CN115296046A - 一种用于ota测试的毫米波双极化磁电偶极子探头天线 - Google Patents

一种用于ota测试的毫米波双极化磁电偶极子探头天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于OTA测试的毫米波双极化磁电偶极子探头天线，可以工作在包括但不限于5G毫米波通信的24.25‑29.5GHz工作频带内。所述天线包括一对用于收发信号的电偶极子，用于提高收发隔离度的金属围栏和同时能提高带内增益的金属边框，且每个电偶极子具有相同的组成结构，均包含外围的金属边框、多个梯形贴片、介质层、粘接层和测试接头等。本发明能实现宽的阻抗带宽24‑29.8GHz（21.7%）、较高的同极化和异极化收发隔离度（<‑70dB）、较平稳的带内增益变化、低的交叉极化和近似对称的E面与H面方向图，同时采用基片集成同轴线馈电的形式，利于与射频或者芯片系统集成。

Description

一种用于OTA测试的毫米波双极化磁电偶极子探头天线
技术领域
本发明涉及无线通信天线技术领域，尤其涉及一种用于OTA测试的毫米波双极化磁电偶极子探头天线。
背景技术
随着移动终端使用人数的激增，全球移动数据流量也在以前所未有的速度继续增长，目前的4G（第四代移动通信）移动网络容量从长期来看将是不可持续的。目前移动通信系统的演进过程可以归纳为：由“线”到“面”。线是指演进所围绕的增强移动宽带性能这条主线，即每一代移动通信系统演进的首要目标是大幅提升数据传输速率和网络容量。而面是指从4G到5G（第五代移动通信）的演进逐步开始考虑支持多种业务需求矛盾的场景，不仅限于增强型移动宽带，例如，5G支持的高可靠、低时延通信以及大规模机器通信业务等。与4G系统相比，5G蜂窝系统的主要区别之一是向毫米波波段的转移，由于毫米波具有波长短，频谱宽，方向性好等优点，其已成为5G的核心技术之一。同时，双极化天线是现代无线系统中所非常需要的，因为它可以对抗多径衰落和提高信道容量，大大地提高通信速率。
而随着物联网产品的无线化、智能化、多样化发展，以及对客户体验的逐步重视，一些手机类和非手机类厂商逐渐对自家产品的无线性能的要求越来越高，也对自身产品做了一些OTA性能要求。OTA测试是验证移动通信空中接口的发射功率和接收性能的一种测试。它着重对整机进行辐射性能方面的测试，属于三维测试，能反映整机的辐射性能。特别地，探头天线作为OTA测试的核心器件，急需被开发和设计。
但是，现有针对OTA测试的天线阻抗带宽特性不够宽，不能较好覆盖5G通信频段中的n257(26.5GHz-29.5GHz)和n258(24.25GHz-27.5GHz)频段，同极化收发隔离度不够高，带内增益变化不够平稳。
磁电偶极子天线由于其具有宽的工作频带、稳定的单向辐射方向图、低交叉极化及稳定的带内增益平坦度等特性获得了广泛关注，适合运用于探头天线的设计中。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种用于OTA测试的毫米波双极化磁电偶极子探头天线。在性能上，所述天线具有宽的阻抗带宽特性，能覆盖5G通信频段中的n257(26.5GHz-29.5GHz)和n258(24.25GHz-27.5GHz)频段、较高的同极化收发隔离度、平稳的带内增益变化、低的交叉极化和近似对称的E面和H面方向图,所以其能够应用于OTA测试系统中。
为实现上述目的，本发明提供了一种用于OTA测试的毫米波双极化磁电偶极子探头天线，包括发射端天线和接收端天线，所述发射端天线和接收端天线结构一致且关于中心对称；
所述发射端天线和接收端天线，均包括由上往下依次设置的金属边框、顶部金属层、第一介质层、第二金属层、第一粘接层、第三金属层、第二介质层、第四金属层、第二粘接层、第五金属层、第三介质层、底部金属层和测试接头；
所述发射端天线的顶部金属层上设有关于中心对称的第一梯形贴片、第二梯形贴片、第三梯形贴片和第四梯形贴片，且四个梯形贴片的大小一样，电偶极子即由该四个梯形贴片构成；所述接收端天线的电偶极子结构由第五梯形贴片、第六梯形贴片、第七梯形贴片和第八梯形贴片构成，且四个梯形贴片的大小一样。
进一步的，所述发射端天线的第二金属层上设有关于中心对称的第一金属条带、第二金属条带、第三金属条带和第四金属条带，且四个金属条带的尺寸一样；所述第一金属条带、第二金属条带、第三金属条带和第四金属条带与顶部金属层上的四个梯形贴片通过四个金属化过孔对应相连，所述四个金属化过孔和与之对应的四个金属条带构成了磁偶极子；所述接收端天线的磁偶极子结构由第五金属条带、第六金属条带、第七金属条带、第八金属条带和四个金属化过孔构成，且第五金属条带、第六金属条带、第七金属条带、第八金属条带的尺寸一样；所述第五金属条带、第六金属条带、第七金属条带、第八金属条带与顶部金属层上的四个梯形贴片通过四个金属化过孔对应相连，所述四个金属化过孔和与之对应的四个金属条带构成了磁偶极子。
进一步的，所述发射端天线的第三金属层和底部金属层为该所述基片集成同轴线结构的接地层，所述中间第五金属层上设有馈电条带，所述第四金属层上设有馈电条带，所述第四金属层与贯穿第二介质层、第二粘接层和第三介质层的若干金属化过孔及第三金属层、底部金属层一起分别构成该发射端天线的基片集成同轴馈电端口；所述接收端天线基片集成同轴馈电端口由接地金属层、馈电条带和若干金属化过孔构成。
进一步的，所述接地金属层上刻有十字缝隙，用于将来自基片集成同轴馈电端口的馈电能量传输到上层磁电偶天线，激励其辐射。
进一步的，所述底部金属层下面接有四个SMPM接头用于实际测试。
进一步的，所述发射端天线和接收端天线外围均分别套有两个金属边框，用于进一步提高带内增益和增加发射端天线和接收端天线的隔离度。
进一步的，所述发射端天线和接收端天线中间设有一个金属围栏，且将第一粘接层、第三金属层、第二介质层、第四金属层、第二粘接层、第五金属层、第三介质层、底部金属层从中间切断，且在切断边缘处打有贯穿第二介质层、第二粘接层和第三介质层的若干金属化过孔。
本发明的有益效果是：
本发明提出的一种用于OTA测试的毫米波双极化磁电偶极子探头天线，实现了宽的阻抗带宽24-29.8GHz（21.7%），能覆盖5G通信频段中的n257(26.5GHz-29.5GHz)和n258(24.25GHz-27.5GHz)频段，具有较高的同极化和异极化收发隔离度（<-70dB），较平稳的带内增益变化（<3dB），带内最高仿真增益为11.3dBi, 同时具有稳定的单向辐射方向图，包括低的交叉极化值和近似对称的E 面和H面。利用基片集成同轴线馈电的形式，利于与射频或者芯片系统集成。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中天线的整体结构示意图；
图2为本发明具体实施方式中天线的俯视结构示意图；
图3为本发明具体实施方式中天线的侧视结构示意图；
图4为本发明具体实施方式中天线单元的具体结构示意图；
图5为本发明具体实施方式中天线单元发射端天线的俯视结构示意图；
图6为本发明具体实施方式中天线单元接收端天线的俯视结构示意图；
图7为本发明具体实施方式中天线单元的侧视结构示意图；
图8为本发明具体实施方式中金属边框的具体结构示意图；
图9为本发明具体实施方式中金属围栏的具体结构示意图；
图10为本发明具体实施方式中天线S参数仿真和实测结果图；
图11为本发明具体实施方式中发射端和接收端天线在xoz面的仿真和实测增益曲线；
图12为本发明具体实施方式中发射端和接收端天线在yoz面的仿真和实测增益曲线；
图13为本发明具体实施方式中发射端天线基片集成的第一同轴馈电端口激励时xoz面和yoz面的归一化辐射方向图仿真和实测结果图(26.5GHz)；
图14为本发明具体实施方式中发射端天线基片集成的第一同轴馈电端口激励时xoz面和yoz面的归一化辐射方向图仿真和实测结果图(28.5GHz)；
图15为本发明具体实施方式中发射端天线基片集成的第二同轴馈电端口激励时xoz面和yoz面的归一化辐射方向图仿真和实测结果图(26.5GHz)；
图16为本发明具体实施方式中发射端天线基片集成的第二同轴馈电端口激励时xoz面和yoz面的归一化辐射方向图仿真和实测结果图(28.5GHz)；
图17为本发明具体实施方式中接收端天线基片集成的第三同轴馈电端口激励时xoz面和yoz面的归一化辐射方向图仿真和实测结果图(26.5GHz)；
图18为本发明具体实施方式中接收端天线基片集成的第三同轴馈电端口激励时xoz面和yoz面的归一化辐射方向图仿真和实测结果图(28.5GHz)；
图19为本发明具体实施方式中接收端天线基片集成的第四同轴馈电端口激励时xoz面和yoz面的归一化辐射方向图仿真和实测结果图(26.5GHz)；
图20为本发明具体实施方式中接收端天线基片集成的第四同轴馈电端口激励时xoz面和yoz面的归一化辐射方向图仿真和实测结果图(28.5GHz)。
图中标号：金属边框1；第一金属边框1-1、第二金属边框1-2；
顶部金属层2；第一梯形贴片2-1；第二梯形贴片2-2；第三梯形贴片2-3；第四梯形贴片2-4；第五梯形贴片2-5；第六梯形贴片2-6；第七梯形贴片2-7；第八梯形贴片2-8；
第一介质层3；
第二金属层4；第一金属条带4-1；第二金属条带4-2；第三金属条带4-3；第四金属条带4-4；第五金属条带4-5；第六金属条带4-6；第七金属条带4-7；第八金属条带4-8；
第一粘接层5；
第三金属层6；
第二介质层7；
第四金属层8；第二馈电条带8-1、第三馈电条带8-2；
第二粘接层9；
第五金属层10；第一馈电条带10-1、第四馈电条带10-2；
第三介质层11；底部金属层12；
测试探头13； 第一SMPM接头13-1、第二SMPM接头13-2、第三SMPM接头13-3和第四SMPM接头13-4；
第一金属化过孔14-1、第二金属化过孔14-2、第三金属化过孔14-3、第四金属化过孔14-4、第五金属化过孔14-5、第六金属化过孔14-6、第七金属化过孔14-7、第八金属化过孔14-8；
第一若干金属化过孔15；
金属围栏16；
第二若干金属化过孔17；
第一同轴馈电端口18、第二同轴馈电端口19；
第三同轴馈电端口21、第四同轴馈电端口22；
20、发射端天线；
23、接收端天线。
具体实施方式
如图1-图3所示，为本发明具体实施方式中天线的具体结构示意图，图4-图7为其收发端天线单元的具体结构示意图。包括发射端天线20和接收端天线23，发射端天线20和接收端天线23结构一致且关于中心对称；
发射端天线20和接收端天线23均包括由上往下依次设置的金属边框1、顶部金属层2、第一介质层3、第二金属层4、第一粘接层5、第三金属层6、第二介质层7、第四金属层8、第二粘接层9、第五金属层10、第三介质层11、底部金属层12、测试接头13；
发射端天线20的顶部金属层2上设有关于中心对称且大小相等的第一梯形贴片2-1、第二梯形贴片2-2、第三梯形贴片2-3和第四梯形贴片2-4，发射端天线20的电偶极子由第一梯形贴片2-1、第二梯形贴片2-2、第三梯形贴片2-3和第四梯形贴片2-4构成；接收端天线23的电偶极子由大小相等的第五梯形贴片2-5、第六梯形贴片2-6、第七梯形贴片2-7和第八梯形贴片2-8构成。
发射端天线20的第二金属层4上设有关于中心对称且尺寸相同的第一金属条带4-1、第二金属条带4-2、第三金属条带4-3和第四金属条带4-4；第一金属条带4-1、第二金属条带4-2、第三金属条带4-3和第四金属条带4-4与顶部金属层2上的第一梯形贴片2-1、第二梯形贴片2-2、第三梯形贴片2-3和第四梯形贴片2-4分别通过第一金属化过孔14-1、第二金属化过孔14-2、第三金属化过孔14-3、第四金属化过孔14-4对应相连，第一金属化过孔14-1、第二金属化过孔14-2、第三金属化过孔14-3、第四金属化过孔14-4和与之对应的第一金属条带4-1、第二金属条带4-2、第三金属条带4-3和第四金属条带4-4构成了磁偶极子；
接收端天线23的磁偶极子由尺寸相同的第五金属条带4-5、第六金属条带4-6、第七金属条带4-7、第八金属条带4-8和第五金属化过孔14-5、第六金属化过孔14-6、第七金属化过孔14-7、第八金属化过孔14-8构成；第五金属条带4-5、第六金属条带4-6、第七金属条带4-7、第八金属条带4-8与顶部金属层2上的第五梯形贴片2-5、第六梯形贴片2-6、第七梯形贴片2-7和第八梯形贴片2-8通过第五金属化过孔14-5、第六金属化过孔14-6、第七金属化过孔14-7、第八金属化过孔14-8对应相连，第五金属化过孔14-5、第六金属化过孔14-6、第七金属化过孔14-7、第八金属化过孔14-8和与之对应的第五金属条带4-5、第六金属条带4-6、第七金属条带4-7、第八金属条带4-8构成了磁偶极子。
发射端天线20的第三金属层6和底部金属层12为接地金属层，第五金属层10上设有第一馈电条带10-1，第四金属层8上设有第二馈电条带8-1，第四金属层8与贯穿第二介质层7、第二粘接层9和第三介质层11的第一若干金属化过孔15及第三金属层6、底部金属层12一起分别构成该发射端天线20基片集成的第一同轴馈电端口18、第二同轴馈电端口19；接收端天线23基片集成的第三同轴馈电端口21、第四同轴馈电端口22由第三金属层6、底部金属层12以及第三馈电条带8-2、第四馈电条带10-2和第一若干金属化过孔15构成。 由此，来实现两个极化方向上发射和接收信息的功能。
第三金属层6上刻有十字缝隙，用于将来自基片集成的第一同轴馈电端口18、第二同轴馈电端口19、第三同轴馈电端口21、第四同轴馈电端口22的馈电能量传输到上层磁电偶天线，激励其辐射。
底部金属层12下面接有第一SMPM接头13-1、第二SMPM接头13-2、第三SMPM接头13-3和第四SMPM接头13-4用于实际测试。
更具体地说，在本实施例中，所需的第一介质层3、第二介质层7和第三介质层11可以采用材质为TLY-5的介质基板介电常数为2.2，损耗正切值为0.0009，且第一介质层3的厚度为1.524mm，第二介质层7和第三介质层11的厚度为0.19mm;第一粘接层5可以采用厚度为2.1mil的两张粘贴片FR-25介电常数为2.43，损耗正切值为0.0014粘接而成。第二粘接层9可以采用厚度为2.1mil的三张粘贴片FR-25粘接而成。
如图8所示，发射端天线20和接收端天线23外围分别套有第一金属边框1-1、第二金属边框1-2，用于进一步提高带内增益和增加发射端天线20和接收端天线23的隔离度。
如图9所示，发射端天线20和接收端天线23中间设有一个金属围栏16，且将第一粘接层5、第三金属层6、第二介质层7、第四金属层8、第二粘接层9、第五金属层10、第三介质层11、底部金属层12从中间切断，且在切断边缘处打有贯穿第二介质层7、第二粘接层9和第三介质层11的第一若干金属化过孔15。
为了验证本发明提供的一种用于OTA测试的毫米波双极化磁电偶极子探头天线的可实施性，首先利用商用全波仿真软件对公开的一种用于OTA测试的毫米波双极化磁电偶极子探头天线结构模型进行了仿真，随后进行了加工实测。图10-图20分别给出了相关仿真和实测结果，结果显示，本发明所提的天线实测的两个极化重叠带宽为21.7％(24-29.8GHz)，能覆盖5G通信频段中的n257(26.5GHz-29.5GHz)和n258(24.25GHz-27.5GHz)频段，同一发射端或者接收端口的回波<-10dB，同时具有较高的同极化和异极化收发隔离度（<-70dB）；发射端天线基片集成的第一同轴馈电端口18实测峰值增益出现在28.5GHz，为9.6dBi，发射端天线基片集成的第二同轴馈电端口19实测峰值增益出现在28.5GHz，为8.5dBi，接收端天线基片集成的第三同轴馈电端口21实测峰值增益出现在28.5GHz，为9.8dBi，接收端天线基片集成的第四同轴馈电端口22实测峰值增益出现在24.5GHz，为7.6dBi；可以观察到四个收发端口在26.5GHz和28.5GHz两个带内频点的xoz面和yoz面方向较为稳定一致和具有近似对称的特性，且交叉极化较低，适用于OTA测试。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种用于OTA测试的毫米波双极化磁电偶极子探头天线，其特征在于：包括发射端天线（20）和接收端天线（23），所述发射端天线（20）和接收端天线（23）结构一致且关于中心对称；
所述发射端天线（20）和接收端天线（23）均包括由上往下依次设置的金属边框（1）、顶部金属层（2）、第一介质层（3）、第二金属层（4）、第一粘接层（5）、第三金属层（6）、第二介质层（7）、第四金属层（8）、第二粘接层（9）、第五金属层（10）、第三介质层（11）、底部金属层（12）、测试接头（13）；
所述发射端天线（20）的顶部金属层（2）上设有关于中心对称且大小相等的第一梯形贴片（2-1）、第二梯形贴片（2-2）、第三梯形贴片（2-3）和第四梯形贴片（2-4），所述发射端天线（20）的电偶极子由所述第一梯形贴片（2-1）、第二梯形贴片（2-2）、第三梯形贴片（2-3）和第四梯形贴片（2-4）构成；所述接收端天线（23）的电偶极子由大小相等的第五梯形贴片（2-5）、第六梯形贴片（2-6）、第七梯形贴片（2-7）和第八梯形贴片（2-8）构成。
2.如权利要求1所述的一种用于OTA测试的毫米波双极化磁电偶极子探头天线，其特征在于：所述发射端天线（20）的第二金属层（4）上设有关于中心对称且尺寸相同的第一金属条带（4-1）、第二金属条带（4-2）、第三金属条带（4-3）和第四金属条带（4-4）；所述第一金属条带（4-1）、第二金属条带（4-2）、第三金属条带（4-3）和第四金属条带（4-4）与顶部金属层（2）上的第一梯形贴片（2-1）、第二梯形贴片（2-2）、第三梯形贴片（2-3）和第四梯形贴片（2-4）分别通过第一金属化过孔（14-1）、第二金属化过孔（14-2）、第三金属化过孔（14-3）、第四金属化过孔（14-4）对应相连，所述第一金属化过孔（14-1）、第二金属化过孔（14-2）、第三金属化过孔（14-3）、第四金属化过孔（14-4）和与之对应的第一金属条带（4-1）、第二金属条带（4-2）、第三金属条带（4-3）和第四金属条带（4-4）构成了磁偶极子；
所述接收端天线（23）的磁偶极子由尺寸相同的第五金属条带（4-5）、第六金属条带（4-6）、第七金属条带（4-7）、第八金属条带（4-8）和与之对应的第五金属化过孔（14-5）、第六金属化过孔（14-6）、第七金属化过孔（14-7）、第八金属化过孔（14-8）构成；所述第五金属条带（4-5）、第六金属条带（4-6）、第七金属条带（4-7）、第八金属条带（4-8）与顶部金属层（2）上的第五梯形贴片（2-5）、第六梯形贴片（2-6）、第七梯形贴片（2-7）和第八梯形贴片（2-8）通过第五金属化过孔（14-5）、第六金属化过孔（14-6）、第七金属化过孔（14-7）、第八金属化过孔（14-8）对应相连。
3.如权利要求1所述的一种用于OTA测试的毫米波双极化磁电偶极子探头天线，其特征在于：所述发射端天线（20）的第三金属层（6）和底部金属层（12）为接地金属层，所述第五金属层（10）上设有第一馈电条带（10-1），所述第四金属层（8）上设有第二馈电条带（8-1），所述第四金属层（8）与贯穿第二介质层（7）、第二粘接层（9）和第三介质层（11）的第一若干金属化过孔（15）及第三金属层（6）、底部金属层（12）一起分别构成该发射端天线（20）基片集成的第一同轴馈电端口（18）、第二同轴馈电端口（19）；所述接收端天线（23）基片集成的第三同轴馈电端口（21）、第四同轴馈电端口（22）由第三金属层（6）、底部金属层（12）以及第三馈电条带（8-2）、第四馈电条带（10-2）和第一若干金属化过孔（15）构成。
4.如权利要求1所述的一种用于OTA测试的毫米波双极化磁电偶极子探头天线，其特征在于：所述第三金属层（6）上刻有十字缝隙，用于将来自基片集成的第一同轴馈电端口（18）、第二同轴馈电端口（19）、第三同轴馈电端口（21）、第四同轴馈电端口（22）的馈电能量传输到上层磁电偶天线，激励其辐射。
5.如权利要求1所述的一种用于OTA测试的毫米波双极化磁电偶极子探头天线，其特征在于：所述底部金属层（12）下面接有第一SMPM接头（13-1）、第二SMPM接头（13-2）、第三SMPM接头（13-3）和第四SMPM接头（13-4）用于实际测试。
6.如权利要求1所述的一种用于OTA测试的毫米波双极化磁电偶极子探头天线，其特征在于：所述发射端天线（20）和接收端天线（23）外围分别套有第一金属边框（1-1）、第二金属边框（1-2），用于进一步提高带内增益和增加发射端天线（20）和接收端天线（23）的隔离度。
7.如权利要求1所述的一种用于OTA测试的毫米波双极化磁电偶极子探头天线，其特征在于：所述发射端天线（20）和接收端天线（23）中间设有一个金属围栏（16），且将第一粘接层（5）、第三金属层（6）、第二介质层（7）、第四金属层（8）、第二粘接层（9）、第五金属层（10）、第三介质层（11）、底部金属层（12）从中间切断，且在切断边缘处打有贯穿第二介质层（7）、第二粘接层（9）和第三介质层（11）的第一若干金属化过孔（15）。
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