CN114361788A

CN114361788A - 一种适用于毫米波频段的高辐射效率圆极化天线单元

Info

Publication number: CN114361788A
Application number: CN202111558693.2A
Authority: CN
Inventors: 崔冠峰; 刘宁; 宋瑞良; 尚国涛
Original assignee: CETC 54 Research Institute
Current assignee: CETC 54 Research Institute
Priority date: 2021-12-20
Filing date: 2021-12-20
Publication date: 2022-04-15

Abstract

本发明公开了一种适用于毫米波频段的高辐射效率圆极化天线单元，属于天线技术领域。其由呈对称结构分布的四组单极子天线组成，每一组单极子天线包含馈电结构、主辐射片及寄生辐射片，四组单极子天线按照旋转方向依次馈入等幅且90°相位差的激励信号，形成左旋/右旋圆极化天线单元。本发明将偶/单极子型天线单元应用于毫米波频段，能覆盖24.25‑29.5GHz频带宽度，且在整个频带方向图内具备高辐射效率。

Description

一种适用于毫米波频段的高辐射效率圆极化天线单元

技术领域

本发明涉及到天线技术领域，特别涉及一种适用于毫米波频段的高辐射效率圆极化天线单元。

背景技术

毫米波天线因其丰富的频谱资源，已成为下一代移动通信(6G)的主要演进方向。同时基于AIP/AOB架构的毫米波天线系统，天线单元与多通道射频芯片在垂直维度互联连接，集成度得到显著提升，便于构建更大规模的MIMO天线。

偶极子/单极子型天线单元具有带宽宽、辐射效率高、高交叉极化比等特性，被广泛应用于L/C波段的基站天线设计中，但主要采用机械加工制造模式的偶极子/单极子天线单元，在毫米波频段的加工工艺受限，尤其是类同轴的馈电结构难以等效实现，其在毫米波频段的应用被制约。

当前在毫米波频段广泛应用的天线形式为多层板压合型微带贴片天线，鉴于微带天线较高的Q值，在高频段工作时产生较大的辐射损耗及介质损耗，天线的辐射效率不高(辐射效率在80％左右)。而电磁波在毫米波频段空间传播损耗大，穿透能力较弱，需要高的天线增益去抵消电磁波在空间链路中的损耗，因此具备高辐射效率的毫米波天线单元的应用能更好的推动毫米波天线技术的发展。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种适用于毫米波频段的高辐射效率圆极化天线单元。本发明拓宽了单极子天线工作带宽，采用方形环结构实现小型化设计，相应缩减了圆极化天线单元整体尺寸，降低阵列中辐射单元间的耦合能量。

为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：

一种适用于毫米波频段的高辐射效率圆极化天线单元，包括单极子天线和多层介质板；所述单极子天线包括寄生辐射片、主辐射片和馈电结构；多层介质板层叠设置，从上至下依次包括第一介质板、第二介质板、第三介质板、第四介质板、第五介质板和第六介质板；所述寄生辐射片以矩形阵列的方式均匀排布于第一介质板的上表面；所述第一介质板的下表面设有与寄生辐射片一一对应的所述主辐射片，主辐射片位于对应寄生辐射片的正下方；

所述馈电结构包括馈电柱和方形的馈电片；所述馈电片位于第三介质板的上表面，且位于对应的主辐射片的正下方；所述第三介质板的下表面设有金属底板；所述第四介质板的下表面设有馈电网络；所述馈电柱位于贯穿第三介质板、金属底板和第四介质板的通孔中，馈电柱的顶部与对应的馈电片连接，馈电柱的底部通过位于第四介质板下表面的连接线与馈电网络连接；所述第五介质板的下表面还设有金属地板；所述馈电柱网络的总输入端口与通过类同轴结构与射频组件连接。

进一步的，所述单极子天线设有四个，对应地，寄生辐射片、主辐射片和馈电结构均具有四组，且每组的寄生辐射片、主辐射片和馈电结构一一对应。

进一步的，所述馈电片与馈电柱连接的位置设有第一圆形焊盘。

进一步的，所述金属底板上设有圆形孔，所述馈电柱贯穿圆形孔，且圆形孔的直径大于通孔的直径；所述馈电柱上设有第二焊盘，第二焊盘和金属底板位于同一面内，且第二焊盘和金属底板之间无接触。

进一步的，所述馈电网络是由两级一分二威尔金森功分器形成的一分四功分网络。

进一步的，所述类同轴结构包括外围金属盲孔和中心金属通孔；所述第四介质板的下表面和第六介质板的下表面均设有反焊盘结构；所述中心金属通孔贯穿第五介质板、金属地板和第六介质板，中心金属通孔的顶部与馈源网络的总输入端口连接；所述外围金属盲孔顶部与第五介质板下表面的金属地板接触；所述中心金属通孔与金属地板无接触。

进一步的，所述寄生辐射片之间和主辐射片之间均设有用于实现物理绝缘的缝隙结构。

进一步的，所述反焊盘结构为在金属覆层上蚀刻出的圆形孔。

本发明采取上述技术方案所产生的有益效果在于：

1、本发明的馈电结构连接天线一分四功分馈电网络，用于产生激励信号并将能量耦合至主辐射片；主辐射片位于馈电结构正上方，为方形金属片平面结构，产生第一谐振点，并将能量耦合至寄生辐射片；寄生辐射片位于主辐射片正上方，为方形金属环平面结构，产生第二谐振点，两相邻谐振点共同作用拓宽了单极子天线工作带宽。

2、本发明的谐振频点为工作频带内的低频点，为延展辐射片表面电流流通路径，采用方形环结构实现小型化设计，相应缩减了圆极化天线单元整体尺寸，降低阵列中辐射单元间的耦合能量。

3、本发明的馈电柱竖直部分与金属底板及方形馈电片间形成等效电感，此等效电感与方形馈电片和主辐射片之间形成的等效电容，共同形成一个简单的LC谐振电路，从而展宽圆极化天线单元工作带宽。

4、本发明的馈电柱穿过圆形孔时，在金属底座所在层端接焊盘，焊盘与金属底板上圆形孔之间形成反焊盘结构，产生等效电容，调节反焊盘尺寸可改变等效电容阻值，能有效改善天线阻抗带宽。

附图说明

图1是本发明实施例的剖面示意图。

图2是本发明实施例中第一介质板上表面的结构示意图。

图3是本发明实施例中第一介质板下表面的结构示意图。

图4是本发明实施例中馈电结构示意图。

图5是本发明实施例的端口驻波比曲线图。

图6是本发明实施例的轴向方向图仿真曲线。

图7是本发明实施例的方向向系数方向图仿真曲线。

图8是本发明实施例的实得增益方向图仿真曲线。

具体实施方式

下面，结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

如图1-图4中所示，本实施例是一种新型的适用于毫米波频段的具备高辐射效率圆极化天线单元，该天线结构是基于PCB加工工艺形成的立体连接结构，与传统的机械加工的天线有所区别，PCB的基本加工部件结构包括介质基板、覆铜层、覆铜蚀刻图形、盲孔、通孔等；

其中：该新型圆极化天线单元由四组结构相同、呈“田”字型方式对称排列的单极子天线构成，每一组单极子天线包括寄生辐射片1、主辐射片2、馈电结构3与4，天线单元整体结构还包含金属底板5、多层板介质板6、基板覆铜层7、半固化片8；为实现对四个单极子天线端口等幅、90°相位差旋转馈电激励，天线单元需适配一分四功分网络9，同时天线单元与射频通道间由类同轴馈电结构来实现多层板间垂直维度互联。

所述圆极化天线基于多层压合PCB板加工工艺，PCB多层板在叠层规则约束下由介质板6、覆铜层7及半固化片8构成；其中，辐射片1、辐射片2、馈电片31及馈电网络9等为基板上铜覆层腐蚀后形成的金属图形，馈电柱34、馈电柱51及屏蔽柱50为多层PCB板的盲孔结构；PCB板的金属图形、介质层间通孔/盲孔部件以及相互之间的连接，共同构建出三维立体结构，实现单极子天线单元设计。

所述圆极化天线单元，由寄生辐射片1、主辐射片2、馈电结构3构成；其中，馈电结构3连接天线一分四功分馈电网络9，用于产生激励信号并将能量耦合至主辐射片2；主辐射片2位于馈电结构正上方，为方形金属片平面结构，产生第一谐振点，并将能量耦合至寄生辐射片1；寄生辐射片1位于主辐射片2正上方，为方形金属环平面结构，产生第二谐振点，两相邻谐振点共同作用拓宽了单极子天线工作带宽。

所述单极子天线的寄生辐射片11，其谐振频点为工作频带内的低频点，为延展辐射片表面电流流通路径，采用方形环结构实现小型化设计，相应缩减了圆极化天线单元整体尺寸，降低阵列中辐射单元间的耦合能量；方形金属环结构11是介质基板表面覆铜层蚀刻后产生的金属图形，四组寄生辐射片11呈“田”字型对称排布，两两寄生辐射片11之间存在缝隙结构12以实现物理绝缘。

所述单极子天线的主辐射片21，其谐振频点为工作频带内的高频点，采用方形金属片结构实现宽带化设计，同时增强其从方形馈电片结构处耦合到的电磁能量；方形主辐射片与方形馈电片之间产生平板电容效应；方形金属片结构21是介质基板表面覆铜层蚀刻后产生的金属图形，四组方形主辐射片21呈“田”字型对称排布，两两之间存在缝隙结构22以绝缘。

所述单极子天线的馈电结构主要由方形金属馈电片31、圆形金属馈电柱34以及与天线单元功分馈电网络的连接线构成；馈电柱34从圆形孔穿过天线单元金属底板5，并在上侧与方形馈电片连接，连接处有圆形焊盘33，下侧与功分馈电网络9连接，连接处为圆形焊盘；方形馈电片结构31是介质基板表面覆铜层蚀刻后产生的金属图形，四组方形主辐射片31呈“田”字型对称排布，两两之间存在缝隙结构以绝缘；金属馈电柱由多层板内部盲孔结构实现，其长度尺寸取决于介质基板厚度及多层板叠层方式；传统的偶极子/单极子天线的馈电结构，信号在传输的过程中是需要采用封闭的信号传输路径，所以传输信号的导体外侧都需要屏蔽结构，而本实施例的馈电结构，减少了馈电电路中为保持传输信号封闭性而采用的屏蔽结构，降低了馈电结构复杂度。

所述圆极化天线馈电柱34竖直部分与金属底板5及方形馈电片间形成等效电感，此等效电感与方形馈电片和主辐射片之间形成的等效电容，共同形成一个简单的LC谐振电路，从而展宽圆极化天线单元工作带宽。

所述圆极化天线馈电柱34穿过圆形孔时，在金属底座所在层端接焊盘35，焊盘35与金属底板上圆形孔之间形成反焊盘结构，产生等效电容，调节反焊盘尺寸可改变等效电容阻值，能有效改善天线阻抗带宽。

所述与四组单极子天线馈电柱34连接的圆极化天线馈电网络9，位于天线金属底板5正下方，为带状线结构，且将金属底板5作为带状线上金属接地板；带状线中间传输带线，为由介质基板表面覆铜层蚀刻后产生的金属图形，下金属接地板为基板覆铜层；每一组单极子天线对应一馈电柱，因为属于开放型的信号传输结构，要相互远离，以减少耦合现象，所以四个馈电柱设置在天线外轮廓四个顶点处，远离相邻馈电柱，减小单极子天线间耦合量。

所述馈电网络9是由两级一分二威尔金森功分器形成的一分四功分网络，其四个端口输出功率幅度相等、相位依次为0°/90°/180°/270°(或者0°/-90°/-180°/-270°)分布的激励信号，用于对四组单极子天线馈电，实现左旋/右旋圆极化天线；为适配多层板加工工艺，一分二威尔金森功分器输出端口间电阻采用印刷电阻形式。

所述圆极化天线单元馈电网络9总输入端口，每一总输入端口均与射频芯片通道的层间级联采用类同轴结构实现，其中，每一类同轴结构包括中心金属通孔51和外围金属盲孔；中心金属通孔51等效同轴线内导体，四根外围金属盲孔即屏蔽柱50组成的屏蔽结构等效同轴线外导体，射频信号经类同轴结构在多层板不同层间传输，并最终输出到表贴在多层板背部的射频芯片通道中。

所述圆极化天线实施例的仿真驻波曲线与方向图如图5-8中所示，该天线单元可覆盖24.25-29.5GHz的频带宽度；在整个工作带宽内轴比指标优异，轴向＜0.1dB，±60度范围内轴比≤1.02dB；通过对比方向性系数与实得增益方向图，整个工作频带内圆极化天线单元辐射效率≥93.3％，频带内平均辐射效率≥96.5％。

Claims

1.一种适用于毫米波频段的高辐射效率圆极化天线单元，该天线单元为基于PCB加工工艺形成的立体连接结构，包括单极子天线和多层介质板；其特征在于，所述单极子天线包括寄生辐射片、主辐射片和馈电结构；多层介质板包括从上至下依次层叠的第一介质板、第二介质板、第三介质板、第四介质板、第五介质板和第六介质板；所述寄生辐射片以矩形阵列的方式均匀排布于第一介质板的上表面；所述第一介质板的下表面设有与寄生辐射片一一对应的所述主辐射片，主辐射片位于对应寄生辐射片的正下方；

2.根据权利要去1所述的一种适用于毫米波频段的高辐射效率圆极化天线单元，其特征在于，所述单极子天线设有四个，对应地，寄生辐射片、主辐射片和馈电结构均具有四组，且每组的寄生辐射片、主辐射片和馈电结构一一对应。

3.根据权利要求1所述的一种适用于毫米波频段的高辐射效率圆极化天线单元，其特征在于，所述馈电片与馈电柱连接的位置设有第一圆形焊盘。

4.根据权利要求1所述的一种适用于毫米波频段的高辐射效率圆极化天线单元，其特征在于，所述金属底板上设有圆形孔，所述馈电柱贯穿圆形孔，且圆形孔的直径大于通孔的直径；所述馈电柱上设有第二焊盘，第二焊盘和金属底板位于同一面内，且第二焊盘和金属底板之间无接触。

5.根据权利要求1所述的一种适用于毫米波频段的高辐射效率圆极化天线单元，其特征在于，所述馈电网络是由两级一分二威尔金森功分器形成的一分四功分网络。

6.根据权利要求1所述的一种适用于毫米波频段的高辐射效率圆极化天线单元，其特征在于，所述类同轴结构包括外围金属盲孔和中心金属通孔；所述第四介质板的下表面和第六介质板的下表面均设有反焊盘结构；所述中心金属通孔贯穿第五介质板、金属地板和第六介质板，中心金属通孔的顶部与馈源网络的总输入端口连接；所述外围金属盲孔顶部与第五介质板下表面的金属地板接触；所述中心金属通孔与金属地板无接触。

7.根据权利要求1所述的一种适用于毫米波频段的高辐射效率圆极化天线单元，其特征在于，所述寄生辐射片之间和主辐射片之间均设有用于实现物理绝缘的缝隙结构。

8.根据权利要求6所述的一种适用于毫米波频段的高辐射效率圆极化天线单元，其特征在于，所述反焊盘结构为在金属覆层上蚀刻出的圆形孔。