CN116742356A - 基于多层超表面的5g毫米波双频天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于多层超表面的5G毫米波双频天线，属于射频前端器件领域；其下介质层的上表面设有开槽贴片，下介质层的下表面设有金属地；开槽贴片为一方形金属板，其上设有第一L型槽和第二L型槽；第一L型槽的两个枝节末端均设有延伸段；第一L型槽和第二L型槽围城方环状，且延伸段和与其相邻的第一L型槽枝节之间具有大于零的间距；中介质层的上表面设有下超表面结构；下超表面结构由以矩形阵列方式排布多个的超表面单元组成；上介质层的上表面设有上超表面结构；馈电结构位于下介质层的上表面。本发明能够通过对贴片天线进行开槽产生双频段，并在其上方加载双层超表面结构，增加频段带宽和天线的波束宽度。

Description

基于多层超表面的5G毫米波双频天线

技术领域

本发明涉及一种加载多层超表面结构的5G毫米波双频天线，主要应用无线宽带网络等，属于射频前端器件领域。

背景技术

随着5G技术的不断推进和普及，毫米波技术成为了5G移动通信的重要组成部分之一。毫米波(millimeter wave，简称mmWave)指的是频率在30GHz至300GHz之间的电磁波，其波长范围约为1mm至10mm，相比于之前的移动通信技术(如4G LTE)使用的低频段，毫米波频段具有更高的带宽和更快的传输速度。

然而，由于毫米波频段的特殊性质，如传输距离短、穿透力弱、易受阻挡等，使得在该频段下进行通信需要采用更为复杂的天线设计来克服这些问题。因此，设计一种高效、可靠的毫米波天线成为了5G技术实现的关键之一。

在5G毫米波双频天线的背景技术中，主要需要考虑以下几个方面：

1、天线的频率范围：5G毫米波通信覆盖了28GHz和38GHz两个频段，因此需要设计一种能够同时支持这两个频段的天线。

2、天线的方向性：毫米波频段的信号传输距离较短，因此需要设计一种具有较强方向性的天线来增强信号的传输强度和距离。

3、天线的尺寸和重量：毫米波频段的波长较短，因此天线的尺寸也相应较小，但是需要保证天线的重量轻便，以便于在移动设备中使用。

4、天线的成本：由于毫米波天线需要采用更为复杂的设计，因此其成本也相应较高，需要寻找一种既能够满足性能要求，又能够降低成本的设计方案。

基于以上几个方面的考虑，5G毫米波双频天线的设计需要结合天线的理论和实际应用需求，寻找一种既能够满足高速、高带宽通信要求，又能够实现高效、可靠、轻便、低成本的设计方案。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明设计是基于多层超表面的5G毫米波双频天线，可以满足覆盖28G、38G双频段的要求。所设计的天线实现了结构简单、设计方便、宽波束、宽带宽等特点。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的:

基于多层超表面的5G毫米波双频天线，包括上、中、下三介质层；下介质层的下表面设有金属地，下介质层的上表面设有开槽贴片；所述开槽贴片为一方形金属板，其上设有第一L型槽和第二L型槽；其中，第一L型槽的两个枝节末端均设有延伸段，且延伸段和与其相连的枝节垂直；第一L型槽和第二L型槽围城方环状，且延伸段和与其相邻的第二L型槽枝节之间具有大于零的间距；

中介质层的上表面设有下超表面结构；所述下超表面结构由以矩形阵列方式排布多个的超表面单元组成；

上介质层的上表面设有上超表面结构；

所述馈电结构位于下介质层的上表面；其主要由微带线、中间开口微带线和对称微带线组成；中间开口微带线为方环状结构，其中一边为开口，开口的两端分别通过对应的对称微带线与开槽贴片连接，且两对称微带线均垂直于开槽贴片的边沿；微带线的一端连接在中间开口微带线的开口边对边，两者相互垂直，微带线的另一端向外延伸。

进一步的，所述第一L型槽的枝节长度大于第二L型槽的枝节长度。

进一步的，所述上超表面结构的中轴线和下超表面结构的中轴线重合。

进一步的，所述上超表面结构包括外围超表面单元、内围超表面单元和中心超表面单元；其中，多个内围超表面单元围成内方环，所述外围超表面单元围在内方环的外侧；中心超表面单元位于内方环的中心。

进一步的，所述超表面单元、中心超表面单元和外围超表面单元完全相同，且三者的的长、宽均小于内围超表面单元的长、宽。

进一步的，上、下介质层的相对介电常数为3.55，介质损耗角正切为0.0027；中介质层的相对介电常数为3.66，介质损耗角正切为0.004。

本发明与现有技术相比，能够通过对贴片天线进行开槽产生双频段，并在其上方加载双层超表面结构，增加频段带宽和天线的波束宽度。

附图说明

图1是天线开槽贴片层结构的俯视示意图；

图2是天线下层超表面结构的俯视示意图；

图3是天线上层超表面结构的俯视示意图；

图4是天线的结构侧视图；

图5是基于超表面的5G毫米波双频天线的反射系数曲线图；

图6基于超表面的5G毫米波双频天线的远场方向图；

具体实施方式

下面结合附图1-6和实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

基于多层超表面的5G毫米波双频天线，包括上、中、下三介质层；下介质层的下表面设有金属地，上表面设有开槽贴片；所述开槽贴片为一方形金属板，其上设有第一L型槽和第二L型槽；其中，第一L型槽的两个枝节末端均设有延伸段，且延伸段和与其相连的枝节垂直；第一L型槽和第二L型槽围城方环状，且延伸段和与其相邻的第一L型槽枝节之间具有大于零的间距；

中介质层的上表面设有下超表面结构；所述下超表面结构由以矩形阵列方式排布多个的超表面单元组成；

上介质层的上表面设有上超表面结构；

所述馈电结构位于下介质层的上表面；其主要由微带线、中间开口的微带线和对称微带线组成；中间开口微带线为方环状结构，其中一边为开口，开口的两端分别通过对应的对称微带线与金属贴片连接，且两对称微带线均垂直于该贴片；微带线的一端连接在中间开口微带线的开口边对边，两者相互垂直，微带线的另一端向外延伸。

进一步的，所述第一L型槽的枝节长度大于第二L型槽的枝节长度。

进一步的，所述上超表面结构的中轴线和下超表面结构的中轴线重合。

进一步的，所述上超表面结构包括外围超表面单元、内围超表面单元和中心超表面单元；其中，多个内围超表面单元围成内方环，所述外围超表面单元围在内方环的外侧；中心超表面单元位于内方环的中心。

进一步的，所述超表面单元、中心超表面单元和外围超表面单元完全相同，且三者的长、宽均小于内围超表面单元的长、宽。

下面为一更具体的实施例：

参考图1至图4，图1是天线开槽贴片层结构的俯视示意图，图2是天线下层超表面结构的俯视图，图3是天线上层超表面结构的俯视示意，图4是天线的结构侧视图。如图1至图4所示，天线由介质层29、30、31，金属地，上层超表面23、24、下层超表面19、开槽金属贴片2组成。开槽金属贴片2是一个较大正方形金属在中间挖掉一个较小长方形和四周挖掉两个“L”形而形成，在最下层介质的上方，能够产生需要的毫米波双频段。微带馈线和开槽金属贴片在同一层，会影响天线的阻抗匹配。超表面结构19在第二层介质层上，在尺寸合适并且形成合适的阵列之后，会形成两段新的频带，为了将它们搬移到28G和38G从而拓展频段的带宽，在最上层介质板上加载了超表面结构23和24，改变尺寸并形成合适的阵列，能够将频带搬移到5G毫米波频段。介质层的高度影响天线的方向图性能。

因此选择合适的金属贴片尺寸2、L型缝隙长度5、6、7、8、9和宽度10、超表面单元19、23、24的大小、介质层29、30、31的高度会对天线的带宽和远场方向图产生重要影响，具体表现为：

a)当改变金属贴片2的尺寸，两个频段的中心频率都会发生变化，但下波段的变化比上波段的变化更明显。

b)金属贴片“L”形的宽度10会影响双频段的移动，随着间隙的加宽；上频带向上移动，下频带向下移动，缝隙6、7的长度会分别影响天线上波段和下波段的阻抗匹配，缝隙8、9的长度也会影响频带的移动，但影响不大。

c)超表面单元19在组成6*6的阵列后，可以额外产生新的双频频段，但是并不在28G和38G频段上。

d)超表面单元23、24可以将超表面单元19生成的新频段向低频移动，组成合适的阵列可以恰好将生成的新频段搬移到28G、38G频段上，从而拓展带宽。

e)介质层29、30、31的厚度会影响天线的波束宽度，微带馈线12和开槽16会提升天线的阻抗匹配。微带馈线的位置17、18和微带线14的宽度会影响天线的阻抗匹配，随着微带线的位置17、18的增加，低频段会向高频移动，随着微带线14的宽度增加，高频段会向低频移动。

因此选择合适的金属贴片尺寸2、L型缝隙长度5、6、7、8、9和宽度10、超表面单元19、23、24的大小对提升内弧型微带天线的性能有重要意义。

该基于多层超表面的5G毫米波双频天线在这里选择一种尺寸组合进行实施例说明，(下面数据单位为毫米)：

当图1结构的尺寸为：

结构1＝6.8，结构2＝3.1，结构3＝0.98，结构4＝0.9，结构5＝2.7，结构6＝0.5，结构7＝0.5，结构8＝1.85，结构9＝1.65，结构10＝0.2，结构11＝0.9，结构12＝0.2，结构13＝0.15，结构14＝0.2，结构15＝0.15，结构16＝0.5，结构17＝400，结构18＝1.85；

当图2结构的尺寸为：

结构19＝0.4，结构20＝0.23，结构21＝1.9，结构22＝1.9，

当图3结构的尺寸为：

结构23＝0.45，结构24＝0.63，结构25＝0.18，结构26＝0.02，结构27＝1.9，结构28＝1.93；

衬底29总厚度为0.254，衬底30总厚度为0.1，衬底31总厚度为0.9，微带线和金属地的金属层厚度为0.018。

此时，天线反射系数仿真图如图5所示。

图5中该5G毫米波双频天线的反射系数曲线，该天线在23.9-28.2GHz的频率范围内S11显著小于-10dB，在37.2-40.7GHz的频率范围内S11显著小于-10dB。

此时天线远场方向图如图6所示。

图6中显示的是该5G毫米波双频天线的中心频率28GHz下的远场波瓣图，半功率波束宽度可以达到±60°。

可见，通过基于多层超表面的5G毫米波双频天线，可以实现同时覆盖28GHz和38GHz两个频段，实现低频段15％、高频段10％的相对阻抗带宽，半功率波束宽度可以达到±60°。

上述仅为一个例子，若想得到不同中心频率下的双频段天线，可以根据具体实施方式调整不同参数，如可以改变贴片天线开槽尺寸以及介质基板的厚度来调节天线的中心频率，调整超表面结构尺寸以及排列调节阻抗匹配等。

Claims (6)

1.基于多层超表面的5G毫米波双频天线，包括上、中、下三介质层；其特征在于，下介质层的下表面设有金属地，下介质层的上表面设有开槽贴片；所述开槽贴片为一方形金属板，其上设有第一L型槽和第二L型槽；其中，第一L型槽的两个枝节末端均设有延伸段，且延伸段和与其相连的枝节垂直；第一L型槽和第二L型槽围城方环状，且延伸段和与其相邻的第二L型槽枝节之间具有大于零的间距；

中介质层的上表面设有下超表面结构；所述下超表面结构由以矩形阵列方式排布多个的超表面单元(19)组成；

上介质层的上表面设有上超表面结构；

所述馈电结构位于下介质层的上表面；其主要由微带线、中间开口微带线和对称微带线组成；中间开口微带线为方环状结构，其中一边为开口，开口的两端分别通过对应的对称微带线与开槽贴片连接，且两对称微带线均垂直于开槽贴片的边沿；微带线的一端连接在中间开口微带线的开口边对边，两者相互垂直，微带线的另一端向外延伸。

2.根据权利要求1所述的基于多层超表面的5G毫米波双频天线，其特征在于，所述第一L型槽的枝节长度大于第二L型槽的枝节长度。

3.根据权利要求1所述的基于多层超表面的5G毫米波双频天线，其特征在于，所述上超表面结构的中轴线和下超表面结构的中轴线重合。

4.根据权利要求1所述的基于多层超表面的5G毫米波双频天线，其特征在于，所述上超表面结构包括外围超表面单元、内围超表面单元和中心超表面单元；其中，多个内围超表面单元围成内方环，所述外围超表面单元围在内方环的外侧；中心超表面单元位于内方环的中心。

5.根据权利要求4所述的基于多层超表面的5G毫米波双频天线，其特征在于，所述超表面单元、中心超表面单元和外围超表面单元完全相同，且三者的的长、宽均小于内围超表面单元的长、宽。

6.根据权利要求1所述的基于多层超表面的5G毫米波双频天线，其特征在于，上、下介质层的相对介电常数为3.55，介质损耗角正切为0.0027；中介质层的相对介电常数为3.66，介质损耗角正切为0.004。