CN114256614A - 一种应用于毫米波通信系统的超宽带平面天线阵列 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种应用于毫米波通信系统的超宽带平面天线阵列,平面天线阵列由等距排列的多个天线单元以及微带馈电网络组成。所述的天线单元从上到下依次包括辐射贴片、第一介质基板、粘合层、金属地、第二介质基板和微带馈线;所述辐射贴片通过四个贯穿第一介质基板和粘合层的金属孔与金属地连接;该设计使得天线单元除了工作在贴片模式外,还可以工作在偶极子模式。在阵列环境下,由于单元间的互耦效应,同时又激励器了另一个新的介质谐振模。因此所提出的天线单元能同时在三种谐振模式下工作,因而平面天线阵列可以实现超宽的工作带宽,且工作频带内辐射稳定。
Description
技术领域
本发明属于天线技术领域,涉及一种应用于毫米波通信系统的超宽带平面天线阵列,可以作为中远距离毫米波通信系统的接收和发射天线。
背景技术
天线作为发射和接收电磁波能量的部件,被广泛地应用于各通信系统中。由Sub-6GHz频段在广域覆盖方面的优势,频谱已经被包括民用移动通信在内的领域大量使用,可用频段资源特别是大带宽资源已经十分有限,而已经到来5G移动通信出于对超高速率和大容量通信的要求,需要大带宽的频谱资源。而毫米波频段存在大量的大带宽的频谱资源,可以被有效利用。我国工信部在征求毫米波频段意见方案以后,已确定将毫米波高频段24.75GHz-27.5GHz、37GHz-42.5GHz用于5G研发试验。工作于毫米波的5G系统可以提供很多4G无法提供的业务,比如高清视频、虚拟现实、增强现实、无线基站回程(backhaul)、短距离雷达探测、密集城区信息服务、体育场/音乐会/购物中心无线通信服务、工厂自动化控制、远程医疗、安全监控、智能交通系统、机场安全检查等等。毫米波段的开发利用,为5G应用提供了广阔的空间。
然而,毫米波频段电磁波的传播损耗更高,毫米波通信系统必须通过提高发射功率、提高天线增益、提高接收灵敏度等方法来补偿这么大的传播损耗。因此,毫米波通信系统,特别是中远距离通信,需要高增益天线阵列。5G毫米波划分了多个工作频段,设计实现一种能够覆盖多个工作频段的超宽带天线阵列,可以有效地减小系统的体积和重量,降低系统部件的成本,提高空间利用率。因此,设计实现一种同时具有超宽工作频带和高增益的毫米波平面天线阵列对于5G毫米波通信具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的是针对目前现有的毫米波天线阵列带宽较窄的缺点,提出一种毫米波超宽带的平面天线阵列,该阵列能够全部覆盖5G毫米波移动通信所需24/28/39GHz的频段,解决了为了满足不同的5G毫米波通信频段,需要布置多个天线阵列的问题。该天线阵列有宽的阻抗带宽,稳定的辐射性能,低交叉极化,并且结构简单,易加工,具有重要的实际工程应用价值。
本发明的一种用于毫米波通信的超宽带平面天线阵列包括天线本体和馈电网络,所述的天线本体由若干天线单元在二维方向上等间距排列而成;
所述的天线单元从上到下依次包括辐射贴片、第一介质基板、粘合层、金属地、第二介质基板和微带馈线;所述辐射贴片通过四个贯穿第一介质基板和粘合层的金属孔与金属地连接;
所述辐射贴片位于第一介质基板的上表面,其包括两个轴对称的E形辐射贴片,两个E形辐射贴片间留有缝隙;
所述E形辐射贴片为矩形贴片开有两个缺口构成,两个缺口朝向缝隙;同一个E形辐射贴片的两个缺口间设置有2个贯穿第一介质基板和粘合层的金属孔;
所述粘合层用于将第一介质基板、第二介质基板的粘接;
所述金属地位于第二介质基板的上表面,其刻蚀有一耦合缝隙和第一至四缝隙枝节;所述耦合缝隙位于辐射贴片缝隙正下方;第一、二缝隙枝节位于所述耦合缝隙的一端,第三、四缝隙枝节位于所述耦合缝隙的另一端,且第一、二缝隙枝节关于耦合缝隙轴对称设置,第三、四缝隙枝节关于耦合缝隙轴对称设置;
作为优选,所述辐射贴片的长度和宽度与第一谐振模式相关,其长度可根据经典的微带贴片天线谐振频率计算公式得出。
作为优选,所述金属孔边缘紧挨E形辐射贴片缺口。
作为优选,所述金属孔的中心不超过E形辐射贴片缺口内侧,即金属孔的中心至E形辐射贴片靠近缝隙侧边沿的距离≤E形辐射贴片缺口长度。
作为优选,所述E形辐射贴片内缺口的位置与第二谐振有关,缺口的初始位置可由下式确定:
L=2*(w4+w5+l1)
其中fc为第二谐振模式的谐振频率,c为光速,L为偶极子模式等效臂长,εe为等效介电常数,可根据求微带贴片天线等效介电常数的公式获得,w4为缺口外侧边与贴片侧边的距离,w5为缺口宽度,l1为缺口长度。
作为优选,第一至四缝隙枝节分别位于两个E形辐射贴片的4个缺口的正下方或者下方偏外侧位置。缝隙枝节的引入使得第二谐振模式获得更多的能量耦合,改善匹配。
作为优选,所述的天线单元宽度Px与第三谐振模式相关,该模式为矩形介质谐振器TE3δ1模式,Px的取值为5mm-5.7mm。
作为优选,所述微带馈线位于第二介质基板的下表面,其位于四个金属孔的中间;
作为优选,所述馈电网络与所述天线单元的微带馈线位于同一层,并且所述馈电网络的输出端与微带馈线的输入端相连。
作为优选,所述微带馈线为T形结构。
具体工作原理:本发明中天线单元工作在三个谐振模式。天线单元可视为贴片天线和偶极子天线的组合,使得其本身具有两个工作模式:贴片模式和偶极子模式,分别对应图7中的第1模式和第2模式,其中贴片模式为贴片本身具备,偶极子模式有金属孔和绕贴片缝隙的电流形成。由于在阵列环境里,各辐射贴片之间的互耦导致的容性加载,使得天线单元之间形成一个虚拟的电壁,该虚拟的电壁的存在降低了介质谐振器模式谐振所需的尺寸,通过调整天线单元间距,在更高高频处可以获得介质谐振模式,即第3模式。正常的TE3δ1介质谐振模式辐射时法向增益很低,但是由于第一介质基板顶部辐射贴片的存在,该贴片充当介质谐振模式的引向器,使得在该模式下也具有良好的辐射性能。因此,在阵列环境下,所述的天线单元能够工作在三个谐振模式:微带贴片模式,偶极子模式以及介质谐振模式,从而实现宽频带工作的天线阵列。
本发明具有以下优点:
(1)与同类毫米波平面阵列相比,该天线阵列实现了最宽的工作带宽并且工作频带内辐射稳定,交叉极化低。
(2)该天线阵列使用微带线馈电,容易与前端电路集成。
(3)该天线阵列结构紧凑,占用面积小。
(4)该天线阵列仅使用两层介质基板,可使用标准PCB工艺加工,容易大规模生产。
附图说明
图1是本发明天线阵列的三维结构示意图;
图2是本发明的天线阵列的馈电网络示意图;
图3是本发明天线阵列单元的三维结构示意图;图4是本发明天线单元的俯视图;
图5是本发明天线单元的俯视图,显示了贴片的结构;
图6是本发明的天线单元的俯视图,显示了刻蚀在金属地上的槽和微带馈线;
图7是本发明的天线阵列单元的反射系数图;
图8是本发明的天线阵列单元的在44GHz时的电场矢量图;
图9是本发明的天线阵列的反射系数和增益;
图10(a)-(b)分别是本发明的天线阵列在24GHz的模拟和仿真归一化E面和H面辐射方向图;
图11(a)-(b)分别是本发明的天线阵列在32GHz的模拟和仿真归一化H面和H面辐射方向图;
图12(a)-(b)分别是本发明的天线阵列在40GHz的模拟和仿真归一化E面和H面辐射方向图;
图中标记:馈电网络FN、E形辐射贴片1、金属孔2、第一介质基板3、粘合层4、金属地5、第二介质基板6、微带馈线7、缺口8、金属孔9、缝隙枝节10。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步的描述。以下实施例仅用于更加清晰的说明本发明技术方案,而不是对本发明的限制。
如图1所示,用于毫米波通信的超宽带平面天线阵列包括天线本体和馈电网络。
所述天线本体为由8×8个天线单元在二维方向上等间距排列而成,间距d=5.4mm。
如图2所示,所述馈电网络为1输入64输出的并联馈电网络,馈电网络的输出端口均等幅度同相位。馈电网络的输出端口接微带馈线7的输入端口。
如图3-6所示,所述天线单元从上到下依次为E形辐射贴片1,第一介质基板3,粘合层4,金属地5,第二介质基板6和微带馈线7。所述四个金属孔2连接E形辐射贴片1和金属地5。所述金属地5的中心刻蚀其刻蚀有一耦合缝隙和第一至四缝隙枝节;所述耦合缝隙位于辐射贴片缝隙正下方;第一、二缝隙枝节位于所述耦合缝隙的一端,第三、四缝隙枝节位于所述耦合缝隙的另一端,且第一、二缝隙枝节关于耦合缝隙轴对称设置,第三、四缝隙枝节关于耦合缝隙轴对称设置;耦合缝隙和第一至四缝隙枝节构成类H形。所述微带馈线为T形,以减少馈线的匹配长度。其中第一介质基板和第二介质基板均为同一板材。所述馈电网络与所述微带馈线位于第二介质基板底部,所述馈电网络的输出端与微带馈线的输入端相连。
本实施例中,第一、第二介质基板采用Rogers RO3003,粘合层为Rogers Ro4450F,阵列中各单元间隔Px与Py均为5.4mm,使用电磁仿真软件HFSS进行仿真优化,天线单元的详细尺寸位于表1中(表中各参数见说明书附图5和图6)。
上述l6表示微带馈线输出端到耦合缝隙的长度;l3表示耦合缝隙的长度;l4表示位于耦合缝隙同一侧的两根缝隙枝节的距离;wf表示微带馈线输入端线宽;w1表示E形辐射贴片的长度;l2表示位于同一E形辐射贴片内两个金属孔的间距;w2表示E形辐射贴片的宽度;sv表示金属孔中心到E形辐射贴片靠近缝隙边沿的距离;w5表示缝隙枝节的宽度;d1表示金属孔的直径;l1表示缺口的长度;w6表示微带馈线输出端的线宽;w4表示E形辐射贴片内缺口距离E形辐射贴片边沿的横向距离;lt表示微带馈线输出端的长度;w3表示耦合缝隙的宽度,l5表示缝隙枝节的长度。
图7是本发明的天线阵列单元的反射系数图;
图8是本发明的天线阵列单元的在44GHz时的电场矢量图;图8显示了阵列里某个天线单元在44GHz时第一介质基板内的矢量电场图以及介质谐振模式TE3δ1的矢量电场图,可以直观的反应出在该频率下的工作模式为TE3δ1。
图9为本发明设计的阵列的反射系数和增益曲线,可以看出,测量的|S11|小于-10dB的频带覆盖了22-46GHz,相对带宽为71%,并且带内增益为19-24dBi,频带内增益差为5dB。由于阵列工作在在低频时其辐射口径小,因此增益比高频低。
图10(a)-(b)分别显示了本发明天线阵列在24GHz的归一化E面和H面的辐射方向图,从图中可以看出,方向图具有良好的对称性,并且E面和H面的交叉极化都小于-35dB。
图11(a)-(b)分别显示了本发明天线阵列在32GHz的归一化E面和H面的辐射方向图,从图中可以看出,方向图具有良好的对称性,并且E面和H面的交叉极化都小于-35dB。
图12(a)-(b)分别显示了本发明天线阵列在40GHz的归一化E面和H面的辐射方向图,从图中可以看出,方向图具有良好的对称性,并且E面和H面的交叉极化都小于-35dB。
本发明的天线阵列的工作带宽完全覆盖了5G毫米波移动通信的所有频段,且工作频带内具有稳定的辐射性能。同时,本发明还具有体积小、低剖面,基于PCB工艺等优势,可大批量应用于各种毫米波宽带天线系统。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,而并非对本发明的实施方式做出限定。应当指出对于本技术领域的术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种应用于毫米波通信系统的超宽带平面天线阵列,其特征在于包括天线本体和馈电网络,所述的天线本体由若干天线单元在二维方向上等间距排列而成;
所述的天线单元从上到下依次包括辐射贴片、第一介质基板、粘合层、金属地、第二介质基板和微带馈线;所述辐射贴片通过四个贯穿第一介质基板和粘合层的金属孔与金属地连接;
所述辐射贴片位于第一介质基板的上表面,其包括两个轴对称的E形辐射贴片,两个E形辐射贴片间留有缝隙;
所述E形辐射贴片为矩形贴片开有两个缺口构成,两个缺口朝向缝隙;同一个E形辐射贴片的两个缺口间设置有2个贯穿第一介质基板和粘合层的金属孔;
所述粘合层用于将第一介质基板、第二介质基板的粘接;
所述金属地位于第二介质基板的上表面,其刻蚀有一耦合缝隙和第一至四缝隙枝节;所述耦合缝隙位于辐射贴片缝隙正下方;第一、二缝隙枝节位于所述耦合缝隙的一端,第三、四缝隙枝节位于所述耦合缝隙的另一端,且第一、二缝隙枝节关于耦合缝隙轴对称设置,第三、四缝隙枝节关于耦合缝隙轴对称设置。
2.如权利要求1所述的一种应用于毫米波通信系统的超宽带平面天线阵列,其特征在于所述辐射贴片的长度和宽度调控第一谐振模式。
3.如权利要求1所述的一种应用于毫米波通信系统的超宽带平面天线阵列,其特征在于所述金属孔边缘紧挨E形辐射贴片缺口。
4.如权利要求1所述的一种应用于毫米波通信系统的超宽带平面天线阵列,其特征在于所述金属孔的中心不超过E形辐射贴片缺口内侧,即金属孔的中心至E形辐射贴片靠近缝隙侧边沿的距离≤E形辐射贴片缺口长度。
6.如权利要求1所述的一种应用于毫米波通信系统的超宽带平面天线阵列,其特征在于第一至四缝隙枝节分别位于两个E形辐射贴片的4个缺口的正下方或者下方偏外侧位置。
7.如权利要求1所述的一种应用于毫米波通信系统的超宽带平面天线阵列,其特征在于所述的天线单元中心到中心的间隔Px调控第三谐振模式TE3δ1。
8.如权利要求1所述的一种应用于毫米波通信系统的超宽带平面天线阵列,其特征在于所述微带馈线位于第二介质基板的下表面,其位于四个金属孔的中间。
9.如权利要求1所述的一种应用于毫米波通信系统的超宽带平面天线阵列,其特征在于所述馈电网络与所述天线单元的微带馈线位于同一层,并且所述馈电网络的输出端与微带馈线的输入端相连。
10.如权利要求1所述的一种应用于毫米波通信系统的超宽带平面天线阵列,其特征在于所述微带馈线为T形结构。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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