CN113964508A - 宽带双极化毫米波天线及其宽角扫描阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的宽带双极化毫米波天线及其宽角扫描阵列。所述天线包括多层介质层、振子辐射面结构、巴伦馈电结构、寄生贴片加载结构、金属地以及位于金属地下方的馈电微带线，振子辐射面结构、巴伦馈电结构、寄生贴片加载结构、金属地和馈电微带线均设置在多层介质层上；振子辐射面结构包括四个振子辐射面；巴伦馈电结构包括两个巴伦馈电单元；寄生贴片加载结构位于巴伦馈电结构上方。所述阵列包括多个呈阵列排布的宽带双极化毫米波天线。其体积小，剖面低，阻抗带宽宽且实现双极化，并且单元波宽宽，组成阵列后扫描角大。

Description

宽带双极化毫米波天线及其宽角扫描阵列
技术领域
本发明属于天线领域，尤其涉及宽带双极化毫米波天线及其宽角扫描阵列。
背景技术
相比于传统的通信频段亚6GHz，毫米波通信凭借其频谱丰富的优势，成为现如今5G应用的关键推动技术。首先，毫米波段具有极宽的带宽，是微波以下频段全部带宽的10倍，现如今频率资源日益紧张，因此毫米波通信更具吸引力。其次，毫米波天线阵列具有较窄的辐射波束，窄的波束在分辨率，即在分辨距离近的物体方面性能更佳。除此之外毫米波通信具有较高的信号传输质量，一方面由于高频段的干扰源极少，毫米波信道非常稳定可靠，另一方面，通信信号在自由空间传输过程中将会受到一定的阻挡，比如沙尘，烟雾，普通频段的信号将会被严重影响而导致中断，但是毫米波段的信号能够穿透这类物质，信号质量保持良好。宽带毫米波天线作为毫米波无线系统中关键器件急需要被设计和开发。为了实现更好的信号发射和接收能力，需要毫米波阵列天线具有宽覆盖和多极化的性能，便于发射和接收来自任意方位的信号。所以双极化波的毫米波平面集成阵列天线具有非常好的应用前景，尤其是易于直接集成的小型化毫米波双极化平面阵列天线。
但是现有的毫米波双极化平面阵列天线仍存在以下诸多问题：现有方案剖面高，导致在在封装等低剖面环境下实现困难；现有方案的带宽普遍较窄，如中国公开发明“一种等E面与H面的宽带双极化电磁偶极子天线单元(CN110518348 A)”，采用微带缝隙耦合馈电，馈电结果复杂，且天线的前后比只有10dB，天线增益也较低，其14dB阻抗带宽(驻波<1.5)为8％，阻抗带宽较窄，又如要覆盖目前各国5G毫米波频段需要24-33GHz(约31％)带宽，现有方案很难满足；现有毫米波宽带双极化天线较少；现有方案的阵列很难实现了宽角扫描。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了宽带双极化毫米波天线及其宽角扫描阵列，其体积小，剖面低，阻抗带宽宽且实现双极化，并且单元波宽宽，组成阵列后扫描角大。
为了实现本发明目的，本发明提供的宽带双极化毫米波天线，包括多层介质层、振子辐射面结构、巴伦馈电结构、寄生贴片加载结构、金属地以及位于金属地下方的馈电微带线，
振子辐射面结构、巴伦馈电结构、寄生贴片加载结构、金属地和馈电微带线均设置在多层介质层上；
振子辐射面结构包括四个振子辐射面，每两对角设置的两个振子辐射面组成一个极化偶极子天线以实现双极化；
巴伦馈电结构包括两个巴伦馈电单元，每个巴伦馈电单元用于给一个相应设置的一个极化偶极子天线馈电，每个巴伦馈电单元均包括第二金属化过孔和馈电巴伦臂，馈电巴伦臂位于振子辐射面结构上方，将两个馈电巴伦臂定义为第一馈电巴伦臂和第二馈电巴伦臂，第一馈电巴伦臂位于第二馈电巴伦臂的上方，且两个馈电巴伦臂均通过第二金属化过孔与馈电微带线连接；
寄生贴片加载结构位于巴伦馈电结构上方。
进一步地，每个振子辐射面均采用金属贴片形成。
进一步地，金属贴片做切角处理。
如此设置可以更好地实现阻抗匹配。
进一步地，每个振子辐射面与金属地之间通过第一金属化过孔相连。
进一步地，振子辐射面上开设有振面避空区域，巴伦馈电结构穿过振面避空区域与馈电微带线连接。
进一步地，寄生贴片加载结构包括多个寄生贴片。
进一步地，寄生贴片的数量与金属贴片的数量相等或不相等。
进一步地，金属地上与第二金属化过孔相应的位置上开设有通孔作为微带线避空区域，每个第二金属化过孔的一端与馈电巴伦臂连接，另一端依次穿过振子辐射面结构和微带线避空区域后与馈电微带线连接。
其中，设置微带线避空区域是为了防止第二金属化过孔与金属地相连而造成短路。
本发明提供的宽角扫描阵列，包括多个前述的宽带双极化毫米波天线，且多个宽带双极化毫米波天线呈阵列排布。
进一步地，宽角扫描阵列的外围设置有软表面结构。
与现有技术相比，本发明能够实现的有益效果至少如下：
1、本发明采用巴伦十字交叉耦合振面结构实现了宽带双极化馈电，馈电结构新颖且实现的带宽宽和隔离度高等优点。
2、本发明设置有寄生贴片，寄生贴片不仅可以与振面进行耦合，寄生贴片之间也可以相互耦合，可以进一步扩宽了带宽，天线带宽达到了31.5％，且寄生贴片也有助于提高增益和交叉极化。
3、组阵后采用内嵌软表面结构，能有效降低表面波，提高扫描增益。
附图说明
图1是本发明实施例提供的双极化毫米波天线的整体结构示意图。
图2是本发明实施例提供的双极化毫米波天线的侧视图。
图3是本发明实施例中振面部分的结构示意图。
图4是本发明实施例中4*4宽角扫描阵列示意图。
图5是天线单元驻波示意图。
图6是天线单元隔离度示意图。
图7是水平面方向图。
图8是垂直面方向图。
图9是阵列水平面扫描的方向图。
图10是阵列垂直面扫描的方向图。
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、完整的描述，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都是本发明保护的范围。
本发明采用低温共烧陶瓷(LTCC)工艺设计的工作于24-33GHz的低剖面双极化天线作为例子说明本项发明的技术方案，但本发明同样适用于其他平面电路工艺实现，例如多层电路板工艺、HDI工艺等。本发明其中一个实施例采用多层LTCC(Ferro A6m材料)，每层介质厚度为0.094mm，来实现超低剖面、宽带、宽波束的双极化天线。
请参阅图1，本发明提供的宽带双极化毫米波天线包括多层介质层1、振子辐射面结构4、巴伦馈电结构6、寄生贴片加载结构、金属地2以及位于金属地下方的馈电微带线3。振子辐射面结构、巴伦馈电结构、寄生贴片加载结构、金属地2和馈电微带线3均设置在多层介质层1上。
振子辐射面结构包括四个振子辐射面，每两对角设置的两个振子辐射面组成一个极化偶极子天线以实现双极化，且每个振子辐射面与金属地之间通过第一金属化过孔5相连。具体地，在本发明的一些实施例中，请请参阅图3，振子辐射面采用四个金属贴片(41,42,43,44)组成双极化偶极子天线，四个金属贴片中心和轴向对称。四个金属贴片位于同一平面层，对角设置的第一金属贴片 41和第二金属贴片43组成一个极化偶极子天线，对角设置的第三金属贴片42 和第四金属贴片44组成另一个极化偶极子天线。四个金属贴片靠近对称中心区域，分别用四个第一金属化孔5与金属地2相连，可以有效抑制交叉极化。
在本发明的一些实施例中，在两个金属贴片中挖空了两个圆形区域作为振面避空区域9，方便巴伦馈电结构穿过振面进行耦合馈电。
在本发明的一些实施例中，对每个金属贴片进行切角处理，可以更好的实现阻抗匹配。
在本发明的一些实施例中，金属贴片的形状呈方形，可以理解的是，在其他实施例中，也可以呈其他形状，如圆形、多边形等。
传统的双极化电偶极子馈电，主要采用双巴伦直接对电偶极子振面馈电。传统的双极化磁偶极子主要用双巴伦对磁偶极子缝隙进行馈电。本发明与传统双极化电偶极子和磁偶极子馈电结构不同，本发明用双巴伦在不同的介质层(距离振面高度不同)对偶极子振面进行耦合馈电。
本发明中，请参阅图1和图2，巴伦馈电结构6包括两个巴伦馈电单元，每个巴伦馈电单元用于给一个相应设置的一个极化偶极子天线馈电，每个巴伦馈电单元均包括第二金属化过孔61和馈电巴伦臂，馈电巴伦臂位于振子辐射面结构4上方，将两个馈电巴伦臂定义为第一馈电巴伦臂62和第二馈电巴伦臂63，第一馈电巴伦臂62位于第二馈电巴伦臂63的上方，且两个馈电巴伦臂均通过第二金属化过孔61与馈电微带线3连接。
巴伦馈电单元为L型巴伦。
在本发明的一些实施例中，金属地2上与第二金属化过孔61相应的位置上开设有通孔作为微带线避空区域，每个第二金属化过孔61的一端与馈电巴伦臂连接，另一端依次穿过振面避空区域和微带线避空区域后与馈电微带线3连接。设置微带线避空区域是为了防止第二金属化过孔61与金属地2相连而造成短路。
在本发明的一些实施例中，馈电巴伦臂为耦合带线。第一馈电巴伦臂62位于第一金属贴片41和第二金属贴片43上方以把能量耦合到相应的振子辐射面，实现对该偶极子天线的激励。同样，第二馈电巴伦臂63在第三金属贴片42和第四金属贴片44的上方以把能量耦合到相应的振子辐射面，实现对该偶极子天线的激励。第一馈电巴伦臂62和第二馈电巴伦臂63分别在上下层且交叉排列，分别对各自极化的偶极子进行耦合馈电。
本发明在巴伦馈电结构的上方设置有寄生贴片加载结构。寄生贴片加载结构有利于阻抗匹配，进一步达到增加带宽的目的，也有利于引导电磁波传输，减少表面电流，提高振子增益。寄生贴片加载结构包括多个寄生贴片7，寄生贴片7不仅能与相应的偶极子振面相互耦合，还能在寄生贴片7之间相互耦合。在本发明的一些实施例中，设置有4片寄生贴片7，4片寄生贴片7相应设置在 4个金属贴片上方。寄生贴片数量可以与双极化偶极子金属贴片数量不等，即在其他实施例中，寄生贴片数量也可以设置成其他数值。
其中，寄生贴片加载结构离4个金属贴片越近耦合越强，寄生贴片之间的距离越近耦合越强，当他们之间的距离达到预设的高度或者距离时，能实现宽的阻抗带宽和高的增益。
首先，在现有的研究方案中，本发明采用振面巴伦耦合馈电结构，实现了宽带双极化性能，采用寄生贴片加载机构，进一步扩宽了带宽，如图5所示，在频率为24-33GHz范围内，驻波小于1.5。
一般天线隔离度只有14dB左右，如图6所示，本发明的天线异极化隔离度高达到了22dB，高隔离能提高不同通道之间抗干扰能力。
一般天线交叉极化只有15dB左右，如图7、8所示，本发明天线的轴向交叉极化高，达到了30dB。高交叉极化能提高不同通道之间抗干扰能力。
本发明的振子辐射面结构、巴伦馈电结构均为平面结构，天线剖面低且平面集成度高，可以与芯片高度集成，而且单元波宽宽组阵后能实现了双极化水平面和垂直面±60度范围内扫描。
本发明实施例提供的毫米波天线采用多层平面结构，整体结构尺寸非常紧凑，且易于芯片集成。本发明天线单元波宽宽，隔离度高，交叉极化高。
本发明中，还提供了采用前述宽带双极化毫米波天线组成的宽角扫描阵列。宽角扫描阵列包括多个前述宽带双极化毫米波天线，且多个宽带双极化毫米波天线呈阵列排布。
在本发明的一些实施例中，宽角扫描阵列中包括16个宽带双极化毫米波天线，呈4*4阵列排布。可以理解的是，在其他实施例中，宽带双极化毫米波天线的数值可以根据需要进行改变。
在本发明的一些实施例中，在阵列天线外围添加软表面结构，具体地，请参阅图4，阵列天线的外围设置金属带11，且金属带11与金属地2通过第三金属化过孔12连接。通过设置软表面结构，可以有效抑制表面波，提高宽角扫描阵列的增益。该软表面结构内嵌在多层介质层中，其宽度大约为四分之一波导波长，利用金属化过孔，把软表面结构和金属地相连，可以有效抑制表面波，提高宽角扫描阵列增益。
本发明天线单元波宽宽，隔离度高，交叉极化高，如图9、10所示，组阵后可以实现双极化阵列在水平面和垂直面±60度大角度范围扫描。
一般来说，剖面越低、介质介电常数越高，则带宽越难展宽。首先，在本发明中，在介电常数为5.9、剖面厚度仅有0.12λ0(λ0为对应频率的波长)的情况下，能实现天线31.5％左右的带宽(完全覆盖整个5G毫米波带宽)。其次，由于加载多个寄生贴片的特殊属性，在展宽了带宽的同时，其增益也得到了极大的提升。这样就使增加的寄生贴片有了双重作用，产生了复用的效果。最后，天线单元波宽宽、平面集成度高，方便组成阵列，组成宽角扫描阵列后，可以实现了大角度扫描特性。本发明解决了宽带双极化毫米波天线设计难点及其阵列大角度扫描困难的问题。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.宽带双极化毫米波天线，其特征在于，包括多层介质层、振子辐射面结构、巴伦馈电结构、寄生贴片加载结构、金属地以及位于金属地下方的馈电微带线，
振子辐射面结构、巴伦馈电结构、寄生贴片加载结构、金属地和馈电微带线均设置在多层介质层上；
振子辐射面结构包括四个振子辐射面，每两对角设置的两个振子辐射面组成一个极化偶极子天线以实现双极化；
巴伦馈电结构包括两个巴伦馈电单元，每个巴伦馈电单元用于给一个相应设置的一个极化偶极子天线馈电，每个巴伦馈电单元均包括第二金属化过孔和馈电巴伦臂，馈电巴伦臂位于振子辐射面结构上方，将两个馈电巴伦臂定义为第一馈电巴伦臂和第二馈电巴伦臂，第一馈电巴伦臂位于第二馈电巴伦臂的上方，且两个馈电巴伦臂均通过第二金属化过孔与馈电微带线连接；
寄生贴片加载结构位于巴伦馈电结构上方。
2.根据权利要求1所述的宽带双极化毫米波天线，其特征在于，每个振子辐射面均采用金属贴片形成。
3.根据权利要求2所述的宽带双极化毫米波天线，其特征在于，金属贴片做切角处理。
4.根据权利要求1所述的宽带双极化毫米波天线，其特征在于，每个振子辐射面与金属地之间通过第一金属化过孔相连。
5.根据权利要求1所述的宽带双极化毫米波天线，其特征在于，振子辐射面上开设有振面避空区域，巴伦馈电结构穿过振面避空区域与馈电微带线连接。
6.根据权利要求1所述的宽带双极化毫米波天线，其特征在于，寄生贴片加载结构包括多个寄生贴片。
7.根据权利要求6所述的宽带双极化毫米波天线，其特征在于，寄生贴片的数量与金属贴片的数量相等或不相等。
8.根据权利要求1-7任一所述的宽带双极化毫米波天线，其特征在于，金属地上与第二金属化过孔相应的位置上开设有通孔作为微带线避空区域，每个第二金属化过孔的一端与馈电巴伦臂连接，另一端依次穿过振子辐射面结构和微带线避空区域后与馈电微带线连接。
9.宽角扫描阵列，其特征在于，包括多个权利要求1-8任一所述的宽带双极化毫米波天线，且多个宽带双极化毫米波天线呈阵列排布。
10.根据权利要求9所述的宽角扫描阵列，其特征在于，宽角扫描阵列的外围设置有软表面结构。
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