CN114976588A - 一种应用于5g毫米波通信的超材料天线 - Google Patents

一种应用于5g毫米波通信的超材料天线 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种应用于5G毫米波通信的超材料天线，包括：矩形辐射贴片阵列，被配置为包括多个相同的辐射贴片均匀分布；以及人工磁导体结构，被配置为围绕矩形辐射贴片阵列一圈布置。

Description

一种应用于5G毫米波通信的超材料天线
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，特别涉及一种应用于5G毫米波通信的超材料天线。
背景技术
在现代无线通信系统中，微带贴片天线被广泛应用于终端、卫星、雷达等领域。微带贴片天线具有结构简单、平面加工、成本低、剖面低等优点，已广泛应用于已有的5G毫米波封装天线(Antenna-in-package，AiP)系统中。
随着移动通信技术快速发展，5G无线通信系统对天线性能要求越来越高。为了满足5G毫米波无线通信系统的小型化和高数据速率的需求，众多研究者在天线设计与研发上投入了大量的精力。但现阶段，贴片天线的发展仍面临着许多需要迫切需要解决的问题。一方面，贴片天线在小型化方面面临许多难题，尤其是纵向的小型化，贴片天线的剖面降低导致带宽等性能随之降低；另一方面，贴片天线在有限的剖面高度下提高带宽也面临许多困难。
电磁超材料(Electromagnetic Metamaterials)是由亚波长金属/介电微/纳米结构单元设计形成的具有特定电磁响应的人工材料。由于其特殊的操纵电磁波的能力，电磁超材料在过去几十年里引起了广泛的研究兴趣。这些电磁波控制能力是自然产生的材料无法实现的，通常是由电磁超材料的相位、振幅和极化的局部控制来实现。电磁超材料在天线工程中应用主要以人工磁导体(Artificial magnetic conductor，AMC)、电磁带隙结构(Electromagnetic bandgap structure，EBG)等形式利用他们独特的同相反射特性或电磁带隙特性来综合提升天线的带宽、增益、互耦、辐射等性能。
目前，提高贴片天线带宽的技术主要包括叠层贴片，空气腔，U型、L型和E型贴片以及贴片负载超材料等天线。但是，叠层贴片技术贴片天线需要增加额外的剖面高度来实现带宽的叠层结构；空气腔贴片天线面临着天线结构复杂，在毫米波高密度集成系统中工艺难度高等问题；利用L型、U型、E型等结构实现宽频带，但这一类不对称的贴片结构会引起高交叉极化的问题；现代天线工程中利用超材料负载如人工磁导体的贴片天线也能实现降剖面增加带宽，人工磁导体具有同相反射特性，即其表面的入射波与反射波相位一致，可以有效缩小波程，降低天线的纵向尺寸，这在降低偶极子天线剖面高度时非常有效。但是现阶段，当天线剖面极低时，基于人工磁导体作为天线反射面的微带贴片天线仍然面临阻抗带宽窄的挑战，需要应用新原理、新结构的贴片天线与人工磁导体结构形成的超材料天线进行降低剖面设计和天线性能提升。
发明内容
本发明的目的在于提供一种应用于5G毫米波通信的超材料天线，用于在提高带宽的同时保持应用于毫米波通信的超材料天线的低剖面和小型化的特性不变。
为解决上述技术问题，本发明提供一种应用于5G毫米波通信的超材料天线，包括：
矩形辐射贴片阵列，为包括多个相同且均匀分布的辐射贴片均匀分布；以及
人工磁导体结构，被配置为围绕矩形辐射贴片阵列一圈布置。
可选的，在所述的应用于5G毫米波通信的超材料天线中，还包括：
第一介质板，被配置为其第一表面贴有矩形辐射贴片阵列，其第二表面与人工磁导体结构相邻；
第二介质板，被配置为其第一表面与人工磁导体结构相邻，其第二表面与反射地板相邻；
反射地板，被配置为由金属平面组成，其中心位置具有矩形槽或缝隙；
第三介质板，被配置为其第一表面与反射地板相邻，其第二表面与微带线相邻；
微带线，被配置为设置在第三介质板的下方；
其中，矩形辐射贴片阵列、第一介质板、人工磁导体结构、第二介质板、反射地板、第三介质板和微带线依次层叠布置。
可选的，在所述的应用于5G毫米波通信的超材料天线中，所述矩形辐射贴片阵列和人工磁导体结构均作为辐射体分别设置在第一介质板和第二介质板上；
所述矩形辐射贴片阵列与所述环型人工磁导体结构共用所述带槽金属地板作为反射地平面。
可选的，在所述的应用于5G毫米波通信的超材料天线中，辐射贴片的数量为4个，以2行2列分布为矩阵；
所述矩形辐射贴片阵列作为辐射贴片设置在第一介质板的上表面，所述矩形辐射贴片阵列由2×2矩形贴片在平面非等间距排列但对称分布；
所述矩形辐射贴片阵列位于所述人工磁导体结构的正上方并且处于天线中心位置。
可选的，在所述的应用于5G毫米波通信的超材料天线中，所述人工磁导体结构由第二介质板第一表面上的多个方形贴片单元构成的环型阵列组成；
所述人工磁导体结构是由多个等间距周期性排列且对称分布的方形贴片单元阵列构成的环型结构，且在垂直方向与所述矩形辐射贴片阵列无重叠。
可选的，在所述的应用于5G毫米波通信的超材料天线中，所述微带线还被配置为终端开路，且通过反射地板中的矩形槽或缝隙耦合馈电，微带线的末端与馈电端口连接；
所述微带线、人工磁导体结构、反射地板上的矩形槽或缝隙与矩形辐射贴片阵列的中心均处于同一垂直位置。
可选的，在所述的应用于5G毫米波通信的超材料天线中，所述第一介质板采用GHPL-970半固化片介质板；
所述第二介质板采用Rogers4350B高频介质板；
所述第三介质板采用GHPL-970半固化片介质板。
可选的，在所述的应用于5G毫米波通信的超材料天线中，所述微带线四分之一波长处位于矩形槽或缝隙的中心正下方，所述微带线在矩形槽或缝隙的中心正下方向上层耦合馈电；
所述矩形辐射贴片阵列由微带线通过反射地板上矩形槽或缝隙向上层耦合馈电；
所述人工磁导体结构由一圈4×5方形贴片单元构成的外圈环型阵列构成，共14个人工磁导体单元。
可选的，在所述的应用于5G毫米波通信的超材料天线中，所述人工磁导体结构的人工磁导体单元由方形贴片单元、第二介质板和反射地板组成，所述方形贴片单元以相同的间距周期均匀排列，同时人工磁导体单元之间无电气连接，所述人工磁导体结构与矩形辐射贴片阵列无电气连接；
所述人工磁导体结构围绕所述矩形辐射贴片阵列对称分布。
可选的，在所述的应用于5G毫米波通信的超材料天线中，所述人工磁导体结构中的单元边长为1.3mm×1.3mm，相邻的两个人工磁导体单元之间的距离为0.1mm；
所述天线基于2×2辐射贴片阵列且负载一圈4×5环型人工磁导体结构，在厚度为100um的核心层和40um的上下叠层介质的条件下，阻抗带宽为36.3GHz-40.3GHz。
在本发明提供的应用于5G毫米波通信的超材料天线中，在现有的贴片天线的基础上将贴片分裂成多个辐射贴片，以形成矩形辐射贴片阵列，同时在矩形辐射贴片阵列外围引入了一圈环型的人工磁导体结构，以实现对现有天线性能的明显提升，提供一种应用于5G毫米波通信的超材料天线。
与现有技术相比，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的一种应用于5G毫米波通信的超表面天线，采用多个离散的矩形辐射贴片单元负载由多个人工磁导体单元构成的超表面，可以保证在天线低剖面的同时获得宽频特性，且本发明起到提高增益的作用。所述天线利用中心多个矩形辐射贴片产生多个谐振并且贴片周围一圈人工磁导体结构来增加带宽。同时，由于辐射贴片外围负载一圈超表面结构后所述天线中辐射孔径增大，天线增益提高。所述天线可有限解决微带贴片天线在极低剖面厚度下的极窄带宽问题。
附图说明
图1是本发明一实施例应用于5G毫米波通信的超材料天线整体结构剖面示意图；
图2为本发明实施例应用于5G毫米波通信的超材料天线平面结构示意图；
图3为本发明实施例应用于5G毫米波通信的超材料天线仿真结果图；
图中所示，1-辐射贴片阵列，2-环型人工磁导体结构，3-带槽的金属地板，4-地板上矩形槽，5-微带馈线，6-第一介质板，7-第二介质板，8-第三介质板。
具体实施方式
下面结合具体实施方式参考附图进一步阐述本发明。
应当指出，各附图中的各组件可能为了图解说明而被夸大地示出，而不一定是比例正确的。在各附图中，给相同或功能相同的组件配备了相同的附图标记。
为了使本发明实现的技术手段清晰明了，下面结合附图进一步阐述本发明，其中术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该产品使用时摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非特别指出，“布置在…上”、“布置在…上方”以及“布置在…之上”并未排除二者之间存在中间物的情况。此外，“布置在…上或上方”仅仅表示两个部件之间的相对位置关系，而在一定情况下、如在颠倒产品方向后，也可以转换为“布置在…下或下方”，反之亦然。
在本发明中，各实施例仅仅旨在说明本发明的方案，而不应被理解为限制性的。
在本发明中，除非特别指出，量词“一个”、“一”并未排除多个元素的场景。
在此还应当指出，在本发明的实施例中，为清楚、简单起见，可能示出了仅仅一部分部件或组件，但是本领域的普通技术人员能够理解，在本发明的教导下，可根据具体场景需要添加所需的部件或组件。另外，除非另行说明，本发明的不同实施例中的特征可以相互组合。例如，可以用第二实施例中的某特征替换第一实施例中相对应或功能相同或相似的特征，所得到的实施例同样落入本申请的公开范围或记载范围。
在此还应当指出，在本发明的范围内，“相同”、“相等”、“等于”等措辞并不意味着二者数值绝对相等，而是允许一定的合理误差，也就是说，所述措辞也涵盖了“基本上相同”、“基本上相等”、“基本上等于”。以此类推，在本发明中，表方向的术语“垂直于”、“平行于”等等同样涵盖了“基本上垂直于”、“基本上平行于”的含义。
另外，本发明的各方法的步骤的编号并未限定所述方法步骤的执行顺序。除非特别指出，各方法步骤可以以不同顺序执行。
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的应用于5G毫米波通信的超材料天线作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
本发明的目的在于提供一种应用于5G毫米波通信的超材料天线，用于在提高带宽的同时保持应用于毫米波通信的超材料天线的低剖面和小型化的特性不变。
为实现上述目的，本发明提供了一种应用于5G毫米波通信的超材料天线，包括：矩形辐射贴片阵列，被配置为包括多个相同的辐射贴片均匀分布；以及人工磁导体结构，被配置为围绕矩形辐射贴片阵列一圈布置。
图1-3提供了本发明的第一个实施例，其示出了应用于5G毫米波通信的超材料天线的示意图。图1为本发明实施例提供的应用于5G毫米波通信的超材料天线整体结构剖面示意图。如图1所示，一种低剖面宽带贴片天线，包括矩形辐射贴片阵列1，环型人工磁导体结构2，带槽的金属地板3，地板上矩形槽4，微带馈线5，第一介质板6，第二介质板7，第三介质板8。
如图1所示，本发明在现有的贴片天线的基础上将贴片分裂成多个矩形辐射贴片阵列1，同时在矩形辐射贴片阵列外围引入了一圈人工磁导体结构2，也可以称为环型人工磁导体结构，以实现对现有天线性能的明显提升，提供一种应用于5G毫米波通信的超材料天线。
本发明的一种应用于5G毫米波通信的超材料天线，包括由金属平面组成的带槽反射地板3以及设置在反射地板中心上方的第一介质板6、第二介质板7，反射地板3下方还设有第三介质板8。所述第一介质板6上贴有矩形辐射贴片阵列1。在第二介质板7设有环型人工磁导体结构2，所述环型人工磁导体结构2由第二介质板7上表面的多个方形贴片单元构成的环型阵列组成。在第三介质板8下方设有终端开路的微带线5(也可以称为微带馈线)。
所述天线由终端开路的50Ω微带线5通过第二介质板7下方反射地板中的矩形槽/缝隙4耦合馈电。所述终端开路微带线末端与馈电端口连接。所述矩形辐射贴片阵列1和环型人工磁导体结构2均作为辐射体分别设置在第一介质板6和第二介质板7上。所述矩形辐射贴片阵列1作为辐射贴片设置在第一介质板6的上表面，所述矩形辐射贴片阵列1由2×2矩形贴片在平面非等间距排列但对称分布。所述矩形辐射贴片阵列1位于所述环型人工磁导体结构2的正上方并且处于天线中心位置。第二介质板7的上表面为所述环型人工磁导体结构2，所述环型人工磁导体结构2是由多个等间距周期性排列且对称分布的方形贴片阵列构成的环型结构，且在垂直方向与所述矩形辐射贴片阵列无重叠。带矩形槽4的反射地板3设置在第二介质板7的下表面与第三介质板8的上表面，所述矩形槽4处于天线中心位置。所述终端开路微带线5、环型人工磁导体结构2、反射地板上的矩形槽4与矩形辐射贴片阵列1的中心均处于同一垂直位置。
所述第一介质板6采用GHPL-970半固化片介质板。所述第一介质板上方设有矩形辐射贴片阵列1。所述第二介质板7采用Rogers4350B高频介质板。所述第二介质板7位于第一介质板6的下方。所述环型人工磁导体结构2位于所述第二介质板7的上方并第一介质板6的内部。所述第三介质板8采用GHPL-970半固化片介质板。所述第二介质板7与第三介质板8之间设有带槽金属地板3。所述第三介质板8下表面设有微带馈线。所述微带馈线5为终端开路的50Ω传输线。所述矩形辐射贴片阵列1与所述环型人工磁导体结构2共用所述带槽金属地板3作为反射地平面。所述反射地板3上的矩形槽4由地板上的矩形缝隙构成。所述终端开路的微带馈线5在其四分之一波长处即矩形槽4中心正下方向上耦合馈电。所述矩形辐射贴片阵列1由终端开路的微带馈线5通过反射地板上矩形槽4向上层耦合馈电。
图2为本发明实施例提供的超材料天线平面结构示意图。如图2所示，所述辐射体，包括上层矩形辐射贴片阵列1与环型人工磁导体结构2。所述矩形贴片阵列1由2×2矩形金属贴片组成，位于第一介质板6的上表面。
所述环型人工磁导体结构2由一圈4×5方形贴片单元构成的外圈环型阵列构成，共14个人工磁导体单元。所述环型人工磁导体结构2位于所述第二介质板7内部的上表面。所述环型人工磁导体结构2的单元是由方形小贴片单元、第二介质板2和反射地板6组成，所述方形小贴片单元以相同的间距周期均匀排列，同时人工磁导体单元之间无电气连接，所述环型人工磁导体结构2与矩形辐射贴片4无电气连接。所述环型人工磁导体单元结构2设置在所述第二介质板7的上表面。所述环型人工磁导体结构2围绕所述矩形辐射贴片阵列对称分布。
所述环型人工磁导体结构2中的单元边长为1.3mm×1.3mm，相邻两个人工磁导体单元之间的距离为0.1mm。所述环型人工磁导体结构2与第一介质板6上表面的矩形辐射贴片阵列1在垂直方向上无重叠。
图3为本发明实施例提供的超材料天线仿真结果图。如图3所示，所述天线基于2×2辐射贴片阵列且负载一圈4×5环型人工磁导体结构有效地在厚度为100um的核心层和40um的上下叠层介质的条件下，实现了从36.3GHz-40.3GHz的宽阻抗带宽，大于10％的相对带宽。
本发明实施例提供的超材料天线在负载一圈人工磁导体结构后造成天线辐射孔径的增大，进而提高了天线增益。在工作频带范围内，所述超材料天线在39.3GHz处取得了8dBi的最大增益，同时天线工作频带范围内的平均增益为7.3dBi。
总体来说，本发明的天线具有如下特点：
本发明利用贴片天线负载有限周期AMC单元，实现了天线剖面的小型化，天线剖面仅为0.14mm即小于1/50的天线波长。本发明天线单元的尺寸为10mm×10mm×0.18mm,约为1.26λ38GHz×1.26λ28GHz×0.02λ38GHz(λ38GHz为自由空间中38GHz的波长)。
本发明利用中心多个矩形辐射贴片阵列产生的多模谐振，并在矩形辐射贴片外围负载一圈人工磁导体结构，同时采用缝隙耦合馈电方式，有利于综合实现天线的宽频带特性，天线的带宽可覆盖36－40GHz(大于10％)，涵盖37GHz与39GHz的5G通信频段，可应用于5G毫米波通信。
本发明使用对称的天线结构与耦合馈电技术，可实现天线的低交叉极化性能，同时实现无通孔设计，简化了天线的结构，有利于降低制造难度与制造成本。
本发明利用负载多个人工磁导体结构增加了天线的辐射孔径，有利于实现天线高增益特性。
与现有技术相比，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供的一种应用于5G毫米波通信的超表面天线，采用多个离散的矩形辐射贴片单元负载由多个人工磁导体单元构成的超表面，可以保证在天线低剖面的同时获得宽频特性，且本发明起到提高增益的作用。所述天线利用中心多个矩形辐射贴片产生多个谐振并且贴片周围一圈人工磁导体结构来增加带宽。同时，由于辐射贴片外围负载一圈超表面结构后所述天线中辐射孔径增大，天线增益提高。所述天线可有限解决微带贴片天线在极低剖面厚度下的极窄带宽问题。
综上，上述实施例对应用于5G毫米波通信的超材料天线的不同构型进行了详细说明，当然，本发明包括但不局限于上述实施中所列举的构型，任何在上述实施例提供的构型基础上进行变换的内容，均属于本发明所保护的范围。本领域技术人员可以根据上述实施例的内容举一反三。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (10)

1.一种应用于5G毫米波通信的超材料天线，其特征在于，包括：
矩形辐射贴片阵列，包括多个相同且均匀分布的辐射贴片；以及
人工磁导体结构，被配置为围绕矩形辐射贴片阵列一圈布置。
2.如权利要求1所述的应用于5G毫米波通信的超材料天线，其特征在于，还包括：
第一介质板，被配置为其第一表面贴有矩形辐射贴片阵列，其第二表面与人工磁导体结构相邻；
第二介质板，被配置为其第一表面与人工磁导体结构相邻，其第二表面与反射地板相邻；
反射地板，被配置为由金属平面组成，其中心位置具有矩形槽或缝隙；
第三介质板，被配置为其第一表面与反射地板相邻，其第二表面与微带线相邻；以及
微带线，被配置为设置在第三介质板的下方；
其中，矩形辐射贴片阵列、第一介质板、人工磁导体结构、第二介质板、反射地板、第三介质板和微带线依次层叠布置。
3.如权利要求2所述的应用于5G毫米波通信的超材料天线，其特征在于，所述矩形辐射贴片阵列和人工磁导体结构均作为辐射体分别设置在第一介质板和第二介质板上；
所述矩形辐射贴片阵列与所述环型人工磁导体结构共用所述带槽金属地板作为反射地平面。
4.如权利要求2所述的应用于5G毫米波通信的超材料天线，其特征在于，辐射贴片的数量为4个，以2行2列分布为矩阵；
所述矩形辐射贴片阵列作为辐射贴片设置在第一介质板的上表面，所述矩形辐射贴片阵列由2×2矩形贴片在平面非等间距排列但对称分布；
所述矩形辐射贴片阵列位于所述人工磁导体结构的正上方并且处于天线中心位置。
5.如权利要求2所述的应用于5G毫米波通信的超材料天线，其特征在于，所述人工磁导体结构由第二介质板第一表面上的多个方形贴片单元构成的环型阵列组成；
所述人工磁导体结构是由多个等间距周期性排列且对称分布的方形贴片单元阵列构成的环型结构，且在垂直方向与所述矩形辐射贴片阵列无重叠。
6.如权利要求2所述的应用于5G毫米波通信的超材料天线，其特征在于，所述微带线还被配置为终端开路，且通过反射地板中的矩形槽或缝隙耦合馈电，微带线的末端与馈电端口连接；
所述微带线、人工磁导体结构、反射地板上的矩形槽或缝隙与矩形辐射贴片阵列的中心均处于同一垂直位置。
7.如权利要求2所述的应用于5G毫米波通信的超材料天线，其特征在于，所述第一介质板采用GHPL-970半固化片介质板；
所述第二介质板采用Rogers4350B高频介质板；
所述第三介质板采用GHPL-970半固化片介质板。
8.如权利要求2所述的应用于5G毫米波通信的超材料天线，其特征在于，所述微带线四分之一波长处位于矩形槽或缝隙的中心正下方，所述微带线在矩形槽或缝隙的中心正下方向上层耦合馈电；
所述矩形辐射贴片阵列由微带线通过反射地板上矩形槽或缝隙向上层耦合馈电；
所述人工磁导体结构由一圈4×5方形贴片单元构成的外圈环型阵列构成，共14个人工磁导体单元。
9.如权利要求2所述的应用于5G毫米波通信的超材料天线，其特征在于，所述人工磁导体结构的人工磁导体单元由方形贴片单元、第二介质板和反射地板组成，所述方形贴片单元以相同的间距周期均匀排列，同时人工磁导体单元之间无电气连接，所述人工磁导体结构与矩形辐射贴片阵列无电气连接；
所述人工磁导体结构围绕所述矩形辐射贴片阵列对称分布。
10.如权利要求2所述的应用于5G毫米波通信的超材料天线，其特征在于，所述人工磁导体结构中的单元边长为1.3mm×1.3mm，相邻的两个人工磁导体单元之间的距离为0.1mm；
所述天线基于2×2辐射贴片阵列且负载一圈4×5环型人工磁导体结构，在厚度为100um的核心层和40um的上下叠层介质的条件下，阻抗带宽为36.3GHz-40.3GHz。
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