CN114284736A - 一种毫米波宽频段高增益双极化磁电偶极子滤波天线 - Google Patents

Abstract

一种毫米波宽频段高增益双极化磁电偶极子滤波天线，涉及射频通信领域。包括顶层介质基板，中间层介质基板和底层介质基板，顶层介质基板是一块方形介质板，中间层介质基板的上表面印刷辐射体结构，底层介质基板印刷缝隙耦合馈电网络结构；辐射体结构包括四块对称且相连的寄生贴片，寄生贴片均加载金属化过孔，缝隙耦合馈电网络包括两组正交放置的Y型馈电线及四个耦合矩形缝隙，四个矩形耦合缝隙加载在金属地板上。不引入其他滤波结构，通过改变电偶极子的长度和磁偶极子的高度，可控制低频辐射零点，通过延长在耦合缝隙下的馈电线长度，产生一个高频零点，通过改变耦合缝隙的长度，引入一个新的更高频零点，进而提高高频带外滤波性能。

Description

一种毫米波宽频段高增益双极化磁电偶极子滤波天线

技术领域

本发明涉及射频通信领域，具体是涉及应用于5G毫米波系统的一种毫米波宽频段高增益双极化磁电偶极子滤波天线。

背景技术

5G毫米波技术是5G应用中的一项重要技术，毫米波是指波长为1mm至10mm的电磁波，毫米波具有大带宽、低空口时延和灵活弹性空口配置等独特优势，可满足未来无线通信对系统容量、传输速率和差异化应用等方面的需求。

滤波天线是将天线与滤波功能结合起来的一种新兴技术。滤波天线具有效率高、插入损耗小等优点，有望在现代无线通信系统中得到应用。近年来，实现滤波天线的常规方法有两种，一种是将天线和滤波器级联起来，用天线辐射部分代替滤波器网络的最后一阶谐振器。这种方案通常需要多个串联在一起的谐振器，这不仅增加天线的尺寸，而且引入滤波器网络的插入损耗，不利于应用于5G毫米波系统。第二种方法是在天线辐射部分添加如缝隙、寄生贴片或短路探针等额外结构，这种方法没有引入工作频段内的插入损耗，但是天线的结构复杂度高。

磁电偶极子天线因其宽带大、后瓣小、交叉极化低等优势被广泛应用到无线通信系统中。单极化形式的常规磁电偶极子天线一般由一个水平电偶极子、竖直磁偶极子以及L形金属馈电部分组成，这种天线的E面和H面方向图非常稳定。对于双极化的磁电偶极子天线，为保证极化隔离度，馈电部分需要设计两个高低不平且不相交的馈电L形探针。然而，当频率进入毫米波频段，如果使用高低不平的L形探针意味着两个馈电部分需要印刷在不同高度的介质板上，这导致介质板层数的增加，加工成本及设计复杂度变高。

此外，针对高增益的天线设计，传统的方法是使用天线阵列，然而，如果天线单元个数很多且为双极化天线，馈电网络会更加复杂，在毫米波频段带来的插入损耗影响很大。

发明内容

本发明的目的在于针对上述天线技术的缺点和不足，提供应用于5G毫米波系统,无需任何滤波器网络以及额外寄生结构，滤波天线单元仅用两层介质板实现，结构简单，无需多个天线单元组阵和相应功率分配馈电网络设计，实现宽频段、高增益、双极化、集成滤波辐射性能的一种毫米波宽频段高增益双极化磁电偶极子滤波天线。

本发明包括顶层介质基板、中间层介质基板和底层介质基板；所述顶层介质基板为高介电常数的介质基板；所述中间层介质基板的上表面印刷辐射体结构，辐射体结构通过金属化过孔连接到介质基板的下表面，形成磁电偶极子结构；所述底层介质基板印刷缝隙耦合馈电网络结构。

所述顶层介质基板的形状包括但不限于方形。

所述辐射体结构包括四块对称且相连的方形寄生贴片。

所述缝隙耦合馈电网络结构包括两组正交放置的Y型馈电线以及四个单独的耦合缝隙，所述耦合缝隙加载在金属地板上，所述金属地板和Y型馈电分别印刷在底层介质基板的上下表面，所述中间层介质基板上表面寄生贴片通过加载金属化过孔连接到底层介质基板上表面金属地板。

所述磁电偶极子结构的电偶极子长度和磁偶极子高度共同控制低频辐射零点1，磁电偶极子长度与高度之和约为低频辐射零点所在频点对应波长的1/4。

所述耦合缝隙包括四个两两正交的矩形缝隙。

所述缝隙耦合馈电网络包括两路微带线，分别经过耦合缝隙后进行延伸，通过耦合缝隙耦合到中间层介质基板的磁电偶极子结构进行辐射。

所述Y型馈电线在耦合缝隙的延伸部分控制高频边带的辐射零点2，延伸部分的长度约为该辐射零点所在频点对应波长的1/4。

所述耦合缝隙的长度控制高频边带的辐射零点3，该辐射零点3比高频边带辐射零点2的频率更高。

所述Y型馈电网络包括测量连接端口连接，在底层介质基板下表面上印刷了四块金属贴片，均用三个短路金属过孔连接到金属地板。

所述两组Y型馈电线在交叉位置使用跳线技术，一组Y型馈电线正常印刷微带线，另外一组Y型馈电线通过两个短路金属化过孔连接到开槽地板的开槽处，开槽地板上的短路孔处再进行印刷微带线连接。

所述正常印刷Y型馈电线的上方地板印刷两个对称的矩形缝隙，用于与另外一组跳线Y型馈电线保持同样的辐射参数。

所述顶层介质基板、中间层介质基板和底层介质基板均包括四组非金属化过孔，用于使用尼龙柱固定安装。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

(1)本发明挖掘磁电偶极子天线缝隙耦合馈电结构固有的滤波特性实现滤波效果，无需任何滤波器网络以及额外的寄生结构，即可实现带通滤波辐射效果。采用缝隙耦合馈电的方式无需使用传统的L形馈电探针结构，整个滤波天线单元仅用两层介质板实现，结构非常简单。

(2)本发明涉及的单极化模型的辐射零点独立可控：通过控制电偶极子的长度和磁偶极子的高度，可控制低频辐射零点，通过延长在耦合缝隙处馈电线的长度引入并控制高频的第一个辐射零点，同时，控制耦合缝隙的长度，可以在此零点基础上引入一个新的更高频的第二个辐射零点并可单独控制，进一步增强高频带外滤波性能。

(3)该天线采用高介电常数的介质板，无需多天线组阵和功率分配馈电网络，使单天线的带内增益增加约4.8dB。

(4)天线实现覆盖的阻抗带宽是37.3％(24-35GHz)，该天线可以成为5G毫米波应用的备选天线。

采用缝隙耦合馈电的方式无需使用传统的L形馈电探针结构，整个滤波天线单元仅用两层介质板实现，结构非常简单。为获得高增益，设计一层由高介电常数的介质板构成的结构，添加在天线单元的上方，与传统的天线阵列方案相比，无需多个天线单元组阵和相应功率分配馈电网络设计。本发明设计的天线同时实现宽频段、高增益、双极化、集成滤波辐射性能，工作频段覆盖5G毫米波n257/n258频段，可成为5G毫米波系统的备选天线。

附图说明

图1是本发明天线结构的结构示意图；

图2是顶层介质基板的俯视图；

图3是中间层介质基板的俯视图；

图4是底层介质基板的俯视图；

图5是底层介质基板的底视图；

图6是本实施例未加顶层介质基板的单极化滤波天线S参数和增益随频率变化的仿真结果图；

图7是本实施例单极化滤波天线的辐射零点1的频率控制仿真结果图；

图8是本实施例单极化滤波天线的辐射零点2的频率控制仿真结果图；

图9是本实施例单极化滤波天线的辐射零点3的频率控制仿真结果图；

图10是本实施例双极化高增益天线S参数随频率变化的仿真结果图仿真结果图；

图11是本实施例双极化高增益天线的增益随频率变化的仿真结果图；

图12是本实施例双极化高增益天线在29GHz频率的XOZ平面方向图的仿真结果图；

图13是本实施例双极化高增益天线在29GHz频率的YOZ平面方向图的仿真结果图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

一种应用于5G毫米波系统的高增益双极化宽带磁电偶极子滤波天线，包括顶层介质基板，中间层介质基板和底层介质基板，所述顶层介质基板的上下表面不印刷金属，所述中间层介质基板的上表面印刷辐射体结构，所述底层介质基板印刷缝隙耦合馈电网络结构；

所述顶层介质基板是一块高介电常数介质板，起到聚焦波束的作用；

所述辐射体结构包括四块对称且相连的寄生贴片，所述寄生贴片均加载金属化过孔；

所述缝隙耦合馈电网络包括两组正交放置的Y型馈电线及四个耦合矩形缝隙，所述四个矩形耦合缝隙加载在金属地板上，所述金属地板和Y型馈电线分别印刷在底层介质基板的上表面和下表面，所述寄生贴片通过金属化过孔连接到金属地板。

所述Y型馈电网络包括测量连接端口连接，在底层介质基板下表面上印刷四块金属贴片，均用三个短路金属过孔连接到金属地板。

所述两组Y型馈电线在交叉位置使用跳线技术，一组Y型馈电线正常印刷微带线，另外一组Y型馈电线通过两个短路金属化过孔连接到开槽地板的开槽处，开槽地板上的短路孔处再进行印刷微带线连接。

所述正常印刷Y型馈电线的上方地板印刷两个对称的矩形缝隙，用于与另外一组跳线Y型馈电线保持同样的辐射参数。

通过改变电偶极子的长度和磁偶极子的高度，可以控制低频辐射零点1，通过延长在耦合缝隙处馈电线的长度来引入一个高频的辐射零点2，延伸的长度约为该辐射零点所在频点对应波长的1/4。

控制耦合缝隙的长度，可以在延长馈电线产生的高频零点2的基础上引入一个新的更高频的辐射零点3，进一步增强高频带外滤波性能。

未加入其他的滤波寄生结构或引入滤波器，从缝隙耦合磁电偶极子本身固有的特性出发，实现带通滤波性能。

利用高介电常数的介质板，使天线的带内增益增加约4.8dB。

覆盖5G毫米波通信n257/n258频段，易于滤波特性和天线功能的集成一体化。

以下结合附图进行说明。

如图1所示，一种应用于5G毫米波系统的高增益双极化宽带磁电偶极子滤波天线，包括顶层介质基板1、中间层介质基板3和底层介质基板7，中间介质基板和底层介质基板直接贴紧，再通过尼龙柱2与顶层介质基板安装连接。所述顶层介质基板上下表面不印刷金属。所述中间层介质基板的上表面印刷辐射体结构6，辐射体结构通过金属化过孔15连接到下表面，形成磁电偶极子。所述底层介质基板印刷缝隙耦合馈电网络结构。

如图2所示，所述顶层介质基板1是一块方形的介质板，对角线四部分是用于安装的安装非金属化通孔12；

如图3所示，所述中间层介质基板的上表面印刷辐射体结构6，辐射体结构通过金属化过孔15连接到下表面，形成磁电偶极子。所述辐射体结构6的长度和金属化过孔15的高度共同控制低频辐射零点。中间层介质基板上集成4个非金属化通孔12和4个非金属化通孔13，分别用于与顶层介质基板和SMA馈电测试头的安装。

如图4所示，底层介质基板7的上表面是地板，耦合缝隙10加载在金属地板上，为方便测试，地板通过金属化过孔14连接到底层介质基板的下表面上的金属贴片。由于本设计是双极化天线设计，设计馈电微带线走线时会出现交叉的情况，这里使用跳线结构11来解决这个问题，同时，为两个极化端口的匹配对称，在未使用跳线的馈电端口一侧加载两个缝隙8。

如图5所示，所述缝隙耦合馈电网络结构包括两组正交放置的Y型馈电线5和9，Y型馈电网络包括一个一分二功分器，一分二功分器的输出端连接两路微带线，分别经过耦合缝隙10后进行延伸，通过耦合缝隙耦合到中间层介质基板的磁电偶极子结构进行辐射。所述Y型馈电线的延伸部分16引入高频辐射零点，延伸部分的长度约为辐射零点所在频点对应波长的1/4。再通过控制缝隙10的长度，可以在此基础上引入更高频的一个辐射零点，实现更好的滤波效果。所述Y型馈电网络包括测量连接端口连接，在底层介质基板下表面上印刷四块金属贴片4，均用三个短路金属过孔14连接到金属地板。所述两组Y型馈电线在交叉位置使用跳线结构11，一组Y型馈电线正常印刷微带线，另外一组Y型馈电线通过两个短路金属化过孔连接到开槽地板的开槽处，开槽地板上的短路孔处再进行印刷微带线连接。

如图6所示，是本实施例未加顶层介质基板的一个单极化磁电偶极子天线的反射系数S₁₁-频率和实际增益-频率的仿真结果图，通带内的阻抗匹配良好，阻抗带宽为23～30GHz，回波损耗在-10dB以下，工作频段内的增益约为8.2dBi，实现3个可控的辐射零点，实现15～20GHz超过21dB的滤波抑制，以及在37.5～44GHz超过23dB的带外滤波抑制。未加顶层介质基板单极化天线的效果用于验证本发明的可行性。

如图7-9所示，是本发明未加顶层介质基板的一个单极化磁电偶极子天线3个零点的独立控制过程，通过改变磁电偶极子的高度h和矩形贴片长度L，可以单独控制零点1的频率，通过改变馈电线在耦合缝隙处的延长部分L₁，可以单独控制零点2的频率，通过改变耦合缝隙的长度L₂，可以单独控制零点3的频率。

如图10-11所示，是本发明一个实施例提供的双极化高增益磁电偶极子滤波天线的S参数-频率和增益-频率的仿真结果图，通带内阻抗匹配良好，阻抗带宽为24-35GHz，回波损耗均在-13dB以下，工作频段内两个极化下的增益一致，约为13dBi，比未加顶层介质基板的单元天线增益增加4.8dB，工作频带内的隔离度S₂₁均小于-23dB，增益-频率曲线也呈现良好的带通滤波效果。

如图12和13所示，是本发明一个实施例提供的双极化高增益磁电偶极子滤波天线的XOZ和YOZ两个极化分别单独激励时的方向图，端口1和端口2分别被激励时在29GHz下的方向图基本一致，主极化波束宽度约为40°，交叉极化水平均在-18dB以下。

与传统的滤波天线设计方法如级联滤波器和添加额外寄生单元等相比，本发明滤波天线挖掘磁电偶极子天线缝隙耦合馈电结构固有的滤波特性实现滤波效果，因此，无需任何滤波器网络以及额外寄生结构。此外，采用缝隙耦合馈电的方式无需使用传统的L形馈电探针结构，整个滤波天线单元仅用两层介质板实现，结构非常简单。为获得高增益，设计一层由高介电常数的介质板构成的结构，添加在天线单元的上方，与传统的天线阵列方案相比，无需多个天线单元组阵和相应功率分配馈电网络设计。本发明设计的天线同时实现宽频段、高增益、双极化、集成滤波辐射性能，工作频段覆盖5G毫米波n257/n258频段，可成为5G毫米波系统的备选天线。

本发明设计方法提供的实施例可根据需求对相关结构的尺寸进行调整而适应不同频带的无线通信系统的接收和发射设备中，由于本发明结构的固有滤波特性，无添加任何滤波网络及寄生单元，且工作带宽覆盖5G毫米波通信n257/n258频段，适用于低损耗、多频段、多制式的多天线无线通信场景中。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式不受本实施例的限制，其他任何未背离本发明的原理和实质下所作的修改、组合和简化等，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种毫米波宽频段高增益双极化磁电偶极子滤波天线，其特征在于包括顶层介质基板，中间层介质基板和底层介质基板，所述顶层介质基板的上下表面不印刷金属，所述中间层介质基板的上表面印刷辐射体结构，辐射体结构通过金属化过孔连接到介质基板的下表面，形成磁电偶极子结构；所述底层介质基板印刷缝隙耦合馈电网络结构；

所述顶层介质基板是一块高介电常数介质板，用于聚焦波束；

所述辐射体结构包括四块对称且相连的寄生贴片，所述寄生贴片均加载金属化过孔；

所述缝隙耦合馈电网络结构包括两组正交放置的Y型馈电线及四个耦合矩形缝隙，所述四个矩形耦合缝隙加载在金属地板上，所述金属地板和Y型馈电线分别印刷在底层介质基板的上表面和下表面，所述寄生贴片通过金属化过孔连接到金属地板。

2.根据权利要求1所述一种毫米波宽频段高增益双极化磁电偶极子滤波天线，其特征在于所述底层介质基板下表面上印刷四块金属贴片，均用三个短路金属过孔连接到金属地板。

3.根据权利要求1所述一种毫米波宽频段高增益双极化磁电偶极子滤波天线，其特征在于所述两组正交放置的Y型馈电线在交叉位置使用跳线技术，一组Y型馈电线正常印刷微带线，另外一组Y型馈电线通过两个短路金属化过孔连接到开槽地板的开槽处，开槽地板上的短路孔处再进行印刷微带线连接。

4.根据权利要求3所述一种毫米波宽频段高增益双极化磁电偶极子滤波天线，其特征在于所述正常印刷微带线的Y型馈电线的上方地板印刷两个对称的矩形缝隙，用于与另外一组跳线Y型馈电线保持同样的辐射参数。

5.根据权利要求1所述一种毫米波宽频段高增益双极化磁电偶极子滤波天线，其特征在于所述辐射体结构的长度和金属化过孔的高度共同控制低频辐射零点1，通过延长在耦合缝隙处馈电线的长度来引入一个高频的辐射零点2，延伸的长度约为该辐射零点所在频点对应波长的1/4。

6.根据权利要求5所述一种毫米波宽频段高增益双极化磁电偶极子滤波天线，其特征在于控制所述耦合缝隙的长度，在延长馈电线产生的高频零点2的基础上引入一个新的更高频的辐射零点3，进一步增强高频带外滤波性能。

7.根据权利要求1所述一种毫米波宽频段高增益双极化磁电偶极子滤波天线，其特征在于所述高介电常数介质板，用于将天线的带内增益增加4.8dB。

8.根据权利要求1所述一种毫米波宽频段高增益双极化磁电偶极子滤波天线，其特征在于其工作频段覆盖5G毫米波n257/n258频段，易于滤波特性和天线功能的集成一体化。

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