CN115441175A - 一种基于部分结构复用的微波毫米波共口径天线 - Google Patents

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Abstract

本发明属于微波通信技术领域，具体涉及一种基于部分结构复用的微波毫米波共口径天线。本发明当射频激励信号由底部的金属探针接头馈入，金属探针接头通过第三通孔，金属探针接头中的内导体穿过第一通孔，外导体与第三通孔外侧金属地相连接，实现对微波天线的馈电；当射频激励信号由第一毫米波阵列馈电的微带馈线组、第二毫米波阵列馈电的微带馈线组馈入，分别通过金属地上的第一H型缝隙阵列、第二H型缝隙阵列及对位于其上的第一毫米波介质谐振器天线阵列与第二毫米波介质谐振器天线阵列进行耦合馈电，实现对双极化毫米波介质谐振器天线阵列的馈电。本发明高效集成了毫米波频段天线阵列，极大地提升了空间利用率，实现了微波毫米波共口径天线。

Description

一种基于部分结构复用的微波毫米波共口径天线
技术领域
本发明属于微波通信技术领域，具体涉及一种基于部分结构复用的微波毫米波共口径天线。
背景技术
目前，5G通信不仅采用了新的Sub-6 GHz微波频段，还前所未有地引入了毫米波频段，主要涉及Sub-6 GHz微波频段的n78(3.3-3.8GHz)和n79(4.4-5GHz)，以及毫米波频段的n257(26.5-29.5GHz)和n258(24.25-27.5GHz)，因此，无线终端设备内部需要额外且同时植入新增的微波与毫米波天线模块以支持5G网络。更进一步的，毫米波天线须是能够支持双极化以及(±45°范围)波束扫描功能的相控天线阵列。这是因为毫米波存在高损耗，穿透性差等缺点，5G终端设备的毫米波天线若具有高增益(>9dBi)并支持极化分集(双极化)以及宽角波束扫描，则可以有效的克服较高的传输损耗并保持与基站高定向性波束的良好对接。终端设备高度追求小型化和轻薄化，现有的4G终端内部元件众多，空间本已十分有限，而5G新增频谱带来的射频组件和天线数量的增加，将给空间受限的终端设备带来了巨大的设计挑战。微波/毫米波共口径天线是解决上述难题的一条有效途径。将一副或多副毫米波相控阵列集成于微波天线结构内部，两者共享同一物理口径，可以大大减小待集成天线的实际“占地面积”，从而有效缓解终端设备的空间布局压力。近年来，微波/毫米波共口径天线技术已然成为终端天线领域的研究热点。
目前，微波/毫米波共口径天线的实现方式主要有四种，第一种是层叠技术，将不同频段的贴片层叠放置在不同层，并且每个频段的贴片可用作其他频段的寄生贴片或者金属地，这种天线的剖面较高，并且往往在天线结构中间存在空气层，导致无法实现一个较高的集成度，导致体积大，集成度低；第二种是基于模式复合传输线结构的微波/毫米波共口径天线，模式复合传输线是指将经典的双导体传输线，例如微带线、带状线、共面波导等的一个导体用具有封闭结构的基片集成波导SIW来替换，从而实现低频信号走经典传输线，而高频信号走SIW的微波/毫米波双模传输结构。模式复合传输线结构虽可实现SIW毫米波频扫天线阵列，但频扫技术与蜂窝通信系统无法兼容，实际应用中还会带来基带算法极其复杂，功耗剧增等问题导致无法实现毫米波的相控波束扫描；第三种是超表面结构Meta-surface的一面多用，即低频可用来构成超表面天线而高频被复用为频率选择表面，但是该结构中微波与毫米波天线相互牵制程度高，独立设计能力弱。尤其在毫米波频段，因无法构建对称天线结构并加入多个馈电端口而难以实现毫米波相控波束扫描，导致无法实现毫米波的相控波束扫描。第四种是嵌入式结构，即将毫米波天线嵌入到微波天线中，但毫米波天线的嵌入会破坏微波天线的结构，从而恶化小尺寸微波天线本已受限的性能，导致微波天线性能受毫米波天线影响而严重恶化；此外，上述所提到的微波/毫米波天线共口径技术还都存在一个显著的共性缺陷，即未能实现毫米波频段的双极化，而极化分集特性对于减小多径影响，提升信道容量而言极为重要，即现有的微波/毫米波共口径天线无法实现毫米波的双极化。
发明内容
针对上述技术所存在的问题，本发明提出了一种基于部分结构复用的微波毫米波共口径天线。
本发明为实现上述发明目的，采取的技术方案如下：
一种基于部分结构复用的微波毫米波共口径天线，包括半模SIW谐振腔结构，所述半模SIW谐振腔结构上表面设置金属结构，所述金属结构两侧分别阵列设置若干个金属接地通孔；所述金属结构设置一对T型开槽部；所述一对T型开槽部呈直角设置；所述金属结构从上往下依次连接有第一基板、金属地及第二基板；所述第一基板设置第一通孔、第一毫米波介质谐振器天线阵列及第二毫米波介质谐振器天线阵列；所述第一毫米波介质谐振器天线阵列与第二毫米波介质谐振器天线阵列相互正交；所述第一毫米波介质谐振器天线阵列、第二毫米波介质谐振器天线阵列分别设置在金属结构两侧的金属接地通孔内，构成双极化毫米波介质谐振器天线阵列；所述第一毫米波介质谐振器天线阵列、第二毫米波介质谐振器天线阵列均设置金属背腔；所述金属地两侧分别设置第一H型缝隙阵列、第二H型缝隙阵列；所述金属地贯穿设置第二通孔；所述第二基板贯穿设置第三通孔；所述第二基板下表面分别阵列设置第一毫米波阵列馈电的微带馈线组、第二毫米波阵列馈电的微带馈线组；
当射频激励信号由底部的金属探针接头馈入，金属探针接头通过第三通孔，金属探针接头中的内导体穿过第一通孔，外导体与第三通孔外侧金属地相连接，实现对微波天线的馈电；
当射频激励信号由第一毫米波阵列馈电的微带馈线组、第二毫米波阵列馈电的微带馈线组馈入，分别通过金属地上的第一H型缝隙阵列、第二H型缝隙阵列及对位于其上的第一毫米波介质谐振器天线阵列与第二毫米波介质谐振器天线阵列进行耦合馈电，实现对双极化毫米波介质谐振器天线阵列的馈电。
进一步的作为本发明的优选技术方案，所述第一毫米波介质谐振器天线阵列为四个-45°极化的毫米波介质谐振器天线单元；所述第二毫米波介质谐振器天线阵列为四个+45°极化的毫米波介质谐振器天线单元；所述-45°极化的毫米波介质谐振器天线单元及+45°极化的毫米波介质谐振器天线单元均独立馈电。
进一步的作为本发明的优选技术方案，所述第一H型缝隙阵列、第二H型缝隙阵列均包括四个H型缝隙；所述第一H型缝隙阵列用于给-45°极化的毫米波介质谐振器天线单元耦合馈电；第二H型缝隙阵列用于给+45°极化的毫米波介质谐振器天线单元耦合馈电。
进一步的作为本发明的优选技术方案，所述第一毫米波阵列馈电的微带馈线组为四个-45°极化毫米波阵列馈电的微带馈线；所述第二毫米波阵列馈电的微带馈线组为四个+45°极化毫米波阵列馈电的微带馈线。
进一步的作为本发明的优选技术方案，所述第一基板为低介电常数板材，介电常数取值小于4；第二基板为高介电常数板材；介电常数取值大于6。
本发明所述的一种基于部分结构复用的微波毫米波共口径天线，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
(1)本发明基于部分结构复用的理念，将半模SIW谐振腔微波天线的接地通孔结构复用为毫米波背腔介质谐振器天线阵列，在不影响微波天线性能的基础上，高效集成了毫米波频段天线阵列，极大地提升了空间利用率，实现了微波/毫米波共口径天线。
(2)毫米波频段，采用了基片集成介质谐振器天线阵列方案，具备高效率，高集成度等优点。更重要的是，半模SIW谐振腔微波天线的特点决定了2组1×4的背腔介质谐振器天线阵列相互正交，且每个天线单元均可独立馈电，不仅可实现毫米波宽角波束扫描功能，还可以实现双极化工作。
(3)微波频段，在半模SIW谐振腔上表面特定位置进行开槽，扰动高次模式下的电流走向，使得高次模的频谱向低频方向搬移并与基模合并，使得微波频段下的带宽展宽。
附图说明
图1为本发明天线结构图一；
图2为本发明天线部分结构复用原理图；
图3为本发明天线局部放大图；
图4为本发明在3.5GHz频段天线的反射系数和增益的仿真结果示意图；
图5为本发明在3.46GHz方向天线的仿真方向图；
图6为本发明在3.52GHz方向天线的仿真方向图；
图7为本发明在28GHz频段天线的反射系数和增益的仿真结果示意图；
图8为本发明在28GHz天线波束扫描的仿真方向图；
图9为本发明天线毫米波频段和微波频段的隔离仿真图；
图10为本发明天线毫米波单元之间的隔离仿真图；
附图中，1、金属结构；1-1、T型开槽部；2、内导体；3、第一毫米波介质谐振器天线阵列；3-1、金属背腔；31、第二毫米波介质谐振器天线阵列；4、第一通孔；5、第一基板；6、第二通孔；7、第一H型缝隙阵列；71、第二H型缝隙阵列；8、金属地；9、第三通孔；10、第二基板；11、第一毫米波阵列馈电的微带馈线组；12、金属探针接头；13、第二毫米波阵列馈电的微带馈线组。
具体实施方式
下面结合附图详细的描述本发明的作进一步的解释说明，以使本领域的技术人员可以更深入地理解本发明并能够实施，但下面通过参考实例仅用于解释本发明，不作为本发明的限定。
如图1、3所示，一种基于部分结构复用的微波毫米波共口径天线，包括半模SIW谐振腔结构，半模SIW谐振腔结构上表面设置金属结构1，金属结构1两侧分别阵列设置若干个金属接地通孔；金属结构1设置一对T型开槽部1-1；一对T型开槽部1-1呈直角设置；金属结构1从上往下依次连接有第一基板5、金属地8及第二基板10；第一基板5设置第一通孔4、第一毫米波介质谐振器天线阵列3及第二毫米波介质谐振器天线阵列31；第一毫米波介质谐振器天线阵列3与第二毫米波介质谐振器天线阵列31相互正交；第一毫米波介质谐振器天线阵列3、第二毫米波介质谐振器天线阵列31分别设置在金属结构1两侧的金属接地通孔内，构成双极化毫米波介质谐振器天线阵列；第一毫米波介质谐振器天线阵列3、第二毫米波介质谐振器天线阵列31均设置金属背腔3-1；金属地8两侧分别设置第一H型缝隙阵列7、第二H型缝隙阵列71；金属地8贯穿设置第二通孔6；第二基板10贯穿设置第三通孔9；第二基板10下表面分别阵列设置第一毫米波阵列馈电的微带馈线组11、第二毫米波阵列馈电的微带馈线组13；
当射频激励信号由底部的金属探针接头12馈入，金属探针接头12通过第三通孔9，金属探针接头12中的内导体2穿过第一通孔4，外导体与第三通孔9外侧金属地8相连接，实现对微波天线的馈电；当射频激励信号由第一毫米波阵列馈电的微带馈线组11、第二毫米波阵列馈电的微带馈线组13馈入，分别通过金属地8上的第一H型缝隙阵列7、第二H型缝隙阵列71及对位于其上的第一毫米波介质谐振器天线阵列3与第二毫米波介质谐振器天线阵列31进行耦合馈电，实现对双极化毫米波介质谐振器天线阵列的馈电。
第一毫米波介质谐振器天线阵列3为四个-45°极化的毫米波介质谐振器天线单元；第二毫米波介质谐振器天线阵列31为四个+45°极化的毫米波介质谐振器天线单元；-45°极化的毫米波介质谐振器天线单元及+45°极化的毫米波介质谐振器天线单元均独立馈电。
第一H型缝隙阵列7、第二H型缝隙阵列71均包括四个H型缝隙；第一H型缝隙阵列7用于给-45°极化的毫米波介质谐振器天线单元耦合馈电；第二H型缝隙阵列71用于给+45°极化的毫米波介质谐振器天线单元耦合馈电。
第一毫米波阵列馈电的微带馈线组11为四个-45°极化毫米波阵列馈电的微带馈线；第二毫米波阵列馈电的微带馈线组13为四个+45°极化毫米波阵列馈电的微带馈线。
如图2所示，微波天线为半模基片集成波导(SIW)天线，左右两侧为金属接地通孔。本发明即是将微波天线的金属接地通孔复用为毫米波背腔天线，毫米波天线的背腔天然起到接地作用，功能与之前的金属接地通孔一致。因此，复用后，微波天线的功能不受影响，而左右两列毫米波天线与微波天线实现了高效集成。
本发明的微波天线部分为半模SIW谐振腔结构，将原有结构的接地通孔复用为毫米波背腔介质谐振器天线阵列，构成了本发明的整体结构，即一种基于部分结构复用的微波/毫米波共口径天线。第一基板5构成了微波天线的介质基板，金属结构1作为半模SIW谐振腔上表面，T型开槽部1-1为开槽部，开槽的目的是扰动高次模的电流使得高次模的频谱向低频方向搬移，实现TM11模与TM22模的合并，射频激励信号由底部的金属探针接头12馈入。在微波频段的半模SIW结构下，将原有的金属接地通孔复用为背腔毫米波介质谐振器天线阵列，该部分结构复用技术在不影响微波天线性能的前提下，实现了微波天线与毫米波天线的高效集成。射频激励信号由底层的第一毫米波阵列馈电的微带馈线组11、第二毫米波阵列馈电的微带馈线组13馈入，通过金属地(8)上第一H型缝隙阵列7、第二H型缝隙阵列71及对位于其上的毫米波介质谐振器天线阵列进行耦合馈电，实现了28GHz毫米波频段天线阵列的工作。同时，由于2组1×4毫米波介质谐振器天线阵列相互正交，且每个介质谐振器天线单元可独立馈电，毫米波天线阵列不仅可实现宽角度波束扫描，也可获得双极化工作性能。
本发明将微波天线半模SIW结构中的金属接地通孔复用为毫米波介质谐振器天线背腔，微波天线性能不受毫米波天线影响，不仅集成度高，且两者的独立设计能力强。在毫米波频段，2组毫米波介质谐振器天线阵列相互正交且具有多个独立馈电端口，在实现微波/毫米波双频带覆盖的同时能够实现毫米波频段的双极化以及宽角度的波束扫描并兼具较小平面尺寸的优异特性，空间利用率极高，很大程度上缓解了终端设备内部空间布局的压力。在微波频段，通过对半模SIW谐振腔上表面进行开槽，使得高次模的频谱向低频搬移并与基模合并从而实现微波频段带宽的展宽。
本发明采用的第一基板5为低介电常数板材，介电常数取值小于4；第二基板10为高介电常数板材；介电常数取值大于6。具体实施时，本发明的整体剖面高度2.845mm(～0.03λ0@3.5GHz)，平面尺寸24mm×24mm(～0.28×0.28λ0 2@3.5GHz)。天线的传输响应和辐射响应如图4和图7所示，对于S11≤-10dB，带宽范围为3.43-3.54GHz，26.5-29.5GHz。图5和图6是在3.46GHz与3.52GHz处的天线仿真方向图，天线的方向图对称，交叉极化优于20dB。图8是在28GHz处的天线波束扫描仿真图，波束扫描性能可满足±45°范围。图9是天线在毫米波与微波频段之间隔离仿真图，3.5GHz和28GHz天线端口之间的隔离大于20dB。图10是毫米波单元之间的隔离仿真图，毫米波段单元之间的隔离大于15dB。
本发明采用部分结构复用技术，将半模SIW结构中的金属接地通孔复用为背腔毫米波介质谐振器天线阵列从而实现了微波/毫米波共口径天线，该结构极大地提升了空间利用率。在3.5GHz微波频段，本发明在半模SIW谐振腔上表面特定的位置上进行开槽，扰动高次模式下的电流，使得高次模的频谱向低频方向搬移并与基模合并，实现了微波频段带宽的拓宽。在28GHz毫米波频段，本发明采用了2组1×4的毫米波介质谐振器天线阵列，能够获得较高的辐射增益。2组1×4的毫米波介质谐振器天线阵列相互正交，利用H型缝隙馈电对每一个毫米波介质谐振器天线单元进行独立馈电，不仅具有极佳的高低频独立设计能力，还能实现毫米波的双极化以及可控的宽角度波束扫描功能。
以上所述的具体实施方案，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方案而已，并非用以限定本发明的范围，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所做出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种基于部分结构复用的微波毫米波共口径天线，包括半模SIW谐振腔结构，其特征在于，所述半模SIW谐振腔结构上表面设置金属结构(1)，所述金属结构(1)两侧分别阵列设置若干个金属接地通孔；所述金属结构(1)设置一对T型开槽部(1-1)；所述一对T型开槽部(1-1)呈直角设置；所述金属结构(1)从上往下依次连接有第一基板(5)、金属地(8)及第二基板(10)；所述第一基板(5)设置第一通孔(4)、第一毫米波介质谐振器天线阵列(3)及第二毫米波介质谐振器天线阵列(31)；所述第一毫米波介质谐振器天线阵列(3)与第二毫米波介质谐振器天线阵列(31)相互正交；所述第一毫米波介质谐振器天线阵列(3)、第二毫米波介质谐振器天线阵列(31)分别设置在金属结构(1)两侧的金属接地通孔内，构成双极化毫米波介质谐振器天线阵列；所述第一毫米波介质谐振器天线阵列(3)、第二毫米波介质谐振器天线阵列(31)均设置金属背腔(3-1)；所述金属地(8)两侧分别设置第一H型缝隙阵列(7)、第二H型缝隙阵列(71)；所述金属地(8)贯穿设置第二通孔(6)；所述第二基板(10)贯穿设置第三通孔(9)；所述第二基板(10)下表面分别阵列设置第一毫米波阵列馈电的微带馈线组(11)、第二毫米波阵列馈电的微带馈线组(13)；
当射频激励信号由底部的金属探针接头(12)馈入，金属探针接头(12)通过第三通孔(9)，金属探针接头(12)中的内导体(2)穿过第一通孔(4)，外导体与第三通孔(9)外侧金属地(8)相连接，实现对微波天线的馈电；
当射频激励信号由第一毫米波阵列馈电的微带馈线组(11)、第二毫米波阵列馈电的微带馈线组(13)馈入，分别通过金属地(8)上的第一H型缝隙阵列(7)、第二H型缝隙阵列(71)及对位于其上的第一毫米波介质谐振器天线阵列(3)与第二毫米波介质谐振器天线阵列(31)进行耦合馈电，实现对双极化毫米波介质谐振器天线阵列的馈电。
2.根据权利要求1所述的基于部分结构复用的微波毫米波共口径天线，其特征在于，所述第一毫米波介质谐振器天线阵列(3)为四个-45°极化的毫米波介质谐振器天线单元；所述第二毫米波介质谐振器天线阵列(31)为四个+45°极化的毫米波介质谐振器天线单元；所述-45°极化的毫米波介质谐振器天线单元及+45°极化的毫米波介质谐振器天线单元均独立馈电。
3.根据权利要求2所述的基于部分结构复用的微波毫米波共口径天线，其特征在于，所述第一H型缝隙阵列(7)、第二H型缝隙阵列(71)均包括四个H型缝隙；所述第一H型缝隙阵列(7)用于给-45°极化的毫米波介质谐振器天线单元耦合馈电；第二H型缝隙阵列(71)用于给+45°极化的毫米波介质谐振器天线单元耦合馈电。
4.根据权利要求1所述的基于部分结构复用的微波毫米波共口径天线，其特征在于，所述第一毫米波阵列馈电的微带馈线组(11)为四个-45°极化毫米波阵列馈电的微带馈线；所述第二毫米波阵列馈电的微带馈线组(13)为四个+45°极化毫米波阵列馈电的微带馈线。
5.根据权利要求1所述的基于部分结构复用的微波毫米波共口径天线，其特征在于，所述第一基板(5)为低介电常数板材，介电常数取值小于4；第二基板(10)为高介电常数板材；介电常数取值大于6。
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