CN115579630A - 低剖面高增益宽带5g毫米波天线阵列 - Google Patents

Abstract

本发明属于通信技术领域，具体为一种低剖面高增益宽带5G毫米波天线阵列。本发明天线阵列包含：两层介质基板、一层金属贴片阵列、一个带缝隙的地板、一个一分四馈电网络；所述天线阵列由四个相同大小的贴片单元按1×4的结构排布，采用缝隙耦合馈电结构对天线进行馈电；贴片天线阵列覆盖在上层介质基板的上表面，地板位于下层介质板的上表面，馈电网络在下层介质基板的下表面；馈电网络的末端与地板缝隙的中心对齐。本发明天线阵列可以改善天线在5G毫米波频段的性能，具有高增益、低剖面以及宽频带的特点，同时结构简单、低成本、易于加工。

Description

低剖面高增益宽带5G毫米波天线阵列

技术领域

本发明属于天线技术领域，具体涉及一种低剖面高增益宽带5G毫米波天线阵列。

背景技术

现代无线通信系统的发展，特别是迈入5G时代以来，对天线的尺寸和增益有了新的要求，因此需要一款可以在5G毫米波的n257频段工作的天线阵列，同时需要具有高增益和低剖面来满足目前电子器件小型化的实际需求。

近几年来研究者们设计了各种类型5G天线，但受制于5G毫米波波段的频率较高，电尺寸小，所设计的天线大多工作在较低频段（如Sub 6G等），仅有的工作在5G波段的天线又无法同时满足高增益、宽带、轻质、低剖面等特性。主要原因是一方面是目前大多数5G毫米波天线的馈线结构采用的是同轴馈电或则SIW馈电，使得带宽很窄而且不利于实现尺寸的小型化，另一方面是目前使用贴片天线作为辐射单元时缺少单元之间的耦合，使得带宽不足，不能满足天线工作在特定频段，而且目前5G毫米波频段的阵列设计存在耦合困难以及增益小等问题，存在一定的局限性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足和缺陷，提供一种低剖面高增益宽带5G毫米波天线阵列，天线在5G毫米波的n257波段具有高增益以及低剖面的同时，整体结构简单、轻质、易加工。

本发明提供的低剖面高增益宽带5G毫米波天线阵列，其结构如图1、图2、图3和图4所示，包括金属贴片阵列1、第一介质基板2、金属缝隙层3、第二介质基板4和馈电网络5；其中，所述金属贴片阵列1由4个金属贴片单元按照1×4的形式排列组成，其中，每个金属贴片单元有4个形状相同的金属贴片条并行排列而成；4个金属贴片单元等间隔分布在第一介质基板2的上表面，呈一字型排开；这4×4=16个金属贴片条均刻蚀在第一介质基板2的上表面；所述第一介质基板2与所述第二介质基板4从上向下堆叠；所述金属缝隙层3为与第一介质基板2与第二介质基板4尺寸相同的长方形，金属缝隙层3中具有4条长条形缝隙；所述馈电网络5为1分4的结构，分布在介质基板4的下表面；金属缝隙层3分布在第二介质基板4的上表面，馈电网络5的末端和金属缝隙层3中缝隙的中心对齐，金属缝隙层3中缝隙和每个金属贴片的中轴线对齐。

进一步地，所述金属贴片单元呈对称分布，排布方式为一字型的1×4，长度为波长的五分之四；且金属贴片单元中，第一金属贴片条6和第二金属贴片条7之间的距离和第三金属贴片条8和蒂斯金属贴片条9之间的距离相等，且比第二金属贴片条7和第三金属贴片条8之间的距离大五分之一。

进一步地，所述金属缝隙层3中，缝隙的宽度相同，4个缝隙均匀分布在地板上，呈一字型排开，且与金属贴片条7和金属贴片条8之间的缝隙对齐，缝隙的长度为波长的五分之三，宽度是金属贴片条8和金属贴片条9之间距离的两倍。

进一步地，所述馈电网络5为1×4结构，其中馈线刻蚀在第二介质基板4的下表面，馈电线是由1/4波长变换器和50欧姆馈线交替连接形成。馈电线的末端超过金属缝隙层3中金属缝隙的上边延，馈电线的末端与第二金属贴片条贴片7的上边对齐，且馈电线的中轴线与金属缝隙层3中缝隙的中心对齐。

进一步地，所述金属贴片采用铜箔，厚度为0.02-0.05mm。实施例中，厚度为0.035mm。

本发明中，所述的介质基板的材料可采用相对介电常数为2.2的罗杰斯5880，损耗角正切为0.0009，介质基板2的厚度为0.5mm，介质基板4的厚度为0.25mm。

本发明中，所述的馈电网络采用1×4的结构，刻蚀在介质基板4的下表面，它是通过50欧姆和四分之一阻抗变换器连接组合而成。

本发明中，所述的每一段的馈线长度为波长的四分之一到四分之三。

本发明中，馈电网络通过缝隙进行耦合馈电给上层的贴片单元，贴片单元之间的耦合增加谐振点，进而增大带宽。

文献检索的结果表明，尚未有5G毫米波天线阵列实现高增益且低剖面的特性。本发明合理的设计了馈线网络结构，采用耦合馈电的方式使得剖面变得很薄，并发挥天线之间的耦合产生的宽带特性，同时对称的结构使得天线的辐射特性好。仿真结果表明：天线阵列在26.5–29.8GHz频率范围内|S₁₁| <-10 dB，相对阻抗带宽超过11.8%，天线阵列XOZ面的增益在26.5-29.8GHz频段范围内最大增益达到14.2dBi，整个5G的n257波段内，天线的方向性都很好，在E面的3dB角宽达到90度。天线阵列整体尺寸为40×14×0.75mm³ (长×宽×高)，高度仅为波长的0.7%，并且具有结构简单、轻质、地剖面和易加工等优点。

附图说明

图1为本发明新型低剖面高增益宽带5G毫米波天线阵列整体结构的爆炸示意图。

图2为本发明新型低剖面高增益宽带5G毫米波天线阵列俯视结构示意图。

图3为本发明新型低剖面高增益宽带5G毫米波天线阵列的馈电网络结构示意图。

图4为本发明新型低剖面高增益宽带5G毫米波天线阵列的金属贴片单元结构示意图。

图5为本发明新型低剖面高增益宽带5G毫米波天线阵列S参数和增益的仿真结果。

图6为本发明新型低剖面高增益宽带5G毫米波天线阵列的辐射方向图仿真结果。

图中标号：1为金属贴片阵列，2为第一介质基板，3为带缝隙的地板，4为第二介质基板，5为一分四馈电网络；6为第一金属贴片，7为第二金属贴片，8为第三金属贴片，9为第四金属贴片。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1-4所示，本发明提供一种新型低剖面高增益宽带5G毫米波天线阵列，中心频率28 GHz，整体尺寸40×14×0.75mm³（长×宽×高），本实施例包括：包括金属贴片阵列1，介质基板2和4、带缝隙的地板3、一分四馈电网络5。

如图1、4所示，本实施例所述的金属贴片阵列1按1×4的结构排布，通过一分四的馈电网络5进行馈电，每个金属贴片单元都对应有一个馈电线，所述的金属贴片单元的四个小单元形状和大小一致，均为6.8mm×1.8mm，并为对称分布，金属贴片单元中，第一金属贴片6和第二金属贴片7以及第三金属贴片8和第四金属贴片9之间的距离为0.4mm，第二金属贴片7和第三金属贴片8之间的距离为0.5mm；罗杰斯介质尺寸40×14 mm²，介电常数2.2，损耗正切角0.0009；所述金属贴片刻蚀在罗杰斯5880介质2的上表面。

如图3所示，所述的一分四馈电网络，馈电网络由50欧姆馈线和四分之一阻抗变换器组成，50欧姆馈电线的宽度为0.8mm，四分之一阻抗变换器的馈电线的宽度为0.4mm，它们的长度不同；所述的两个馈电网络呈轴对称分布，从而形成一分四的馈电结构；馈线的长度决定天线的相位分布，宽度决定阻抗匹配的好坏，间距大小与金属贴片单元的间距相匹配，馈电线的末端与金属贴片7的上边的中心点对齐，初始尺寸根据公式计算得到，再经过全波仿真软件CST v2020优化，最终得到馈电网络的整体结构。

如图1、2所示，所述的带缝隙的地板刻蚀在罗杰斯5880介质4的上表面，其中缝隙的数目为4个，它们的大小和形状均相同，且1×4均匀开凿在地板上，缝隙宽度为0.9，缝隙长度为6.3mm。缝隙的宽度和长度会影响阻抗匹配的好坏。缝隙的位置和金属贴片单元7和金属贴片单元8之间的缝隙实现中心对齐，以实现更好的对天线进行馈电。

如图5所示，本实施例所述的频率特性包括回波损耗和增益参数。其中横坐标代表频率变量，单位为GHz，左纵坐标代表回波损耗变量，右纵坐标代表天线的增益。仿真结果表明本发明的超宽带全向微带天线阵列在26.5–29.8 GHz频率范围内，|S₁₁|<-10 dB，相对阻抗带宽超过11.8%，覆盖整个5G毫米波的n257波段，在天线阵列XOZ面的增益在26.5-29.8GHz频段范围内最大值达到14.2dBi，天线在整个频段范围内的增益基本稳定在14dBi。

如图6所示，本实施例所述的超宽带全向微带天线在26.5GHz、27.5GHz、28.5GHz和29.5GHz的天线辐射的归一化方向图分别如图6(a)、6(b)、6(c)、6(d)所示，由图可见天线阵列在5G毫米波的n257波段内可以很好地保持E面的辐射特性，E面辐射方向图为在0度附近达到最大值，方向朝向Z轴。

本发明的技术方案不限于上述具体事实例的限制，如本发明为低剖面高增益宽带的5G毫米波天线阵列，改变尺寸可适用于Sub 6G和5G其它毫米波波段，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种低剖面高增益宽带5G毫米波天线阵列，其特征在于，包括：金属贴片阵列（1）、第一介质基板（2）、金属缝隙层（3）、第二介质基板（4）和馈电网络（5）；其中，所述金属贴片阵列（1）由4个金属贴片单元按照1×4的形式排列组成，其中，每个金属贴片单元有4个形状相同的金属贴片条并行排列而成；4个金属贴片单元等间隔分布在第一介质基板（2）的上表面，呈一字型排开；这4×4=16个金属贴片条均刻蚀在第一介质基板（2）的上表面；所述第一介质基板（2）与所述第二介质基板（4）从上向下堆叠；所述金属缝隙层（3）为与第一介质基板（2）与第二介质基板（4）尺寸相同的长方形，金属缝隙层（3）中具有4条长条形缝隙；所述馈电网络（5）为1分4的结构，分布在介质基板（4）的下表面；金属缝隙层（3）分布在第二介质基板（4）的上表面，馈电网络（5）的末端和金属缝隙层（3）中缝隙的中心对齐，金属缝隙层（3）中缝隙和每个金属贴片的中轴线对齐。

2.根据权利要求1所述的低剖面高增益宽带5G毫米波天线阵列，其特征在于，所述金属贴片单元呈对称分布，长度为波长的五分之四；且金属贴片单元中，第一金属贴片条（6）和第二金属贴片条（7）之间的距离和第三金属贴片条（8）和蒂斯金属贴片条（9）之间的距离相等，且比第二金属贴片条（7）和第三金属贴片条（8）之间的距离大五分之一。

3.根据权利要求2所述的低剖面高增益宽带5G毫米波天线阵列，其特征在于，所述金属缝隙层（3）中，缝隙的宽度相同，4个缝隙均匀分布在地板上，呈一字型排开，且与第二金属贴片条（7）和第三金属贴片条（8）之间的缝隙对齐，缝隙的长度为波长的五分之三，宽度是第三金属贴片条（8）和第四金属贴片条（9）之间距离的两倍。

4.根据权利要求3所述的低剖面高增益宽带5G毫米波天线阵列，其特征在于，所述馈电网络（5）中，馈线刻蚀在第二介质基板（4）的下表面，馈线是由1/4波长变换器和50欧姆馈线交替连接形成；馈线的末端超过金属缝隙层（3）中金属缝隙的上边延，馈线的末端与第二金属贴片条贴片（7）的上边对齐，且馈线的中轴线与金属缝隙层（3）中缝隙的中心对齐。

5.根据权利要求4所述的低剖面高增益宽带5G毫米波天线阵列，其特征在于，所述金属贴片采用铜箔，厚度为0.02-0.05mm。

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