CN114336020B - 一种基于不对称开槽矩形贴片的宽带圆极化天线阵列 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于不对称开槽矩形贴片的宽带圆极化天线阵列。所述的天线阵列包括由上往下依次设置的顶部金属层、第一介质层、第一粘合层、第二金属层、第二介质层和第三金属层。第一金属层设有圆极化天线阵列，其包括周期排布的天线单元，每个天线单元包括一对中心对称的不对称开槽矩形贴片，该不对称开槽矩形贴片为在矩形贴片的一侧开有不等长的两个矩形槽；每个天线单元与第二金属层之间通过两对金属柱实现电接触；底部馈电网络通过耦合缝隙及金属柱给圆极化天线阵列馈电。本发明的圆极化天线阵列获得了39.6％的阻抗带宽和50.7％的轴比带宽并可以实现与毫米波射频前端电路直接集成。
Description
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体涉及一种采用不对称开槽矩形贴片的圆极化天线阵列，可应用于5G移动通信和卫星通信等领域。
背景技术
随着5G的日益成熟，包括3GPP和ITU在内的国际标准化组织也开始研究卫星与5G融合的问题。3GPP R17也专门立项NTN(非地面传输网络)研究5G协议演进下的卫星通信。在3GPP名为“面向‘非地面网络’中的5G新空口”研究项目中，定义了包括卫星网络在内的非地面网络(NTN:Non-Terrestrial Networks)的部署场景。卫星通信将作为空天地海一体化通信的一部分，可以使运营商在地面网络基础设施不发达地区提供5G商用服务，实现5G业务连续性，尤其是在应急通信、海事通信、航空通信及铁路沿线通信等场景中发挥作用。
天线作为通信系统的最前端组件，其性能可以影响整个系统的表现，包括信噪比、信号覆盖范围等。而对于包括卫星通信在内的很多通信系统，通信的对象不再局限于固定的目标，随着目标的移动，天线的极化方向可能会发生变化。而相比于线极化天线，圆极化天线对目标的位置和姿态不敏感，因此圆极化天线是移动通信比较好的选择。
而现有的技术对于毫米波贴片圆极化天线阵列的带宽较低的问题还有待提升。
发明内容
本发明的目的是针对毫米波技术中存在的问题与不足，提供了一种基于不对称开槽矩形贴片的宽带圆极化天线阵列。采用含有不对称开槽矩形贴片的结构作为天线单元，在周期边界条件下进行参数优化，利用微带结构作为馈电，最终实现了可以满足毫米波通信系统需要的、易于加工的、低剖面易于平面集成的8×8宽带圆极化天线阵列。
本发明一种基于不对称开槽矩形贴片的宽带圆极化天线阵列，包括由上往下依次设置的顶部金属层、天线层介质基板、第二金属层、第二介质层和第三金属层；所述天线层介质基板包括第一介质层、第一粘合层，第一介质层和第二介质层通过第一粘合层粘结在一起；
所述第一金属层设有圆极化天线阵列，其印刷在第一介质层的上表面，其中所述圆极化天线阵列包括周期排布的天线单元；每个天线单元包括一对中心对称设置的不对称开槽矩形贴片，且两不对称开槽矩形贴片间留有空隙；
所述不对称开槽矩形贴片为在矩形贴片的一侧开有第一矩形槽、第二矩形槽；且第一矩形槽、第二矩形槽开口端面向另一个不对称开槽矩形贴片；
作为优选，所述不对称开槽矩形贴片长度Wp满足λg/2，其中λg为42.5GH在介质基板中所对应的波长；
所述第一矩形槽、第二矩形槽的宽度相同，但长度不同；
作为优选，所述的第一矩形槽为较长矩形槽，该矩形槽的长度为b，其是不对称开槽矩形贴片宽度Lp的九分之八；
作为优选，所述的第二矩形槽为较短矩形槽，该较短矩形槽的长度为d，其满足d+b＝λg0/4，其中λg0为高频处谐振频点45GH在介质基板中所对应的波长；
作为优选，第一矩形槽和第二矩形槽的中心至所述不对称开槽矩形贴片宽度向中心线的距离相等；
作为优选，相邻天线单元间留有一定距离的空隙；且相邻天线单元的中心距离满足λg1/2，其中λg1为37.5GH在自由空间中所对应的波长；
所述不对称开槽矩形贴片通过贯穿第一介质层、第一粘合层的一对金属柱与第二金属层连接；所述金属柱与所述不对称开槽矩形贴片连接部分位于第一矩形槽、第二矩形槽中间位置；
作为优选，所述一对金属柱关于所述不对称开槽矩形贴片宽度向中心线轴对称且分别靠近所连接不对称开槽矩形贴片的第一矩形槽、第二矩形槽；
所述的第二金属层作为公共的金属地板，该金属地板上刻蚀有用于电磁耦合的多条耦合缝隙，该耦合缝隙为矩形结构；每个天线单元的正下方设有一条耦合缝隙；
作为优选，所述天线单元中两不对称开槽矩形贴片间的空隙位于耦合缝隙正上方；
作为优选，耦合缝隙的长度Ls为0.5λg2，其中λg2为48GHz的介质波长，宽度为Ws；
作为优选，耦合缝隙的宽度Ws与两不对称开槽矩形贴片间留有的空隙宽度Wg相等；
所述的第三金属层包括基于微带线结构的功率分配馈电网络，通过耦合缝隙及金属柱给顶层圆极化天线阵列馈电；
作为优选，所述的基于微带线结构的功率分配馈电网络包括3个性能优异的1分4路T型功率分配器构成的1分64路微带馈电网络；
作为优选，所述的耦合缝隙正下方设有U型馈电微带线结构，其与50欧姆微带线相连接，该U型馈电微带结构作为各个天线单元的馈电结构实现了良好的匹配。两对金属柱位于U型微带结构内；
作为优选，天线阵列的尺寸为34*34*1.116mm3；
作为优选，天线层介质基板的厚度为h1+hb等于0.2λ0，其中λ0为天线的中心工作频率所对应的波长。
所述的天线阵列单元的优化过程是：基于周期边界条件在考虑阵元间的耦合效应的情况下，模拟天线阵列的阻抗特性和轴比特性，在此条件下，对天线阵列单元进行参数优化，从而使整个圆极化天线阵列设计过程更高效。
具体工作过程：当天线工作时，在工作频带内耦合缝隙两侧的电流相位相差180°，两侧电流经由耦合缝隙两侧的金属柱馈给顶层圆极化天线单元，通过激励天线单元不同时刻的电场模式，从而实现一个随时间旋转的电场，进而辐射圆极化波。
本发明与现有的技术相比具有如下优点：
(1)本发明天线阵列采用的不对称开槽矩形贴片结构的新型圆极化辐射单元，在较宽的带宽下具有定向圆极化辐射性能，因此带来了阵列的宽带圆极化特性。
(2)本发明的天线阵列采用低剖面的微带馈电结构，可以直接与射频前端集成。
(3)本发明的天线阵列采用多层PCB结构设计加工，实现了平面结构，设计结构简单、易于加工、成本低廉。
附图说明
图1是本发明的天线阵列三维分层结构示意图；
图2是本发明的天线阵列单元三维分层结构示意图；
图3是本发明的天线阵列单元三视图和详细尺寸，(a)侧视图,(b)顶视图,(c)含中间层和底层；
图4的(a)-(b)是本发明阵元间的排布间距以及局部微带馈电网络；
图5是本发明的天线阵列的顶层金属层；
图6是本发明的天线阵列的中间金属层，刻蚀有矩缝隙；
图7是本发明的天线阵列馈电网络层的结构示意图；
图8是本发明的天线阵列单元的回波损耗和轴比；
图9是本发明的天线阵列的回波损耗与轴比；
图10是本发明的天线阵列的增益和方向性；
图11是本发明的天线阵列的辐射效率；
图12是本发明的天线阵列在33GHz处XZ和YZ平面的辐射方向图；
图13是本发明的天线阵列在36GHz处XZ和YZ平面的辐射方向图；
图14是本发明的天线阵列在39GHz处XZ和YZ平面的辐射方向图；
图15是本发明的天线阵列在42GHz处XZ和YZ平面的辐射方向图；
图16是本发明的天线阵列在45GHz处XZ和YZ平面的辐射方向图；
图17是本发明的天线阵列在48GHz处XZ和YZ平面的辐射方向图。
图中标记：圆极化天线单元1，金属地板2，功率分配馈电网络3，第一介质层4，第一粘合层5，第二介质层6，天线阵列单元7，金属柱8，耦合缝隙9，U型馈电微带线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阐明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
图1为天线阵列三维分层结构示意图，本发明公开的一种基于不对称开槽矩形贴片的宽带圆极化天线阵列由上往下依次设置的是顶部金属层、第一介质层4、第一粘合层5、第二金属层2、第二介质层6和第三金属层。顶部金属层设有周期排布的圆极化天线阵列，中间金属层作为公共接地层，中间金属层刻蚀有矩形缝隙，每个圆极化天线单元1中心部位与中间金属层之间通过贯穿第一介质层和第一粘合层的两对金属柱实现电接触；底部为低剖面的微带馈电网络3，通过耦合缝隙及金属孔给顶层圆极化天线阵列馈电。
图2为天线阵列单元三维分层结构示意图，本发明公开的圆极化天线阵列包括多个周期性分布的天线阵列单元7，天线阵列单元由一对中心对称的不对称开槽矩形贴片构成，所述不对称开槽矩形贴片为在矩形贴片的一侧开有第一矩形槽、第二矩形槽；且第一矩形槽、第二矩形槽开口端面向另一个不对称开槽矩形贴片；所述第一矩形槽、第二矩形槽的宽度相同，但长度不同；中间金属地板刻蚀有耦合缝隙9，以及底部金属面的U型馈电微带线10构成；中间金属层刻蚀的耦合缝隙两侧有两对贯穿第一介质层、第一粘合层的金属柱8与顶层圆极化天线单元实现电接触。
图3为天线阵列单元的三视图和详细尺寸。图3的(a)是侧视图；图3的(b)是天线阵列单元顶层的具体尺寸；图3的(c)是中间金属地板耦合缝隙和底层U型馈电结构的具体尺寸。其中Dex，Dey为天线阵列单元在x、y轴方向的间距，h1是第一介质层的厚度，h2是第二介质层的厚度，hb是第一粘合层的厚度。εr1为第一介质层和第二介质层的介电常数，εr2为第一粘合层介电常数。如图3所示，Ls、Ws是矩形缝隙的长和宽。xf和yf分别是馈电金属柱的x轴方向和y轴方向的间距,dv是馈电金属柱的直径。wp、lp、b、c、d、u、wg等参数是定义圆极化天线单元的主要参数，其中wp、lp是不对称开槽矩形贴片的长和宽，c确定了不对称开槽矩形贴片开槽位置，b和d确定了槽的长度，u是开槽宽度，由于b和d不相等而构成了矩形贴片上左右不对称的矩形槽。
图4为天线阵列的局部示意图。图4的(a)-(b)展示了阵元间的排布间距以及局部微带馈电网络。
如图5所示，所述的天线阵列的顶视图由8×8个圆极化天线单元组成；如图6所示，是天线阵列的金属地板层，上面刻蚀有用于耦合馈电的耦合缝隙；如图7所示，天线阵列的馈电网络，是由3个1分4路T型功分器组成的1分64路馈电网络。
图8是本发明的天线阵列单元回波损耗，轴比和增益，可以看到该天线阵列单元展现处优异的圆极化辐射性能，从图中可以看到，该天线阵列单元的阻抗带宽为36.4％(33.6-48.54GHz)，3dB轴比带宽为47.7％(33.31-54.19GHz)。
图9是本发明的天线阵列的反射系数和天线阵列轴比性能，可以看到该天线阵列具有良好的反射系数，从图中可看出天线阵列的|S11|<-10dB阻抗带宽覆盖33.36-49.84GHz，带宽为39.6％，在毫米波圆极化天线阵列中算是一个宽带的天线阵列，而且该天线阵列的圆极化性能也非常优异，3dB轴比带宽覆盖32.65-54.62GHz，带宽为50.7％。所以由图9可知，该天线阵列能正常有效辐射圆极化电磁波的频段为两者的公共部分即33.36-49.84GHz，带宽为39.6％，由此可以说该天线阵列能很好的应用在5G毫米波通信系统和卫星通信系统中。
图10为本发明所提出的天线阵列的增益和方向性。由图可以看出该天线阵列在工作频段的圆极化增益均在19dBic以上，峰值圆极化增益在44GHz达到21.8dBic。这表明该天线阵列具有很好的方向性。
图11为本发明所提出的天线阵列的辐射效率，在工作频段内效率均在70％以上，对于一个由微带线馈电的天线阵列，该辐射效率是一个比较正常的水平。
图12、图13、图14、图15、图16、图17分别是本发明公开的基于不对称开槽矩形贴片的宽带圆极化天线阵列分别在频率33GHz、36GHz、39GHz、42GHz、45GHz和48GHz的辐射方向图。由图可看出，本发明所涉及的天线阵列具有较高的方向性，第一副瓣在-10dB到-15dB范围内。
Claims (7)
1.一种基于不对称开槽矩形贴片的宽带圆极化天线阵列，其特征在于由上往下包括顶部金属层、天线层介质基板、第二金属层、第二介质层和第三金属层；所述天线层介质基板包括第一介质层、第一粘合层，第一介质层和第二介质层通过第一粘合层粘结在一起；
所述顶部金属层设有圆极化天线阵列，其印刷在第一介质层的上表面；其中所述圆极化天线阵列包括周期排布的天线单元，每个天线单元包括一对中心对称设置的不对称开槽矩形贴片，且两不对称开槽矩形贴片间留有空隙；
所述不对称开槽矩形贴片为在矩形贴片的一侧开有第一矩形槽、第二矩形槽；且第一矩形槽、第二矩形槽开口端面向另一个不对称开槽矩形贴片；所述第一矩形槽、第二矩形槽的宽度相同，但长度不同；
所述不对称开槽矩形贴片通过贯穿第一介质层、第一粘合层的一对金属柱与第二金属层连接；所述金属柱与所述不对称开槽矩形贴片连接部分位于第一矩形槽、第二矩形槽中间位置；
所述的第二金属层作为公共的金属地板，该金属地板上刻蚀有用于电磁耦合的多条耦合缝隙；每个天线单元的正下方设有一条耦合缝隙；
所述的第三金属层包括基于微带线结构的功率分配馈电网络，通过耦合缝隙及金属柱给顶层圆极化天线阵列馈电；
所述不对称开槽矩形贴片的长度Wp满足λg/2，其中λg为42.5GH在天线层介质基板中所对应的波长；所述的第一矩形槽为较长矩形槽，其长度b为不对称开槽矩形贴片宽度Lp的九分之八；所述第二矩形槽为较短矩形槽，其长度d满足d+b＝λg0/4，其中λh0为高频处谐振频点45GH在天线层介质基板中所对应的波长；所述第一矩形槽和第二矩形槽的中心至所述不对称开槽矩形贴片宽度向中心线的距离相等。
2.如权利要求1所述的一种基于不对称开槽矩形贴片的宽带圆极化天线阵列，其特征在于相邻天线单元间留有一定距离的空隙；且相邻天线单元的中心距离满足λg1/2，其中λg1为37.5GH在自由空间中所对应的波长。
3.如权利要求1所述的一种基于不对称开槽矩形贴片的宽带圆极化天线阵列，其特征在于所述一对金属柱关于所述不对称开槽矩形贴片宽度向中心线轴对称，且分别靠近所连接不对称开槽矩形贴片的第一矩形槽、第二矩形槽。
4.如权利要求1所述的一种基于不对称开槽矩形贴片的宽带圆极化天线阵列，其特征在于所述天线单元中两个不对称开槽矩形贴片间的空隙位于耦合缝隙正上方。
5.如权利要求1所述的一种基于不对称开槽矩形贴片的宽带圆极化天线阵列，其特征在于所述耦合缝隙的长度Ls为0.5λg2，其中λg2为48GHz的介质波长；耦合缝隙的宽度Ws与两不对称开槽矩形贴片间留有的空隙宽度Wg相等。
6.如权利要求1所述的一种基于不对称开槽矩形贴片的宽带圆极化天线阵列，其特征在于天线层介质基板的厚度为h1+hb等于0.2λ0，其中λ0为天线的中心工作频率所对应的波长。
7.如权利要求1-6任一项所述的一种基于不对称开槽矩形贴片的宽带圆极化天线阵列，其特征在于当天线工作时，在工作频带内耦合缝隙两侧的电流相位相差180°，两侧电流经由耦合缝隙两侧的两对金属柱给顶层圆极化天线阵列馈电，通过激励天线单元不同时刻的电场模式，从而实现一个随时间旋转的电场，进而辐射圆极化波。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 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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