CN113991294B - 一种毫米波双极化天线单元 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种毫米波双极化天线单元，由位于上方和下方的辐射结构和单元馈电结构组成，辐射结构由位于顶部金属层的扇形金属片、位于中间第一金属层的半圆形金属片、第一金属化过孔、顶部基板和顶部粘贴片组成，单元馈电结构由位于底部金属层的V极化及H极化共面波导、作为接地和隔离作用的第二金属化过孔、V极化带状线、H极化第一带状线、H极化第二带状线、H极化第三带状线、V极化金属化过孔、H极化第一及第二金属化过孔、位于中间第二金属层的十字形缝隙及底部金属层等共同实现。该天线单元在小的空间内实现了大的相对带宽和较高的端口隔离度，同时多层PCB工艺的使用也便于直接组成阵列以及直接和波束成形芯片等有源电路集成。

Description

一种毫米波双极化天线单元

技术领域

本发明属于微波毫米波天线领域，尤其涉及一种毫米波双极化天线单元。

背景技术

作为毫米波通信技术中的重要组成部分，双极化天线具有增加通信系统容量、提供极化分集增益、提高频谱利用率和对抗多径衰落的优势，同时毫米波频段的宽频谱带宽和少干扰源等特点也让宽带天线设计在毫米波频段具有很大的应用潜力和优势，因而结合宽带特性和双极化技术的宽带双极化天线，特别是工作带宽可以同时覆盖多个毫米波通信频段的双极化天线，在毫米波通信中具有很大的应用优势，另外，较小的天线单元体积便于天线单元组成天线阵列，以适应阵列技术在5G毫米波频段的各种应用，同时如果双极化天线单元具有较高的极化间端口隔离度，可以在其中一个极化端口传输信号时降低对另一个极化端口的干扰，然而现有的工作于毫米波频段的双极化天线很难同时拥有体积小、宽带以及端口隔离度高的优点，特别是很难在同时具备低剖面和高端口隔离度的优点的基础上，还可以完整覆盖5G毫米波划分频段中的n258(24.25GHz-27.5GHz)、n257(26.5GHz-29.5GHz)、n261(27.5GHz-28.35GHz)、n260(37GHz-40GHz)以及n259(39.5GHz-43.5GHz)。

发明内容

本发明目的在于提供一种毫米波双极化天线单元,以解决现存的工作于毫米波频段的双极化天线单元很难同时具备体积小、端口隔离度高和标识为n257-n261的5G毫米波划分频段全覆盖的特点的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明具体技术方案如下：

一种毫米波双极化天线单元，由多层印制电路板组成，包括位于上方的辐射结构和位于下方的单元馈电结构；

所述辐射结构从上往下依次通过顶部金属层、顶部基板、中间第一金属层和顶部粘贴片交叠设置；

所述顶部金属层包括扇形金属片；

所述中间第一金属层包括半圆形金属片；

所述顶部基板上设有贯穿的第一金属化过孔；

所述单元馈电结构从上往下依次通过中间第二金属层、中间第一层基板、中间层粘贴片、中间第三金属层、中间第二层基板、中间第四金属层、底部粘贴片、中间第五金属层、底部基板、底部金属层交叠设置；

所述第二金属层上蚀刻有十字形缝隙。

进一步的，所述扇形金属片和半圆形金属片各有四片，且均按照天线单元的中心完全对称放置，同时第一金属化过孔相应也有四个，围绕天线单元中心完全对称放置，且每一片扇形金属片和相应的一片半圆形金属片通过一个第一金属化过孔相连接。

进一步的，所述单元馈电结构还包括贯穿从中间第二金属层一直到底部金属层的第二金属化过孔，其中一部分第二金属化过孔呈圆形形状均匀分布于天线单元的外侧，其他的第二金属化过孔呈矩形形状均匀分布于天线单元的内侧。

进一步的，蚀刻于中间第二金属层上的十字形缝隙由沿x方向的V极化缝隙和沿y方向的H极化缝隙共同组成；V极化缝隙用来激励辐射结构的V极化电磁波辐射，H极化缝隙用来激励辐射结构的H极化电磁波辐射，同时所述单元馈电结构的中间第三金属层包括一对V极化带状线和一对H极化第三带状线，并且V极化带状线和V极化缝隙正交放置，H极化第三带状线和H极化缝隙正交放置。

进一步的，所述单元馈电结构还包括贯穿从中间第三金属层一直到底部金属层的V极化金属化过孔和H极化第一金属化过孔，还包括贯穿中间第三金属层、中间第二层基板以及中间第四金属层的H极化第二金属化过孔；V极化金属化过孔上下各放置V极化金属化过孔方形孔环和V极化金属化过孔圆形孔环；H极化第一金属化过孔上下各放置H极化第一金属化过孔方形孔环和H极化第一金属化过孔圆形孔环；所述H极化第二金属化过孔下各有一片H极化第二金属化过孔孔环。

进一步的，所述底部金属层上设有V极化共面波导作为V极化的激励馈电线，其通过V极化金属化过孔和V极化带状线相连接，V极化带状线和蚀刻于中间第二金属层上的V极化缝隙正交放置。

进一步的，所述中间第三金属层包括H极化第一带状线；所述底部金属层还包括H极化共面波导；所述V极化带状线通过V极化金属化过孔和V极化共面波导相连接，H极化第一带状线通过H极化第一金属化过孔和H极化共面波导相连接。

进一步的，所述单元馈电结构的中间第四金属层包括H极化第二带状线，沿x方向从左往右，H极化第一带状线和H极化第二带状线通过一组H极化第二金属化过孔连接，H极化第二带状线和H极化第三带状线再通过另一组H极化第二金属化过孔连接。

进一步的，所述第二金属化过孔是接地孔，贯穿从中间第二金属层到底部金属层的所有金属层、基板和粘贴片，关于天线中心呈矩形对称分布和圆形对称分布。

进一步的，中间第五金属层上蚀刻两个圆形禁止敷铜区，分别是沿x方向的V极化圆形禁止敷铜区和沿y方向的H极化圆形禁止敷铜区。

本发明的一种毫米波双极化天线单元，具有以下优点：

本发明所提供的双极化天线单元是应用于毫米波频段的利用共面波导转接带状线、带状线耦合十字缝隙、十字缝隙来激励辐射结构的双极化天线单元，V极化和H极化的馈电结构是多层PCB结构，采用层间多次转接的方式实现V极化和H极化馈电结构在天线单元口径内的集成，节省了布板空间，同时有利于组成天线阵列，另外基于十字形缝隙的使用，起到了提高端口隔离度的作用，再基于新型辐射结构的使用，在较小的体积内(约为4.8mm×4.8mm×2.4mm)，不仅具备较高的端口隔离度(整个工作频段内大于30dB),还实现了天线在毫米波频段的宽带特性，可同时覆盖已划分为5G毫米波通信频段中的n258(24.25GHz-27.5GHz)、n257(26.5GHz-29.5GHz)、n261(27.5GHz-28.35GHz)、n260(37GHz-40GHz)以及n259(39.5GHz-43.5GHz)。

附图说明

图1为本发明的天线单元的结构分层示意图；

图2为本发明的天线单元的侧视图；

图3为本发明的天线单元的顶部金属层的结构示意图；

图4为本发明的天线单元的中间第一金属层的结构示意图；

图5为本发明的天线单元的中间第二金属层的结构示意图；

图6为本发明的天线单元的中间第三金属层的结构示意图；

图7为本发明的天线单元的中间第四金属层的结构示意图；

图8为本发明的天线单元的中间第五金属层的结构示意图；

图9为本发明的天线单元的底部金属层的结构示意图；

图10为本发明的天线单元的回波损耗和端口隔离度曲线；

图11为本发明的天线单元的V极化E面法向增益随频率变化曲线；

图12为本发明的天线单元的H极化E面法向增益随频率变化曲线；

图13(a)为本发明的天线单元的V极化在26GHz的XOZ和YOZ平面远场方向图曲线；

图13(b)为本发明的天线单元的V极化在39GHz的XOZ和YOZ平面远场方向图曲线；

图14(a)为本发明的天线单元的H极化在26GHz的XOZ和YOZ平面远场方向图曲线；

图14(b)为本发明的天线单元的H极化在39GHz的XOZ和YOZ平面远场方向图曲线；

图中标记说明：1、顶部金属层；2、顶部基板；3、中间第一金属层；4、顶部粘贴片；5、中间第二金属层；6、中间第一层基板；7、中间层粘贴片；8、中间第三金属层；9、中间第二层基板；10、中间第四金属层；11、底部粘贴片；12、中间第五金属层；13、底部基板；14、底部金属层；15、第一金属化过孔；16、第二金属化过孔；17、扇形金属片；18、半圆形金属片；19、十字形缝隙；20、V极化缝隙；21、V极化带状线；22、V极化金属化过孔；23、V极化金属化过孔方形孔环；24、沿x方向的V极化圆形禁止敷铜区；25、V极化金属化过孔圆形孔环；26、V极化共面波导；27、H极化缝隙；28、H极化第一带状线；29、H极化第二带状线；30、H极化第三带状线；31、H极化第二金属化过孔；32、H极化第二金属化过孔孔环；33、H极化第一金属化过孔；34、H极化第一金属化过孔方形孔环；35、沿y方向的H极化圆形禁止敷铜区；36、H极化第一金属化过孔圆形孔环；37、H极化共面波导。

具体实施方式

为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种毫米波双极化天线单元做进一步详细的描述。

本发明公开的是一种毫米波双极化天线单元。如图1和图2所示，该双极化天线单元包括上方的辐射结构和下方的单元馈电结构。其中辐射结构包括顶部金属层1、顶部基板2、中间第一金属层3、顶部粘贴片4以及第一金属化过孔15，单元馈电结构包括中间第二金属层5，中间第一层基板6，中间层粘贴片7，中间第三金属层8，中间第二层基板9，中间第四金属层10，底部粘贴片11，中间第五金属层12，底部基板13，底部金属层14，第二金属化过孔16、V极化金属化过孔22、H极化第一金属化过孔33和H极化第二金属化过孔31。

如图3所示，在顶部金属层1上，沿天线中心对称分布两对四片扇形金属片17，扇形金属片之间存在张角方向分别为x方向和y方向的两组缝隙，张角沿x方向的缝隙支持双线极化中的H极化辐射，而张角沿y方向的缝隙支持双线极化中的V极化辐射，两种极化辐射的被激励分别由H极化相关的馈电结构和V极化相关的馈电结构来实现。

如图1和图4所示，在中间第一金属层3上，同样沿天线中心对称分布两对四片半圆形金属片18，半圆形金属片18的分布方式和顶部金属层1上的扇形金属片17的分布方式一致，另外在每片半圆形金属片18的内侧，和相应扇形金属片17的内侧，存在一个贯穿顶部金属层1、顶部基板2以及中间第一金属层3的第一金属化过孔15，且四个第一金属化过孔15同样沿天线中心对称分布，这里的第一金属化过孔15的设置可以有效激励扇形金属片的辐射模式，同时半圆形金属片的设置有利于双极化天线单元在低频段的阻抗匹配。

如图5所示，以天线单元中心为中心，在中间第二金属层5上蚀刻一个十字形缝隙19，同时十字形缝隙19可具体分为沿x方向的V极化缝隙20(3.6mm长度)和沿y方向的H极化缝隙27(3.8mm长度)，其中V极化缝隙20激励辐射结构产生V极化辐射，而H极化缝隙27激励辐射结构产生H极化辐射。第二金属化过孔16贯穿从中间第二金属层5到底部金属层14的所有介质基板、粘贴片和金属层，一部分第二金属化过孔16呈准圆形形状均匀分布于天线单元的外围，其他的第二金属化过孔16以天线单元中心为中心，以十字形缝隙19为x和y两个坐标方向，每个象限沿缝隙边分布三个第二金属化过孔16，同时每个象限的中间呈矩形形状分布两对第二金属化过孔16。总地来说，这些第二金属化过孔16起到了增加H极化和V极化之间的隔离度、抑制单元馈电结构内部腔体模式的激励、控制十字形缝隙19上的电场分布以及中间第二金属层5上的表面电流分布的作用，是所述双极化天线单元实现宽带特性和较高端口隔离度优势的关键点之一。

如图6和图7所示，对于V极化来说，V极化金属化过孔22(贯穿从中间第三金属层8到底部金属层14的所有介质基板、粘贴片和金属层)激励位于中间第三金属层8上的V极化金属化过孔方形孔环23，再通过沿x方向延伸的一对关于XOZ平面对称的V极化带状线21激励V极化缝隙20；另外对于H极化，H极化第一金属化过孔33(贯穿从中间第三金属层8到底部金属层14的所有介质基板、粘贴片和金属层)，激励位于中间第三金属层8上的H极化第一金属化过孔方形孔环34，再通过沿y方向延伸的一对关于YOZ平面对称的H极化第一带状线28、两对关于YOZ平面对称的H极化第二金属化过孔31、一对位于中间第四金属层10上的关于YOZ平面对称的H极化第二带状线29以及一对位于中间第三金属层8上的关于YOZ平面对称的H极化第三带状线30来激励H极化缝隙27。两对H极化第二金属化过孔31贯穿中间第三金属层8、中间第二层基板9和中间第四金属层10，关于YOZ平面对称且沿x方向延伸，并且每个H极化第二金属化过孔31上下各有一片H极化第二金属化过孔孔环32。

如图8和图9所示，中间第五金属层12上蚀刻两个圆形禁止敷铜区，分别是沿x方向的V极化圆形禁止敷铜区24和沿y方向的H极化圆形禁止敷铜区35，圆形禁止敷铜区针对V极化金属化过孔22和H极化第一金属化过孔33来设置，可以实现电磁能量由V极化共面波导26和H极化共面波导37分别到V极化带状线21和H极化第一带状线28的传输。另外在底部金属层14上除了沿x和y方向分别设置V极化共面波导26和H极化共面波导37，还分别设置了V极化金属化过孔圆形孔环25和H极化第一金属化过孔圆形孔环36，可起到调节阻抗匹配的作用。

如图10-图14所示，图10显示H极化和V极化分别具有60.7％和65.1％的阻抗相对带宽(|S₁₁|＜-10dB)，以及具有在频段(23.4-43.8GHz)内大于30dB的端口隔离度，图11到图14显示该天线单元在全频段内具有较低的交叉极化水平，并且在全频段内的增益波动较小，结合该天线单元的多层PCB集成馈电形式，可以预见其具有应用于毫米波频段有源阵列的潜力，特别是其相对较小的天线口径以及针对5G毫米波划分频段(n257、n258、n259、n260和n261)全覆盖的优势，可预见其可以应用于双频段毫米波通信(24.25-29.5GHz以及37-43.5GHz)的相控阵技术。

可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

Claims (4)

1.一种毫米波双极化天线单元，由多层印制电路板组成，其特征在于，包括位于上方的辐射结构和位于下方的单元馈电结构；

所述辐射结构从上往下依次通过顶部金属层(1)、顶部基板(2)、中间第一金属层(3)和顶部粘贴片(4)交叠设置；

所述顶部金属层(1)包括扇形金属片(17)；

所述中间第一金属层(3)包括半圆形金属片(18)；

所述顶部基板(2)上设有贯穿的第一金属化过孔(15)；

所述单元馈电结构从上往下依次通过中间第二金属层(5)、中间第一层基板(6)、中间层粘贴片(7)、中间第三金属层(8)、中间第二层基板(9)、中间第四金属层(10)、底部粘贴片(11)、中间第五金属层(12)、底部基板(13)、底部金属层(14)交叠设置；

所述第二金属层(5)上蚀刻有十字形缝隙(19)；

所述扇形金属片(17)和半圆形金属片(18)各有四片，且均按照天线单元的中心完全对称放置，同时第一金属化过孔(15)相应也有四个，围绕天线单元中心完全对称放置，且每一片扇形金属片(17)和相应的一片半圆形金属片(18)通过一个第一金属化过孔(15)相连接；

蚀刻于中间第二金属层(5)上的十字形缝隙(19)由沿x方向的V极化缝隙(20)和沿y方向的H极化缝隙(27)共同组成；V极化缝隙(20)用来激励辐射结构的V极化电磁波辐射，H极化缝隙(27)用来激励辐射结构的H极化电磁波辐射，同时所述单元馈电结构的中间第三金属层(8)包括一对V极化带状线(21)和一对H极化第三带状线(30)，并且V极化带状线(21)和V极化缝隙(20)正交放置，H极化第三带状线(30)和H极化缝隙(27)正交放置；

所述单元馈电结构还包括贯穿从中间第三金属层(8)一直到底部金属层(14)的V极化金属化过孔(22)和H极化第一金属化过孔(33)，还包括贯穿中间第三金属层(8)、中间第二层基板(9)以及中间第四金属层(10)的H极化第二金属化过孔(31)；V极化金属化过孔(22)上下各放置V极化金属化过孔方形孔环(23)和V极化金属化过孔圆形孔环(25)；H极化第一金属化过孔(33)上下各放置H极化第一金属化过孔方形孔环(34)和H极化第一金属化过孔圆形孔环(36)；所述H极化第二金属化过孔(31)下各有一片H极化第二金属化过孔孔环(32)；

所述底部金属层(14)上设有V极化共面波导(26)作为V极化的激励馈电线，其通过V极化金属化过孔(22)和V极化带状线(21)相连接，V极化带状线(21)和蚀刻于中间第二金属层(5)上的V极化缝隙(20)正交放置；

所述中间第三金属层(8)包括H极化第一带状线(28)；所述底部金属层(14)还包括H极化共面波导(37)；所述V极化带状线(21)通过V极化金属化过孔(22)和V极化共面波导(26)相连接，H极化第一带状线(28)通过H极化第一金属化过孔(33)和H极化共面波导(37)相连接；

所述单元馈电结构的中间第四金属层(10)包括H极化第二带状线(29)，沿x方向从左往右，H极化第一带状线(28)和H极化第二带状线(29)通过一组H极化第二金属化过孔(31)连接，H极化第二带状线(29)和H极化第三带状线(30)再通过另一组H极化第二金属化过孔(31)连接。

2.根据权利要求1所述的毫米波双极化天线单元，其特征在于，所述单元馈电结构还包括贯穿从中间第二金属层(5)一直到底部金属层(14)的第二金属化过孔(16)，其中一部分第二金属化过孔(16)呈圆形形状均匀分布于天线单元的外侧，其他的第二金属化过孔(16)呈矩形形状均匀分布于天线单元的内侧。

3.根据权利要求2所述的毫米波双极化天线单元，其特征在于，所述第二金属化过孔(16)是接地孔，贯穿从中间第二金属层(5)到底部金属层(14)的所有金属层、基板和粘贴片，关于天线中心呈矩形对称分布和圆形对称分布。

4.根据权利要求3所述的毫米波双极化天线单元，其特征在于，中间第五金属层(12)上蚀刻两个圆形禁止敷铜区，分别是沿x方向的V极化圆形禁止敷铜区(24)和沿y方向的H极化圆形禁止敷铜区(35)。