CN114899620A - 一种紧凑型低交叉极化的毫米波宽角扫描天线阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种紧凑型低交叉极化的毫米波宽角扫描天线阵列，所述天线阵列包括多于两个的直线排列的紧凑型差分馈电天线单元。所述紧凑型差分馈电天线单元包括两组联合贴片对，其中一组联合贴片对采用Y型差分馈电实现低交叉极化，馈电探针上的垂直电流展宽阵元的波束宽度，通过加载另一组切角贴片对实现宽带特性和阵元小型化。因此，所述阵列可采用所覆盖频段内最高工作频率0.43个波长阵元间距排列，实现整个频带内宽角扫描特性。本发明阵列结构简单紧凑，覆盖了5G毫米波n257，n258和n261三个频段，并具备宽角扫描和低交叉极化特性，适用于5G毫米波终端设备。

Description

一种紧凑型低交叉极化的毫米波宽角扫描天线阵列
技术领域
本发明涉及毫米波相控阵列天线的技术领域，具体涉及一种紧凑型低交叉极化的毫米波宽角扫描天线阵列。
背景技术
随着B5G进程的快速发展和6G移动通信的到来，通信频段逐渐从微波频段提升至毫米波频段。相比传统的微波频段，毫米波频段具有频谱资源丰富，绝对带宽大的优点，能有效提升信道容量和数据传输速率，解决日益增长的海量数据传输需求，因此引起了学术界和产业界的广泛关注。另一方面，由于毫米波频段较高，路径损耗较大，如何提升毫米波信号的传输距离和信号覆盖范围成为当下亟需解决的一个问题。相比于单个毫米波天线，毫米波波束扫描阵列具有增益高，波束覆盖范围宽的优点，能有效提升毫米波信号的传输距离和波束覆盖范围。因此，设计具有宽角扫描特性的毫米波相控阵具有重要的研究意义和应用价值。
据调查与了解，已经公开的现有技术如下：
2019年，Yong Luo等人提出了一款应用于5G移动终端的毫米波宽角扫描阵列天线。天线单元采用了探针加载的贴片天线，通过探针加载引入了贴片的零阶模，联合贴片的TM01模，实现了24.5-28 GHz的阻抗带宽。然后利用了该天线单元构建了一款2×4的阵列天线，阵列的阻抗带宽为23.5-28 GHz，且3dB扫描角宽达±60°。但是该天线阵列带宽相对较窄，不能同时覆盖5G毫米波的n257（26.5-29.5 GHz），n258（24.25-27.5 GHz），和n261（27.5-28.35 GHz）三个频段。并且其扫描角还有待进一步提升。（Luo Y, Xu J, Chen Y,etal., "A Zero-Mode Induced mmWave Patch Antenna With Low-Profile, Wide-Bandwidth and Large-Angle Scanning for 5G Mobile Terminals," in IEEE Access,vol. 7, pp. 177607-177615, 2019.）
同年，Zhiming Yi等人提出了一款基于磁偶极子的毫米波宽角扫描阵列天线。天线单元采用了三边短路的贴片天线，此时天线的开路边可以等效为磁偶极子，具有23.8-24.4 GHz的带宽和140度的3dB波束宽度。利用该天线单元构建了一款4×4阵列，阵列的阻抗带宽为22.8-24.1GHz，3dB波束扫描角为±60°但是该阵列也存在无法同时覆盖5G毫米波的n257, n258和n261三个频段的问题，且其交叉极化较大，波束覆盖范围也有待进一步提升。（Yi Z, Zhang R, Xu B, et al., "A Wide-Angle Beam Scanning Antenna in E-plane for K-band Radar Sensor," in IEEE Access, vol. 7, pp. 171684-171690,2019.）
2021年，Ahmed Abdelmottaleb Omar等人提出了一款小型化垂直极化端射毫米波天线阵列。天线单元采用了槽线，介质和腔体谐振器，实现了25.8-40.1 GHz的宽带特性。利用该阵元构建了一款1×4线阵，阵列的阻抗带宽为为24.75 GHz-40 GHz，覆盖了5G毫米波的n257，n258，n260和n261四个频段，但是其扫描角仅有±45°，难以实现宽波束覆盖。（A.A. Omar, J. Park, W. Kwon and W. Hong, "A Compact Wideband VerticallyPolarized End-Fire Millimeter-Wave Antenna Utilizing Slot, Dielectric, andCavity Resonators," in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol.69, no. 9, pp. 5234-5243, Sept. 2021.）
总的来说，目前关于毫米波波束扫描阵列的研究取得了一定的进展。其中有些阵列实现了宽角扫描特性，但是其工作带宽相对较窄；有些阵列实现了宽带特性，但是其扫描角度相对较较小。同时实现宽带和宽角扫描特性的阵列目前鲜有报道。此外，目前的毫米波相控阵均是非差分结构，交叉极化相对较大，且难以与后端的差分有源电路进行高度集成。为了解决上述难题，本发明设计了一种紧凑型差分馈电的毫米波相控阵，实现了低交叉极化和宽角扫描特性，且带宽覆盖了5G毫米波的n257，n258和n261三个频段，能有效提升5G毫米波终端的数据传输速率和信号覆盖范围，具有广泛的应用前景和应用价值。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种紧凑型低交叉极化的毫米波宽角扫描天线阵列。天线单元主要是通过Y型差分馈电实现低交叉极化性能，且馈电结构的垂直部分能提高天线阵元的波束宽度。通过一对带切角的菱形贴片和无切角的菱形贴片实现宽带特性；通过带切角的菱形贴片实现扫描方向上的小型化。天线单元的带宽覆盖了5G毫米波的n257，n258和n261三个频段，且所有频点都具有宽波束和低交叉极化特性。天线阵列采用四个天线直线排列，天线单元间距低至4 mm，仅为阵列最高工作频率32.1GHz的0.43个自由空间波长，最终阵列实现了低交叉极化和宽角扫描特性。
本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
一种紧凑型低交叉极化的毫米波宽角扫描天线阵列，包括四个紧凑型差分馈电天线单元。
所述紧凑型差分馈电天线单元包括三层介质基板，从上到下依次为：顶层介质基板（a）、中间层介质基板（b）和底层介质基板（c）；
其中，所述顶层介质基板的上表面设置有带切角金属菱形贴片对（1a和1b），无切角的金属菱形贴片对（2a和2b），两个金属Y型馈电（3a和3b），两个金属通孔（4a和4b）；所述底层介质基板的下表面设置有金属地板（5）。
进一步地，所述顶层介质基板（a）和所述底层介质基板（b）的材料均为RogersRO4003C，厚度分别为0.813 mm和0.305 mm，所述中间层介质基板为Rogers CuClad6250，厚度为0.038mm。
进一步地，所述带切角的菱形贴片对（1a和1b）位于所述顶层介质基板(a)的上表面，且过所述顶层介质基板(a)的上表面中心关于x轴对称。
进一步地，所述无切角的菱形贴片对（2a和2b）位于所述顶层介质基板（a）的上表面，且过所述顶层介质基板(a)的上表面中心关于y轴对称。
进一步地，所述两个Y型金属馈电（3a和3b）位于所述顶层介质基板（a）的上表面，分别排布在所述无切角菱形贴片对（2a和2b）的上下两侧，且过所述顶层介质基板(a)的上表面中心关于y轴对称。
进一步地，所述金属地板（5）位于所述底层介质基板（c）的下表面。
进一步地，所述顶层介质基板（a）和所述底层介质基板（c）通过所述中间层介质基板（c）进行粘合。
进一步地，所述两个金属通孔（4a和4b）贯穿所述顶层介质基板（a）、所述中间层介质基板（b）和所述底层介质基板（c），将差分信号传输到所述Y型馈电（3a和3b）。
进一步地，通过所述一对金属通孔（4a和4b）的进行差分馈电，在天线的H面（YOZ面）形成理想电壁，利用理想电壁的切向电场（E y）为零的边界特点，同时天线主极化电场为E x，实现了天线单元的低交叉极化特性。
进一步地，在所述无切角金属菱形贴片对（2a和2b）的基础上，通过引入带切角的金属菱形贴片对（1a和1b），一方面引入了额外电容，与两个金属通孔（4a和4b）的电感相互抵消，使得在宽带范围内天线输入阻抗的虚部更接近于零，实部变化更加平缓，从而使得天线实现宽带特性；另一方面，又在基本不增加阵元尺寸的情况下，使得天线工作模式和工作频带频带下移，实现了天线单元的小型化。
进一步地，带切角的金属菱形贴片对（1a和1b）和无切角的金属菱形贴片对（2a和2b）形成四个同向水平电流元，水平电流元在扫描面（YOZ面）为“O”方向图；金属通孔（4a和4b）引入垂直电流源，垂直电流元在扫描面（XOZ面）为“8”方向图，水平电流元和垂直电流元的波束相互叠加，拓宽了阵元在扫描面的波束宽度。
进一步地，将所述四个差分馈电天线单元排列成线阵，阵元间距设置为4mm，为阵列最高工作频率32.1 GHz的0.43个自由空间波长，得益于阵元的宽3dB波束宽度和较小的阵元间距，阵列实现了宽角度扫描；同时，得益于差分馈电，阵列在宽角扫描时，交叉极化始终保持较低的水平。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、与已有毫米波波束扫描阵列天线相比，本发明的天线单元通过差分馈电实现了低交叉极化，在工作频段内，交叉极化低于-32 dB。
2、与已有毫米波波束扫描阵列天线相比，本发明的天线单元通过带切角的菱形贴片对和无切角菱形贴片对组合实现了宽带性能，覆盖了5G毫米波频段的n257，n258，和n261频段。
3、与已有毫米波波束扫描阵列天线相比，本发明的天线单元通过差分馈电引入垂直电流，并与贴片对上的水平电流相互组合，实现了天线单元的宽波束特性，在工作频段内天线单元的3dB波束宽度大于103°，最宽达139°。
4、与已有毫米波波束扫描阵列天线相比，本发明的阵列天线通过宽波束单元和更小的阵元间距实现了更宽的扫描角，在工作频段内，阵列的3dB波束扫描角大于±63°，最宽达±71°，同时阵列的交叉极化始终低于-30 dB。
附图说明
图1为本发明天线单元的俯视图。
图2为本发明天线单元的侧视图。
图3为本发明天线单元的输入阻抗虚部图。
图4为本发明天线单元的输入阻抗实部图。
图5（a）为本发明天线单元的联合贴片对上的等效电流分布图。
图5（b）为本发明天线单元的金属通孔上的等效电流分布图。
图6为本发明天线阵列的俯视图。
图7为本发明天线阵列的侧视图。
图8为本发明天线单元的S参数和边射方向上的增益仿真结果。
图9为本发明天线单元在25 GHz，XOZ和YOZ面辐射方向图仿真结果。
图10为本发明天线单元在27 GHz，XOZ和YOZ面辐射方向图仿真结果。
图11为本发明天线单元在29.5 GHz，XOZ和YOZ面辐射方向图仿真结果。
图12为本发明天线阵列的S参数和边射方向上的增益仿真结果。
图13为本发明天线阵列的各端口之间隔离度的S参数仿真结果。
图14为本发明天线阵列在25 GHz，YOZ面波束扫描的仿真结果图。
图15为本发明天线阵列在27 GHz，YOZ面波束扫描的仿真结果图。
图16为本发明天线阵列在29.5 GHz，YOZ面波束扫描的仿真结果图。
其中，1a和1b为一对带切角的金属菱形贴片，2a和2b为一对无切角的金属菱形贴片，3a和3b为一对Y型金属馈电，4a和4b为一对金属通孔，5为金属地板，a为顶层介质基板，b为中间层介质基板，c为底层介质基板。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例：
一种紧凑型低交叉极化的毫米波宽角扫描天线阵列，包括四个紧凑型差分馈电天线单元。
如图1所示，差分馈电天线单元包括带切角的金属菱形贴片对（1a和1b），无切角的金属菱形贴片对（2a和2b），两个金属Y型馈电（3a和3b），两个金属通孔（4a和4b）和一块金属地板（5）。
如图2所示，差分馈电天线单元包括三层介质基板，从上到下依次为：顶层介质基板（a）、中间层介质基板（b）和底层介质基板（c）。其中带切角的金属菱形贴片对（1a和1b），无切角的金属菱形贴片（2a和2b），两个金属Y型馈电（3a和3b）均位于顶层介质基板（a）的上表面；金属地板（5）位于底层介质基板的下表面；金属通孔（4a和4b）贯穿三层介质基板（a，b和c）。
如图3所示，在未加载带切角的金属菱形贴片对（1a和1b之前），天线输入阻抗的虚部在26-33 GHz值远大于零，这是因为此时天线输入的阻抗虚部由两个金属通孔（4a和4b）起主导作用，因此呈现感性，较大的电感值也导致天线在目标频段（24.25-29.5 GHz）难以实现阻抗匹配。在加载带切角的金属菱形贴片对（1a和1b）之后，天线相当于引入了一个电容，此时天线输入阻抗的虚部随着电容的引进减小，并在目标频段上宽带范围内趋近于零。同时，如图4所示，天线输入阻抗的实部在目标频段内也变得更加平缓，其值也更接近于差分输入端口的阻抗100 Ω。因此带切角金属菱形贴片对（1a和1b）的引入，使得宽带范围内天线输入阻抗的虚部更接近于零，实部变化更平缓，从而使得天线实现了宽带特性。另一方面值得注意的是，如图4所示，随着带切角的金属菱形贴片对（1a和1b）的引入，天线的工作模式也从32 GHz下移到 28 GHz, 模式的工作频率下降25%，此时天线在扫描方向上的尺寸仅增加0.28 mm，相比于原尺寸仅增加了12%，因此随着带切角金属菱形贴片对（1a和1b）的引入，天线实现了小型化。
如图5（a）所示，在差分馈电作用下，带切角的金属菱形贴片对（1a和1b）和无切角的金属菱形贴片对（2a和2b）形成四个同向水平电流元，水平电流元在扫描面（YOZ面）为“O”方向图；如图5（b）所示，金属通孔（4a和4b）引入垂直电流源，垂直电流元在扫描面（YOZ面）为“8”方向图，水平电流元和垂直电流元的方向图相互叠加，拓宽了阵元在扫描面的波束宽度。
将四个所述的差分单元按照直线排布，构成了一个四元直线阵。图6给出了阵列的侧视图。阵列中阵元的间距设置为4 mm，为32 GHz 的0.42个自由空间波长。得益于天线单元的宽波束和较小的阵元间距，本发明的天线阵列最终实现了宽角扫描特性。
本实施例中，顶层介质基板（a）和底层介质基板（c）的材料均为Rogers RO4003C，其相对介电常数为3.38，损耗角正切为0.0027，顶层介质基板（a）和底层介质基板（c）厚度分别为0.813 mm和0.305 mm。中间层介质基板的材料为Rogers CuClad6250，其相对介电常数为2.32，损耗角正切为0.0013，厚度为0.038 mm。
本实施例中，差分馈电毫米波天线单元的尺寸为9×9×1.156 mm3，差分馈电毫米波天线阵列的尺寸为20×12×1.156 mm3。通过HFSS软件对本实施例的差分馈电天线单元和阵列进行了仿真验证。仿真中，天线单元的差分端口通过一个1分2的功分器进行馈电，该功分器带有一个180°移相器，两个输出端口的信号幅值相等，相位相差180°。 如图8所示，给出了天线单元20-36 GHz范围内的|S 11|参数（输入端口的回波损耗）和边射方向增益仿真结果的曲线，可以看到天线单元的-10 dB 阻抗带宽为23.04-31.50 GHz，相对带宽为31%，带内增益大于4 dBi，最大增益为7.6 dBi。图9至图11分别给出了天线单元在25 GHz，27GHz和29.5 GHz处 XOZ面和YOZ面方向图的仿真结果，可以看到三个频点处天线单元的交叉极化始终低于-30 dB。同时，在阵列的扫描平面YOZ面，三个频点处的3dB波束宽度分别达到了103°，112°和139°，这表明了天线单元具有宽波束特性，有利于阵列的宽角扫描。图12给出差分馈电四元阵的|S 11|、|S 22|、|S 33|、|S 44|和边射方向增益曲线的仿真结果，可以看到阵列的-10 dB阻抗带宽为24.2-32.1 GHz，覆盖5G毫米波频段的n257（26.5-29.5 GHz），n258（24.25-27.5 GHz），和n261（27.5-28.35 GHz）三个频段。在工作频段内，阵列的增益大于9.2 dBi，最大达11.5 dBi。 图13给出差分馈电四元阵的各端口之间的隔离度（|S 21|、|S 31|、|S 32|、|S 41|、|S 42|和|S 43|），可以看到阵元之间的隔离度大于10 dB。图14至图16给出了天线阵列在25 GHz，27 GHz和29.5 GHz处的波束扫描图，可以看到在三个频点处的3dB扫描角分别达到了±63°，±71°，±72°，且交叉极化始终低于-30 dB以下，实现了良好的宽角扫描特性。
表1列出了本实施例与现有毫米波宽角扫描阵列的比较。可以看到与文献[1]和[2]的阵列相比，本实施例具有更宽的阻抗带宽，更宽的3dB波束覆盖范围。与文献[3]中的相比，本实施例的阻抗带宽相对较窄，但是扫描角提升了27°（60%）。此外，相比于文献[1]、[2]、[3]中阵列，由于所提出的阵列采用了差分馈电，因此实现了更低交叉极化。同时，本发明阵列的阵元间距更小，在扫描方向上的尺寸也更为紧凑。
综上，本发明阵列具有宽带、低交叉极化和宽角扫描等优点，能有效提升5G毫米波终端的数据传输速率和信号覆盖范围，具有广泛的应用前景和应用价值。
以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。
Figure 303112DEST_PATH_IMAGE001
注：
【1】“-”表示论文中未提供。
【2】 阵元交叉极化和阵列交叉极化均为归一化后的交叉极化。
【3】受限于测试条件，本发明的对比结果为仿真结果。
【4】λh 表示相应阵列的最高工作频率自由空间的波长。
参考文献
[1] Luo Y, Xu J, Chen Y,et al., "A Zero-Mode Induced mmWave PatchAntenna With Low-Profile, Wide-Bandwidth and Large-Angle Scanning for 5GMobile Terminals," in IEEE Access, vol. 7, pp. 177607-177615, 2019.
[2] Yi Z, Zhang R, Xu B, et al., "A Wide-Angle Beam Scanning Antennain E-plane for K-band Radar Sensor," in IEEE Access, vol. 7, pp. 171684-171690, 2019.
[3] A. A. Omar, J. Park, W. Kwon and W. Hong, "A Compact WidebandVertically Polarized End-Fire Millimeter-Wave Antenna Utilizing Slot,Dielectric, and Cavity Resonators," in IEEE Transactions on Antennas andPropagation, vol. 69, no. 9, pp. 5234-5243, Sept. 2021。

Claims (5)

1.一种紧凑型低交叉极化的毫米波宽角扫描天线阵列，其特征在于，包括至少两个紧凑型差分馈电天线单元，所述紧凑型差分馈电天线单元沿H面直线排布，阵元间距为所覆盖频段内最高工作频率的0.43个波长。
2.根据权利要求1所述的一种紧凑型低交叉极化的毫米波宽角扫描天线阵列，其特征在于，包含至少两个紧凑型差分馈电天线单元；
所述紧凑型差分馈电天线单元包括从上到下依次设置的顶层介质基板、中间层介质基板和底层介质基板；
其中，所述顶层介质基板的上表面设置有带切角的金属菱形贴片对、无切角的金属菱形贴片对、两个金属Y型馈电和两个金属通孔；所述底层介质基板的下表面设置有金属地板。
3.根据权利要求2所述的一种紧凑型低交叉极化的毫米波宽角扫描天线阵列，其特征在于，两个所述金属通孔的圆心的连接线方向为x轴，过连接线的中点与连接线垂直的方向为y轴，所述无切角的金属菱形贴片对和两个金属Y型馈电关于y轴对称，无切角的金属菱形贴片对通过所述两个金属Y型馈电进行差分馈电。
4.根据权利要求3所述的一种紧凑型低交叉极化的毫米波宽角扫描天线阵列，其特征在于，所述带切角的金属菱形贴片关于x轴对称，并分别设置在所述无切角的金属菱形贴片对的左右两侧。
5.根据权利要求2所述的一种紧凑型低交叉极化的毫米波宽角扫描天线阵列，其特征在于，所述紧凑型差分馈电天线单元中两个金属通孔贯穿所述顶层介质基板、所述中间层介质基板和所述底层介质基板。
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