CN115441198A - 一种工作于毫米波频段的双向辐射平面偶极子天线阵列 - Google Patents

一种工作于毫米波频段的双向辐射平面偶极子天线阵列 Download PDF

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谭青权
罗国清
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Abstract

本发明公开了一种工作于毫米波频段的双向辐射平面偶极子天线阵列，包括第一金属片、第一介质基板、第二介质基板、第二金属片、第三介质基板、第三金属片；所述的第一金属片贴敷在第一介质基板的上表面；所述第二介质基板贴敷在第一介质基板下表面；所述第三介质基板位于第二介质基板的下方；所述的第二金属片上下两侧分别贴敷在第二介质基板下表面和第三介质基板上表面，所述第三金属片贴敷在第三介质基板的下表面。本发明以在工作频段内实现双向辐射特性，同时实现高增益和低剖面特性。该天线阵列由两个结构相同的偶极子天线单元和一个功率分配器组成。

Description

一种工作于毫米波频段的双向辐射平面偶极子天线阵列
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体涉及一种工作于毫米波频段的双向辐射平面偶极子天线阵列。
背景技术
第五代移动通信技术(5G，5th Generation Mobile Communication)的快速发展，使得毫米波天线技术成为当今世界的研发热点，同时也对5G移动通信覆盖范围广度以及通信容量的低成本提高提出了全新的挑战。尤其是针对于一些电磁场呈狭长空间分布的特定使用场合，如隧道、室内走廊、狭长街区等，要求天线不仅在工作特性上需要具有足够宽的工作频段、高增益和快速传输速率等，在结构上也需要具有小型化、易于集成等特点。因此，研究和设计实现具备双向辐射特征的毫米波高性能天线，对于5G通信系统的发展具有非常重要的意义。
目前已经有很多的天线结构能够实现这种双向辐射特性，如：带多层磁盘阵列结构(MDAS)的双向堆叠微带偶极子天线，通过将两个相同的MDAS结构背靠背放置在一个偶极子激励器的两侧，最终得到了具有高度对称性的辐射方向图；采用6个折合偶极子共线组阵，并在阵列中心进行馈电以保证天线阵列的对称性，最后实现了具有高增益和低交叉极化水平的双向端射模式；通过二极管开关来控制天线实现不同工作模式的超低剖面惠更斯偶极子天线，当两个二极管都导通时，两个磁偶极子被同相激励，电偶极子也随之被同相激励，使得该天线实现了双向辐射。但是这些类型的双向天线通常尺寸较大且馈电结构复杂，不适合用于现代通信设备的集成开发。除此之外，现有的双向辐射天线多工作在低频段，同时具有高增益、低剖面、宽工作频带的毫米波双向辐射天线鲜有报道。
发明内容
本发明鉴于上述现有技术中的缺陷，提供了一种工作于毫米波频段的双向辐射平面偶极子天线阵列，以在工作频段内实现双向辐射特性，同时实现高增益和低剖面特性。该天线阵列由两个结构相同的偶极子天线单元和一个功率分配器组成。其中，偶极子天线单元结构包括一个基片集成波导、一段双面平行带线(DSPSL)、一对刻蚀有缝隙的长臂偶极子和一个引向振子，功率分配器包括一段微带馈线、一个巴伦转换结构以及一个带有缝隙的基片集成波导。由于巴伦转换结构可以将微带线输入的不平衡信号转换输出为平衡信号，所以将其放置在微带线与基片集成波导之间，使得功率分配器的两个输出端口实现平衡馈电，即两端输出幅度相等、相位相反的信号。这种将两个相同的偶极子天线单元结构背靠背放置在一个功率分配器两侧的，实现了双向辐射特性的毫米波平面偶极子天线阵列，整体可通过PCB工艺加工实现，易于与有源电路系统集成。
本发明的一种工作于毫米波频段的双向辐射平面偶极子天线阵列，包括第一金属片、第一介质基板、第二介质基板、第二金属片、第三介质基板、第三金属片；
所述的第一金属片贴敷在第一介质基板的上表面；所述第二介质基板贴敷在第一介质基板下表面；所述第三介质基板位于第二介质基板的下方；所述的第二金属片上下两侧分别贴敷在第二介质基板下表面和第三介质基板上表面，所述第三金属片贴敷在第三介质基板的下表面，
所述第二金属片和第三金属片的两侧均呈对称结构连接有金属连接线，与所述第二金属片相连接的金属连接线的另一端连接有顶层偶极子臂，且与顶层偶极子臂相连接呈L型结构，与所述第三金属片相连接的金属连接线的另一端连接有底层偶极子臂，且与底层偶极子臂相连接呈L型结构，所述顶层偶极子臂和底层偶极子臂上均刻蚀有缝隙；
所述第一金属片包括相连接的微带线和巴伦转换器；
所述第三介质基板上呈对称结构设有两排金属化通孔，所述第二金属片的下表面、第三金属片的上表面以及金属化通孔相配合形成基片集成波导，所述第二金属片中心位置设有矩形孔，所述微带线、巴伦转换器以及基片集成波导组成一分二功率分配器，该一分二功率分配器拥有1个信号输入端，2个信号输出端；上述2个信号输出端分别与对应的偶极子天线单元的信号输入端连接。
其中毫米波偶极子天线单元指的是同一侧的顶层偶极子臂和底层偶极子臂组成一个毫米波偶极子天线单元。
两个相同的毫米波偶极子天线单元背靠背放置形成毫米波平面偶极子天线，即组成天线阵列，实现双向辐射特性。
所述第三介质基板的上表面呈对称结构设有两个引向振子。
作为优选，所述巴伦转换器包括U型微带线和矩形贴片，所述U型微带线的弯折部设有切角，改善微带线的寄生电容效应，所述微带线的一端与U型微带线的一端一体成型，所述U型微带线的另一端与矩形贴片一体成型。
作为优选，所述第二金属片和第三金属片上所连接的金属连接线上下两层相配合的形成双面平行带线，所述顶层偶极子臂和底层偶极子臂的竖臂的朝向方向相反。由2个偶极子天线单元组成的线阵，用于毫米波频段的双向辐射。
作为优选，所述第二金属片的中心处刻蚀有条状的矩形孔。
作为优选，所述毫米波平面偶极子天线的偶极子臂长为1.5λg，其中λg为偶极子天线的中心工作频率所对应的波长。
作为优选，所述缝隙刻蚀在每个偶极子臂的中间位置上，宽度为0.1mm。
作为优选，所述引向振子与偶极子臂之间的距离约为λg/4。
作为优选，所述毫米波平面偶极子天线采用一分二功率分配器进行馈电，所述一分二功率分配器每个输出端口直接与毫米波平面偶极子天线相连。
本发明具有以下优点：
(1)该天线采用偶极子的结构，在恰当位置刻蚀一对缝隙，使天线同时工作在半波长模式和1.5倍波长模式，大幅提高了天线的阻抗带宽。
(2)该天线通过使用巴伦转换结构，将微带线馈入的不平衡信号转化为平衡信号，使得功率分配器的两个输出端口输出幅度相等、相位相反的信号，实现平衡馈电。
(2)该天线通过将两个相同的天线单元结构背靠背放置在功率分配器的两侧，实现双向辐射特性。
(3)该天线覆盖5G的毫米波频段，而且是平面偶极子结构，具有较低的剖面高度和易于与平面电路集成。
(4)这种将两个相同的偶极子天线单元结构背靠背放置在一个功率分配器两侧的，实现了双向辐射特性的毫米波平面偶极子天线阵列，整体可通过PCB工艺加工实现，易于与有源电路系统集成。
附图说明
图1是本发明的三维结构示意图；
图2是本发明的侧视图；
图3是本发明的俯视图；
图4是本发明的毫米波偶极子天线单元俯视图；
图5是本发明的功率分配器的侧视图；
图6是本发明的毫米波偶极子天线单元的反射系数和增益仿真图；
图7是本发明的功率分配器的S参数仿真图；
图8是本发明的功率分配器的两个输出端口相位差的仿真图；
图9是本发明的毫米波双向辐射平面偶极子天线阵列的反射系数和增益仿真图；
图10是本发明在26GHz的E面和H面的主极化与交叉极化仿真结果对比；
图11是本发明在28GHz的E面和H面的主极化与交叉极化仿真结果对比；
图12是本发明在30GHz的E面和H面的主极化与交叉极化仿真结果对比；
图13是本发明在32GHz的E面和H面的主极化与交叉极化仿真结果对比；
图中标记：M1-第一金属片、S1-第一介质基板、S2-第二介质基板、M2-第二金属片、S3-第三介质基板、M3-第三金属片、1-引向振子、2-金属化通孔、3-缝隙、4-连接金属线、5-矩形孔、6-一分二功率分配器、7-微带线、8-巴伦转换器、9-顶层偶极子臂、10-底层偶极子臂、11-基片集成波导。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步的分析。
本发明提供了一种工作于毫米波频段的双向辐射平面偶极子天线阵列，如图1所示，工作于毫米波频段的双向辐射平面偶极子天线阵列为多层垂直排布结构，包括第一金属片M1、第一介质基板S1、第二介质基板S2、第二金属片M2、第三介质基板S3、第三金属片M3；其中第一介质基板S1和第三介质基板S3采用Rogers Duriod 5880，介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，厚度均为0.508mm，第二介质基板S2采用Rogers RO4450B，介电常数为3.54，损耗角正切为0.004，厚度为0.1mm；
进一步的，如图2所示，所述第三介质基板S3上呈对称结构设有两排金属化通孔2，所述第二金属片M2的下表面、第三金属片M3的上表面以及金属化通孔2相配合形成基片集成波导(SIW)11。
如图3、4、5所示所述的第一金属片M1位于第一介质基板S1的上表面，所述第一金属片M1包括相连接的微带线7和巴伦转换器8；所述微带线7、巴伦转换器8以及基片集成波导11组成一分二功率分配器6；
所述的第二介质基板S2位于第一介质基板S1下表面，用来粘合第一介质基板S1和第三介质基板S3；
所述的第二金属片M2位于第二介质基板S2下表面和第三介质基板S3上表面，该第二金属片M2包含毫米波平面偶极子天线的顶层偶极子臂9、基片集成波导11的上表面金属化层、双向平行带线(DSPSL)4以及引向振子1。基片集成波导结构11的上表面刻蚀有条状的矩形孔5。
所述的第三金属片M3位于第三介质基板S3的下表面，包含底层偶极子臂9以及基片集成波导11的下表面金属化层，该底层偶极子臂与顶层偶极子臂构成完整的毫米波平面偶极子天线，第三金属片M3的下表面金属化层与第二金属片M2的上表面金属层以及第三介质基板S3的金属化通孔2构成完整的基片集成波导结构11；
所述的底层偶极子臂与顶层偶极子臂都有刻蚀缝隙3，缝隙宽度为0.1mm；
所述的毫米波双向辐射平面偶极子天线阵列是由2个偶极子天线单元组成的线阵，用于毫米波频段的双向辐射。这些毫米波偶极子单元采用基片集成波导的馈电方式，按一定间距地被背靠背放置在一分二功率分配器6的两侧；
所述的一分二功率分配器6由第一金属片M1的微带线7、巴伦转换器8以及带矩形孔5的基片集成波导组成，如图5所示，拥有1个信号输入端Port1，2个信号输出端Port2和Port3；上述2个信号输出端分别与对应的偶极子天线单元的信号输入端连接。
上述实施例的具体工作原理：当天线工作在毫米波频段时，信号由微带线传入，经一个巴伦转换结构实现信号在两个分支微带线上平衡分布，最后再耦合到缝隙，由缝隙传输到基片集成波导(SIW)两端，实现平衡馈电，即将幅度相等、相位相反的信号分别传输给两端的偶极子天线单元，实现双向辐射特性。双面平行带线(DSPSL)作为偶极子与基片集成波导之间的一种转接结构，其特征阻抗与该天线单元结构中偶极子的输入阻抗和基片集成波导的波阻抗非常相近。因此双面平行带线可以直接连接偶极子天线和基片集成波导，而不需要宽度渐变的转接结构。毫米波偶极子天线单元在偶极子臂上恰当位置刻蚀缝隙，使偶极子天线同时工作在半波长模式和1.5倍波长模式，引入了新的谐振点，低频部分阻抗匹配得到明显改善，从而使工作带宽明显加宽。在两端偶极子的前面各放置一个引向振子，不仅能提高天线单元的增益，也能改善天线的方向性。
基于上述实施例，通过以下仿真进行进一步的说明：
图6为本发明的毫米波偶极子天线单元的反射系数和增益仿真图，-10dB频带在19.8-38.6GHz，频带内最大增益为7.3dBi。图7为本发明的功率分配器的S参数仿真图。
可以看出，本实施例的功率分配器在23.2GHz至40.4GHz的频率范围内反射系数均小于-10dB，且在大部分工作频带内均低于-20dB，说明大部分能量基本无反射，同时，两个输出端口的传输系数十分相近，几乎相同。
图8为本发明的功率分配器的两个输出端口相位差的仿真图。
可以看出，本实施例在整个工作频带内，端口相位差维持在180°±1.2°内，说明该功率分配器实现了幅度相等、相位相反的分配原则。
图9为仿真的本发明设计工作在毫米波频段的反射系数和增益曲线图，-10dB频带在26.5-38GHz左右，频带内增益为5dBi以上。图10、11、12、13分别为本发明毫米波天线阵列在频率分别为26GHz、28GHz、30GHz、32GHz时的E面和H面的主极化与交叉极化仿真结果对比。
可以看出，本实施例中所提供的毫米波天线阵列有较为对称的辐射方向图，说明具有良好的双向辐射性能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，而并非对本发明的实施方式做出限定。应当指出对于本技术领域的术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种工作于毫米波频段的双向辐射平面偶极子天线阵列，其特征在于，包括第一金属片、第一介质基板、第二介质基板、第二金属片、第三介质基板、第三金属片；
所述的第一金属片贴敷在第一介质基板的上表面；所述第二介质基板贴敷在第一介质基板下表面；所述第三介质基板位于第二介质基板的下方；所述的第二金属片上下两侧分别贴敷在第二介质基板下表面和第三介质基板上表面，所述第三金属片贴敷在第三介质基板的下表面，
所述第二金属片和第三金属片的两侧均呈对称结构连接有金属连接线，与所述第二金属片相连接的金属连接线的另一端连接有顶层偶极子臂，且与顶层偶极子臂相连接呈L型结构，与所述第三金属片相连接的金属连接线的另一端连接有底层偶极子臂，且与底层偶极子臂相连接呈L型结构，所述顶层偶极子臂和底层偶极子臂上均刻蚀有缝隙；
所述第一金属片包括相连接的微带线和巴伦转换器；
所述第三介质基板上呈对称结构设有两排金属化通孔，所述第二金属片的下表面、第三金属片的上表面以及金属化通孔相配合形成基片集成波导，所述微带线、巴伦转换器以及基片集成波导组成一分二功率分配器；
所述第三介质基板的上表面呈对称结构设有两个引向振子。
2.根据权利要求1所述的一种工作于毫米波频段的双向辐射平面偶极子天线阵列，其特征在于，所述巴伦转换器包括U型微带线和矩形贴片，所述U型微带线的弯折部设有切角，所述微带线的一端与U型微带线的一端一体成型，所述U型微带线的另一端与矩形贴片一体成型。
3.根据权利要求1所述的一种工作于毫米波频段的双向辐射平面偶极子天线阵列，其特征在于，所述第二金属片和第三金属片上所连接的金属连接线上下两层相配合的形成双面平行带线，所述顶层偶极子臂和底层偶极子臂的竖臂的朝向方向相反。
4.根据权利要求1所述的一种工作于毫米波频段的双向辐射平面偶极子天线阵列，其特征在于，所述第二金属片的中心处刻蚀有条状的矩形孔。
5.根据权利要求1所述的一种工作于毫米波频段的双向辐射平面偶极子天线阵列，其特征在于，所述毫米波平面偶极子天线的偶极子臂长为1.5λg，其中λg为偶极子天线的中心工作频率所对应的波长。
6.根据权利要求5所述的一种工作于毫米波频段的双向辐射平面偶极子天线阵列，其特征在于，所述缝隙刻蚀在每个偶极子臂的中间位置上，宽度为0.1mm。
7.根据权利要求5所述的一种工作于毫米波频段的双向辐射平面偶极子天线阵列，其特征在于，所述引向振子与偶极子臂之间的距离约为λg/4。
8.根据权利要求1所述的一种工作于毫米波频段的双向辐射平面偶极子天线阵列，其特征在于，所述毫米波平面偶极子天线采用一分二功率分配器进行馈电，所述一分二功率分配器每个输出端口直接与毫米波平面偶极子天线相连。
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