CN116093604A - 一种宽带低剖面毫米波贴片天线单元及天线阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明的宽带低剖面毫米波贴片天线单元及天线阵列属于无线通信技术领域，天线单元包括介质基板、辐射贴片、短路探针和馈电探针，辐射贴片印刷在介质基板的上表面，辐射贴片包括沿一条直线分布线依次连接的三个方形贴片、以及位于三个方形贴片首端和尾端的两个十字形贴片，三个方形贴片的直线分布线与方形贴片的对角线重合，十字形贴片的十字交叉点与三个方形贴片的首端和尾端重合。短路探针和馈电探针设置在介质基板内并且将辐射贴片和地板连接。本发明加入短路探针结构有效提高天线的阻抗带宽。加入圆环结构有效提高天线的阻抗带宽。最终天线的阻抗带宽为23.35‑28.92GHz，覆盖了5G毫米波波段。天线单元最大增益达到9.4dBi，阵列的最大增益达到14.5dBi。

Description

一种宽带低剖面毫米波贴片天线单元及天线阵列
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，具体为一种宽带低剖面毫米波贴片天线单元及天线阵列。
背景技术
在通信、导航、电视、微波遥感、广播、雷达、电子对抗等无线系统中，都是通过无线电波来传递信息的，都存在无线电波的发射与接收。而在无线电设备中，用来发射和接收无线电波的装置称为天线。因为在各种无线通信系统中，天线是必不可少的射频前端器件，天线质量的好坏直接影响到系统的通信质量，所以研究、设计和生产性能好质量高的天线一直都是学术界和工业界共同的追求。移动通信系统在不断发展，关键技术也在快速升级，处理的信息量也在成倍地增长。天线作为实现这一跨越式提升不可或缺的组件，也在不断地发展与演进。
随着技术的不断发展，人们对高速率传输数据的需求变得越来越大，而低频段的频谱资源已经有许多被占用了，低频的带宽资源日益紧张。移动通信技术从1G到如今的5G，传输速率不断提高，这也给无线服务商带来了更大的挑战。如今的5G频段分为Sub-6GHz频段以及毫米波频段。毫米波频段由于其仍然具有丰富的频谱资源获得了人们越来越多的关注。基站天线的小型化与宽带化在如今空间不足的情况下成为了研究的热门。
毫米波天线还有着几个特别的优点，首先是毫米波的频率较高。从30GHz覆盖到300GHz，这也导致了毫米波的波长很短，工作在该频率的天线尺寸也会较小。其次毫米波频率的覆盖范围很广，这有利于我们通过毫米波天线来实现更快速率的通信技术。
现有的许多贴片天线可以达到较低剖面高度，但是难以获得较宽的阻抗带宽。使用其他形式的基站天线，拥有比贴片天线较宽的阻抗带宽，但是剖面高度会比较高。因此，现有技术中的毫米波贴片天线无法同时得到低剖面高度和宽阻抗带宽。
发明内容
本发明的目的在于提供一种宽带低剖面毫米波贴片天线单元及天线阵列，以解决上述技术问题。
为此，本发明提供一种宽带低剖面毫米波贴片天线单元，包括：
介质基板；
辐射贴片，设置在所述介质基板的上表面，所述辐射贴片包括沿一条直线分布线依次连接的三个方形贴片、以及位于三个方形贴片首端和尾端的两个十字形贴片，三个方形贴片的直线分布线与方形贴片的对角线重合，所述十字形贴片的十字交叉点与三个方形贴片的首端和尾端重合；
短路探针和馈电探针，设置在所述介质基板内并且将所述辐射贴片和地板连接。
在一个更加优选的实施例中，所述辐射贴片还包括一个大圆环贴片，所述十字形贴片的十字交叉点与大圆环贴片重合，三个方形贴片的排布方向与大圆环贴片的直径重合。
在一个更加优选的实施例中，所述辐射贴片还包括两个小圆环贴片，所述小圆环贴片对称分布在三个方形贴片的两侧，并且小圆环贴片的圆心与大圆环贴片重合。
在一个更加优选的实施例中，三个方形贴片包括位于中间位置的大方形贴片、位于两端的小方形贴片，所述短路探针设置在位于大方形贴片的右上角、以及大方形贴片和小方形贴片的交界处。
在一个更加优选的实施例中，位于大方形贴片左上角与小方形贴片的交界处设有两个短路探针，大方形贴片的右上角、以及大方形贴片右下角与小方形贴片的交界处分别设有一个短路探针。
在一个更加优选的实施例中，所述馈电探针设置在大方形贴片的左下角。
在一个更加优选的实施例中，所述馈电探针的馈电端口设置在与馈电探针连接的地板上。
在一个更加优选的实施例中，所述十字形贴片和方形贴片均经过切角处理。
在本发明的另一个实施例中，还提供了一种宽带低剖面毫米波贴片天线阵列，所述宽带低剖面毫米波贴片天线阵列由多个如上所述的宽带低剖面毫米波贴片天线单元构成。
在一个更加优选的实施例中，所述宽带低剖面毫米波贴片天线单元的数量为4个，所述宽带低剖面毫米波贴片天线阵列为横向排列的对称结构，所述宽带低剖面毫米波贴片天线阵列的4个馈电端口的相位均为0°。
与现有技术相比，本发明的特点和有益效果为：本发明设计了一种宽带低剖面毫米波贴片天线单元，通过加入短路探针结构，有效提高天线的阻抗带宽。加入馈电探针将电流从馈电端口传递至辐射贴片。并且还加入圆环结构，通过改变辐射贴片的电流路径，可以优化天线的阻抗匹配，增大天线的阻抗带宽。另外还对十字形贴片和方形贴片进行切角处理，改变贴片边缘处的电流分布，进一步改善天线的电流分布，增强天线的阻抗匹配，增大带宽。本发明最终天线的阻抗带宽为23.35-28.92GHz，覆盖了5G毫米波波段(24.25-27.5GHz)。天线单元最大增益达到9.4dBi，阵列的最大增益达到14.5dBi。本发明利用设计的贴片结构和加入的短路针，使得天线达成了低剖面的设计，天线单元的高度仅有0.09个波长(中间频率所对应的波长)。因此，本发明成功设计了宽带低剖面毫米波贴片天线。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员而言，在不符创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的实施例一中的宽带低剖面毫米波贴片天线单元的整体结构示意图；
图2为本发明的实施例一中的宽带低剖面毫米波贴片天线单元的炸裂示意图；
图3为本发明的实施例一中的宽带低剖面毫米波贴片天线单元的平面结构示意图；
图4为本发明的实施例一中的辐射贴片的尺寸示意图；
图5为本发明的实施例一中的辐射贴片的平面结构示意图；
图6为本发明的实施例一中的宽带低剖面毫米波贴片天线单元的增益仿真示意图；
图7为本发明的实施例一中的宽带低剖面毫米波贴片天线单元的S参数仿真示意图；
图8为本发明的实施例二中的辐射贴片的平面结构示意图；
图9为本发明的实施例三中的辐射+贴片的平面结构示意图；
图10为本发明的实施例四中的宽带低剖面毫米波贴片天线阵列的平面结构示意图；
图11为本发明的实施例四中的宽带低剖面毫米波贴片天线阵列的增益仿真示意图；
图12为本发明的实施例四中的宽带低剖面毫米波贴片天线阵列的S参数仿真示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种宽带低剖面毫米波贴片天线单元及天线阵列，为使本申请的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本申请进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本申请的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当本发明称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
实施例一
图1、图2和图3为一种宽带低剖面毫米波贴片天线单元，该宽带低剖面毫米波贴片天线单元包括介质基板2、辐射贴片1、短路探针6和馈电探针5。介质基板2为Rogers 5880材料。RT/duroid 5880的介电常数(Dk)为2.20+/-0.02；损耗因子Df为0.0009(在10GHz下)；热膨胀XYZ轴系数为22/21/43(ppm/℃)；吸水率为0.02％；防火等级为UL 94V-0。Rogers 5880具有低介电常数(Dk)的特点，可提供出色的高频性能。材料中填加的随机微玻纤确保产品具有出众的Dk均匀性。辐射贴片1设置在介质基板2的上表面，具体地，辐射贴片1印刷在介质基板2的上表面。短路探针6和馈电探针5设置在介质基板2内并且将辐射贴片1和地板3连接。馈电探针5的馈电端口4设置在与馈电探针5连接的地板3上。本发明的宽带低剖面毫米波贴片天线单元通过加入短路探针6，可以有效提高天线单元的阻抗带宽；通过加入馈电探针5，可以将电流从馈电端口4传递到辐射贴片1。辐射贴片1、短路探针6和馈电探针5均为金属材料，本领域技术人员可以根据天线的性能要求具体选择使用何种金属材料。
如图4和图5所示，在本实施例中，辐射贴片1包括沿一条直线分布线依次连接的三个方形贴片12、以及位于三个方形贴片12首端和尾端的两个十字形贴片13，三个方形贴片12的直线分布线与方形贴片12的对角线重合，十字形贴片13的十字交叉点与三个方形贴片12的首端和尾端重合。三个方形贴片12包括位于中间位置的大方形贴片121、位于两端的小方形贴片122，短路探针6设置在位于大方形贴片121的右上角、以及大方形贴片121和小方形贴片122的交界处。位于大方形贴片121左上角与小方形贴片122的交界处设有两个短路探针6，大方形贴片121的右上角、以及大方形贴片121右下角与小方形贴片122的交界处分别设有一个短路探针6。馈电探针5设置在大方形贴片121的左下角。大方形贴片121加小方形贴片122形式的贴片结构简单，制作难度较低，仿真的天线性能较好。
辐射贴片1还包括一个大圆环贴片11，十字形贴片13的十字交叉点与大圆环贴片11重合，三个方形贴片12的排布方向与大圆环贴片11的直径重合。加入大圆环贴片11可以改变辐射贴片1的电流路径，可以优化天线的阻抗匹配，增大天线的工作带宽。
辐射贴片1还包括两个小圆环贴片14，小圆环贴片14对称分布在三个方形贴片12的两侧，并且小圆环贴片14的圆心与大圆环贴片11重合。小圆环贴片14可以改变辐射贴片1的电流路径，进一步优化天线的阻抗匹配，增大天线的工作带宽。
十字形贴片13和方形贴片12均经过切角处理，切角处理可以改变十字形贴片13和方形贴片12的边缘处的电流分布，改善天线的电流分布，增强天线的阻抗匹配，增大带宽。
如图1和图4所示，具体以某宽带低剖面毫米波贴片天线单元为例，介质基板2的厚度为1.1mm，此时天线的剖面高度仅有0.09个波长中间频率所对应的波长。
大圆环贴片11的外圆直径为9.0mm，大圆环贴片11的内圆直径为7.7mm，小圆环贴片14的外圆直径为3.1mm，小圆环贴片14的内圆直径为2.34mm，大方形贴片121的边长为4.0mm，小方形贴片122的边长为2.0mm。十字形贴片13中直边的宽度为0.5mm，十字形贴片13中一条直边的一端超出小方形贴片122的边缘0.85mm，十字形贴片13中一条直边的另一端超出小方形贴片122的边缘1mm，大圆环贴片11的圆心到小圆环贴片14的圆心之间的距离为4.24mm，大圆环贴片11的圆心到大方形贴片121左上角位置的短路探针6之间的距离为1.83mm，大圆环贴片11的圆心到大方形贴片121右下角位置的短路探针6之间的距离2.26mm，大圆环贴片11的圆心到大方形贴片121右上角位置的短路探针6之间的距离为1.14mm。短路探针6的直径均为0.18mm。
本实施例还对宽带低剖面毫米波贴片天线单元的增益进行仿真，如图6所示，可以看出该宽带低剖面毫米波贴片天线单元最高增益达到9.4dBi。本实施例还对宽带低剖面毫米波贴片天线单元的S参数进行仿真，如图7所示，可以看出，|S11|<-10dB的阻抗带宽为21.4％，覆盖频率范围为23.35-28.92GHz。
实施例二
如图8所示，本实施例中辐射贴片1包括沿一条直线分布线依次连接的三个方形贴片12、以及位于三个方形贴片12首端和尾端的两个十字形贴片13，三个方形贴片12的直线分布线与方形贴片12的对角线重合，十字形贴片13的十字交叉点与三个方形贴片12的首端和尾端重合。三个方形贴片12包括位于中间位置的大方形贴片121、位于两端的小方形贴片122，短路探针6设置在位于大方形贴片121的右上角、以及大方形贴片121和小方形贴片122的交界处。位于大方形贴片121左上角与小方形贴片122的交界处设有两个短路探针6，大方形贴片121的右上角、以及大方形贴片121右下角与小方形贴片122的交界处分别设有一个短路探针6。馈电探针5设置在大方形贴片121的左下角。辐射贴片1还包括一个大圆环贴片11，十字形贴片13的十字交叉点与大圆环贴片11重合，三个方形贴片12的排布方向与大圆环贴片11的直径重合。
实施例三
如图9所示，在本实施例中，辐射贴片1包括沿一条直线分布线依次连接的三个方形贴片12、以及位于三个方形贴片12首端和尾端的两个十字形贴片13，三个方形贴片12的直线分布线与方形贴片12的对角线重合，十字形贴片13的十字交叉点与三个方形贴片12的首端和尾端重合。三个方形贴片12包括位于中间位置的大方形贴片121、位于两端的小方形贴片122，短路探针6设置在位于大方形贴片121的右上角、以及大方形贴片121和小方形贴片122的交界处。位于大方形贴片121左上角与小方形贴片122的交界处设有两个短路探针6，大方形贴片121的右上角、以及大方形贴片121右下角与小方形贴片122的交界处分别设有一个短路探针6。馈电探针5设置在大方形贴片121的左下角。
实施例四
如图10所示，本实施例提供了一种宽带低剖面毫米波贴片天线阵列，该宽带低剖面毫米波贴片天线阵列由多个如上的宽带低剖面毫米波贴片天线单元构成。在一个更加优选的实施方式中，宽带低剖面毫米波贴片天线单元的数量为4个，宽带低剖面毫米波贴片天线阵列为横向排列的对称结构，宽带低剖面毫米波贴片天线阵列的4个馈电端口4的相位均为0°。
本实施例对宽带低剖面毫米波贴片天线阵列的增益进行仿真，如图11所示，该宽带低剖面毫米波贴片天线阵列的最大增益达到14.5dBi。本实施例还对宽带低剖面毫米波贴片天线阵列的S参数进行仿真，从图12可以看出天线|S11|<-10dB的阻抗带宽为21.4％，覆盖频率范围23.35-28.92GHz。
综上，本发明设计了一种宽带低剖面毫米波贴片天线单元，通过加入短路探针6，有效提高天线的阻抗带宽。加入馈电探针5将电流从馈电端口4传递至辐射贴片1。并且还加入圆环贴片，通过改变辐射贴片1的电流路径，可以优化天线的阻抗匹配，增大天线的阻抗带宽。另外还对十字形贴片13和方形贴片12进行切角处理，改变贴片边缘处的电流分布，进一步改善天线的电流分布，增强天线的阻抗匹配，增大带宽。本发明最终天线的阻抗带宽为23.35-28.92GHz，覆盖了5G毫米波波段24.25-27.5GHz。天线单元最大增益达到9.4dBi，阵列的最大增益达到14.5dBi。本发明利用设计的贴片结构和加入的短路针，使得天线达成了低剖面的设计，天线单元的高度仅有0.09个波长中间频率所对应的波长。因此，本发明成功设计了宽带低剖面毫米波贴片天线。
当然，本发明上述实施例的描述较为细致，但不能因此而理解为对本发明的保护范围的限制，本发明还可有其它多种实施方式，基于本实施方式，本领域的普通技术人员在没有做出任何创造性劳动的前提下所获得其他实施方式，都属于本发明所保护的范围，本发明的保护范围以所附权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种宽带低剖面毫米波贴片天线单元，其特征在于包括：
介质基板；
辐射贴片，设置在所述介质基板的上表面，所述辐射贴片包括沿一条直线分布线依次连接的三个方形贴片、以及位于三个方形贴片首端和尾端的两个十字形贴片，三个方形贴片的直线分布线与方形贴片的对角线重合，所述十字形贴片的十字交叉点与三个方形贴片的首端和尾端重合；
短路探针和馈电探针，设置在所述介质基板内并且将所述辐射贴片和地板连接。
2.根据权利要求1所述的宽带低剖面毫米波贴片天线单元，其特征在于：所述辐射贴片还包括一个大圆环贴片，所述十字形贴片的十字交叉点与大圆环贴片重合，三个方形贴片的排布方向与大圆环贴片的直径重合。
3.根据权利要求2所述的宽带低剖面毫米波贴片天线单元，其特征在于：所述辐射贴片还包括两个小圆环贴片，所述小圆环贴片对称分布在三个方形贴片的两侧，并且小圆环贴片的圆心与大圆环贴片重合。
4.根据权利要求1所述的宽带低剖面毫米波贴片天线单元，其特征在于：三个方形贴片包括位于中间位置的大方形贴片、位于两端的小方形贴片，所述短路探针设置在位于大方形贴片的右上角、以及大方形贴片和小方形贴片的交界处。
5.根据权利要求4所述的宽带低剖面毫米波贴片天线单元，其特征在于：位于大方形贴片左上角与小方形贴片的交界处设有两个短路探针，大方形贴片的右上角、以及大方形贴片右下角与小方形贴片的交界处分别设有一个短路探针。
6.根据权利要求4所述的宽带低剖面毫米波贴片天线单元，其特征在于：所述馈电探针设置在大方形贴片的左下角。
7.根据权利要求6所述的宽带低剖面毫米波贴片天线单元，其特征在于：所述馈电探针的馈电端口设置在与馈电探针连接的地板上。
8.根据权利要求1所述的宽带低剖面毫米波贴片天线单元，其特征在于：所述十字形贴片和方形贴片均经过切角处理。
9.一种宽带低剖面毫米波贴片天线阵列，其特征在于：所述宽带低剖面毫米波贴片天线阵列由多个如权利要求1-8任意一项所述的宽带低剖面毫米波贴片天线单元构成。
10.根据权利要求9所述的宽带低剖面毫米波贴片天线阵列，其特征在于：所述宽带低剖面毫米波贴片天线单元的数量为4个，所述宽带低剖面毫米波贴片天线阵列为横向排列的对称结构，所述宽带低剖面毫米波贴片天线阵列的4个馈电端口的相位均为0°。
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