CN114221109A - 一种宽带高增益磁电偶极子透射阵天线单元及透射阵天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽带高增益磁电偶极子透射阵天线单元及透射阵天线，其中接收天线包括底部金属层、第一介质层、第二金属层、第一粘接层、第二介质层以及接收端金属地板；发射天线包括顶部金属层、第三介质层、第四金属层、第二粘接层、第四介质层以及发射端金属地板；接收天线、发射天线均还包括电偶极子和磁偶极子；以金属贴片以及金属通孔的形式构成磁电偶极子结构，采用弯折的中心馈电结构保证天线在工作频带内有着良好的匹配，利用两组指向正交的中心馈电结构实现对两个正交线极化波电磁波的独立调控。本发明可以在覆盖但不限于5G频段的频率范围内使用1比特的相位补偿方法实现较高增益的宽带透射阵天线，最高增益和最大效率分别可达24.5dBi和31％。

Description

一种宽带高增益磁电偶极子透射阵天线单元及透射阵天线

技术领域

本发明涉及无线通信系统天线技术领域，具体涉及一种宽带高增益磁电偶极子透射阵天线单元及透射阵天线。

背景技术

阵列天线是一类由不少于两个天线单元规则或随机排列并通过适当激励获得预定辐射特性的特殊天线。阵列天线的辐射电磁场是组成该天线阵各单元辐射场的总和(矢量和)。由于各单元的位置和馈电电流的振幅和相位均可以独立调整，这就使阵列天线具有各种不同的功能。

透射阵天线作为一种具有平面波前、无馈源遮挡、易加工等优点的高增益天线，被广泛应用于远距离通信、遥感探测等通信领域。

但是目前透射阵天线的单元大多采用微带天线或偶极子天线的形式，使得最终形成的透射阵增益受制于单元较窄的工作带宽。

发明内容

发明目的：本发明旨在提供一种宽带高增益磁电偶极子透射阵天线单元及透射阵天线，天线单元利用了金属贴片与金属化过孔构成的磁电偶极子天线结构，扩大了天线的工作带宽，使用弯折的中心馈电结构保证天线在工作频带内具有较好的匹配。并且利用两组方向正交的馈电探针实现对正交线极化电磁波的分别独立控制，同时利用改变不同单元接收端与发射端馈电探针的相对方向来实现透射波的波束汇聚。

技术方案：

本发明提供一种宽带高增益磁电偶极子透射阵天线单元及透射阵天线，所述透射阵天线单元包括接收天线和发射天线；

所述接收天线，其从底部至顶部依次为：底部金属层、第一介质层、第二金属层、第一粘接层、第二介质层以及接收端金属地板；

所述发射天线，其从顶部至底部依次为：顶部金属层、第三介质层、第四金属层、第二粘接层、第四介质层以及发射端金属地板；

所述接收天线、所述发射天线均还包括电偶极子和磁偶极子，所述接收天线和发射天线中的电偶极子分别位于底部金属层和顶部金属层，均由底部金属层和顶部金属层中的金属贴片组组成；所述磁偶极子位于所述接收天线和所述发射天线的内部，由多个相邻的金属化过孔组组成；

所述接收天线和所述发射天线之间通过第三粘接层连接。

优选的，所述底部金属层和所述顶部金属层中均设有金属贴片组，每个所述金属贴片组均包括四个大小相同的方形金属贴片，四个所述方形金属贴片以所述金属贴片组的中心点呈中心对称，所述方形金属贴片的边长为四分之一波导谐振波长。

优选的，所述接收天线中的第一介质层、第一粘接层以及第二介质层的厚度之和为四分之一波导谐振波长；所述发射天线中第三介质层、第二粘接层以及第四介质层的厚度之和为四分之一波导谐振波长。

优选的，多个所述方形金属贴片上两个相对角处均设有金属化过孔组，多对所述金属化过孔组均包括三个第一金属化过孔，多个所述第一金属化过孔均自所述顶部金属层贯穿至所述底部金属层，多个所述第一金属化过孔的内壁镀均设有金属，与过孔两端的金属相连从而实现电流的传导。

优选的，所述透射阵天线单元内还设有第一馈电结构，所述第一馈电结构与其周围的四个方形金属贴片以及设于四个所述方形金属贴片上的多个第一金属化过孔构成宽带磁电偶极子天线组，所述宽带磁电偶极子天线组接收和发射电磁波的极化方向与所述第一馈电结构指向平行。

优选的，所述第一馈电结构均包括上馈电探针和下馈电探针，所述上馈电探针和下馈电探针分别位于所述发射天线与所述接收天线中，并通过第二金属化过孔相连接，所述第二金属化过孔的起始端分别位于顶部金属层和底部金属层。

优选的，所述上馈电探针、所述下馈电探针均包括长条状金属贴片和短条状金属贴片，所述短条状金属贴片的一端和所述长条状金属贴片通过金属盲孔相连接，其另一端转动连接于所述第二金属化过孔，两个所述金属盲孔分别贯穿所述第三介质层和所述第一介质层，两个所述长条状金属贴片分别位于所述顶部金属层和所述底部金属层，两个所述短条状金属贴片分别位于所述第四金属层和所述第二金属层，所述宽带磁电偶极子天线组接收和发射电磁波的极化方向与所述上馈电探针和所述下馈电探针指向平行。

优选的，所述透射阵天线单元一侧的两个直角处均设有长馈电部件，其另一侧边的两个直角处均设有短馈电部件-，当四个所述透射阵天线单元组成×的阵列时，在×阵列的中心位置构成第二馈电结构，第二馈电结构与第一馈电结构的组成结构与尺寸一致。

一种宽带高增益磁电偶极子透射阵天线，所述透射阵天线由N×N个所述透射阵天线单元形成的矩阵构成，其中N≥且为整数。

优选的，所述N×N的矩阵中任意×小阵列均满足在阵列的中心位置构成所述第二馈电结构。

有益效果：本发明公开了一种宽带高增益磁电偶极子透射阵天线单元及透射阵天线，可以在较宽的带宽内对两个正交方向的线极化波实现波束的汇聚，并且可以获得带内稳定的方向图。本发明以金属贴片以及金属通孔的形式构成磁电偶极子结构，采用弯折的中心馈电结构保证天线在工作频带内有着良好的匹配。馈电结构中探针的方向决定了其能够控制的电磁波的极化方向。通过改变接收天线和发射天线中的馈电探针的相对方向可以实现1比特的相位补偿方法。整个结构具有相对较低的亚波长剖面，并且天线的制造与加工采用成熟并且成本较低的PCB工艺。本发明可以在覆盖但不限于5G频段的频率范围内(25-31.6GHz)使用1比特的相位补偿方法实现了较高增益的宽带透射阵天线，最高增益和最大效率分别可达24.5dBi和31％。

附图说明

图1为本发明天线单元的结构示意图。

图2为本发明天线单元的侧视图。

图3为本发明天线单元的俯视图。

图4为本发明天线单元的第一馈电结构的侧视图。

图5为本发明天线单元的第一馈电结构的结构以及电流流向的示意图。

图6为本发明馈电探针的延伸方向相同的示意图。

图7为本发明馈电探针的延伸方向相反的示意图。

图8为本发明使用商用仿真软件在周期性边界条件下对馈电探针在不同相对方向下对应的透射系数幅度与相位的仿真结果。

图9为本发明具体实施方式中2×2阵列在中心形成的第二馈电结构以及天线单元的示意图。

图10为本发明具体实施方式中使用商用仿真软件在周期性边界条件下对天线单元的透射系数的仿真结果。

图11为本发明实施例1的相位补偿方案示意图。

图12为本发明实施例1的对比示意图。

图13为本发明实施例1的实物图。

图14为本发明实施例1在27GHz时，在入射波为x方向线极化波情况下仿真与测试的方向图。

图15为本发明实施例1在27GHz时，在入射波为y方向线极化波情况下仿真与测试的方向图。

图16为本发明实施例1在23-33GHz频带内的最大增益随工作频率变化的测试与仿真结果。

图17为本发明实施例2的相位补偿方案示意图。

图18为本发明实施例2的对比示意图。

图19为本发明实施例2在27GHz时，在入射波为x方向线极化波情况下仿真与测试的方向图。

图20为本发明实施例2在27GHz时，在入射波为y方向线极化波情况下仿真与测试的方向图。

图21为本发明实施例3的相位补偿方案示意图。

图22为本发明实施例3在27GHz时仿真与测试的方向图。

附图标记：1、接收天线；2、发射天线；3、底部金属层；4、第一介质层；5、第二金属层；6、第一粘接层；7、第二介质层；8、接收端金属地板；9、顶部金属层；10、第三介质层；11、第四金属层；12、第二粘接层；13、第四介质层；14、发射端金属地板；15、第三粘接层；16、第一馈电结构；17、方形金属贴片；18、第一金属化过孔；19、上馈电探针；20、下馈电探针；21、长条状金属贴片；22、短条状金属贴片；23、金属盲孔；27、第二金属化过孔；28、长馈电部件；28-1、短馈电部件；29、第二馈电结构。

具体实施方式

为了进一步地说明本发明所公开的技术方案，下面结合具体实施方式和附图对本发明的技术方案作进一步的阐述。下面所描述的实施例是本发明的一部分实施例，并不是全部的实施例。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，都属于本发明保护的范围。

一种宽带高增益磁电偶极子透射阵天线单元及透射阵天线，透射阵天线单元包括接收天线1和发射天线2；

接收天线1，其从底部至顶部依次为：底部金属层3、第一介质层4、第二金属层5、第一粘接层6、第二介质层7以及接收端金属地板8；

发射天线2，其从顶部至底部依次为：顶部金属层9、第三介质层10、第四金属层11、第二粘接层12、第四介质层13以及发射端金属地板14；

接收天线1、发射天线2均还包括电偶极子和磁偶极子，电偶极子分别位于底部金属层3和顶部金属层9；磁偶极子分别位于接收天线1和发射天线2的内部；

接收天线1和发射天线2之间通过第三粘接层15连接。

接收天线1或发射天线2中的第一馈电结构16与其周围的方形金属贴片17和金属化过孔18组成了一个宽带磁电偶极子天线的结构，其接收和发射电磁波的极化方向与两个贴片组的指向平行。

接收天线1的底部金属层3和发射天线2的顶部金属层9各自具有大小相同，位置镜像对称的四个正方形金属贴片17，在同一层金属层上的金属贴片17关于金属层的中心对称并且彼此之间具有一定的间距。金属贴片17的边长为四分之一波导谐振波长。

底部金属层3和顶部金属层9中位于镜像位置的金属贴片17之间具有金属化过孔18相连，金属化过孔18从顶部金属层3到底部金属层9贯穿整个天线。围绕第一馈电结构16的若干个金属化过孔18构成天线的磁偶极子部分。

接收天线1中第一介质层4、第一粘接层6以及第二介质层7的厚度之和为四分之一波导谐振波长；与之相应的发射天线中第三介质层10、第二粘接层12以及第四介质层13的厚度之和为四分之一波导谐振波长。

在本说明书中的所有实施例中，第一介质层4、第二介质层7、第三介质层10以及第四介质层13采用Rogers 4350B，第一粘接层6、第二粘接层12以及第三粘接层15采用Rogers4450F。

如图5所示，第一馈电结构16包括上馈电探针19和下馈电探针20，分别位于发射天线2与接收天线1中，并通过一个贯穿整个接收天线1与发射天线2的金属化过孔27相连接。

如图4所示，上馈电探针19和下馈电探针20均包括贴片组，两个贴片组均包括长条状金属贴片21和短条状金属贴片22，短条状金属贴片22的一端和长条状金属贴片21均通过金属盲孔23相连接，其另一端和长条状金属贴片21均转动连接于第二金属化过孔，两个金属盲孔23分别开设于第三介质层10和第一介质层4，两个长条状金属贴片21分别位于顶部金属层9和底部金属层3，两个短条状金属贴片22分别位于第四金属层11和第二金属层5，宽带磁电偶极子天线组接收和发射电磁波的极化方向与上馈电探针19或下馈电探针20指向平行。

如图5所示，上馈电探针19和下馈电探针20可以使得电流可以沿着长条状金属贴片21、短条状金属贴片22以及和金属盲孔23形成弯曲的路径移动(22至23至21或相反的顺序)，从而使得天线具有良好的匹配特性，扩大了天线的带宽。

如图6和7所示，第一馈电结构16中的上馈电探针19和下馈电探针20可以绕穿过第二金属化过孔27进行旋转，理论上馈电探针19可以具有多种旋转情况，而为了保证天线能够接收和发射同一方向的线极化电磁波，上馈电探针19和下馈电探针20应当始终保持平行，同时与接收与发射的线极化电磁波极化方向平行，因此在实际使用中仅使用到上下馈电探针相对指向相同和相反两种情况，其对应的透射单元具有两种相同的透射系数幅度，而相位相差180°，因而可以使用本发明所描述的透射阵天线单元利用1比特相位补偿方法构成透射阵列，通过设置阵列中不同单元上馈电探针19和下馈电探针20的指向，实现透射波的波束汇聚。

如图8所示，使用商用仿真软件在周期性边界条件下对上馈电探针19和下馈电探针20相对指向的两种情况进行仿真，在24-30GHz的频段内两种情况的透射系数相差180°，而透射系数幅度相同，因此本发明所示的透射阵单元可以应用于1-bit相位补偿方法。

如图9所示，将第一馈电结构16围绕金属化过孔27的中心分成四个部分，并分别置于天线单元的四角中，这样做的效果是，当四个天线单元组成2×2的阵列时，可以在2×2阵列的中心位置构成第二馈电结构29，第二馈电结构29中的上下两个贴片组延伸方向与第一馈电结构16中上下两个贴片组的延伸方向正交。

所述透射阵天线的结构规模可以为N×N的阵列，其中N≥2，对于N×N阵列中任意2×2小阵列的中心均可以形成第二馈电结构29。

N×N阵列中第一馈电结构16和第二馈电结构29中，其各自馈电探针的延伸方向正交，因此可以按照第一和第二馈电探针结构，将N×N阵列在功能上分为两个阵列，分别独立的实现两个正交线极化波的波束汇聚，其中线极化波的极化方向与上馈电探针19或者下馈电探针20的延伸方向平行，这两个天线阵列之间存在共用的金属贴片17，但是两组天线阵列不会互相造成影响，进而使得整个透射阵天线可以实现对两个极化方向正交的线极化波的独立控制。

如图10所示，为了进一步说明两组天线阵列之间的影响，在24-30GHz的频段内天线对极化方向与其馈电探针(长条状金属贴片21和短条状金属贴片22)延伸方向相平行的线极化波可以保持较低的透射损耗；而对于交叉极化，即极化方向与长条状金属贴片21和短条状金属贴片22延伸方向正交的线极化波，天线的透射系数幅度在24-30GHz的频段内均保持在-20dB以下，说明两组天线阵列相互影响很小。

为了进一步验证本发明提供的一种宽带高增益双极化磁电偶极子透射阵天线的可实施性，利用商用仿真软件对公开的一种宽带高增益磁电偶极子透射阵天线的一种16×16阵列实施例进行了仿真与实物加工测试，并进行结果的对比，其中阵列的波束汇聚方向垂直透射阵面。

本实施例中透射阵中的接收天线1中下馈电探针20的指向均相同，而仅改变发射天线2中上馈电探针19的指向。

在本实施例中，使用型号为XB-GH34的喇叭天线作为馈源，焦径比设置为1.07.

如图11和12所示，透射阵天线的相位补偿方案，其中若接收天线1和发射天线2中对应位置的颜色不同，则表示两者对应位置的上馈电探针19和下馈电探针20延伸方向不同，若颜色相同，则表示两者对应位置的下馈电探针20和上馈电探针19延伸方向相同。

如图13所示，正交的线极化波分别由两组延伸方向正交的馈电探针与其参与构成的磁电偶极子透射阵天线接收与发射，而这两组天线阵虽然在物理上的阵列中心有偏移，但偏移关于阵列的中心对称，并且两者具有相同的单元数。

如图14和图15所示，本实施例在频率为27GHz时的方向图仿真与测试结果，两种极化情况下，其主极化方向图的副瓣均低于-15dB，交叉极化均在-20dB以下，并且主极化的仿真结果与测试结果基本吻合。

如图16所示，本实施例在23-33GHz频带内的最大增益随工作频率变化的测试与仿真结果，其最大增益可达24.5dBi，最大效率可达31％，3-dB增益带宽可达23％，覆盖频段25-31.6GHz。

实施例2

如图17和18所示本实施例在实施例1的基础上，改变相位补偿方案，以进一步抑制交叉极化。具体的相位补偿方案，其中接收天线1中的下馈电探针20的指向不再相同。

如图19和图20所示，本实施例在27GHz时的方向图仿真与测试结果，两种，极化情况下，其主极化方向图的副瓣均低于-15dB，交叉极化较实施例1下降了3-5dB，仍在-20dB以下，x极化方向波的交叉极化达到-25dB以下，另外，主极化的仿真结果与测试结果基本吻合。

实施例3

为了进一步验证本发明提供的一种宽带高增益磁电偶极子透射阵天线的可实施性，使用商用仿真软件对使用该天线单元组成的16×16透射阵进行仿真与测试，并对其结果进行对比。

如图21所示，在设计相位补偿方案时，设定x方向极化波与y极化波的透射波波束指向分别为-20°与+20°。

如图22所示，本实施例在27GHz时的方向图仿真与测试结果，两种极化波的副瓣在-13dB以下，且主极化的仿真与实测结果基本吻合。

从实施例1-3的仿真及测试结果中，本发明中的透射阵天线及其单元均可以在覆盖5G毫米波(24.25GHz-29.5GHz)的频率范围内对两个极化方向正交的线极化波实现独立的调控，具有较宽的带宽和带内稳定的方向图。另外，本发明中，实施例中的透射阵均采用比较成熟的PCB工艺，成本较低，利于阵列扩展和大规模生产。

本发明未详细叙述之处，均为本领域技术人员的公知技术。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种宽带高增益磁电偶极子透射阵天线单元，其特征在于：所述透射阵天线单元包括接收天线(1)和发射天线(2)；

所述接收天线(1)，其从底部至顶部依次为：底部金属层(3)、第一介质层(4)、第二金属层(5)、第一粘接层(6)、第二介质层(7)以及接收端金属地板(8)；

所述发射天线(2)，其从顶部至底部依次为：顶部金属层(9)、第三介质层(10)、第四金属层(11)、第二粘接层(12)、第四介质层(13)以及发射端金属地板(14)；

所述接收天线(1)、所述发射天线(2)均还包括电偶极子和磁偶极子，所述接收天线(1)和发射天线(2)中的电偶极子分别位于底部金属层(3)和顶部金属层(9)，均由底部金属层(3)和顶部金属层(9)中的金属贴片组组成；所述磁偶极子位于所述接收天线(1)和所述发射天线(2)的内部，由多个相邻的金属化过孔组组成；

所述接收天线(1)和所述发射天线(2)之间通过第三粘接层(15)连接。

2.根据权利要求1所述的一种宽带高增益磁电偶极子透射阵天线单元，其特征在于：所述底部金属层(3)和所述顶部金属层(9)中均设有金属贴片组，每个所述金属贴片组均包括四个大小相同的方形金属贴片(17)，四个所述方形金属贴片(17)以所述金属贴片组的中心点呈中心对称，所述方形金属贴片(17)的边长为四分之一波导谐振波长。

3.根据权利要求1所述的一种宽带高增益磁电偶极子透射阵天线单元，其特征在于：所述接收天线(1)中的第一介质层(4)、第一粘接层(6)以及第二介质层(7)的厚度之和为四分之一波导谐振波长；所述发射天线(2)中第三介质层(10)、第二粘接层(12)以及第四介质层(13)的厚度之和为四分之一波导谐振波长。

4.根据权利要求2所述的一种宽带高增益磁电偶极子透射阵天线单元，其特征在于：多个所述方形金属贴片(17)上两个相对角处均设有金属化过孔组，多对所述金属化过孔组均包括三个第一金属化过孔(18)，多个所述第一金属化过孔(18)均自所述顶部金属层(9)贯穿至所述底部金属层(3)，多个所述第一金属化过孔(18)的内壁镀均设有金属，与过孔两端的金属相连从而实现电流的传导。

5.根据权利要求1所述的一种宽带高增益磁电偶极子透射阵天线单元，其特征在于：所述透射阵天线单元内还设有第一馈电结构(16)，所述第一馈电结构(16)与其周围的四个方形金属贴片(17)以及设于四个所述方形金属贴片(17)上的多个第一金属化过孔(18)构成宽带磁电偶极子天线组，所述宽带磁电偶极子天线组接收和发射电磁波的极化方向与所述第一馈电结构(16)指向平行。

6.根据权利要求5所述的一种宽带高增益磁电偶极子透射阵天线单元，其特征在于：所述第一馈电结构(16)均包括上馈电探针(19)和下馈电探针(20)，所述上馈电探针(19)和下馈电探针(20)分别位于所述发射天线(2)与所述接收天线(1)中，并通过第二金属化过孔(27)相连接，所述第二金属化过孔(27)的起始端分别位于顶部金属层(9)和底部金属层(3)。

7.根据权利要求6所述的一种宽带高增益磁电偶极子透射阵天线单元，其特征在于：所述上馈电探针(19)、所述下馈电探针(20)均包括长条状金属贴片(21)和短条状金属贴片(22)，所述短条状金属贴片(22)的一端和所述长条状金属贴片(21)通过金属盲孔(23)相连接，其另一端转动连接于所述第二金属化过孔(27)，两个所述金属盲孔(23)分别贯穿所述第三介质层(10)和所述第一介质层(4)，两个所述长条状金属贴片(21)分别位于所述顶部金属层(9)和所述底部金属层(3)，两个所述短条状金属贴片(22)分别位于所述第四金属层(11)和所述第二金属层(5)，所述宽带磁电偶极子天线组接收和发射电磁波的极化方向与所述上馈电探针(19)和所述下馈电探针(20)指向平行。

8.根据权利要求1-7任一项所述的一种宽带高增益磁电偶极子透射阵天线单元，其特征在于：所述透射阵天线单元一侧的两个直角处均设有长馈电部件(28)，其另一侧边的两个直角处均设有短馈电部件(28-1)，当四个所述透射阵天线单元组成2×2的阵列时，在2×2阵列的中心位置构成第二馈电结构(29)，第二馈电结构(29)与第一馈电结构(16)的组成结构与尺寸一致。

9.一种宽带高增益磁电偶极子透射阵天线，其特征在于：所述透射阵天线由N×N个所述透射阵天线单元形成的矩阵构成，其中N≥2且为整数。

10.根据权利要求9所述的一种宽带高增益磁电偶极子透射阵天线，其特征在于：所述N×N的矩阵中任意2×2小阵列均满足在阵列的中心位置构成所述第二馈电结构(29)。

Images