CN115528427A

CN115528427A - 一种毫米波双频双极化叠层贴片天线阵列

Info

Publication number: CN115528427A
Application number: CN202211323315.0A
Authority: CN
Inventors: 李慧; 吕松钊; 柳传浩
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2022-10-27
Filing date: 2022-10-27
Publication date: 2022-12-27

Abstract

一种毫米波双频双极化叠层贴片天线阵列，天线阵列由多个结构相同的毫米波双频双极化叠层贴片天线单元等间隔排布于金属地板表面而成。天线单元包括低频环形金属贴片、高频蝶形金属贴片、金属地板、上下层介质基板和两个馈电结构。环形金属贴片位于上层基板上表面，用于产生低频谐振；蝶形金属贴片位于下层基板上表面，用于产生高频谐振；下层基板放置于金属地板上。两个馈电结构分别贯穿金属地板、两层介质基板，安装后，两个馈电单元与各层预设的通孔同轴，且与通孔内壁之间不接触。本发明提供的两层金属贴片均采用电容耦合方式进行馈电，电容耦合馈电可以抵消正交同轴馈电所引入的额外电感，能够实现双频、双极化工作。

Description

一种毫米波双频双极化叠层贴片天线阵列

技术领域

本发明属于5G无线通信和天线技术领域，涉及一种双频双极化的毫米波通信叠层贴片天线阵列。

背景技术

近几年，随着蜂窝网络技术的飞速发展，其数据流通量呈指数态势增加。毫米波通信技术由于其大带宽、高速率、低延迟，逐步应用于智能手机终端。目前全球主要授权5G毫米波段分别为n257 (26.5-29.5 GHz)、n258 (24.25-27.5 GHz)、n260 (37.0-40.0 GHz)和n261 (27.5-28.35 GHz)。由于智能手机支持的功能日趋复杂，其天线数量也不断增加，为毫米波提供的空间更是十分有限。手机的金属框架也给天线的设计带来了诸多挑战。

对于毫米波而言，由于传播链路的损耗较大，因而需要天线具备较高的增益。与此同时，终端天线还需要较宽的覆盖范围，高增益与宽扫描角的兼顾为天线设计带来挑战。此外，由于视距传输（LOS）的限制，毫米波通信很容易出现极化失配，因而双极化特性对于毫米波天线尤为重要。如何设计一款体积小，高增益、宽角扫描、双极化、高效率的毫米波手机天线有着十分重要的意义。

本发明通过设计两层辐射贴片，通过电容耦合馈电，实现毫米波双频双极化天线单元，实现了端口间的高隔离度。低频和高频两个谐振点可以分别通过调整上层和下层金属贴片的尺寸来实现。并用该天线单元设计的1×4线阵，实现了±45°的宽角扫描。

发明内容

本发明为了解决毫米波终端天线小型化、大带宽、高增益、宽扫描角难以兼顾的问题，设计一种应用于移动设备终端的毫米波天线阵列。通过电容耦合馈电的叠层贴片天线，实现双频段、双极化，保证正交极化天线之间的隔离度。并用此天线单元组成的1×4线阵实现宽阵列扫描角度。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种用于移动终端的毫米波双频双极化叠层贴片天线阵列，所述天线阵列由多个结构相同的毫米波双频双极化叠层贴片天线单元等间隔排布于金属地板3表面而成。所述的毫米波双频双极化叠层贴片天线单元主要包括低频环形金属贴片1、高频蝶形金属贴片2、金属地板3、上层介质基板4、下层介质基板5和馈电结构，其中馈电结构包括+45度馈电单元6、-45度馈电单元7。

所述的环形金属贴片1位于上层介质基板4的上表面，蝶形金属贴片2位于下层介质基板5的上表面，下层介质基板5放置于金属地板3上。为了避免上层金属贴片1阻挡下层高频蝶形金属贴片2的正常辐射，环形金属贴片1为一方形环状结构；蝶形金属贴片2通过对矩形贴片的4个直角处倒角得到，此类结构可以实现较大的工作带宽。所述蝶形金属贴片2的四个端角与方形环状结构的四边中心位置对应，且上层环形金属贴片1和下层蝶形金属贴片2的中心点能够重合。所述的环形金属贴片1用于产生低频谐振，可以通过调整贴片1的尺寸大小来调整工作频率；金属贴片2用于产生高频谐振，可以通过调整其矩形贴片和倒角的尺寸大小来调整高频的工作频率。

所述的金属地板3、介质基板4、介质基板5上对应位置设有两个通孔，分别用于穿过+45度馈电单元6、-45度馈电单元7，其中通孔的直径分别大于+45度馈电单元6和-45度馈电单元7的外径；所述两个馈电探针6和7分别位于金属贴片1方形环状结构的垂直相邻两边的中心位置，以激励不同极化的天线。安装后，两个馈电单元与通孔同轴，且馈电单元与通孔内壁之间的距离为0~0.1 mm。两层金属贴片1和2均采用电容耦合方式进行馈电，电容耦合馈电可以抵消正交同轴馈电所引入的额外电感。为实现电容耦合馈电，金属贴片1和2与两个馈电探针6和7均不直接接触，可以在金属贴片1和2的馈电探针中心点处挖去半径大于馈电探针半径的圆，通过调整被挖圆的半径在可以改变电容值，以改善天线的匹配，上层贴片1被挖圆的半径为0.18~0.2 mm，下层贴片被挖圆的半径为0.2~0.25 mm。馈电探针贯穿所有金属、介质层，实现对高频、低频的共同馈电，馈电探针的半径为0.15 mm。

进一步的，所述的两层介质基板4和5，其相对介电常数影响天线的工作频率，可以根据频率需求进行调节。

进一步的，所述的天线阵列中，每个天线单元的排布方向相同，相邻天线单元之间中心点之间的距离为L ₄=4 mm。

本发明的应用为：为提高天线增益，将N个双频双极化叠层贴片天线单元组成一组1×N的天线直线阵列，其中，N个叠层贴片天线阵列的排布相同，天线单元间的中心距离为L ₄=4 mm，如图3所示。通过相控阵实现较大的高增益和宽角扫描。最终设计得到的天线阵列具有体积小、结构紧凑、双极化频带宽、扫描角大的优点。

本发明的工作过程为：外界同轴馈电探针6和7对金属贴片1和2进行电容馈电，射频信号通过电容耦合进入贴片1和2，贴片1的谐振频率约为毫米波低频，表面电流分布在馈电端口的金属环两侧上。贴片2的谐振频率为毫米波高频，表面电流分布在贴片的圆角边缘进行周期性移动。由于正交极化，天线之间的隔离度较好，高于10 dB。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明所述的用于5G移动终端的毫米波天线单元采用金属贴片1和金属贴片2两种叠层结构实现双频、双极化工作。两天线通过同一馈电进行激励，天线结构紧凑、体积小、剖面低，适用于以高通芯片为例的手机边框中。

(2) 天线阵列能够实现双频、宽频范围内方向图稳定，实现双极化、宽扫描角和小体积的共赢。

附图说明

图1是本发明提出的双频双极化叠层贴片天线单元的正面示意图；

图2是本发明提出的双频双极化叠层贴片天线单元的侧视图；

图3是本发明中应用于双频双极化叠层贴片1×4天线阵列的结构示意图；

图4 是本发明提出的双频双极化叠层贴片天线单元的S参数；

图5是本发明提出的双频双极化叠层贴片天线单元的二维辐射方向图；图5(a)为本发明提出的双频双极化叠层贴片天线单元在29 GHz的E面和H面的方向图；图5(b)为本发明提出的双频双极化叠层贴片天线单元在39 GHz的E面和H面的方向图；

图6是本发明中应用于双频双极化叠层贴片1×4天线阵列的部分S参数；

图7 (a)~(c)是本发明中应用于双频双极化叠层贴片1×4天线阵列在29 GHz、39GHz和43.5 GHz的波束扫描角；

图中：1环形金属贴片、2蝶形金属贴片、3金属地板、4上层介质基板、5下层介质基板，6 +45度馈电单元，7-45度馈电单元。

具体实施方式

下面结合说明书附图和技术方案，对本发明的具体实施方案作详细说明。

参见图1、图2，所述的双频双极化叠层贴片天线单元由两层介质基板，金属地板、两个天线辐射贴片单元以及馈电结构四大部分组成，其中，天线辐射单元包括金属环状贴片1、金属贴片2。所述的环形金属贴片1置于上层介质基板4的上表面，蝶形金属贴片2位于下层介质基板5的上表面，下层介质基板5的下层为金属地板3。采用正交同轴馈电方式实现天线的±45双极化特性。环形金属贴片1和蝶形金属贴片2分别工作在毫米波的低频和高频频段范围，可以通过调整贴片尺寸来调整天线谐振点。在两层贴片上，探针圆心处均切掉半径略大于探针半径的圆从而实现电容耦合馈电以抵消正交同轴馈电所引入的额外电感。

所述的双频双极化叠层贴片天线单元的整体尺寸约为4×4×1.1 mm³。金属贴片1的外长度L ₁为1.9 mm，切掉的矩形贴片长度L ₂为1.425 mm。金属贴片2的外长度L ₃为1.85mm，在4个直角处倒角的圆半径R ₁为0.73 mm。为了实现同轴电容馈电方式，在上层贴片的探针圆心处挖去一个半径为0.2 mm的圆，在下层贴片的探针圆心处挖去一个半径为0.22 mm的圆。介质基板4所用材质是F4BTME-1/2，相对介电常数为3.5，损耗正切角为0.002，厚度为0.254 mm。介质基板5所用材质是Rogers RO4730G3，相对介电常数为2.98，损耗正切角为0.003，厚度为0.78 mm。

所述双频双极化毫米波天线单元通过同轴连接器馈电，得到的S参数如图4所示。从图中可以看到天线单元在低频段28 GHz处和高频段39 GHz处产生谐振点，-10 dB工作频段范围为26.3-29.7 GHz和36.5-44.5 GHz，低频段隔离度大于13 dB，高频段隔离度大于14dB，在高频频段实现了宽频带特性。

图5(a)~(b)为本发明提出的双频双极化叠层贴片天线单元在29 GHz和39 GHz处的E面和H面的辐射方向图，可见天线单元的辐射均为天顶方向辐射，增益大于5 dB。

图3是本发明所述双频双极化叠层贴片天线阵列的结构示意图（隐藏上层介质层）。该阵列由前述天线单元1×4排布组成，阵列的整体尺寸为16×4×1.1 mm³。为提高天线增益，将4个双频双极化叠层贴片天线单元组成一组1×4的天线直线阵列，其中，N个叠层贴片天线阵列的排布相同，天线间距离为L ₄=4 mm，如图3所示。通过相控阵实现较高的增益和宽角扫描。最终设计得到的天线阵列具有体积小、结构紧凑、双极化频带宽、扫描角大的优点。

图6是本发明提出的如图3所示的双频双极化叠层贴片天线阵列的S参数结果，天线阵可工作在26.5-29.5 GHz 和 36.5-44.5 GHz，端口间的隔离度优于10 dB。

图7(a)~(c)是本发明提出的如图3所示的双频双极化叠层贴片天线阵列在28GHz，39 GHz以及43.5 GHz时的波束扫描角结果，其3 dB扫描角分别为-53°~ 54°, -45°~60°和-44°~ 60°。

以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种毫米波双频双极化叠层贴片天线阵列，其特征在于，所述天线阵列由多个结构相同的毫米波双频双极化叠层贴片天线单元间隔排布于金属地板(3)表面而成；所述的毫米波双频双极化叠层贴片天线单元主要包括低频的环形金属贴片(1)、高频的蝶形金属贴片(2)、金属地板(3)、上层介质基板(4)、下层介质基板(5)和馈电结构，其中馈电结构包括+45度馈电单元(6)、-45度馈电单元(7)；

所述的环形金属贴片(1)位于上层介质基板(4)的上表面，蝶形金属贴片(2)位于下层介质基板(5)的上表面，下层介质基板(5)放置于金属地板(3)上；所述的环形金属贴片(1)为一方形环状结构，蝶形金属贴片(2)通过对矩形贴片的四个直角处倒角得到；所述蝶形金属贴片(2)的四个端角与方形环状结构的四边中心位置对应，且上层环形金属贴片(1)和下层蝶形金属贴片(2)的中心点能够重合；所述的环形金属贴片(1)用于产生低频谐振，可以通过调整环形金属贴片(1)的尺寸大小来调整工作频率；金属贴片(2)用于产生高频谐振，可以通过调整其矩形贴片和倒角的尺寸大小来调整高频的工作频率；

所述的金属地板(3)、介质基板(4)、介质基板(5)上对应位置设有两个通孔，分别用于穿过+45度馈电单元(6)、-45度馈电单元(7)，其中通孔的直径分别大于+45度馈电单元(6)和-45度馈电单元(7)的外径；所述两个馈电探针6和7分别位于金属贴片(1)方形环状结构的垂直相邻两边的中心位置，以激励不同极化的天线；

两层金属贴片(1)、2均采用电容耦合方式进行馈电，电容耦合馈电可以抵消正交同轴馈电所引入的额外电感；为实现电容耦合馈电，金属贴片(1)、2与两个馈电探针6、7均不直接接触，可以在上层环形金属贴片(1)、下层蝶形金属贴片(2)的馈电探针中心点处挖去半径大于馈电探针半径的圆，通过调整被挖圆的半径在改变电容值，以改善天线的匹配；

外界同轴馈电探针6、7对两层金属贴片进行电容馈电，射频信号通过电容耦合进入贴片1、2，环形金属贴片(1)的谐振频率约为毫米波低频，表面电流分布在馈电端口的金属环两侧上；蝶形金属贴片(2)的谐振频率为毫米波高频，表面电流分布在贴片的圆角边缘进行周期性移动；由于正交极化，天线之间的隔离度好。

2.根据权利要求1所述的一种毫米波双频双极化叠层贴片天线阵列，其特征在于，所述的上层环形金属贴片(1)被挖圆的半径为0.18～0.2mm，下层蝶形金属贴片(2)被挖圆的半径为0.2～0.25mm。

3.根据权利要求1所述的一种毫米波双频双极化叠层贴片天线阵列，其特征在于，两个馈电结构的馈电探针贯穿所有金属、介质层，实现对高频、低频的共同馈电，馈电探针的半径为0.15mm。

4.根据权利要求1所述的一种毫米波双频双极化叠层贴片天线阵列，其特征在于，所述的天线阵列中，每个天线单元的排布方向相同，相邻天线单元之间中心点之间的距离为4mm。

5.根据权利要求1所述的一种毫米波双频双极化叠层贴片天线阵列，其特征在于，所述的两个馈电单元与其安装的通孔同轴，且馈电单元与通孔内壁之间的距离为0～0.1mm。