CN114512817B - 双极化滤波天线、天线阵列及射频通信设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双极化滤波天线、天线阵列及射频通信设备，双极化滤波天线包括芯片连接层和至少一个双极化滤波天线单元，每个双极化滤波天线单元包括辐射层、馈电层、寄生枝节层和金属地层；馈电层上的金属贴片与垂直金属化过孔电连接构成两个正交的三维T形馈电结构，与辐射层形成耦合，寄生枝节层与三维T形馈电结构电连接，芯片连接层包括至少一组馈电网络，每组馈电网络对应至少一个双极化滤波天线单元，包括至少两个单极化的馈电网络，每个馈电网络与对应的三维T形馈电结构连接，并与波束赋形芯片连接。本发明天线通过多功能层的谐振、耦合实现高滚降滤波性能，组成阵列可实现宽角度波束扫描，设备加工成本低，满足市场应用需求。

Description

双极化滤波天线、天线阵列及射频通信设备

技术领域

本发明涉及一种双极化滤波天线、天线阵列及射频通信设备，属于射频通信领域。

背景技术

毫米波通信可以为用户提供更高速率的网络接入、更低延迟的响应速度、超大容量的无线设备连接数等高质量体验，是5G通信系统研发的关键技术之一。在应用于毫米波频段的射频收发机中，常将天线、滤波器集成在芯片的封装中，这对滤波器的设计要求极高，同时天线与滤波器的级联不可避免地会引入一些不必要的插损，造成能量损失。为此，在毫米波频段应用滤波天线，避免使用额外滤波器，对系统整体性能提升意义极大。

此外，大规模相控阵设计是毫米波射频前端的主要关键技术，利用波束赋形芯片的控制可实现阵列天线的波束扫描，从而实现性能更佳的链路健壮性，在一定程度上解决路径损耗问题，这是毫米波通信得以应用需要解决的关键难题。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术的缺点与不足，提供了一种双极化滤波天线，该天线在不影响通带内性能的前提下，实现了足以媲美滤波器的高选择性滤波功能，组成大规模相控阵天线具有更加重要的应用价值。

本发明的第二个目的是提供一种双极化滤波天线阵列。

本发明的第三个目的是提供一种射频通信设备。

本发明的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种双极化滤波天线，包括芯片连接层和至少一个双极化滤波天线单元，每个双极化滤波天线单元包括辐射层、馈电层、寄生枝节层和金属地层，所述辐射层、馈电层、寄生枝节层、金属地层和芯片连接层由上至下分布，且辐射层与馈电层之间、馈电层与寄生枝节层之间、寄生枝节层与金属地层之间、金属地层与和芯片连接层之间分别通过介质基板压合连接；

所述馈电层上的金属贴片与垂直金属化过孔电连接构成两个正交的三维T形馈电结构，三维T形馈电结构与辐射层形成耦合，所述寄生枝节层与三维T形馈电结构电连接，所述芯片连接层包括至少一组馈电网络，每组馈电网络对应至少一个双极化滤波天线单元，包括至少两个单极化的馈电网络，两个馈电网络与两个三维T形馈电结构一一对应，每个馈电网络与对应的三维T形馈电结构连接，并与波束赋形芯片电连接。

进一步的，所述芯片连接层通过金属地层与辐射层、馈电层、寄生枝节层之间形成隔离，波束赋形芯片的一个输出端口通过馈电网络控制一个或多个双极化滤波天线单元，形成一芯片驱动一天线单元或多天线单元工作模式。

进一步的，所述三维T形馈电结构的金属贴片和垂直金属化过孔可弯折。

进一步的，所述寄生枝节层包括两组正交的金属条，两组金属条与两个三维T形馈电结构一一对应，每组金属条与对应三维T形馈电结构的垂直金属化过孔电连接，并与对应三维T形馈电结构的金属贴片形成耦合。

进一步的，所述寄生枝节层的每组金属条为一根或多根，末端可弯折。

进一步的，所述辐射层包括多层分布的金属贴片，每层金属贴片形式为单一矩形、单一切角矩形和多个矩形旋转对称分布中的一种。

进一步的，所述辐射层的金属贴片中间开缝，以调节辐射层与馈电层之间、馈电层与寄生枝节层之间、寄生枝节层与金属地层之间、金属地层与和芯片连接层之间的耦合强度。

本发明的第二个目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种双极化滤波天线阵列，包括芯片连接层和N×M个双极化滤波天线单元，其中，N和M为自然数；

每个双极化滤波天线单元包括辐射层、馈电层、寄生枝节层和金属地层，所述辐射层、馈电层、寄生枝节层、金属地层和芯片连接层由上至下分布，且辐射层与馈电层之间、馈电层与寄生枝节层之间、寄生枝节层与金属地层之间、金属地层与和芯片连接层之间分别通过介质基板压合连接；

所述馈电层上的金属贴片与垂直金属化过孔电连接构成两个正交的三维T形馈电结构，三维T形馈电结构与辐射层形成耦合，所述寄生枝节层与三维T形馈电结构电连接，所述芯片连接层包括至少一组馈电网络，每组馈电网络对应至少一个双极化滤波天线单元，包括至少两个单极化的馈电网络，两个馈电网络与两个三维T形馈电结构一一对应，每个馈电网络与对应的三维T形馈电结构连接，并与波束赋形芯片电连接。

本发明的第二个目的还可以通过采取如下技术方案达到：

一种双极化滤波天线阵列，包括芯片连接层和2N×M个单极化滤波天线单元，其中，N和M为自然数；

每两个单极化滤波天线单元构成一个双极化滤波天线单元，每个单极化滤波天线单元包括辐射层、馈电层、寄生枝节层和金属地层，所述辐射层、馈电层、寄生枝节层、金属地层和芯片连接层由上至下分布，且辐射层与馈电层之间、馈电层与寄生枝节层之间、寄生枝节层与金属地层之间、金属地层与和芯片连接层之间分别通过介质基板压合连接；

所述馈电层上的金属贴片与垂直金属化过孔电连接构成一个三维T形馈电结构，三维T形馈电结构与辐射层形成耦合，所述寄生枝节层与三维T形馈电结构电连接，所述芯片连接层包括至少一组馈电网络，每组馈电网络对应至少一个单极化滤波天线单元，包括至少一个单极化的馈电网络，每个馈电网络与三维T形馈电结构连接，并与波束赋形芯片连接。

本发明的第三个目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种射频通信设备，包括上述的双极化滤波天线，或包括权利要求8-9任一项所述的双极化滤波天线阵列。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

本发明利用多功能层之间的谐振、耦合，实现了高选择性的滤波性能，在没有额外滤波电路的前提下，实现的滤波功能媲美滤波器，具有广阔的应用前景，其结构简单，可选多种加工工艺设计，应用场景多，具有成本低、重量轻的优势；此外，设计的大规模天线阵列可实现宽角度波束扫描，满足毫米波通信市场化需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用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。

图1是本发明实施例的功能层分布图。

图2是本发明实施例的双极化滤波天线的一驱一方案结构分解图。

图3是本发明实施例的双极化滤波天线的一驱四方案结构分解图。

图4是本发明实施例的双极化滤波的天线辐射层其中一种方案结构图。

图5是本发明实施例的双极化滤波天线的辐射层另一种方案结构图。

图6是本发明实施例的双极化滤波天线馈电结构图。

图7是本发明实施例的双极化滤波天线的寄生枝节层结构图。

图8是本发明实施例的双极化滤波天线的回波损耗仿真结果图。

图9是本发明实施例的双极化滤波天线的增益曲线仿真结果图。

图10是本发明实施例的双极化滤波天线阵列的一驱一方案结构图。

图11是本发明实施例的双极化滤波天线阵列的一驱四方案结构图。

图12是本发明实施例的双极化滤波天线阵列的有源回损仿真结果图。

图13是本发明实施例的双极化滤波天线阵列的增益曲线仿真结果图。

图14是本发明实施例的双极化滤波天线阵列的效率曲线仿真结果图。

图15是本发明实施例的双极化滤波天线阵列在中心频率27GHz处不扫描时的方向图。

图16是本发明实施例的双极化滤波天线阵列在中心频率27GHz处波束扫描时的方向图。

其中，1-辐射层，11-第一金属贴片，12-第二金属贴片，101-第三金属贴片，102-第四金属贴片，103-第五金属贴片，2-馈电层，21-第六金属贴片，22-垂直金属化过孔， 3-寄生枝节层，31-金属条，4-金属地层，5-芯片连接层，6-波束赋形芯片，71-第一介质基板，72-第二介质基板，73-第三介质基板，74-第四介质基板。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。

实施例：

如图1~图3所示，本实施例提供了一种双极化滤波天线，该天线包括芯片连接层和至少一个双极化滤波天线单元，每个双极化滤波天线单元包括辐射层1、馈电层2、寄生枝节层3和金属地层4，辐射层1、馈电层2、寄生枝节层3、金属地层4和芯片连接层5从上至下分布，辐射层1与馈电层2之间通过第一介质基板71压合连接，馈电层2与寄生枝节层3之间通过第二介质基板72压合连接，寄生枝节层3与金属地层4之间通过第三介质基板73压合连接，金属地层4与和芯片连接层5之间通过第四介质基板74压合连接，形成稳固的封装架构，在封装架构之下，芯片连接层5与波束赋形芯片6电连接。

进一步地，第一介质基板71、第二介质基板72、第三介质基板73和第四介质基板74均为PCB介质基板，所采用的PCB介质基板为高频低损耗板材，高度可调，每层介质基板均可由若干层介质叠加组成。

进一步地，所述辐射层1、馈电层2、寄生枝节层3和金属地层4和芯片连接层5这几个功能层分别由多层介质基板和多层金属层压合构成。

可选地，如图2所示，是本实施例提供的一种一驱一方案，即一个芯片输出端口驱动一个天线单元方案。

可选地，如图3所示，是本实施例提供的一种一驱四子阵方案，即一个芯片输出端口驱动四个天线单元方案。

所述辐射层1包括多层分布的金属贴片，通过多层介质压合在一起，形式多变，每层金属贴片形式可为单一矩形、单一切角矩形和多个矩形旋转对称分布中的一种。

可选地，如图4所示，所述辐射层1由第一金属贴片11和第二金属贴片12通过介质压合在一起，贴片形状可为矩形、切角矩形等形式。

可选地，如图5所示，所述辐射层1由第三金属贴片101、第四金属贴片102和第五金属贴片103通过介质压合在一起，贴片形状可为矩形、切角矩形等形式。

可选地，所述辐射层1的金属贴片中间开缝，以调节辐射层1与馈电层2之间、馈电层2与寄生枝节层3之间、寄生枝节层3与金属地层4之间、金属地层4与和芯片连接层5之间的耦合强度。

进一步地，所述辐射层1的金属贴片之间相互耦合，展宽天线带宽，提高天线通带内增益，并在高频通带外产生第一辐射零点，在辐射零点频率处，金属贴片产生的辐射在远场幅度相等，方向相反，能量相互抵消。

如图6所示，所述馈电层2上的第六金属贴片21和垂直金属化过孔22电连接构成三维T形馈电结构，三维T形馈电结构与辐射层1形成耦合。

进一步地，所述三维T形馈电结构包括两个正交的三维T形馈电结构，实现两个正交极化的馈电，其中馈电层2上正交摆布的第六金属贴片21重叠部分通过金属化过孔23转移到其他层介质上，避免金属部分的交叉连接，提高天线极化隔离。

进一步地，所述第六金属贴片21末端弯折，延长电流路径，可实现三维T形馈电结构的小型化设计。

进一步地，所述垂直金属化过孔22可弯折，延长电流路径，增加设计自由度。

进一步地，所述垂直金属化过孔22连接馈电层2和芯片连接层5，并在相应线路层设置焊盘。

进一步地，在金属地层4上开有圆形孔，与垂直金属化过孔22形成隔离。

进一步地，三维T形馈电结构在低频通带外谐振，在谐振频点能量极少耦合传输到辐射层，从而产生第二辐射零点，抑制低频通带外增益水平。

如图7所示，所述寄生枝节层3包括两组正交的金属条31，两组金属条31与两个三维T形馈电结构一一对应，每组金属条31与三维T形馈电结构的垂直金属化过孔22电连接，并与三维T形馈电结构的第六金属贴片21耦合，该耦合较强，彼此相互作用。

进一步地，两组正交的金属条31分布在不同层以避免线路重合交叉，分别作用于两个正交的极化方向。

进一步地，所述寄生枝节层3谐振产生第三辐射零点，零点距离通带极近，实现高滚降滤波性能。

可选地，所述寄生枝节层3的每组金属条可以为一根或多根，多根金属条分布在不同介质层，压合在一起。

可选地，所述寄生枝节层3的金属条31末端可弯折，在小尺寸下延长电流路径，实现小型化设计。

如图1~图3所示，所述芯片连接层5包括多组馈电网络，每组馈电网络对应一个双极化滤波天线单元，每组馈电网络包括两个单极化的馈电网络，每个馈电网络与对应的三维T形馈电结构连接，具体与对应三维T形馈电结构的垂直金属化过孔22连接，并与波束赋形芯片电连接。

进一步地，所述芯片连接层5通过金属地层4与辐射层1、馈电层2、寄生枝节层3之间形成隔离，芯片的一个输出端口通过馈电网络控制一个或多个双极化滤波天线单元，形成一芯片驱动一天线单元或多天线单元工作模式。

如图8所示，是本实施例的双极化滤波天线的回波损耗仿真结果图，其中，|S₁₁|，|S₂₂|分别表示端口1、2的回波损耗，|S₁₂|代表端口1、2之间的极化隔离度，从图中可见，天线端口1、2的-10dB阻抗带宽可覆盖24.25~29.5GHz，在通带内端口间极化隔离度大于22dB，值得注意的是，通过改变叠层高度可进一步改善极化隔离度，这里设计的实施例为低剖面天线。

如图9所示，是本实施例的双极化滤波天线的增益曲线图，从图中可见，天线在通带内增益平稳，在通带外有三个辐射零点，天线的选择性极高，抑制通带外1~23.5GHz增益水平大于15dB，性能媲美滤波器。

本实施例还提供了一种双极化滤波天线阵列，双极化滤波天线阵列的其中一种方案如图10所示，包括4×4个双极化滤波天线单元，每个双极化滤波天线单元的两个极化端口分别与所述波束赋形芯片6电连接，两个极化分别占用16个通道；每个双极化滤波天线单元的结构如上所述，在此不再赘述。

双极化滤波天线阵列的另一种方案如图11所示，该双极化滤波天线阵列为极化分离式双极化滤波天线阵列，其包括4×8个单极化滤波天线单元，每两个单极化滤波天线单元构成一个双极化滤波天线单元，每四个单极化滤波天线单元通过馈电网络与波束赋形芯片电连接，采用一芯片驱动四单元形式，两个极化分开设置，分别占用4个通道。

进一步地，每个单极化滤波天线单元中，馈电层上的金属贴片与垂直金属化过孔电连接构成一个三维T形馈电结构，三维T形馈电结构与辐射层形成耦合，寄生枝节层与三维T形馈电结构电连接，相应地，芯片连接层包括至少一组馈电网络，每组馈电网络对应一个单极化滤波天线单元，包括一个单极化的馈电网络，每个馈电网络与三维T形馈电结构连接，并与波束赋形芯片连接。

可以理解，上述双极化滤波天线阵列中滤波天线单元的数量可以根据芯片设计灵活调整。

如图12所示，是本实施例的双极化滤波天线阵列的有源回损仿真结果图，其中，Active S(1:1)、Active S(2:1)、Active S(3:1)、Active S(4:1) 分别表示端口1、2、3、4的有源回波损耗，端口1、2、3、4激励阵列中同一极化方向，由于天线阵列对称性高，两个极化方向对应的有源回损S参数结果相似。从图中可见，天线阵列的-11dB阻抗带宽为24.25~29.5GHz，覆盖5G划分的n257/n258/n261频段。

如图13所示，是本实施例的双极化滤波天线阵列的增益曲线图，从图中可见，天线在通带内增益平稳，始终大于15dBi，对通带外1~23GHz增益抑制大于15dB。

如图14所示，是本实施例的双极化滤波天线阵列的效率曲线图，从图中可见，天线在通带内效率平稳，始终保持在0.76以上，而通带外效率急剧下降，并保持在较低水平。

如图15和图16所示，分别是本实施例的双极化滤波天线阵列在中心频率27GHz处不扫描和扫描时的方向图，从图中可见，天线在垂直面波束扫描至±45度时，增益下降不超过2dB，且旁瓣水平低，说明阵列具有优良的波束扫描性能。

本实施例还提供了一种射频通信设备，该设备可以包括上述双极化滤波天线，也可以包括上述的双极化滤波天线阵列。

综上所述，本发明利用多功能层之间的谐振、耦合，实现了高选择性的滤波性能，在没有额外滤波电路的前提下，实现的滤波功能媲美滤波器，具有广阔的应用前景，其结构简单，可选多种加工工艺设计，应用场景多，具有成本低、重量轻的优势；此外，设计的大规模天线阵列可实现宽角度波束扫描，满足毫米波通信市场化需求。

以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (8)

1.一种双极化滤波天线，其特征在于，包括芯片连接层和至少一个双极化滤波天线单元，每个双极化滤波天线单元包括辐射层、馈电层、寄生枝节层和金属地层，所述辐射层、馈电层、寄生枝节层、金属地层和芯片连接层由上至下分布，且辐射层与馈电层之间、馈电层与寄生枝节层之间、寄生枝节层与金属地层之间、金属地层与芯片连接层之间分别通过介质基板压合连接；

所述辐射层包括多层分布的金属贴片，辐射层的金属贴片之间相互耦合，展宽天线带宽，提高天线通带内增益，并在高频通带外产生第一辐射零点，在第一辐射零点频率处，金属贴片产生的辐射在远场幅度相等，方向相反，能量相互抵消；

所述馈电层上的金属贴片与垂直金属化过孔电连接构成两个正交的三维T形馈电结构，三维T形馈电结构与辐射层形成耦合，三维T形馈电结构在低频通带外谐振，在谐振频点能量耦合传输到辐射层，从而产生第二辐射零点，抑制低频通带外增益水平；

所述寄生枝节层与馈电层的投影重合，并与三维T形馈电结构电连接，产生第三辐射零点，实现高滚降滤波性能；寄生枝节层包括两组正交的金属条，两组金属条与两个三维T形馈电结构分别一一对应，每组金属条为一根或多根，末端可弯折，每组金属条与对应三维T形馈电结构的垂直金属化过孔电连接，并与对应三维T形馈电结构的金属贴片形成耦合；

所述芯片连接层包括至少一组馈电网络，每组馈电网络对应至少一个双极化滤波天线单元，包括至少两个单极化的馈电网络，两个馈电网络与两个三维T形馈电结构分别一一对应，每个馈电网络与对应的三维T形馈电结构连接，并与波束赋形芯片电连接。

2.根据权利要求1所述的双极化滤波天线，其特征在于，所述芯片连接层通过金属地层与辐射层、馈电层、寄生枝节层之间形成隔离，波束赋形芯片的一个输出端口通过馈电网络控制一个或多个双极化滤波天线单元，形成一芯片驱动一天线单元或多天线单元工作模式。

3.根据权利要求1所述的双极化滤波天线，其特征在于，所述三维T形馈电结构的金属贴片和垂直金属化过孔可弯折。

4.根据权利要求1所述的双极化滤波天线，其特征在于，所述辐射层的每层金属贴片形式为单一矩形、单一切角矩形和多个矩形旋转对称分布中的一种。

5.根据权利要求4所述的双极化滤波天线，其特征在于，所述辐射层的金属贴片中间开缝，以调节辐射层与馈电层之间、馈电层与寄生枝节层之间、寄生枝节层与金属地层之间、金属地层与和芯片连接层之间的耦合强度。

6.一种双极化滤波天线阵列，其特征在于，包括芯片连接层和N×M个双极化滤波天线单元，其中，N和M为自然数；

每个双极化滤波天线单元包括辐射层、馈电层、寄生枝节层和金属地层，所述辐射层、馈电层、寄生枝节层、金属地层和芯片连接层由上至下分布，且辐射层与馈电层之间、馈电层与寄生枝节层之间、寄生枝节层与金属地层之间、金属地层与芯片连接层之间分别通过介质基板压合连接；

所述辐射层包括多层分布的金属贴片，辐射层的金属贴片之间相互耦合，展宽天线带宽，提高天线通带内增益，并在高频通带外产生第一辐射零点，在第一辐射零点频率处，金属贴片产生的辐射在远场幅度相等，方向相反，能量相互抵消；

所述馈电层上的金属贴片与垂直金属化过孔电连接构成两个正交的三维T形馈电结构，三维T形馈电结构与辐射层形成耦合，三维T形馈电结构在低频通带外谐振，在谐振频点能量耦合传输到辐射层，从而产生第二辐射零点，抑制低频通带外增益水平；

所述寄生枝节层与馈电层的投影重合，并与三维T形馈电结构电连接，产生第三辐射零点，实现高滚降滤波性能；寄生枝节层包括两组正交的金属条，两组金属条与两个三维T形馈电结构分别一一对应，每组金属条为一根或多根，末端可弯折，每组金属条与对应三维T形馈电结构的垂直金属化过孔电连接，并与对应三维T形馈电结构的金属贴片形成耦合；

所述芯片连接层包括至少一组馈电网络，每组馈电网络对应至少一个双极化滤波天线单元，包括至少两个单极化的馈电网络，两个馈电网络与两个三维T形馈电结构分别一一对应，每个馈电网络与对应的三维T形馈电结构连接，并与波束赋形芯片电连接。

7.一种双极化滤波天线阵列，其特征在于，包括芯片连接层和2N×M个单极化滤波天线单元，其中，N和M为自然数；

每两个单极化滤波天线单元构成一个双极化滤波天线单元，每个单极化滤波天线单元包括辐射层、馈电层、寄生枝节层和金属地层，所述辐射层、馈电层、寄生枝节层、金属地层和芯片连接层由上至下分布，且辐射层与馈电层之间、馈电层与寄生枝节层之间、寄生枝节层与金属地层之间、金属地层与芯片连接层之间分别通过介质基板压合连接；

所述辐射层包括多层分布的金属贴片，辐射层的金属贴片之间相互耦合，展宽天线带宽，提高天线通带内增益，并在高频通带外产生第一辐射零点，在第一辐射零点频率处，金属贴片产生的辐射在远场幅度相等，方向相反，能量相互抵消；

所述馈电层上的金属贴片与垂直金属化过孔电连接构成一个三维T形馈电结构，三维T形馈电结构与辐射层形成耦合，三维T形馈电结构在低频通带外谐振，在谐振频点能量耦合传输到辐射层，从而产生第二辐射零点，抑制低频通带外增益水平；

所述寄生枝节层与馈电层的投影重合，并与三维T形馈电结构电连接，产生第三辐射零点，实现高滚降滤波性能；寄生枝节层包括两组正交的金属条，两组金属条与两个三维T形馈电结构分别一一对应，每组金属条为一根或多根，末端可弯折，每组金属条与对应三维T形馈电结构的垂直金属化过孔电连接，并与对应三维T形馈电结构的金属贴片形成耦合；

所述芯片连接层包括至少一组馈电网络，每组馈电网络对应至少一个单极化滤波天线单元，包括至少一个单极化的馈电网络，每个馈电网络与三维T形馈电结构连接，并与波束赋形芯片连接。

8.一种射频通信设备，其特征在于，包括权利要求1-5任一项所述的双极化滤波天线，或包括权利要求6-7任一项所述的双极化滤波天线阵列。

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