CN114824832A - 一种毫米波高增益的贴片天线阵列 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种毫米波高增益的贴片天线阵列，包括若干天线单元；若干所述天线单元以n×n的阵列形式排列；其中，8≤n≤64；每个所述天线单元包括依次层叠设置的辐射层、背腔层和馈电层；所述辐射层的表面设有以2×2的阵列形式排列的四片辐射贴片；所述辐射层的内部设有“田”字形腔体；所述背腔层的表面设有与四片所述辐射贴片一一对应的四个第一槽孔；所述背腔层的内部设有矩形腔体；所述馈电层的表面设有与四片所述辐射贴片一一对应的四个第二槽孔；所述馈电层的内部设有一分四馈电结构。本申请具有优异的传输速率，同时具有较大的带宽和较高的增益，可以充分补偿由于氧气吸收引起的传播损耗。

Description

一种毫米波高增益的贴片天线阵列

技术领域

本申请涉及天线技术领域，特别是一种毫米波高增益的贴片天线阵列。

背景技术

近年来，随着第五代无线通信的空前快速发展，毫米波频段，特别是60GHz频段，已成为一些高速无线通信应用场景的主要频段。由于其连续性和足够的带宽，60GHz的通信系统能够实现高达每秒数千兆比特的数据传输速率，这样的特性尤其适用于未压缩的高清视频传输和卫星的高速通信链接。

尽管毫米波天线相较于现有的通信系统具备传输速率上的优势，但是其具有信道损耗过大的缺点，由于氧气吸收，其额外的损耗大约高达15dB/km。因此，亟需一种大带宽、高增益、高效率、低成本且易于加工的贴片阵列天线，以补偿现有的毫米波天线由氧气吸收引起的显着传播损耗，并确保其存在足够的余量来克服由雨水等引起的其他损耗。

发明内容

鉴于所述问题，提出了本申请以便提供克服所述问题或者至少部分地解决所述问题的一种毫米波高增益的贴片天线阵列，包括：

一种毫米波高增益的贴片天线阵列，包括：若干天线单元；若干所述天线单元以n×n的阵列形式排列；其中，8≤n≤64；

每个所述天线单元包括依次层叠设置的辐射层、背腔层和馈电层；所述辐射层的表面设有以2×2的阵列形式排列的四片辐射贴片；所述辐射层的内部设有由若干金属柱构成的“田”字形腔体；其中，所述“田”字形腔体中的四个子腔体与四片所述辐射贴片一一对应；所述背腔层的表面设有与四片所述辐射贴片一一对应的四个第一槽孔；所述背腔层的内部设有由若干金属柱构成的矩形腔体；所述馈电层的表面设有与四片所述辐射贴片一一对应的四个第二槽孔；所述馈电层的内部设有由若干金属柱构成的一分四馈电结构；

当射频信号输入各个所述天线单元时，所述一分四馈电结构将所述射频信号的能量均分成相同大小，依次通过所述第二槽孔、所述矩形腔体、所述第一槽孔和所述“田”字形腔体输送到各个所述辐射贴片，各个所述天线单元的辐射能量叠加，实现所述贴片天线阵列的高增益辐射。

优选的，所述辐射贴片呈十字形；所述辐射贴片的四个角上分别设有相同的矩形切口。

优选的，所述一分四馈电结构包括对称设置的两个一分二馈电结构和连接两个所述一分二馈电结构的连接结构；两个所述一分二馈电结构分别呈凹字形；所述连接结构呈矩形。

优选的，所述馈电层的内部还设有由若干金属柱构成的波导接口到介质集成波导的转换结构。

优选的，所述转换结构包括对称设置的两个子转换结构；两个所述子转换结构与两个所述一分二馈电结构一一对应；每个所述子转换结构分别包括设置在所述一分二馈电结构内部的五个金属柱。

优选的，所述天线单元还包括设置在所述馈电层侧边的接地层；所述接地层的表面设有中心槽孔。

优选的，所述辐射层、背腔层和所述馈电层的横截面分别呈正方形。

优选的，所述辐射层、所述背腔层和所述馈电层的横截面的边长为8.5mm；所述辐射层、所述背腔层和所述馈电层的厚度分别为1.51mm。

优选的，所述辐射层、所述背腔层和所述馈电层的周缘位置分别设有固定孔；所述固定孔内设有用于固定连接所述辐射层、所述背腔层和所述馈电层的绝缘螺钉。

优选的，所述辐射层与所述背腔层之间以及所述背腔层与所述馈电层之间分别设有可导热导电的粘合剂薄膜。

本申请具有以下优点：

在本申请的实施例中，通过以n×n的阵列形式排列的若干天线单元；其中，8≤n≤64；每个所述天线单元包括依次层叠设置的辐射层、背腔层和馈电层；所述辐射层的表面设有以2×2的阵列形式排列的四片辐射贴片；所述辐射层的内部设有由若干金属柱构成的“田”字形腔体；其中，所述“田”字形腔体中的四个子腔体与四片所述辐射贴片一一对应；所述背腔层的表面设有与四片所述辐射贴片一一对应的四个第一槽孔；所述背腔层的内部设有由若干金属柱构成的矩形腔体；所述馈电层的表面设有与四片所述辐射贴片一一对应的四个第二槽孔；所述馈电层的内部设有由若干金属柱构成的一分四馈电结构；当射频信号输入各个所述天线单元时，所述一分四馈电结构将所述射频信号的能量均分成相同大小，依次通过所述第二槽孔、所述矩形腔体、所述第一槽孔和所述“田”字形腔体输送到各个所述辐射贴片，各个所述天线单元的辐射能量叠加，实现所述贴片天线阵列的高增益辐射；所述贴片天线阵列具有优异的传输速率，同时具有较大的带宽和较高的增益，可以充分补偿由于氧气吸收引起的传播损耗；并且，所述贴片天线阵列加工简单，成本较低，在60GHz通信的应用场景中可以起到重要作用。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对本申请的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申请的一些实施例，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是本申请一实施例提供的一种贴片天线阵列的结构示意图。

图2是本申请一实施例提供的一种贴片天线阵列中辐射层阵列的结构示意图。

图3是本申请一实施例提供的一种贴片天线阵列中背腔层阵列的结构示意图。

图4是本申请一实施例提供的一种贴片天线阵列中馈电层阵列的结构示意图。

图5是本申请一实施例提供的一种贴片天线阵列中馈电层的结构示意图。

图6是本申请一实施例提供的一种贴片天线阵列中馈电层的波导转换示意图。

图7是本申请一实施例提供的一种贴片天线阵列中第三金属层的结构示意图。

图8是本申请一实施例提供的一种贴片天线阵列中第三介质层的结构示意图。

图9是本申请一实施例提供的一种贴片天线阵列中接地层的结构示意图。

图10是本申请一实施例提供的一种贴片天线阵列的加工实物图（正面）。

图11是本申请一实施例提供的一种贴片天线阵列的加工实物图（背面）。

图12是本申请一实施例提供的一种贴片天线阵列中一分四馈电结构的S参数测量曲线。

图13 是本申请一实施例提供的一种贴片天线阵列中一分四馈电结构的输出相位测量曲线。

图14是本申请一实施例提供的一种贴片天线阵列的仿真和测量S11曲线。

图15是本申请一实施例提供的一种贴片天线阵列的增益随角度变化的仿真曲线。

图16是本申请一实施例提供的一种贴片天线阵列的增益随角度变化的测量曲线。

图17是本申请一实施例提供的一种贴片天线阵列的仿真增益、测量增益和去除了电介质幅度的仿真增益随频率的变化曲线。

说明书附图中的附图标记如下：

100、辐射层；200、背腔层；300、馈电层。

具体实施方式

为使本申请的所述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

参照图1-11，示出了本申请一实施例提供的一种毫米波高增益的贴片天线阵列，包括：若干天线单元；若干所述天线单元以n×n的阵列形式排列；其中，8≤n≤64（n的取值优选为8、16、32和64）；

每个所述天线单元包括依次层叠设置的辐射层100、背腔层200和馈电层300；所述辐射层100的表面设有以2×2的阵列形式排列的四片辐射贴片；所述辐射层100的内部设有由若干金属柱构成的“田”字形腔体；其中，所述“田”字形腔体中的四个子腔体与四片所述辐射贴片一一对应；所述背腔层200的表面设有与四片所述辐射贴片一一对应的四个第一槽孔；所述背腔层200的内部设有由若干金属柱构成的矩形腔体；所述馈电层300的表面设有与四片所述辐射贴片一一对应的四个第二槽孔；所述馈电层300的内部设有由若干金属柱构成的一分四馈电结构；

当射频信号输入各个所述天线单元时，所述一分四馈电结构将所述射频信号的能量均分成相同大小，依次通过所述第二槽孔、所述矩形腔体、所述第一槽孔和所述“田”字形腔体输送到各个所述辐射贴片，各个所述天线单元的辐射能量叠加，实现所述贴片天线阵列的高增益辐射。

在本申请的实施例中，通过以n×n的阵列形式排列的若干天线单元；其中，8≤n≤64；每个所述天线单元包括依次层叠设置的辐射层100、背腔层200和馈电层300；所述辐射层100的表面设有以2×2的阵列形式排列的四片辐射贴片；所述辐射层100的内部设有由若干金属柱构成的“田”字形腔体；其中，所述“田”字形腔体中的四个子腔体与四片所述辐射贴片一一对应；所述背腔层200的表面设有与四片所述辐射贴片一一对应的四个第一槽孔；所述背腔层200的内部设有由若干金属柱构成的矩形腔体；所述馈电层300的表面设有与四片所述辐射贴片一一对应的四个第二槽孔；所述馈电层300的内部设有由若干金属柱构成的一分四馈电结构；当射频信号输入各个所述天线单元时，所述一分四馈电结构将所述射频信号的能量均分成相同大小，依次通过所述第二槽孔、所述矩形腔体、所述第一槽孔和所述“田”字形腔体输送到各个所述辐射贴片，各个所述天线单元的辐射能量叠加，实现所述贴片天线阵列的高增益辐射；所述贴片天线阵列具有优异的传输速率，同时具有较大的带宽（带宽为56-63.1GHz）和较高的增益（峰值增益达到35.4dBi），可以充分补偿由于氧气吸收引起的传播损耗；并且，所述贴片天线阵列加工简单，成本较低，在60GHz通信的应用场景中可以起到重要作用。

下面，将对本示例性实施例中一种毫米波高增益的贴片天线阵列作进一步地说明。

所述辐射层100由第一金属层和第一介质层构成；其中，所述第一金属层包括四片所述辐射贴片；所述第一介质层为基片集成波导，其内部设有所述“田”字形腔体；所述背腔层200由第二金属层和第二介质层构成；其中，所述第二金属层的表面设有四个所述第一槽孔；所述第二介质层为基片集成波导，其内部设有所述矩形腔体；所述馈电层300由第三金属层和第三介质层构成；其中，所述第三金属层的表面设有四个所述第二槽孔；所述第三介质层为基片集成波导，其内部设有所述一分四馈电结构。

本实施例中，所述辐射贴片呈十字形；所述辐射贴片的四个角上分别设有相同的矩形切口。具体地，所述辐射贴片为四个角上分别设有所述矩形切口的长方形结构；所述辐射贴片的长为3.4 mm，宽为1.1 mm；所述矩形切口的长为4.1 mm，宽为4.1 mm。所述辐射贴片可以使电流在一个周期内呈线性变化，从而产生线极化的电磁波辐射。

本实施例中，所述第一槽孔与所述第二槽孔形状相同，并且都为均为细长的矩形结构；如图7所示，所述第一槽孔的长度l9为1.86 mm，宽度w5为0.18 mm。

本实施例中，所述一分四馈电结构包括对称设置的两个一分二馈电结构和连接两个所述一分二馈电结构的连接结构；两个所述一分二馈电结构分别呈凹字形；所述连接结构呈矩形。

具体的，所述一分二馈电结构的长度为8.2 mm，宽度为4 mm；所述一分二馈电结构中内凹缺口的长度为3 mm，宽度为1.3 mm；所述连接结构的长度为2.68 mm，宽度为3.0 mm。当所述射频信号输入各个所述天线单元时，所述连接结构将所述射频信号的能量均分成相同大小，输送到两个所述一分二馈电结构，每个所述一份二馈电结构将所述射频信号的能量均分成相同大小，输送到对应位置的所述辐射贴片。

需要说明的是，本申请中所述贴片天线阵列由全并联结构组成的，相比于传统的串联馈电的阵列天线。并联馈电的阵列天线具有带宽比较宽，增益较高，且增益在通带内比较稳定的优点。

所述贴片天线阵列是由所述一分四馈电结构级联形成的，所以所述一分四馈电结构的幅度和相位平衡对天线性能至关重要。所述一分四馈电结构的反射系数和四个输出端口的相位一致性分别如图12和图13所示，可以看出，在57到64GHz范围内，S11低于-15dB，即所述射频信号能量被平均分配到四个输出端口且相位不平衡小于0.5°，说明所述一分四馈电结构具有良好的功率分配性能。

本实施例中，所述馈电层300的内部还设有由若干金属柱构成的波导接口到介质集成波导的转换结构。所述转换结构用于将来自波导的射频信号耦合到所述介质集成波导中。

本实施例中，所述转换结构包括对称设置的两个子转换结构；两个所述子转换结构与两个所述一分二馈电结构一一对应；每个所述子转换结构分别包括设置在所述一分二馈电结构内部的五个金属柱。具体地，所述金属柱包括第一金属柱、第二金属柱、第三金属柱、第四金属柱和第五金属柱；所述转换结构中金属柱的设置方式如图8所示，其中，所述第一金属柱与所述第二金属柱以所述中心槽孔的中轴线为对称轴对称设置；所述第三金属柱与所述第四金属柱以所述中心槽孔的中轴线为对称轴对称设置；所述第五金属柱设置在所述中心槽孔的中轴线上；所述第一金属柱与所述连接结构中的左侧边的距离w6为0.72 mm，所述第一金属柱与所述中心槽孔的横向侧边的距离w7为0.56 mm，所述第三金属柱与所述一份二馈电结构中的外部纵向侧边的距离w8为0.49 mm，所述第五金属柱与所述中心槽孔中的内部横向侧边的距离w9为0.68 mm，所述第一金属柱与所述第二金属柱的距离l11为3.0 mm。

本实施例中，所述天线单元还包括设置在所述馈电层300侧边的接地层；所述接地层的表面设有中心槽孔。具体地，所述中心槽孔的长度为3.5 mm，宽度为1.8 mm。

本实施例中，所述辐射层100、背腔层200和所述馈电层300的横截面分别呈正方形。

本实施例中，所述辐射层100、所述背腔层200和所述馈电层300的横截面的边长为8.5mm；所述辐射层100、所述背腔层200和所述馈电层300的厚度分别为1.51mm。所述贴片天线阵列尺寸紧凑，可应用于不同场景。

本实施例中，所述辐射层100、所述背腔层200和所述馈电层300的周缘位置分别设有固定孔；所述固定孔内设有用于固定连接所述辐射层100、所述背腔层200和所述馈电层300的绝缘螺钉。所述辐射层100、所述背腔层200和所述馈电层300分别独立制备得到，并且通过所述绝缘螺钉堆叠在一起。

本实施例中，所述辐射层100与所述背腔层200之间以及所述背腔层200与所述馈电层300之间分别设有可导热导电的粘合剂薄膜。具体地，所述粘合剂薄膜为导热导电粘合剂薄膜，用于粘合所述辐射层100、所述背腔层200和所述馈电层300并消除它们之间可能存在的空气。

在一具体实现中，所述贴片天线阵列包括以32×32的阵列形式排列的1024个所述天线单元；所述贴片天线阵列的仿真和测量的反射系数如图14所示，可以看出，仿真的-10dB带宽为57至64.2-GHz(17.7%)，测量结果为56-63.1-GHz(16.1%)。

所述贴片天线阵列的测得的中心频点的E面和H面的方向图分别如图15和图16所示。可以看出，仿真增益从35.8升级到35.9dBi，测量增益从35.7升级到35.8dBi。

考虑到所述贴片天线阵列相对较大的区域（150mm×150mm）是由所述绝缘螺钉占据的外围区域，而该外围区域对所述贴片天线阵列的增益的贡献很小，图17提供了仿真增益、测量增益和去除了电介质幅度的仿真增益随频率的变化曲线，可以看出，在上述情况下，物理辐射的大小面积为136mm×136mm，仿真的孔径效率在61GHz时约为70.3%，这对于所述贴片天线阵列来说是可以接受的。

综上所述，本申请中所述贴片天线阵列与其他60GHz阵列天线的相比，具有大宽带，高增益，方向图稳定，加工简单且成本低的巨大优点。虽然长并联线路的介质损耗问题在毫米波天线中始终存在最终会引起天线辐射效率的下降，但是本申请中所述贴片天线阵列的增益可以实现远远大于IEEE（Institute of Electrical and ElectronicsEngineers，电气和电子工程师协会）在60GHz规定的标准值（30dBi）,凭借这些优异的特性，本申请中所述贴片天线阵列可以在60GHz通信系统中获得良好的应用前景。

尽管已描述了本申请实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请实施例范围的所有变更和修改。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

以上对本申请所提供的一种毫米波高增益的贴片天线阵列，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (10)

1.一种毫米波高增益的贴片天线阵列，其特征在于，包括：若干天线单元；若干所述天线单元以n×n的阵列形式排列；其中，8≤n≤64；

每个所述天线单元包括依次层叠设置的辐射层、背腔层和馈电层；所述辐射层的表面设有以2×2的阵列形式排列的四片辐射贴片；所述辐射层的内部设有由若干金属柱构成的“田”字形腔体；其中，所述“田”字形腔体中的四个子腔体与四片所述辐射贴片一一对应；所述背腔层的表面设有与四片所述辐射贴片一一对应的四个第一槽孔；所述背腔层的内部设有由若干金属柱构成的矩形腔体；所述馈电层的表面设有与四片所述辐射贴片一一对应的四个第二槽孔；所述馈电层的内部设有由若干金属柱构成的一分四馈电结构；

当射频信号输入各个所述天线单元时，所述一分四馈电结构将所述射频信号的能量均分成相同大小，依次通过所述第二槽孔、所述矩形腔体、所述第一槽孔和所述“田”字形腔体输送到各个所述辐射贴片，各个所述天线单元的辐射能量叠加，实现所述贴片天线阵列的高增益辐射。

2.根据权利要求1所述的贴片天线阵列，其特征在于，所述辐射贴片呈十字形；所述辐射贴片的四个角上分别设有相同的矩形切口。

3.根据权利要求1所述的贴片天线阵列，其特征在于，所述一分四馈电结构包括对称设置的两个一分二馈电结构和连接两个所述一分二馈电结构的连接结构；两个所述一分二馈电结构分别呈凹字形；所述连接结构呈矩形。

4.根据权利要求3所述的贴片天线阵列，其特征在于，所述馈电层的内部还设有由若干金属柱构成的波导接口到介质集成波导的转换结构。

5.根据权利要求4所述的贴片天线阵列，其特征在于，所述转换结构包括对称设置的两个子转换结构；两个所述子转换结构与两个所述一分二馈电结构一一对应；每个所述子转换结构分别包括设置在所述一分二馈电结构内部的五个金属柱。

6.根据权利要求1所述的贴片天线阵列，其特征在于，所述天线单元还包括设置在所述馈电层侧边的接地层；所述接地层的表面设有中心槽孔。

7.根据权利要求1所述的贴片天线阵列，其特征在于，所述辐射层、背腔层和所述馈电层的横截面分别呈正方形。

8.根据权利要求7所述的贴片天线阵列，其特征在于，所述辐射层、所述背腔层和所述馈电层的横截面的边长为8.5mm；所述辐射层、所述背腔层和所述馈电层的厚度分别为1.51mm。

9.根据权利要求1所述的贴片天线阵列，其特征在于，所述辐射层、所述背腔层和所述馈电层的周缘位置分别设有固定孔；所述固定孔内设有用于固定连接所述辐射层、所述背腔层和所述馈电层的绝缘螺钉。

10.根据权利要求1所述的贴片天线阵列，其特征在于，所述辐射层与所述背腔层之间以及所述背腔层与所述馈电层之间分别设有可导热导电的粘合剂薄膜。

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