CN114914683A - 一种高隔离度的毫米波双极化阵元及阵列天线 - Google Patents

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CN114914683A CN202210828691.9A CN202210828691A CN114914683A CN 114914683 A CN114914683 A CN 114914683A CN 202210828691 A CN202210828691 A CN 202210828691A CN 114914683 A CN114914683 A CN 114914683A
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Abstract

本申请提供了一种高隔离度的毫米波双极化阵元，其特征在于，所述阵元由依次层叠设置的第一基板、第二基板、第三基板和第四基板与基板构件组成；所述第一基板设置有四个互补的磁电偶极子阵元，且所述第一基板的边缘按照预设排列方式设置有若干金属柱；所述第二基板设有四个十字形的高次模谐振腔，且所述第二基板的边缘按预设排列方式设置有若干小孔；所述第三基板设有一个第三基板介质集成波导馈电网络；所述第四基板设有一个第四基板介质集成波导馈电网络，与所述第三基板介质集成波导馈电网络正交排列。本申请通过磁电偶极子天线的启发，采用TM430模式的高次模腔来激发2×2磁电偶极子天线阵元，从而获得高增益和带宽的特性。

Description

一种高隔离度的毫米波双极化阵元及阵列天线
技术领域
本申请涉及无线通信领域，特别是一种高隔离度的毫米波双极化阵元及阵列天线。
背景技术
频谱资源丰富的毫米波（30GHz-300GHz）被正式分配为第五代(5G)移动通信的频率资源之一。其中，37-43GHz频段相对较宽，因此被选定为毫米波通信的高频频段。由于5G通信系统需要满足大容量、高速数据传输、强抗干扰能力等严格要求，而其中天线是至关重要的部件，应具有双极化、宽带、高增益和高隔离等特点。另外，为了在实际中得到广泛应用，天线加工成本是设计考虑的一个非常重要的因素。
众所周知，毫米波具有较大的空气传播损耗，严重影响可靠的数据传输。为了解决这个问题，毫米波天线需要具备宽带和高增益的特性。为了实现这些目标特性，有必要研发一款具有高增益和高隔离度的双极化的毫米波天线。为5G通信提供可靠的高速数据传输和抗干扰能力。
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高隔离度的毫米波双极化阵元及阵列天线，包括：
一种高隔离度的毫米波双极化阵元，所述阵元由依次层叠设置的第一基板、第二基板、第三基板和第四基板与基板构件组成；
所述第一基板设置有四个互补的磁电偶极子阵元，且所述第一基板的边缘按照预设排列方式设置有若干金属柱；
所述第二基板设有四个十字形的高次模谐振腔，且所述第二基板的边缘按预设排列方式设置有若干小孔；
所述第三基板设有一个第三基板介质集成波导馈电网络；
所述第四基板设有一个第四基板介质集成波导馈电网络，与所述第三基板介质集成波导馈电网络正交排列。
优选地，所述磁电偶极子阵元包括至少四个辐射磁电偶极子，相邻的所述辐射磁电偶极子通过十字形槽连接。
优选地，所述第四基板集成波导中心设置了一个扁平槽，在所述第三基板的集成波导中心设置了一个十字槽。
优选地，所述第一基板、第二基板、第三基板和第四基板为RogersRT/duroid5880基板。
优选地，所述第一基板、第二基板、第三基板和第四基板的厚度为0.5-1.0mm。
一种阵列天线，所述阵列天线由16个上述所述的高隔离度的毫米波双极化阵元组成的8×8阵列天线。
优选地，所述阵列天线包括分别设于所述第三基板与所述第四基板上的一个H型功率分配器。
优选地，所述H型功率分配器由两级T型的介质集成波导馈电网络组成。
优选地，通过增加所述介质集成波导的下排长度，使所有的天线阵元有相同的相位。
优选地，所述列阵天线的每个角上设置4个螺钉。
本申请具有以下优点：
在本申请的实施例中，一种高隔离度的毫米波双极化阵元，其特征在于，所述阵元由依次层叠设置的第一基板、第二基板、第三基板和第四基板与基板构件组成；所述第一基板设置有四个互补的磁电偶极子阵元，且所述第一基板的边缘按照预设排列方式设置有若干金属柱；所述第二基板设有四个十字形的高次模谐振腔，且所述第二基板的边缘按预设排列方式设置有若干小孔；所述第三基板设有一个第三基板介质集成波导馈电网络；所述第四基板设有一个第四介质集成波导馈电网络，与所述第三基板介质集成波导馈电网络正交排列。通过磁电偶极子天线的启发，采用TM430模式的高次模腔来激发2×2磁电偶极子天线阵元，从而获得高增益和带宽的特性。此磁电偶极子的阵元由两个正交垂直排列的介质集成波导馈电网络直接馈电。通过这样做，无需额外的馈电网络即可实现双倍容量和高隔离度。
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性的前提下，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高隔离度的毫米波双极化阵元结构示意图；
图2是本申请一实施例提供的第三基板与第四基板的端口激发时的介质集成波导馈电网络上的电场分布图；
图3是本申请一实施例提供的第三基板与第四基板在不同频率下的电场分布图；
图4是本申请一实施例提供的激发了第三基板端口时高次模腔中2×2磁电偶极子天线阵元上的电流分布图；
图5（a）-图5（b）是本申请一实施例提供的2×2双极化天线阵元的仿真S参数和增益示意图；
图6（a）-图6（d）是本申请一实施例提供的第三基板3与第四基板4的端口在37GHz和42.5GHz的相应辐射图和特性；
图7（a）-图7（b）是本申请一实施例提供的由H形功分器馈电的比较天线阵元的辐射方向图；
图8（a）-图8（e）是本申请一实施例提供一种8×8的阵列天线结构示意图；
图9是本申请一实施例提供的8×8双极化阵列天线加工原型图；
图10（a）-图10（b）是本申请一实施例提供的 H 形功率分配器T型结的性能；
图11（a）-图11（b）是本申请一实施例提供的金属波导WR22到介质集成波导转换的性能；图12（a）-图12（b）是本申请一实施例提供的8×8双极化阵列天线的隔离度，增益和反射系数；
图13是本申请一实施例提供的8×8双极化阵列天线的辐射效率；
图14（a）-图14（h）是本申请一实施例提供的8×8 双极化阵列天线的实测方向图和交叉极化值；
附图标记说明：
1、第一基板；11、磁电偶极子阵元；12、金属柱；2、第二基板；21、高次模谐振腔；22、小孔；3、第三基板；31、第三基板介质集成波导馈电网络；4、第四基板；41、第四基板介质集成波导馈电网络。
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-图14（h），示出了本申请一实施例提供的一种高隔离度的毫米波双极化阵元，其特征在于，所述阵元由依次层叠设置的第一基板1、第二基板2、第三基板3和第四基板4与基板构件组成；所述第一基板1设置有四个互补的磁电偶极子阵元11，且所述第一基板1的边缘按照预设排列方式设置有若干金属柱12；所述第二基板2设有四个十字形的高次模谐振腔21，且所述第二基板2的边缘按预设排列方式设置有若干小孔22；所述第三基板3设有一个第三基板介质集成波导馈电网络31；所述第四基板4设有一个第四基板介质集成波导馈电网络41，与所述第三基板介质集成波导馈电网络31正交排列。
在本申请的实施例中，通过一种高隔离度的毫米波双极化阵元，其特征在于，所述阵元由依次层叠设置的第一基板1、第二基板2、第三基板3和第四基板4与基板构件组成；所述第一基板1设置有四个互补的磁电偶极子阵元11，且所述第一基板1的边缘按照预设排列方式设置有若干金属柱12；所述第二基板2设有四个十字形的高次模谐振腔21，且所述第二基板2的边缘按预设排列方式设置有若干小孔22；所述第三基板3设有一个第三基板介质集成波导馈电网络31；所述第四基板4设有一个第四基板介质集成波导馈电网络41，与所述第三基板介质集成波导馈电网络31正交排列。通过磁电偶极子天线的启发，采用TM430模式的高次模腔来激发2×2磁电偶极子天线阵元，从而获得高增益和带宽的特性。此磁电偶极子的阵元由两个正交垂直排列的介质集成波导馈电网络直接馈电。通过这样做，无需额外的馈电网络即可实现双倍容量和高隔离度。
下面，将对本示例性实施例中一种高隔离度的毫米波双极化阵元及列阵天线作进一步地说明。
参照图1，示出了本申请的一种高隔离度的毫米波双极化阵元，其特征在于，所述阵元由依次层叠设置的第一基板1、第二基板2、第三基板3和第四基板4与基板构件组成；所述第一基板1设置有四个互补的磁电偶极子阵元11，且所述第一基板1的边缘按照预设排列方式设置有若干金属柱12；所述第二基板2设有四个十字形的高次模谐振腔21，且所述第二基板2的边缘按预设排列方式设置有若干小孔22；所述第三基板3设有一个第三基板介质集成波导馈电网络31；所述第四基板4设有一个第四基板介质集成波导馈电网络41，与所述第三基板介质集成波导馈电网络31正交排列。
需要说明的是，所述第一基板1的所述磁电偶极子阵元11由所述第三基板3的所述第三基板介质集成波导馈电网络31和与其正交垂直排列的所述第四基板介质集成波导馈电网络41来直接进行馈电，所述第二基板2设有四个十字型槽的高次模谐振腔21，高次模谐振腔21衰减非常大，相当于阻抗，这样，从所述第三基板3与所示第四基板4的两个介质集成波导网络耦合信号就被均匀分为四路，通过该方案，无需额外的馈电网络或增加尺寸即可实现天线的双倍容量和高隔离度。
所述第一基板1中的所述金属柱12的作用为防止表面波泄露，所述第二基板2中的所述小孔22的作用也为防止表面波泄露，第二基板2使用小孔22而不用金属柱12可以使第一基板1与第二基板2之间无缝隙。
作为一种示例，所述基板每层厚度为0.5-1.0mm，所述基板为RogersRT/duroid5880基板。
在本申请实施例中，所述磁电偶极子阵元11包括至少四个辐射磁电偶极子，相邻的所述辐射磁电偶极子通过十字形槽连接。
需要说明的是，有一个十字形条连接相邻的辐射磁电偶极子，而四个金属柱用于替换磁电偶极子的短路壁。
在本申请实施例中，述第四基板集成波导中心设置了一个扁平槽，在所述第三基板的集成波导中心设置了一个十字槽。
需要说明的是，在所述第四基板4的介质集成波导中心蚀刻了一个扁平槽，在所述第三基板3的集成波导中心蚀刻了另一个十字槽。因此，它们可以独立地将电磁波耦合到具有高隔离度的上层腔体中。
作为一种示例，图2示出了所述第三基板3与所述第四基板4的端口激发时的介质集成波导馈电网络上的电场分布。图3示出了两个基板在不同频率下的电场分布。正如所观察到的，即电场强度随着频率的增加而变化，它们都使用TE430工作。相邻谐振点上的电场表现出相同的幅度但相反的相位。每个共振点，当相应的电流流向每个谐振点的中心时，电场的方向标有“+”号。相反，当相应的电流向外流向谐振点的中心时，它标有“-”号。每个双极化阵列天线阵元由一个十字形馈电槽激发，并且期望每个天线单元以相同的相位和幅度激发以获得均匀的辐射。由于所提出的双极化磁电偶极子单元的对称结构，无论其排列方式如何，四个磁电偶极子单元的辐射方向始终相同。
作为一种示例，图4示出了激发了所述第三基板端口时高次模腔中2×2磁电偶极子天线阵元上的电流分布。在36.4GHz的较低频率下，天线阵元的总电流主要在t=0和t=T/4时沿向下方向流动，然后在t=T/2和t时向上重定向=3T/4。40GHz的电流方向与36.4GHz的电流方向相反，而42.6GHz的电流方向与36.4GHz的电流方向相同。换言之，所述第三基板3激发是垂直线极化。由于对称性，所述第四基板激发时的情况与所述第三基板3激发时的情况相似，它激发水平线极化。为了分析磁电偶极子阵元引起的高增益的工作原理，还绘制了左上角磁电偶极子阵元在40GHz上的电流分布。
作为一种示例，图5（a）-图5（b）示出了本申请所提出的2×2双极化天线阵元的仿真S参数和增益。如图5(a)所示，其中，S参数的全称为Scatter 参数，即散射参数。S参数描述了传输通道的频域特性，在进行串行链路SI分析的时候，获得通道的准确S参数是一个很重要的环节，通过S参数，我们能看到传输通道的几乎全部特性。信号完整性关注的大部分问题，例如信号的反射，串扰，损耗，都可以从S参数中找到有用的信息。两个端口（|S11|和|S22|）之间的重叠阻抗带宽从36.4GHz到42.6GHz为15.7%，相应增益为13.29±1.59dBi，增益相对稳定。此外，|S21|在所需频带上低于-43dB，表明两个端口之间的互耦合较低。如图5(b)所示，采用H形功分器馈电的传统2×2双极化天线子阵列进行比较，比较增益几乎没有任何变化，而两个端口之间的重叠阻抗带宽变得稍窄，|S21|明显变差（-26dB），即高增益主要由磁电偶极子由于其互补特性而产生，而阻抗带宽则由高次模腔增强。
图6（a）-图6（d）示出了所述第三基板3与所述第四基板4的端口在37GHz和42.5GHz的相应辐射图和特性。对于37GHz的所述第三基板3的端口一，半功率波束宽度(3DB波束宽度)、交叉极化电平(X-pol)、前后比(FBR)分别为36°、-29.8dB和32dB，在XOZ-在YOZ平面中，它们分别为48°、-32.8dB和32dB。在42.5GHz的上限频率下，它们在XOZ平面中分别为28.8°、-28dB和26.1dB，在YOZ平面中分别为28.4°、-36.1dB和26.1dB。通常，它们表现出低交叉极化水平和高前后比。由于天线阵元的数量相对较少，3DB波束宽度不会过窄。由于对称结构，它们几乎是两个端口之间的镜像。为了获得良好的阻抗带宽，2×2阵列天线的水平和垂直间隙宽度不相等。因此，两个端口的XOZ-和YOZ-平面中的辐射方向图并不完全相同。图6所示，在37GHz的较低频率下，所述第三基板3的端口一的XOZ平面中的3DB波束宽度与所述第四基板4的端口二的YOZ平面中的3DB波束宽度相似，而端口一的YOZ平面中的3DB波束宽度类似于端口二的XOZ平面中的3DB波束宽度。
相比之下，图7（a）-图7（b）示出的由H形功分器馈电的比较天线阵元的辐射方向图。由于H型功分器的耦合槽分布在四个角，四个磁电偶极子阵元之间的间隙宽度变大。因此，旁瓣电平变大，主波束分为三部分。因此，在没有高次模腔的情况下，S参数和辐射图都会恶化。
在本申请实施例中，图8（a）-图8（e）示出了一种阵列天线，其特征在于，所述阵列天线由16个上述所述的高隔离度的毫米波双极化阵元组成的8×8阵列天线。
需要说明的是，馈电网络精确对准辐射的磁电偶极子阵元，可以进一步降低传输损耗。出于低成本和稳定性的考虑，将每层厚度为0.787mm的四个基板堆叠起来形成所提出的阵列天线，如图8(e)所示。
在一具体实现中，图9示出了天线原型，由于阵列天线具有多层几何结构，PCB基板之间可能存在的气隙可能会影响制造原型的特性。为了解决这个问题，在堆叠基板的每个角上设置了四个螺钉，以减少气隙的副作用。
在本申请实施例中，所述8×8列阵天线在所述第三基板与所述第四基板分别设置一个H型功率分配器。
需要说明的是，为了提供1分4路均等的功率分配，每个H形功率分配器由两级T型结介质集成波导馈电网络组成，如图8(c)和8(d)所示。由于第1排的4个高阶腔与第2排的高阶腔有180°的相位差，因此下排馈电口的相位需要落后于上排馈电口的相位，所以通过增加下排介质集成波导的长度来达到所有的天线阵元以相同的相位和均匀的幅度馈电，从而形成均匀的辐射和高增益。
作为一种示例，参照图10（a）-图10（b），其中，F定义为1分4功分网络的横截面的宽度的调节参数，P定义为功分器横截面的宽度的参数。图10(a)示出|S11|在所需频带中低于-18dB，而|S12|和|S13|大于-3.5dB并且几乎相同。如图10（b）所示，输出端口（P2和P3）之间的相位差随着介质集成波导长度差值的增加而增加。当其差值等于3.25mm时，输出端口之间的相位差在180±18°范围内，这对于工程应用来说是可以接受的。
作为一种示例，如图11（a）所示，在整个馈电网络的每个输入端口的基板底部蚀刻了一个矩形凹槽用于插入输入波导WR-22，其工作频段范围为33～50GHz。图11(b)所示，在所需的频带上，|S11|小于-20dB而|S12|几乎等于0，这进一步验证了波导口到介质集成波导过渡的宽带和低传输损耗特性。
作为一种示例，图12（a）和图12（b）示出了8×8双极化阵列天线的关键性能参数。如图12（a）所示，仿真和测量的重叠带宽分别为15.8%（36.7GHz-43GHz）和14.6%（36.8GHz-42.6GHz）。在各自重叠的频带内，它们的相应增益分别为24.17±1.75dBi和23.8±2dBi。测量带宽比模拟带宽窄0.5GHz，而测量增益比模拟带宽略低0.37dBi。图12(b)显示仿真和测量的|S21|在所需频带上分别小于-46.6dB和-45dB，这对两个输入端口都表现出低互耦和强抗干扰能力。
作为功率转换率的重要参数，8×8双极化阵列天线的辐射效率如图14（a）-图14（h）所示。两个端口的仿真辐射效率均大于85%，而相应的实测辐射效率则超过72%。差异主要是由于制造误差和连接电缆损耗造成的。但是，它们的曲线趋势几乎相同。对于毫米波天线，大于65%的辐射效率可以满足实际应用的需求。
作为一种示例，图13示出了8×8双极化阵列天线在37和42.5GHz两个端口的仿真和测量辐射方向图和特性。对于37GHz的端口一，在XOZ平面上仿真的3DB波束宽度、边带电平、交叉极化电平和前后比分别为7.4°、-12.5dB、-30.4dB和31.8dB，它们是7.5°，在YOZ平面中分别为-9.7dB、-47dB和30.4dB。相比之下，在XOZ平面上测得的分别为7.6°、-11.1dB、-25.7dB和31.6dB，在YOZ平面上分别为7.6°、-9.1dB、-26dB和28.3dB。在42.5GHz的上限频率下，XOZ平面的仿真值分别为7.2°、-11.3dB、-28.5dB和29.1dB，YOZ平面的仿真值分别为6.9°、-12.1dB、-43.4dB和29.1dB。相应地，在XOZ平面上测得的分别为7.3°、-9.5dB、-28dB和31.2dB，在YOZ平面上分别为7°、-10.7dB、-25dB和30.8dB。由于几乎对称的结构，端口二的结果几乎与端口一的结果相同。总体而言，实测结果与仿真结果吻合较好，交叉极化电平低，FBR高，3DB波束宽度窄，旁瓣电平合理。
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高隔离度的毫米波双极化阵元及阵列天线，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)

1.一种高隔离度的毫米波双极化阵元，其特征在于，所述阵元由依次层叠设置的第一基板、第二基板、第三基板和第四基板与基板构件组成；
所述第一基板设置有四个互补的磁电偶极子阵元，且所述第一基板的边缘按照预设排列方式设置有若干金属柱；
所述第二基板设有四个十字形的高次模谐振腔，且所述第二基板的边缘按预设排列方式设置有若干小孔；
所述第三基板设有一个第三基板介质集成波导馈电网络；
所述第四基板设有一个第四基板介质集成波导馈电网络，与所述第三基板介质集成波导馈电网络正交排列。
2.根据权利要求1所述的阵元，其特征在于，所述磁电偶极子阵元包括至少四个辐射磁电偶极子，相邻的所述辐射磁电偶极子通过十字形槽连接。
3.根据权利要求1所述的阵元，其特征在于，所述第四基板集成波导中心设置了一个扁平槽，在所述第三基板的集成波导中心设置了一个十字槽。
4.根据权利要求1所述的阵元，其特征在于，所述第一基板、第二基板、第三基板和第四基板为RogersRT/duroid5880基板。
5.根据权利要求1所述的阵元，其特征在于，所述第一基板、第二基板、第三基板和第四基板的厚度为0.5-1.0mm。
6.一种阵列天线，其特征在于，所述阵列天线由16个如权利要求1所述的高隔离度的毫米波双极化阵元组成的8×8阵列天线。
7.根据权利要求6所述的阵列天线，其特征在于，所述阵列天线包括分别设于所述第三基板与所述第四基板上的一个H型功率分配器。
8.根据权利要求7所述的阵列天线，其特征在于，所述H型功率分配器由两级T型的介质集成波导馈电网络组成。
9.根据权利要求8所述的阵列天线，其特征在于，通过增加所述介质集成波导的下排长度，使所有的天线阵元有相同的相位。
10.根据权利要求6所述的阵列天线，其特征在于，所述阵列天线的每个角上设置4个螺钉。
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