上。

该天线结构的增益曲线图如图20所示，从图中可以看到，在工作频带内天线增益平稳，低频增益在5.9dBi以上，高频增益在4.9dBi以上；在阻带30-37GHz有两个辐射零点，分别由寄生单元和U形缝隙结构引入，从而在阻带实现了较好的增益抑制能力。

本实施例中的双频双极化天线，具有如下优点：

（1）本实施例中的双频双极化天线结构简单，成本低廉，无需额外的滤波电路，通过加载寄生贴片、缝隙结构的方式实现了带阻滤波特性，从而避免引入额外的插损，实现了较好的双频效果，通带内辐射方向图稳定，通带外增益抑制效果明显；

（2）该双频双极化天线具有低剖面、小型化、宽带宽、高增益的特点，克服了目前双频双极化天线设计不能兼顾低剖面和宽带宽的难点，该双频双极化天线能够通过折叠巴伦结构降低天线高度，通过加载寄生贴片扩宽天线高频带宽、减少了天线尺寸；

（3）该双频双极化天线实现了双极化辐射特性，且极化隔离度高，方向图波瓣稳定，天线的交叉极化低；

（4）该双频双极化天线只有水平与垂直结构，没有倾斜结构的加入，大大减少了加工难度，符合AIP加工工艺，天线稳定性较高；

（5）通过本实施例中的双频双极化天线组成的天线阵列，整体结构采用AIP工艺封装设计，成本低，可靠性强，并且天线阵列具有较强的波束扫描能力。

在一个实施例中，如图21所示，为另一种可选的双频双极化天线的立体结构示意图，该天线结构为由上述图10、图12、图15和图16组成的天线结构，其侧视结构图如图22所示；该天线结构的天线高度H=0.838mm，天线宽度L=4.6mm；通过本实施例中的双频双极化天线可以组成天线阵列，例如，通过本实施例中的双频双极化天线组成2×2的天线阵列，如图23所示，其中，单元2的摆放与单元1成镜像对称，单元4的摆放与单元3成镜像对称，天线摆放间隔为4.8mm，阵列整体尺寸为9.6mm×9.6mm。

如图24所示，为该2×2的天线阵列的有源S参数图，其中：Active S(1:1)、ActiveS(4:1)、Active S(6:1)、Active S(7:1)分别表示端口1、4、6、7的有源回波损耗，从图24中可以看到，两个极化方向（＋45°和－45°）共有的阻抗带宽为24-30GHz和37-43.5GHz，有源回波损耗均在-10dB以下。

如图25所示，为该2×2的天线阵列的增益曲线图，从图25中可以看到，在工作频带内天线阵列增益平稳，低频增益在8.3dBi以上，高频增益在11.5dBi以上；在阻带30-37GHz存在一个辐射零点，由寄生单元引入，从而在阻带内实现了较好的增益抑制能力。

如图26所示，为该2×2的天线阵列在27GHz处的波束扫描增益曲线图，从图26中可以看到，天线在yoz面波束扫描到－45°时增益为7.85dBi，对比不扫描时的天线，增益下降了1.3dB，并且，该天线阵列在整个低频通带（24GHz~30GHz）内，天线波束扫描到±45°时，对比不扫描时的天线，增益下降均在2dB以内。

如图27所示，为该2×2的天线阵列在40GHz处的波束扫描增益曲线图，从图27中可以看到，天线在yoz面波束扫描到±45°时增益为7.3dBi，对比不扫描时的天线，增益下降了5.1dB，并且，该天线阵列在整个高频通带（37GHz~43.5GHz）内，天线波束扫描到±45°时，对比不扫描时的天线，增益下降均在5.5dB以内。

进一步地，本申请实施例中的双频双极化天线，其寄生贴片上的垂直金属结构能够增加该天线的通带内波宽15-20°，从而能够增强2×2天线阵列的波束扫描能力；此外，在寄生贴片上加载垂直金属结构还可以稳定天线方向图，改善不同频率方向图的一致性，并可减少寄生贴片长度，利于天线的小型化设计。

本实施例中的双频双极化天线，可以实现具有高选择性带阻滤波的双频辐射性能和高极化隔离度，又可以保证在实现宽带的同时降低剖面高度，并在双频通带内具有稳定的辐射方向图。

在一个实施例中，提供了一种双频双极化天线阵列，该双频双极化天线阵列包括N×M个上述双频双极化天线；其中，相邻两列的双频双极化天线之间呈镜像对称设置；例如：如图23所示，为采用图21的双频双极化天线组成的2×2的双频双极化天线阵列。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (12)

1.一种双频双极化天线，其特征在于，包括：寄生单元、辐射单元、巴伦结构；所述辐射单元包括正交设置的第一辐射贴片组和第二辐射贴片组；所述第一辐射贴片组和所述第二辐射贴片组分别通过所述巴伦结构与金属地连接；

所述寄生单元叠层设置于所述辐射单元远离所述金属地的一侧，与所述辐射单元的位置对应；

在第一极化方向上，所述第一辐射贴片组与所述巴伦结构形成偶极子天线工作模式，用于产生低频通带，所述第二辐射贴片组与所述寄生单元形成叠层贴片天线工作模式，用于产生高频通带；在第二极化方向上，所述第二辐射贴片组与所述巴伦结构形成偶极子天线工作模式，用于产生低频通带，所述第一辐射贴片组与所述寄生单元形成叠层贴片天线工作模式，用于产生高频通带；

其中，所述第一辐射贴片组和所述第二辐射贴片组上设置有缺陷结构，所述缺陷结构用于在所述高频通带和所述低频通带之间的阻带内形成第一辐射零点。

2.根据权利要求1所述的双频双极化天线，其特征在于，所述缺陷结构为缝隙结构；所述缝隙结构的尺寸与所述第一辐射零点在所述阻带内的位置相关。

3.根据权利要求2所述的双频双极化天线，其特征在于，

所述缝隙结构为U形缝隙结构，所述U形缝隙结构的凹口朝向所述辐射单元的内侧。

4.根据权利要求1所述的双频双极化天线，其特征在于，所述缺陷结构为凹陷结构；所述凹陷结构的凹口朝向所述辐射单元的外侧。

5.根据权利要求1所述的双频双极化天线，其特征在于，

所述第一辐射贴片组包括两个相对设置的辐射贴片，所述第二辐射贴片组包括两个相对设置的辐射贴片；每个辐射贴片分别通过一个所述巴伦结构与金属地连接；

所述寄生单元包括4个寄生贴片，分别与所述辐射贴片位置对应；所述寄生贴片用于在所述高频通带和所述低频通带之间的阻带内形成第二辐射零点，所述寄生贴片的大小与所述第二辐射零点在所述阻带内的位置相关。

6.根据权利要求5所述的双频双极化天线，其特征在于，

所述第一辐射贴片组的两个辐射贴片和所述第二辐射贴片组的两个辐射贴片在正交处设置有内侧切角，所述内侧切角用于聚拢各所述辐射贴片。

7.根据权利要求1至6任意一项所述的双频双极化天线，其特征在于，

所述巴伦结构为多层金属柱，以及设置于相邻两层金属柱之间的金属贴片形成的折叠巴伦结构；所述多层金属柱垂直设置于所述辐射贴片与所述金属地之间。

8.根据权利要求1至6任意一项所述的双频双极化天线，其特征在于，所述双频双极化天线还包括馈电结构；

所述馈电结构包括第一极化馈电单元和第二极化馈电单元，所述第一辐射贴片组用于耦合所述第一极化馈电单元的信号；所述第二辐射贴片组用于耦合所述第二极化馈电单元的信号。

9.根据权利要求8所述的双频双极化天线，其特征在于，

所述第一极化馈电单元和所述第二极化馈电单元为倒L型馈电结构，所述倒L型馈电结构包括短路柱和馈电线；

所述短路柱通过所述金属地上的过孔与外部馈电单元连接，所述短路柱穿过各所述辐射贴片围成的区域与所述馈电线连接，所述馈电线与所述寄生单元共面。

10.根据权利要求9所述的双频双极化天线，其特征在于，

所述第一极化馈电单元的第一馈电线与所述第二极化馈电单元的第二馈电线正交设置；在所述第一馈电线与所述第二馈电线的交叉位置，通过换层连接实现极化隔离。

11.根据权利要求1至6任意一项所述的双频双极化天线，其特征在于，

所述寄生单元靠近金属地的一侧垂直连接金属结构；所述金属结构由至少一个垂直金属柱组成。

12.一种双频双极化天线阵列，其特征在于，所述双频双极化天线阵列包括N×M个上述权利要求1至11任一项所述的双频双极化天线；其中，相邻两列的所述双频双极化天线之间呈镜像对称设置。

Images