CN115566405A - 超宽带交叉极化天线及超宽带交叉极化阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超宽带交叉极化天线及超宽带交叉极化阵列天线，含有基板以及设置于基板内且正交的第一极化天线和第二极化天线。该超宽带交叉极化天线的结构简单，易于生产，且可解决5G毫米波阵列天线中具有挑战性的带宽问题，交叉极化端口隔离问题和波束扫描范围问题。

Description

超宽带交叉极化天线及超宽带交叉极化阵列天线

技术领域

本发明涉及天线，具体地涉及用于毫米波或其它频段应用的超宽带交叉极化天线及超宽带交叉极化阵列天线。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明有关的背景信息，而不必然地构成现有技术。

目前，大多数5G毫米波阵列天线采用贴片式元件，馈电方便，但带宽窄，两个交叉极化端口之间的隔离度低，波束扫描范围窄。为了提高贴片天线元件的性能，通常使用复杂的结构，例如多层PCB堆叠、孔径耦合和多寄生元件等。

在《一种平面双极化超宽带毫米波阵列天线》(S.M.Moghaddam,J.Yang andA.A.Glazunov，天线与传播(EUCAP)，2018年第12届欧洲IEEE会议)中对用于毫米波应用的超宽天线进行了研究，其中天线元件由与Γ形馈电探头集成的蝴蝶结贴片组成，阵列天线由双偏移配置的紧密耦合蝴蝶结组成。元件由50欧姆同轴电缆馈电，阵列由接地平面下方的75欧姆同轴电缆馈电。

另外，具有集成馈电网络的宽带天线的其他示例是磁电偶极子。但是，这些天线大多考虑用于单天线结构，工作在1.6-3.8GHz频段，并在接地平面下方通过SMA连接器馈电，不适用于5G毫米波频段。

发明内容

提供了一种超宽带交叉极化天线，包括基板、第一极化天线和第二极化天线，基板包括依次层叠的第一基板层和接地层，第一极化天线和第二极化天线设置于第一基板层中，且第一极化天线和第二极化天线正交。

第一极化天线包括第一分支、第二分支、第一接地引脚、第二接地引脚和第一馈电结构，第一分支和第二分支位于同一平面上；第一接地引脚的一端与第一分支连接，另一端与接地层连接；第二接地引脚的一端与第二分支连接，另一端与接地层连接。第一馈电结构位于第一接地引脚和第二接地引脚之间，用于为第一分支和第二分支提供耦合。

第二极化天线包括第三分支、第四分支、第三接地引脚、第四接地引脚和第二馈电结构，第三分支和第四分支位于同一平面上；第三接地引脚的一端与第三分支连接，第三接地引脚的另一端与接地层连接；第四接地引脚的一端与第四分支连接，另一端与接地层连接。第二馈电结构位于第三接地引脚和第四接地引脚之间，用于为第三分支和第四分支提供耦合。

该超宽带交叉极化天线的结构简单，且可解决5G毫米波阵列天线中具有挑战性的带宽问题，交叉极化端口隔离问题和波束扫描范围问题，同时易于与主PCB板上的波束形成器(Beamformer)RFIC集成。

附图说明

图1为根据一个实施例的超宽带交叉极化天线的结构示意图；

图2为根据一个实施例的第一极化天线的结构示意图；

图3为根据一个实施例的第二极化天线的结构示意图；

图4为图1的俯视示意图；

图5为图1的侧面示意图；

图6示出了根据一个可能的实施例的第二基板层中第一馈电线和第三馈电线所在面的截面示意图；

图7为图1的底面示意图；

图8示出了根据一个可能的实施例的用于智能移动终端和其他小型无线设备的1×4的超宽带交叉极化阵列天线；

图9为图8的底面示意图；

图10示出了根据一个可能的实施例的用于室外CPE的4×4的超宽带交叉极化阵列天线；

图11示出了根据一个可能的实施例的超宽带交叉极化天线的S参数示意图，该超宽带交叉极化天线用于覆盖5G毫米波应用的低频段；

图12示出了根据一个可能的实施例的超宽带交叉极化天线的总效率示意图，该超宽带交叉极化天线用于覆盖5G毫米波应用的低频段；

图13示出了根据一个可能的实施例的超宽带交叉极化天线的第一交叉极化端口在27GHz时的2D辐射方向图，该超宽带交叉极化天线用于覆盖5G毫米波应用的低频段；

图14示出了根据一个可能的实施例的超宽带交叉极化天线的第二交叉极化端口在27GHz时的2D辐射方向图，该超宽带交叉极化天线用于覆盖5G毫米波应用的低频段；

图15示出了根据一个可能的实施例的1×4的超宽带交叉极化阵列天线的第一交叉极化端口在27GHz时的2D辐射方向图；

图16示出了根据一个可能的实施例的1×4的超宽带交叉极化阵列天线的第二交叉极化端口在27GHz时的2D辐射方向图；

图17示出了根据一个可能的实施例的1×4的超宽带交叉极化阵列天线的第一交叉极化端口在27GHz时的最大波束扫描范围示意图；

图18示出了根据一个可能的实施例的1×4的超宽带交叉极化阵列天线的第二交叉极化端口在27GHz时的最大波束扫描范围示意图；

图19示出了根据一个可能的实施例的超宽带交叉极化天线的S参数示意图，该超宽带交叉极化天线用于覆盖5G毫米波应用的高频段；

图20示出了根据一个可能的实施例的超宽带交叉极化天线的总效率示意图，该超宽带交叉极化天线用于覆盖5G毫米波应用的高频段；

图21示出了根据一个可能的实施例的超宽带交叉极化天线的第一交叉极化端口在40GHz时的2D辐射方向图，该超宽带交叉极化天线用于覆盖5G毫米波应用的高频段；

图22示出了根据一个可能的实施例的超宽带交叉极化天线的第二交叉极化端口在40GHz时的2D辐射方向图，该超宽带交叉极化天线用于覆盖5G毫米波应用的高频段；

图23示出了根据一个可能的实施例的1×4的超宽带交叉极化阵列天线的第一交叉极化端口在40GHz时的方向图；

图24示出了根据一个可能的实施例的1×4的超宽带交叉极化阵列天线的第二交叉极化端口在40GHz时的方向图；

图25示出了根据一个可能的实施例的1×4的超宽带交叉极化阵列天线的第一交叉极化端口在40GHz时的最大波束扫描范围示意图；

图26示出了根据一个可能的实施例的1×4的超宽带交叉极化阵列天线的第二交叉极化端口在40GHz时的最大波束扫描范围示意图。

标号说明：

1000、超宽带交叉极化天线；2000、超宽带交叉极化阵列天线；3000、超宽带交叉极化阵列天线；

100、基板；200、第一极化天线；300、第二极化天线；400、支撑焊盘；

110；第一基板层；120、接地层；130、第二基板层；

121、第一通孔；122、第二通孔；

131、第一过孔；132、第二过孔；133、第三过孔；134、第四过孔；135、金属化孔；

201、第一分支；202、第二分支；203、第一接地引脚；204、第二接地引脚；205、第一馈电段；206、第二馈电段；207、第三馈电段；208、第一短线调谐器；209、第一焊盘；210、第一馈电线；211、第二馈电线；

301、第三分支；302、第四分支；303、第三接地引脚；304、第四接地引脚；305、第四馈电段；306、第五馈电段；307、第六馈电段；308、第二短线调谐器；309、第三焊盘；310、第三馈电线；311、第四馈电线。

具体实施方式

现在将根据用户的需要阐述关于其中可以实现或不实现前述方法的各种可选体系结构和用途的更多说明性信息。应该强烈注意到，以下信息是为了说明的目的而提出的，并且不应该被解释为以任何方式进行限制。以下特征中的任何一个可任选地结合有或没有排除所述的其它特征。

图1示出了超宽带交叉极化天线1000，如图1所示，包括基板100、第一极化天线200和第二极化天线300，基板100包括依次层叠的第一基板层110、接地层120和第二基板层130，第一极化天线200和第二极化天线300均设置于基板100中，且第一极化天线200与第二极化天线300正交。

本实施例的天线结构类似于一个射频集成电路芯片(RFIC)，在其底部设置馈电端口和焊盘，就可以焊接在主板上，易于与主PCB板上的波束形成器RFIC集成，为5G毫米波无线通信设备应用构建不同的阵列天线。

以下首先针对第一极化天线说明其构造与组成。

图2为第一极化天线的结构示意图，结合图1和图2所示，第一极化天线200包括第一分支201、第二分支202、第一接地引脚203、第二接地引脚204和第一馈电结构，第一分支201和第二分支202位于同一平面上；第一接地引脚203的一端与第一分支201连接，另一端与接地层120连接；第二接地引脚204的一端与第二分支202连接，另一端与接地层120连接。第一馈电结构位于第一接地引脚203和第二接地引脚204之间，用于为第一分支201和第二分支202提供耦合。

具体地，第一馈电结构包括依次连接的第一馈电段205、第二馈电段206和第三馈电段207，第二馈电段206分别与第一分支201和第二分支202平行，并分别与第一馈电段205和第三馈电段207垂直，并且，第三馈电段207的长度小于第一馈电段205的长度。也就是说，第一馈电结构呈η型，第一馈电段205远离第二馈电段206的一端与设置于接地层120下方的馈电线导通，第三馈电段207远离第二馈电段206的一端悬空。

继续如图2所示，第一极化天线200还包括第一短线调谐器208，第一短线调谐器208与第一馈电段205垂直；第一短线调谐器208的一端设置于第一馈电段205上，另一端朝向第三馈电段207设置。通过改变第一短线调谐器208的长度以及第一短线调谐器208在第一馈电段205上的位置，可以改善天线的回波损耗和带宽。

继续如图2所示，第一极化天线200还包括第一焊盘209，第一焊盘209设置于第三馈电段207远离第二馈电段206的一端上，即设置于第三馈电段207悬空的一端上，第一焊盘209不能接触接地层120以及接地引脚。在一个实施例中，第一焊盘209呈圆形。通过改变第三馈电段207的长度和第一焊盘209的直径，可以改善天线的回波损耗和带宽。

在一个实施例中，第一馈电段205的长度与第一接地引脚203和第二接地引脚204的长度相同，约为1/4λ，其中，λ为工作频段的中心频率对应的波长长度。

在单个极化天线中，水平放置的两个分支形成平衡电偶极子天线，两个垂直的接地引脚及中间的η型馈电结构形成磁偶极子天线。即单个极化天线包括垂直放置的磁偶极子天线和水平放置的平衡电偶极子天线。

在η型馈电结构中，垂直定向的第一馈电段205和第三馈电段207提供电容耦合，而水平定向的第二馈电段206提供电感耦合。通过采用上述馈电结构，磁偶极子天线和电偶极子天线都可以被激发和调谐，从而可以获得超宽带天线。

对于第二极化天线300，其构造和尺寸与第一极化天线200基本相同，不同的是第二极化天线300的馈电结构的高度与第一极化天线200的馈电结构的高度不同，避免两个极化天线的馈电结构重叠。以下针对第二极化天线说明其构造与组成。

图3为第二极化天线的结构示意图，结合图1和图3所示，第二极化天线300包括第三分支301、第四分支302、第三接地引脚303、第四接地引脚304和第二馈电结构，第三分支301和第四分支302位于同一平面上；第三接地引脚303的一端与第三分支301连接，另一端与接地层120连接；第四接地引脚304的一端与第四分支302连接，另一端与接地层120连接。第二馈电结构位于第三接地引脚303和第四接地引脚304之间，用于为第三分支301和第四分支302提供耦合。

具体地，第二馈电结构包括依次连接的第四馈电段305、第五馈电段306和第六馈电段307，第五馈电段306分别与第三分支301和第四分支302平行，并分别与第四馈电段305和第六馈电段307垂直，并且，第六馈电段307的长度小于第四馈电段305的长度。也就是说，第二馈电结构也呈η型，第四馈电段305远离第五馈电段306的一端与设置于接地层120下方的馈电线导通，第六馈电段307远离第五馈电段306的一端悬空。

继续如图3所示，第二极化天线300还包括第二短线调谐器308，第二短线调谐器308与第四馈电段305垂直，第二短线调谐器308的一端设置于第四馈电段305上，另一端朝向第六馈电段307设置。通过改变第二短线调谐器308的长度以及第二短线调谐器308在第四馈电段305上的位置，可以改善天线的回波损耗和带宽。

继续如图3所示，第二极化天线300还包括第二焊盘309，第二焊盘309设置于第六馈电段307远离第五馈电段306的一端上，即设置于第六馈电段307悬空的一端上。在一个实施例中，第二焊盘309呈圆形。通过改变第六馈电段307的长度和第二焊盘309的直径，可以改善天线的回波损耗和带宽。

在可选的实施例中，第四馈电段305的长度可以大于第一馈电段205的长度，也可以小于第一馈电段205的长度，使得第二馈电段206和第五馈电段306位于不同的平面，从而避免第二馈电段206与第五馈电段306重叠，进而避免第一极化天线200的第一馈电结构与第二极化天线300的第二馈电结构重叠。

在本实施例中，第四馈电段305的长度大于第一馈电段205的长度，且长度相差100μm。

在本实施例中，第一分支201、第二分支202和第二馈电段206的长度方向相同，第三分支301和第四分支302的长度方向相同；第一分支201和第二分支202的长度方向与第三分支301与第四分支302的长度方向相互垂直。第二馈电段206、第一分支201、第二分支202、第三分支301和第四分支302位于同一平面上；第二馈电段206和第五馈电段306在接地层120上的投影相互垂直。第一短线调谐器208和第二短线调谐器308的长度相同，且位于同一平面上；第一焊盘209和第二焊盘309形状和尺寸相同，且位于同一平面上。

图4为超宽带交叉极化天线的俯视示意图，图5为超宽带交叉极化天线的侧面示意图，如图4和图5所示，第一极化天线200还包括第一馈电线210和第二馈电线211，第一馈电线210设置于第二基板层130中，第二馈电线211设置于第二基板层130远离接地层120的一面上，第一馈电线210的一端与第一馈电段205远离第二馈电段206的一端导通，第一馈电线210的另一端与第二馈电线211导通。第二极化天线300还包括第三馈电线310和第四馈电线311，第三馈电线310设置于第二基板层130中，第四馈电线311设置于第二基板层130远离接地层120的一面上，第三馈电线310的一端与第四馈电段305远离第五馈电段306的一端导通，第三馈电线310的另一端与第四馈电线311导通。本实施例中，第一馈电线210、第二馈电线211、第三馈电线310和第四馈电线311的阻抗为50Ω。

在一些实施例中，基板可由多层PCB的金属层和介质层构成。在可选的实施例中，第一基板层可包括依次层叠的四个金属层，由上至下依次为第一金属层、第二金属层、第三金属层和第四金属层，接地层可当作第五金属层，第二基板层可包括依次层叠的三个金属层，由上至下依次为第六金属层、第七金属层和第八金属层，相邻两层金属层之间均设有介质层，即基板可由八层金属层和七层介质层构成，金属层和介质层交替层叠。接地层(第五金属层)、第六金属层和第七金属层之间形成带状线结构(Strip-line)。

其中，第一金属层上形成有第二极化天线的第五馈电段；第二金属层上形成有第一极化天线的第一分支、第二分支和第二馈电段以及第二极化天线的第三分支和第四分支；第三金属层上形成有第一极化天线的第一焊盘以及第二极化天线的第二焊盘；第四金属层上形成有第一极化天线的第一短线调谐器以及第二极化天线的第二短线调谐器；第六金属层上形成有第一极化天线的第一馈电线和第二极化天线的第三馈电线；第八金属层上形成有第一极化天线的第二馈电线和第二极化天线第四馈电线。

并且，第一极化天线中的第一接地引脚、第二接地引脚、第一馈电段和第三馈电段以及第二极化天线中的第三接地引脚、第四接地引脚、第四馈电段和第六馈电段可由设置于第一基板层中的过孔(金属化孔)构成。

同理，第一馈电段、第一馈电线和第二馈电线之间的导通以及第四馈电段、第三馈电线和第四馈电线之间的导通也可以通过设置于第二基板层中的过孔实现。

具体地，本实施例中，如图4-5所示，接地层120上对应第一馈电段205和第四馈电段305的位置处分别设有第一通孔121和第二通孔122。第二基板层130中对应第一馈电线210的两端的位置处分别设有第一过孔131和第二过孔132，对应第三馈电线310的两端的位置处分别设有第三过孔133和第四过孔134；其中，第一过孔131和第三过孔133设置于接地层120(第五金属层)和第六金属层之间，第二过孔132和第四过孔134设置于第六金属层和第八金属层之间。

第一馈电段205远离第二馈电段206的一端穿过第一通孔121并通过第一过孔131与第一馈电线210的一端连接，第一馈电线210的另一端通过第二过孔132与第二馈电线211的一端连接。第四馈电段305远离第五馈电段306的一端穿过第二通孔122并通过第三过孔133与第三馈电线310的一端连接，第三馈电线310的另一端通过第四过孔134与第四馈电线311的一端连接。

其中，第一通孔121的横向截面面积大于第一馈电段205的横向截面面积，第二通孔122的横向截面面积大于第四馈电段305的横向截面面积，避免馈电结构接地。

在可选的实施例中，在第二基板层130中还设有多个金属化孔135(这些金属化孔135具体设置于接地层、第六金属层和第七金属层之间)，这些金属化孔135围绕第一馈电线210和第三馈电线310设置，用于屏蔽馈电线之间的干扰。在可选的实施例中，设置于第二基板层130中的多个金属化孔135还围绕单个交叉极化天线设置，即多个金属化孔135分布于单个交叉极化天线的第二基板层130的边缘，可在多个交叉极化天线集成为阵列天线时，屏蔽不同的交叉极化天线之间的干扰。

例如，图6示出了设有多个金属化孔的第二基板层中第一馈电线和第三馈电线所在面的截面示意图，如图6所示，一些金属化孔135围绕第一馈电线210和第三馈电线310设置，另一些金属化孔135分布于第二基板层130的边缘。

图7为超宽带交叉极化天线的底面示意图，如图7所示，第二馈电线211的另一端延伸至第二基板层130的边缘，以便于与第一交叉极化端口Feed-pin1连接，第四馈电线311的另一端延伸至第二基板层130的边缘，以便于与第二交叉极化端口Feed-pin2连接。

在一些实施例中，超宽带交叉极化天线还包括至少一个的支撑焊盘400，这些支撑焊盘400设置于第二基板层130远离接地层120的一面上，即设置于第八金属层上。本实施例中，如图7所示，包括四个支撑焊盘400，四个支撑焊盘400分别位于第二基板层130远离接地层的一面的四个角落处。在一些实施例中，每个支撑焊盘400还通过第二基板层中的金属化孔分别与接地层(第五金属层)、第六金属层、第七金属层和第八金属层连接。

通过上述结构，超宽带交叉极化天线可以焊接在主PCB板的顶层，并与波束形成器RFIC集成，从而为5G毫米波无线设备构建不同尺寸的阵列天线。

图8示出了用于智能移动终端(如手机)和其他小型无线设备的1×4的超宽带交叉极化阵列天线2000(极化方向为±45°)，图9为图8的超宽带交叉极化阵列天线的底面示意图，该超宽带交叉极化阵列天线2000包括四个线性排列的超宽带交叉极化天线1000。该超宽带交叉极化阵列天线焊接在主PCB板的顶层，在可选的实施例中，波束形成器RFIC可以安装在主PCB板的顶层或底层。

图10示出了用于室外CPE(用户终端设备)的4×4的超宽带交叉极化阵列天线3000，该超宽带交叉极化阵列天线3000包括16个阵列分布的超宽带交叉极化天线1000。该超宽带交叉极化阵列天线设置在主PCB板的顶层，在可选的实施例中，波束形成器RFIC安装在多层PCB的底层，像AiP(封装天线)一样。

在一个可选的实施例中，该4×4的超宽带交叉极化阵列天线3000的尺寸为27.4mm×27.4mm×2.39mm，此时，该4×4的超宽带交叉极化阵列天线3000可覆盖5G毫米波应用的低频段。在另一个可选的实施例中，该4×4的超宽带交叉极化阵列天线3000的尺寸为20.4mm×20.4mm×1.59mm，此时，该4×4的超宽带交叉极化阵列天线3000可覆盖5G毫米波应用的高频段。

在一个实施例中，超宽带交叉极化天线的尺寸为5mm×5mm×2.22mm，在该实施例中，超宽带交叉极化天线用于覆盖5G毫米波应用的低频段(24.25-29.5GHz)。图11示出了该实施例的超宽带交叉极化天线的S参数示意图；图12示出了该实施例的超宽带交叉极化天线的总效率示意图；图13-14示出了该实施例的超宽带交叉极化天线的两个交叉极化端口在27GHz时的辐射方向图。如图11-14所示，该实施例的超宽带交叉极化天线覆盖了5G毫米波应用的全低频段24.25-29.5GHz，两个交叉极化端口之间的隔离优于21dB，总效率优于80％，在两个仰角平面(Phi＝0和Phi＝90)中，27GHz时该超宽带交叉极化天线的HPBW(半功率波束宽度)分别为85°/115.2°和117.7°/85.2°。

在一个实施例中，由上述用于覆盖5G毫米波应用的低频段的超宽带交叉极化天线构成了一个1×4的超宽带交叉极化阵列天线，图15和图16分别示出了该1×4的超宽带交叉极化阵列天线的两个交叉极化端口在27GHz时的辐射方向图，图17和图18分别示出了该1×4的超宽带交叉极化阵列天线的两个交叉极化端口在27GHz时的最大波束扫描范围示意图。如图15-18所示，该1×4的超宽带交叉极化阵列天线的第一交叉极化端口在27GHz的宽边情况下的峰值实现增益为+9.85dBi，第二交叉极化端口在27GHz的宽边情况下的峰值实现增益为+10.8dBi；该1×4的超宽带交叉极化阵列天线在27GHz的宽边情况下的HPBW在两个高程平面(Phi＝0和Phi＝90)中，第一交叉极化端口和第二交叉极化端口的情况分别为27.7°/115.2°和28.3°/85.2°。当第一交叉极化端口在27GHz时，该1×4的超宽带交叉极化阵列天线的最大波束扫描范围为96°(-48°至+48°)；当第二交叉极化端口在27GHz时，该1×4的超宽带交叉极化阵列天线的最大波束扫描范围为118°(-59°至+59°)；在扫描范围内，第一交叉极化端口的峰值增益变化小于0.83dB，第二交叉极化端口的峰值增益变化小于1.47dB。

在另一个实施例中，超宽带交叉极化天线的尺寸为4mm×4mm×1.533mm，在该实施例中，超宽带交叉极化天线用于覆盖5G毫米波应用的高频段(37-52.6GHz)。用于覆盖5G毫米波应用的高频段的超宽带交叉极化天线与用于覆盖5G毫米波应用的低频段的超宽带交叉极化天线相比较，两者结构原理完全相同，但尺寸不同，例如，两者中的短线调谐器的位置不同且长度不同，两者中的馈电结构中垂直设置且长度较短的馈电段(即第三馈电段和第六馈电段)的长度不同等。

图19示出了该实施例的超宽带交叉极化天线的S参数示意图；图20示出了该实施例的超宽带交叉极化天线的总效率示意图；图21-22示出了该实施例的超宽带交叉极化天线的两个交叉极化端口在40GHz时的辐射方向图。如图19-20所示，该实施例的超宽带交叉极化天线覆盖了5G毫米波应用的全高频段37-52.6GHz，37-52GHz频段内的返回损耗优于-10dB，在最重要的频段内(37-43.5GHz)，两个交叉极化端口之间的隔离优于17dB，总效率优于80％。如图21-22所示，该实施例的超宽带交叉极化天线在40GHz时峰值增益在+5.6dBi左右，在两个仰角平面(Phi＝0和Phi＝90)中，两个交叉极化端口的HPBW(半功率波束宽度)分别为79.6°/110°和112.8°/80°。

在一个实施例中，由上述用于覆盖5G毫米波应用的高频段的超宽带交叉极化天线构成了一个1×4的超宽带交叉极化阵列天线，图23和图24分别示出了该1×4的超宽带交叉极化阵列天线的两个交叉极化端口在40GHz时的辐射方向图。如图23-24所示，该1×4的超宽带交叉极化阵列天线的第一交叉极化端口在40GHz的宽边情况下的峰值实现增益为+10.5dBi，第二交叉极化端口在40GHz的宽边情况下的峰值实现增益为+11.7dBi；该1×4的超宽带交叉极化阵列天线在40GHz的宽边情况下的HPBW在两个仰角平面(Phi＝0和Phi＝90)中，第一交叉极化端口和第二交叉极化端口的情况分别为23.5°/110°和24.0°/80.1°。

图25和图26分别示出了该1×4的超宽带交叉极化阵列天线的两个交叉极化端口在40GHz时的最大波束扫描范围示意图。如图25-26所示，当第一交叉极化端口在40GHz时，该1×4的超宽带交叉极化阵列天线的最大波束扫描范围为82°(-41°至+41°)，当第二交叉极化端口在40GHz时，该1×4的超宽带交叉极化阵列天线的最大波束扫描范围为98°(-49°至+49°)；第一交叉极化端口的峰值增益变化小于1.5dB，第二交叉极化端口的峰值增益变化小于2.3dB。

综上所述，上述的一个或多个实施例的超宽带交叉极化天线与大多数流行的贴片阵列天线相比，具有如下优点：结构简单，无需孔径耦合和寄生元件；超宽带宽，能够覆盖5G毫米波全频段，即低频段24.25-29.5GHz和高频段37-52.6GHz；工作频段内良好的回波损耗(优于-10dB)，两个交叉极化端口之间的隔离良好，高效率(所有频段均＞80％)，单个交叉极化天线具有比大多数贴片天线元件更宽的HPBW(半功率波束宽度)；易于与主PCB板上的波束形成器RFIC集成，并且使用上述实施例的超宽带交叉极化天线构建的阵列天线具有比大多数贴片阵列天线更宽的波束扫描范围。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

术语“一个”和“一个”以及“所述”和类似的指代物在描述主题的上下文中(特别是在所附权利要求的上下文中)的使用应被解释为覆盖单数和复数，除非本文另外指出或上下文明显矛盾。这里所列举的数值范围仅仅是用来作为一种速记方法，用于分别参考每一个除非在此另有说明，否则单独的值落在该范围内，并且每个单独的值被并入说明书中，如同它在此被单独列举一样。此外，上述描述仅是为了说明的目的，而不是为了限制的目的，因为所要保护的范围由权利要求及其权利要求的任何等同物限定。除非另有要求，本文提供的任何和所有例子或示例性语言(例如“例如”)的使用仅仅是为了更好地说明本发明，而不对本发明的范围造成限制。在权利要求书和文字说明中，术语“基于”和表示产生结果的条件的其它类似短语的使用并不意味着排除产生该结果的任何其它条件。说明书中的任何语言都不应被解释为指示任何未要求保护的元素，这是实施所要求保护的本发明所必需的。

本文所述的实施例包括本发明人已知的用于实施所要求保护的主题的一种或多种模式。当然，对本领域普通技术人员来说，在阅读了上述描述之后，这些实施例的变化将变得显而易见。本发明人期望本领域技术人员适当地采用这种变型，并且本发明人想要以不同于在此具体描述的方式实施所要求保护的主题。因此，所要求保护的主题包括所附权利要求中所述的主题的所有修改和等同物，如适用法律所允许的。而且，除非在此另外指出或另外明显与上下文相矛盾，上述元素在其所有可能的变化中的任何组合都被包括在内。

Claims (20)

1.一种超宽带交叉极化天线，包括：

基板，所述基板包括依次层叠的第一基板层和接地层；

第一极化天线，设置于所述第一基板层中；以及

第二极化天线，设置于所述第一基板层中，并与所述第一极化天线正交；

所述第一极化天线包括：

第一分支；

第二分支，与所述第一分支位于同一平面上；

第一接地引脚，所述第一接地引脚的一端与所述第一分支连接，另一端与所述接地层连接；

第二接地引脚，所述第二接地引脚的一端与所述第二分支连接，另一端与所述接地层连接；以及

第一馈电结构，与所述第一分支和第二分支耦合；

所述第二极化天线包括：

第三分支；

第四分支，与所述第三分支位于同一平面上；

第三接地引脚，所述第三接地引脚的一端与所述第三分支连接，另一端与所述接地层连接；

第四接地引脚，所述第四接地引脚的一端与所述第四分支连接，另一端与所述接地层连接；以及

第二馈电结构，与所述第三分支和第四分支耦合。

2.根据权利要求1所述的超宽带交叉极化天线，所述第一馈电结构包括依次连接的第一馈电段、第二馈电段和第三馈电段，所述第二馈电段与所述第一分支和第二分支平行，并分别与所述第一馈电段和第三馈电段垂直；所述第三馈电段的长度小于所述第一馈电段的长度；

所述第二馈电结构包括依次连接的第四馈电段、第五馈电段和第六馈电段，所述第五馈电段与所述第三分支和第四分支平行，并分别与所述第四馈电段和第六馈电段垂直，所述第六馈电段的长度小于所述第四馈电段的长度。

3.根据权利要求2所述的超宽带交叉极化天线，所述第四馈电段的长度大于或小于所述第一馈电段的长度。

4.根据权利要求3所述的超宽带交叉极化天线，所述第一馈电段的长度为1/4λ，λ为工作频段的中心频率对应的波长长度；所述第一馈电段的长度和所述第四馈电段的长度相差100μm。

5.根据权利要求2所述的超宽带交叉极化天线，所述第一极化天线还包括第一短线调谐器，所述第一短线调谐器与所述第一馈电段垂直，所述第一短线调谐器的一端设置于所述第一馈电段上，另一端朝向所述第三馈电段设置；

所述第二极化天线还包括第二短线调谐器，所述第二短线调谐器与所述第四馈电段垂直，所述第二短线调谐器的一端设置于所述第四馈电段上，另一端朝向所述第六馈电段设置。

6.根据权利要求2所述的超宽带交叉极化天线，所述第一极化天线还包括第一焊盘，所述第一焊盘设置于所述第三馈电段远离所述第二馈电段的一端上；

所述第二极化天线还包括第二焊盘，所述第二焊盘设置于所述第六馈电段远离所述第五馈电段的一端上。

7.根据权利要求6所述的超宽带交叉极化天线，所述第一焊盘和第二焊盘呈圆形。

8.根据权利要求2所述的超宽带交叉极化天线，所述第一基板层由多层PCB构成；所述第一接地引脚、第二接地引脚、第一馈电段、第三馈电段、第三接地引脚、第四接地引脚、第四馈电段和第六馈电段为设置于所述第一基板层中的过孔。

9.根据权利要求2所述的超宽带交叉极化天线，所述基板还包括第二基板层，层叠于所述接地层远离第一基板层的一面上；

所述第一极化天线还包括：

第一馈电线，设置于所述第二基板层中，所述第一馈电段远离所述第二馈电段的一端与所述第一馈电线的一端导通；以及

第二馈电线，设置于所述第二基板层远离所述接地层的一面上，并与所述第一馈电线的另一端导通；

所述第二极化天线还包括：

第三馈电线，设置于所述第二基板层中，所述第四馈电段远离所述第五馈电段的一端与所述第三馈电线的一端导通；以及

第四馈电线，设置于所述第二基板层远离所述接地层的一面上，并与所述第三馈电线的另一端导通。

10.根据权利要求9所述的超宽带交叉极化天线，所述接地层上对应所述第一馈电段和第四馈电段的位置处分别设有第一通孔和第二通孔；

所述第二基板层中对应所述第一馈电线的两端的位置处分别设有第一过孔和第二过孔，对应所述第三馈电线的两端的位置处分别设有第三过孔和第四过孔；

所述第一馈电段远离所述第二馈电段的一端穿过所述第一通孔并通过所述第一过孔与所述第一馈电线的一端连接，所述第一馈电线的另一端通过所述第二过孔与所述第二馈电线的一端连接；

所述第四馈电段远离所述第五馈电段的一端穿过所述第二通孔并通过所述第三过孔与所述第三馈电线的一端连接，所述第三馈电线的另一端通过所述第四过孔与所述第四馈电线的一端连接。

11.根据权利要求10所述的超宽带交叉极化天线，所述第一通孔的横向截面面积大于所述第一馈电段的横向截面面积；所述第二通孔的横向截面面积大于所述第四馈电段的横向截面面积。

12.根据权利要求9所述的超宽带交叉极化天线，所述第二基板层由多层PCB构成；所述第一馈电线和第三馈电线为带状线；所述第一馈电线、第二馈电线、第三馈电线和第四馈电线的阻抗为50Ω。

13.根据权利要求9所述的超宽带交叉极化天线，所述超宽带交叉极化天线还包括至少一个的支撑焊盘，所述至少一个的支撑焊盘设置于所述第二基板层远离所述接地层的一面上。

14.根据权利要求13所述的超宽带交叉极化天线，所述支撑焊盘的数量为四个，四个支撑焊盘分别位于所述第二基板层远离所述接地层的一面的四个角落处。

15.根据权利要求1所述的超宽带交叉极化天线，所述超宽带交叉极化天线的尺寸为5mm×5mm×2.22mm或4mm×4mm×1.533mm。

16.一种超宽带交叉极化阵列天线，包括多个如权利要求1所述的超宽带交叉极化天线，多个所述超宽带交叉极化天线线性分布或阵列分布，多个所述超宽带交叉极化天线中的基板一体成型。

17.根据权利要求16所述的超宽带交叉极化阵列天线，所述超宽带交叉极化天线中的第一馈电结构包括依次连接的第一馈电段、第二馈电段和第三馈电段，所述第二馈电段与所述第一分支和第二分支平行，并分别与所述第一馈电段和第三馈电段垂直；所述第三馈电段的长度小于所述第一馈电段的长度；

所述超宽带交叉极化天线中的第二馈电结构包括依次连接的第四馈电段、第五馈电段和第六馈电段，所述第五馈电段与所述第三分支和第四分支平行，并分别与所述第四馈电段和第六馈电段垂直，所述第六馈电段的长度小于所述第四馈电段的长度。

18.根据权利要求17所述的超宽带交叉极化阵列天线，

所述超宽带交叉极化天线中的第一极化天线还包括：

第一短线调谐器，所述第一短线调谐器与所述第一馈电段垂直，所述第一短线调谐器的一端设置于所述第一馈电段上，另一端朝向所述第三馈电段设置；以及

第一焊盘，所述第一焊盘设置于所述第三馈电段远离所述第二馈电段的一端上；

所述超宽带交叉极化天线中的第二极化天线还包括：

第二短线调谐器，所述第二短线调谐器与所述第四馈电段垂直，所述第二短线调谐器的一端设置于所述第四馈电段上，另一端朝向所述第六馈电段设置；以及

第二焊盘，所述第二焊盘设置于所述第六馈电段远离所述第五馈电段的一端上。

19.根据权利要求17所述的超宽带交叉极化阵列天线，所述基板还包括第二基板层，层叠于所述接地层远离第一基板层的一面上；

所述第一极化天线还包括：

第一馈电线，设置于所述第二基板层中，所述第一馈电段远离所述第二馈电段的一端与所述第一馈电线的一端导通；以及

第二馈电线，设置于所述第二基板层远离所述接地层的一面上，并与所述第一馈电线的另一端导通；

所述第二极化天线还包括：

第三馈电线，设置于所述第二基板层中，所述第四馈电段远离所述第五馈电段的一端与所述第三馈电线的一端导通；以及

第四馈电线，设置于所述第二基板层远离所述接地层的一面上，并与所述第三馈电线的另一端导通。

20.根据权利要求19所述的超宽带交叉极化阵列天线，所述超宽带交叉极化天线还包括至少一个的支撑焊盘，所述至少一个的支撑焊盘设置于所述第二基板层远离所述接地层的一面上。

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