CN116742349A - 一种基于部分结构复用的多频微波毫米波共口径天线 - Google Patents
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Abstract
本发明属于微波通信技术领域，具体涉及一种基于部分结构复用的多频微波毫米波共口径天线。包括自上而下层叠设置的第一基板及第二基板；第一基板上方设置用于低频辐射的微带贴片结构并构成电偶极子；第一基板上表面设置作为低频磁电偶极子天线的导电壁的第一金属化槽与第二金属化槽；微带贴片结构设置矩形槽口；第二金属化槽内阵列设置通孔；第二基板下表面分别设置用于高频28GHz馈电的第一微带线结构和39GHz馈电的第二微带线结构以及低频馈电的第三微带线结构；第二基板上表面设置金属地；金属地表面设置矩形缝隙、第一H型缝隙及第二H型缝隙；矩形缝隙用于低频馈电；第一H型缝隙用于28GHz高频耦合馈电；第二H型缝隙用于39GHz高频耦合馈电。
Description
技术领域
本发明属于微波通信技术领域，具体涉及一种基于部分结构复用的多频微波毫米波共口径天线。
背景技术
目前，随着移动通信、导航、车对车(V2V)通信和物联网(IoT)的快速发展，微波频段的频谱变得越来越拥挤。因此，现代通信系统的载波频率已经逐渐向上移动到毫米波段，给高度追求小型化和轻薄化的无线终端设备造成了前所未有的设计挑战。就终端天线而言，其便面临着如何在本已十分受限的空间内对新增的微波频段天线与毫米波频段天线阵列进行设计集成这一显著问题。同时由于毫米波段具有较高的传输损耗，终端设备的毫米波天线需具有高增益(>9dBi)以及宽角波束扫描，则可以有效的克服较高的传输损耗并保持与基站高定向性波束的良好对接。
对于目前内部空间已经非常有限的无线终端设备，将迫切需要具有有效空间利用率的终端天线以支持在sub-6GHz和毫米波频段的操作。微波毫米波共口径天线(将一副或多副毫米波天线阵列与微波天线集成在同一物理口径内)具有空间利用率高的特点，是解决上述难题的一条有效途径。通过实现微波天线与毫米波阵列的物理口径共享，可以大大减小待集成天线的实际“占地面积”，从而有效缓解终端设备的空间布局压力。在此背景下，设计一款微波毫米波共面共口径天线具有重要的研究意义。
目前，微波/毫米波共口径天线实现方式主要有四种，第一种是高低频天线的层叠放置，这种天线的剖面较高，并且往往在天线结构中间存在空气层，导致无法实现一个较高的集成度；第二种是基于模式复合传输线结构的微波/毫米波共口径天线，模式复合结构的高频部分采用SIW传输线，虽可实现SIW毫米波频扫天线阵列，但频扫技术与蜂窝通信系统无法兼容，实际应用中还会带来基带算法极其复杂，功耗剧增等问题；第三种是嵌入式结构，即将毫米波天线嵌入到微波天线中，但毫米波天线的嵌入会破坏微波天线的结构，从而使得微波天线的性能恶化。第四种是超表面天线结构，该结构中微波与毫米波天线相互牵制程度高，独立设计能力弱，且无法加入多个馈电端口而难以实现毫米波相控波束扫描。
发明内容
本发明针对上述现有技术中现有微波/毫米波共口径技术都存在未能实现微波天线与毫米波波束扫描阵列的共口径集成，因此难以实际应用于5G通信。本发明提出了一种基于部分结构复用的多频微波毫米波共口径天线。
本发明为实现上述发明目的，采取的技术方案如下：
一种基于部分结构复用的多频微波毫米波共口径天线，包括自上而下层叠设置的第一基板及第二基板；所述第一基板上方设置用于低频辐射的微带贴片结构并构成电偶极子；所述第一基板上表面设置作为低频磁电偶极子天线的导电壁的第一金属化槽与第二金属化槽；所述微带贴片结构设置矩形槽口；所述第二金属化槽内阵列设置通孔；所述第二基板下表面分别设置用于高频28GHz馈电的第一微带线结构和39GHz馈电的第二微带线结构以及低频馈电的第三微带线结构；所述第二基板上表面设置金属地；所述金属地表面设置矩形缝隙、第一H型缝隙及第二H型缝隙；所述矩形缝隙用于低频馈电；所述第一H型缝隙用于28GHz高频耦合馈电；所述第二H型缝隙用于39GHz高频耦合馈电。
进一步的作为本发明的优选技术方案，天线在毫米波28GHz频段，第一基板和第二金属化槽构成介质填充的开口波导阵列，射频激励信号由底层的第一微带线结构馈入，通过金属地上的第二H型缝隙对位于其上的天线阵列进行耦合馈电，其中第一基板上的通孔用于合并波导模式和缝隙的模式，实现了28GHz毫米波频段的工作。
进一步的作为本发明的优选技术方案，天线在毫米波39GHz频段，第一基板和第一金属化槽构成介质填充的开口波导阵列，射频激励信号由底层的第二微带线结构馈入，通过金属地上的第一H型缝隙对位于其上的天线阵列进行耦合馈电，实现了39GHz毫米波频段的工作。
进一步的作为本发明的优选技术方案，天线在微波频段，第一基板构成了微波天线的介质基板，微带贴片结构作为电偶极子；第一金属化槽、第二金属化槽与微带贴片结构之间的缝隙作为磁偶极子一起工作，通过矩形槽口来改变贴片高次模电流方向，以改善贴片高次模的辐射方向图，射频激励信号由底层的第三微带线结构馈入，通过金属地上的矩形缝隙耦合馈电，实现了6GHz微波频段的宽带效果。
进一步的作为本发明的优选技术方案，所述第一微带线结构包括第二端口、第三端口、第四端口、第五端口、第六端口及第七端口；所述第二微带线结构包括第八端口、第九端口、第十端口、第十一端口、第十二端口及第十三端口；所述第三微带线结构包括第一端口。
本发明所述的一种基于部分结构复用的多频微波毫米波共口径天线，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
(1)本发明基于部分结构复用的理念，将微波天线磁电偶极子结构中的两个垂直接地壁分别复用为28GHz/39GHz毫米波介质填充的开口波导天线阵列，在不影响微波天线性能的基础上，高效集成了毫米波频段天线阵列，极大地提升了空间利用率，实现了微波/毫米波共口径天线。
(2)本发明在微波频段，在微波天线的金属贴片表面采用缝隙加载技术，改变金属贴片高次模的电流方向，使得高次模与磁电偶极子天线的模式合并，达到了拓宽微波频段的带宽以及改善高次模的辐射方向图的目的。
(3)本发明在实现多频微波/毫米波共口径集成的同时能够实现毫米波频段的波束扫描，空间利用率极高，很大程度上缓解了终端设备内部空间布局的压力。
附图说明
图1是本发明实施例的天线结构示意图；
图2是本发明实施例的28GHz天线单元结构示意图；
图3是本发明实施例的39GHz天线单元结构示意图；
图4是本发明实施例在6GHz频段天线的反射系数和增益的仿真结果；
图5是本发明实施例的4.4GHz天线的仿真方向图；
图6是本发明实施例的5.2GHz天线的仿真方向图；
图7是本发明实施例的6.2GHz天线的仿真方向图；
图8是本发明实施例在28GHz频段天线的反射系数和增益的仿真结果；
图9是本发明实施例在28GHz天线波束扫描的仿真方向图；
图10是本发明实施例在39GHz频段天线的反射系数和增益的仿真结果；
图11是本发明实施例在39GHz天线波束扫描的仿真方向图；
图12是本发明实施例的天线毫米波频段和微波频段的隔离仿真图；
附图中，1、微带贴片结构；2、矩形槽口；3、第一金属化槽；4、第二金属化槽；5、通孔；6、第一基板；7、第一H型缝隙；8、矩形缝隙；9、第二H型缝隙；10、金属地；11、第二基板；12、第二微带线结构；13、第一微带线结构；14、第三微带线结构；1-1、第一端口；1-2、第二端口；1-3、第三端口；1-4、第四端口；1-5、第五端口；1-6、第六端口；1-7、第七端口；1-8、第八端口；1-9、第九端口；1-10、第十端口；1-11、第十一端口；1-12、第十二端口；1-13、第十三端口。
具体实施方式
下面结合附图详细的描述本发明的作进一步的解释说明，以使本领域的技术人员可以更深入地理解本发明并能够实施，但下面通过参考实例仅用于解释本发明，不作为本发明的限定。
如图1-3所示，一种基于部分结构复用的多频微波毫米波共口径天线，包括自上而下层叠设置的第一基板6及第二基板11；第一基板6上方设置用于低频辐射的微带贴片结构1并构成电偶极子；第一基板6上表面设置作为低频磁电偶极子天线的导电壁的第一金属化槽3与第二金属化槽4；微带贴片结构1设置矩形槽口2；第二金属化槽4内阵列设置通孔5；第二基板11下表面分别设置用于高频28GHz馈电的第一微带线结构13和39GHz馈电的第二微带线结构12以及低频馈电的第三微带线结构14；第二基板11上表面设置金属地10；金属地10表面设置矩形缝隙8、第一H型缝隙7及第二H型缝隙9；矩形缝隙8用于低频馈电；第一H型缝隙7用于28GHz高频耦合馈电；第二H型缝隙9用于39GHz高频耦合馈电。
本发明采用部分结构复用技术，将磁电偶极子结构中的垂直接地壁复用为毫米波介质填充的开口波导天线阵列从而实现了微波/毫米波共口径天线，该结构极大地提升了空间利用率。在28/39GHz毫米波频段，本发明采用了1×6/1×6介质填充的开口波导天线阵列，可以获得较高的辐射增益。利用馈电缝隙对每一个开口波导天线单元进行独立馈电，不仅能实现可控的波束扫描功能，还能获得较宽的工作带宽。在6GHz微波频段，磁电偶极子通过在微波频率下组合互补的电偶极子和磁偶极子，表现出宽带宽和优异的辐射性能。
天线在毫米波28GHz频段，第一基板6和第二金属化槽4构成介质填充的开口波导阵列，射频激励信号由底层的第一微带线结构13馈入，通过金属地10上的第二H型缝隙9对位于其上的天线阵列进行耦合馈电，其中第一基板6上的通孔5用于合并波导模式和缝隙的模式，实现了28GHz毫米波频段的工作，同时1×6的天线阵列实现了毫米波波束扫描。
天线在毫米波39GHz频段，第一基板6和第一金属化槽3构成介质填充的开口波导阵列，射频激励信号由底层的第二微带线结构12馈入，通过金属地10上的第一H型缝隙7对位于其上的天线阵列进行耦合馈电，实现了39GHz毫米波频段的工作，同时1×6的天线阵列实现了毫米波波束扫描。
天线在微波频段，第一基板6构成了微波天线的介质基板，微带贴片结构1作为电偶极子；第一金属化槽3、第二金属化槽4与微带贴片结构1之间的缝隙作为磁偶极子一起工作，通过矩形槽口2来改变贴片高次模电流方向，以改善贴片高次模的辐射方向图，射频激励信号由底层的第三微带线结构14馈入，通过金属地10上的矩形缝隙8耦合馈电，实现了6GHz微波频段的宽带效果。
第一微带线结构13包括第二端口1-2、第三端口1-3、第四端口1-4、第五端口1-5、第六端口1-6及第七端口1-7；第二微带线结构12包括第八端口1-8、第九端口1-9、第十端口1-10、第十一端口1-11、第十二端口1-12及第十三端口1-13；第三微带线结构14包括第一端口1-1。
本发明的微波天线部分为磁电偶极子结构，其作为磁偶极子的两个垂直的导电壁同时复用为毫米波介质填充的开口波导天线阵列，构成了本发明的整体结构。金属地10平面以上为本发明提出的共口径整体结构。本发明基于磁电偶极子微波天线，将微波天线的接地金属壁复用为毫米波介质填充的开口波导天线阵列，实现了一种基于部分结构复用的6/28/39GHz微波/毫米波共口径天线。本发明微波天线实现同时覆盖5G通信Sub-6GHz微波频段的n79(4.8-5GHz)频带和5.9GHz车对车(V2V)频带。在毫米波频段，本发明将微波天线两侧的垂直接地壁分别复用为28GHz和39GHz的介质填充的开口波导天线阵列，可以获得较高的辐射增益。毫米波天线阵列中每个天线单元均通过缝隙耦合实现独立馈电，可以实现宽角波束扫描功能。本发明提出的微波/毫米波共口径天线可以有效的实现共面集成并实现毫米波频段的波束扫描，其中微波天线能够覆盖4.3-6.7GHz，毫米波天线能够覆盖26.5-29.5GHz以及37-40GHz。
具体实施时，本发明采用的第一基板6的介电常数为3.5，损耗角为0.0015，厚度为3.5mm。第二基板11的介电常数为3.55，损耗角为0.0027，厚度为0.305mm。整体剖面高度为3.805mm(～0.076λ0@6GHz)，平面尺寸55mm×55mm(～1.1×1.1λ0 2@6GHz)。天线的传输响应和辐射响应如图4、图8和图10所示，对于S11≤-10dB，带宽范围为4.3-6.7GHz，26.5-29.5GHz以及37-40GHz，可见很好的覆盖了5G微波频段n79(4.8-5GHz)频带和5.9GHz车对车(V2V)频带、5G毫米波试验频段n257(26.5-29.5GHz)以及毫米波试验频段n260(37-40GHz)，频带内增益分别为7dBi、11dBi以及12dBi以上。图5-7、图9和图11是在6GHz、28GHz和39GHz处的天线仿真方向图，天线的方向图对称，交叉极化优于20dB。图9是在28GHz处的天线波束扫描仿真图，波束扫描性能可满足±50°范围，图11是在39GHz处的天线波束扫描仿真图，波束扫描性能可满足±35°范围。图12是天线在微波与毫米波频段之间隔离仿真图，6GHz和28GHz、39GHz天线端口之间的隔离均大于20dB。
以上所述的具体实施方案，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方案而已，并非用以限定本发明的范围，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所做出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。
Claims (5)
1.一种基于部分结构复用的多频微波毫米波共口径天线，包括自上而下层叠设置的第一基板(6)及第二基板(11)；其特征在于，所述第一基板(6)上方设置用于低频辐射的微带贴片结构(1)并构成电偶极子；所述第一基板(6)上表面设置作为低频磁电偶极子天线的导电壁的第一金属化槽(3)与第二金属化槽(4)；所述微带贴片结构(1)设置矩形槽口(2)；所述第二金属化槽(4)内阵列设置通孔(5)；所述第二基板(11)下表面分别设置用于高频28GHz馈电的第一微带线结构(13)和39GHz馈电的第二微带线结构(12)以及低频馈电的第三微带线结构(14)；所述第二基板(11)上表面设置金属地(10)；所述金属地(10)表面设置矩形缝隙(8)、第一H型缝隙(7)及第二H型缝隙(9)；所述矩形缝隙(8)用于低频馈电；所述第一H型缝隙(7)用于28GHz高频耦合馈电；所述第二H型缝隙(9)用于39GHz高频耦合馈电。
2.根据权利要求1所述的一种基于部分结构复用的多频微波毫米波共口径天线，其特征在于，天线在毫米波28GHz频段，第一基板(6)和第二金属化槽(4)构成介质填充的开口波导阵列，射频激励信号由底层的第一微带线结构(13)馈入，通过金属地(10)上的第二H型缝隙(9)对位于其上的天线阵列进行耦合馈电，其中第一基板(6)上的通孔(5)用于合并波导模式和缝隙的模式，实现了28GHz毫米波频段的工作。
3.根据权利要求2所述的一种基于部分结构复用的多频微波毫米波共口径天线，其特征在于，天线在毫米波39GHz频段，第一基板(6)和第一金属化槽(3)构成介质填充的开口波导阵列，射频激励信号由底层的第二微带线结构(12)馈入，通过金属地(10)上的第一H型缝隙(7)对位于其上的天线阵列进行耦合馈电，实现了39GHz毫米波频段的工作。
4.根据权利要求3所述的一种基于部分结构复用的多频微波毫米波共口径天线，其特征在于，天线在微波频段，第一基板(6)构成了微波天线的介质基板，微带贴片结构(1)作为电偶极子；第一金属化槽(3)、第二金属化槽(4)与微带贴片结构(1)之间的缝隙作为磁偶极子一起工作，通过矩形槽口(2)来改变贴片高次模电流方向，以改善贴片高次模的辐射方向图，射频激励信号由底层的第三微带线结构(14)馈入，通过金属地(10)上的矩形缝隙(8)耦合馈电，实现了6GHz微波频段的宽带效果。
5.根据权利要求4所述的一种基于部分结构复用的多频微波毫米波共口径天线，其特征在于，所述第一微带线结构(13)包括第二端口(1-2)、第三端口(1-3)、第四端口(1-4)、第五端口(1-5)、第六端口(1-6)及第七端口(1-7)；所述第二微带线结构(12)包括第八端口(1-8)、第九端口(1-9)、第十端口(1-10)、第十一端口(1-11)、第十二端口(1-12)及第十三端口(1-13)；所述第三微带线结构(14)包括第一端口(1-1)。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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