CN117013247A - 面向5g毫米波双频双宽带圆极化多谐振器天线及其阵列 - Google Patents

面向5g毫米波双频双宽带圆极化多谐振器天线及其阵列 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种面向5G毫米波双频双宽带圆极化多谐振器天线及其阵列，属于微波通信技术领域。解决了现有的毫米波圆极化天线设计中存在的天线带宽较窄、平面尺寸大、各频段不易单独调节等问题。其技术方案为：包通过括粘合板依次连接的第一基板、第二基板和第三基板，第一基板顶面印刷第一金属贴片，第一金属贴片周围设置环绕贴片；第二顶面印刷第二金属贴片；第三基板顶面设置蚀刻有交叉缝隙的金属地、底面设置微带线，环绕贴片外侧环绕设置两圈金属化通孔。本发明的有益效果为：本发明提供的一种面向5G毫米波双频双宽带圆极化多谐振器天线结构紧凑、辐射单元尺寸小、天线增益高、方便拓展为波束扫描天线阵列。

Description

面向5G毫米波双频双宽带圆极化多谐振器天线及其阵列
技术领域
本发明涉及技术领域，尤其涉及一种面向5G毫米波双频双宽带圆极化多谐振器天线及其阵列。
背景技术
5G对信息传输速率的要求大幅提高，需要拥有更宽的绝对带宽作为支撑。毫米波技术在短距离范围内可提供大带宽、高速率，这一特性使其受到广泛研究和应用。目前世界范围内授权的5G毫米波频段为n257(26.5-29.5GHz)、n258(24.25-27.5GHz)、n260(37.0-40.0GHz)和n261(27.5-28.35GHz)，一般来说，n257、n258和n261频段被划分为28GHz频段，而n260频段被划分为39GHz频段。根据频谱划分，要求所设计的毫米波天线在28GHz和39GHz这两个频段内都必须具备较宽的带宽。对于这两个毫米波频段，如果各自独立设计天线，会导致天线整体体积庞大。
在毫米波频段，由于波长更短，电磁波在传播时更易受到现实障碍物的阻碍，穿透能力变弱，视距传输是其主要传播方式。在实际应用中毫米波天线通常以阵列形式出现。为了能在毫米波频段获得良好的波束扫描角度，避免栅瓣的出现，通常要求天线单元的平面尺寸应该远小于半个波长。另一方面，当今的消费市场更加青睐小型化、轻薄化的设备，所设计的天线单元需要有较低的剖面高度。
圆极化天线具有更好的抗极化失配和抑制多径干扰的能力。同时，线极化形式传播的信号相比圆极化波更易发生衰落和极化畸变。因此，圆极化天线将是未来极具应用价值的一种毫米波终端天线。
目前所提出的毫米波圆极化天线主要分为三类且存在局限性：第一类是单谐振器多模方案，在单个谐振器中激发双/多个工作模式的方式实现双频段覆盖，但是可用的高次模数量有限，且这一方案往往导致天线体积增大或天线结构复杂；第二类方法是多谐振器多模方案，该方案混合多种谐振器的多个模式，如馈电结构模式、寄生谐振器模式等，实现毫米波的双频段覆盖，但是现有的设计仍然只局限在两到三个谐振器，因此提供的模式仍然数量有限(≤3个模式)，无法实现两个频段的宽频带覆盖；第三类是将前两种方法综合，但是仍然无法在小型化的基础上实现双频段的宽带覆盖，天线尺寸往往过大，无法实现宽角度波束扫描。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可在保持天线小型化低剖面的同时实现毫米波双频段、宽频圆极化性能、抑制表面波、提高天线增益的面向5G毫米波双频双宽带圆极化多谐振器天线及其阵列。
为了实现上述发明目的，本发明采用技术方案具体为：一种面向5G毫米波双频双宽带圆极化多谐振器天线，其中，包括：
第一基板，顶面印刷第一金属贴片，所述第一金属贴片周围设置环绕贴片，所述环绕贴片包括首尾相间隔设置的若干个金属带条；
第二基板，顶面印刷第二金属贴片，所述第二基板的顶面通过粘合板与第一基板底面相连接，所述第二金属贴片位于所述第一金属贴片正下方；
第三基板，顶面设置蚀刻有交叉缝隙的金属地，底面设置用于馈电的微带线，所述第三基板的顶面通过粘合板与第二基板的底面相连接；
以及两圈金属化通孔，抑制表面波，提高天线增益，由内至外环绕设置在所述环绕贴片外侧，位于内圈的所述金属化通孔贯穿所述第二基板并向下延伸至贯穿所述第三基板形成基片集成波导背腔，位于外圈的所述金属化通孔依次贯穿所述第一基板、所述第二基板并向下延伸至金属地顶面，位于外圈所述金属化通孔以外的所述第一基板的顶面部分作印刷金属处理。
进一步地，使用时，在所述微带线上引入λ0/4阻抗变换线和开路枝米波双频双宽带圆极化多谐振器天线节，改善混合天线的整体阻抗匹配。
进一步地，所述第一金属贴片、所述第二金属贴片的形状均设置为矩形，具有低的剖面高度，天线整体高度仅为1.2mm(～0.11λ1@28GHz)；在同一天线结构下混合多种辐射单元，结构紧凑，只需较小的单元平面尺寸便可实现，单元平面尺寸为0.37λ1×0.37λ1(～λ1@28GHz)，远小于现有的平面尺寸(≥0.5×0.5λ02)。
进一步地，所述第一金属贴片印刷于所述第一基板顶面中心处，相应的，所述第二金属贴片印刷于所述第二基板顶面中心处。
进一步地，所述环绕贴片呈矩形布置。
进一步地，所述环绕贴片包括四个L型的金属带条。
进一步地，两圈所述金属化通孔均呈矩形布置。
进一步地，所述交叉缝隙包括中心处垂直相交的两个直线型缝隙。
进一步地，两个所述直线型缝隙的长度比为1：2-1：3。
一种天线阵列，包括若干个所述面向5G毫米波双频双宽带圆极化多谐振器天线，所述天线阵列为波束扫描天线陈列，面向5G毫米波双频双宽带圆极化多谐振器天线，同时能兼顾较小平面尺寸和低剖面的优异特性，可以方便地拓展为波束扫描天线阵列，极具实用价值，优选的，若干个所述面向5G毫米波双频双宽带圆极化多谐振器天线呈1×n阵列拓展的，该天线构建的1×4阵列具有良好的波束扫描能力，在28GHz和39GHz处分别具有±45°和±30°波束扫描性能，具有良好的辐射性能，方向图对称，交叉极化较小，同时具有结构紧凑、宽频的双频段、每个谐振点可以进行单独调节等优点。
实际使用时，射频激励信号由底层的微带线馈入，通过交叉缝隙耦合，对位于其上的天线结构进行馈电。该结构中，馈电的交叉缝隙本身也可作为一个辐射单元提供一个圆极化模式工作于28GHz频段；位于第一基板的上表面的环绕贴片可以产生另一个圆极化模式工作于28GHz频段；层叠设置的第一金属贴片和第二金属贴片可以分别产生贴片基模TM01两个谐振模式，产生的两个圆极化模式工作于39GHz频段；由此，每个频段均存在两个圆极化模式从而实现毫米波双频段宽频的工作效果。即采用在金属地上蚀刻的交叉缝隙、同时激励环绕贴片-交叉缝隙-层叠金属贴片四个辐射结构，在每个频段均可以存在两个圆极化模式，实现了28GHz和39GHz这两个5G毫米波热点频段的宽频圆极化工作效果；该天线结构紧凑，具有较小的辐射单元尺寸，可以方便地拓展为波束扫描天线阵列。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明的天线单元采用在金属地上蚀刻的交叉缝隙、同时激励环绕贴片-交叉缝隙-层叠金属贴片四个辐射结构，在每个频段均可以存在两个圆极化模式，实现了28GHz和39GHz这两个5G毫米波热点频段的宽频圆极化工作效果；
2、本发明的天线单元采用两圈金属化通孔，抑制表面波，提高天线增益；
3、本发明的天线单元结构紧凑，具有较小的辐射单元尺寸，可以方便地拓展为波束扫描天线阵列；
4、本发明的天线阵列具有良好的波束扫描能力，同时具有结构紧凑、宽频的双频段、每个谐振点可以进行单独调节等优点。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
图1为本发明的爆炸图。
图2为本发明的侧视图。
图3为本发明的俯视图。
图4为本发明的仰视图。
图5为本发明中交叉缝隙的结构示意图。
图6为本发明实施例3的结构示意图。
图7为本发明实验例中天线单元的仿真结果图。
图8为本发明实验例中天线单元的仿真方向图，其中，(a)为28GHz处的仿真方向图，(b)为39GHz处的仿真方向图。
图9为本发明实验例中天线阵列的仿真结果图。
图10为本发明实验例中天线阵列的仿真方向图，其中，(a)为28GHz处的仿真方向图，(b)为39GHz处的仿真方向图。
图11为本发明实验例中天线阵列的波束扫描范围仿真结果，其中，(a)为28GHz处的仿真结果图，(b)为39GHz处的仿真结果图。
其中，附图标记为：1、环绕贴片；2、金属贴片；3、金属化通孔；4、第一基板；5、金属贴片；6、基片集成波导背腔；7、第二基板；8、交叉缝隙；9、金属地；10、第三基板；11、微带线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。当然，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
参见图1与图7，本发明提供其技术方案为，一种面向5G毫米波双频双宽带圆极化多谐振器天线，其中，包括：
第一基板4，顶面中心处印刷呈矩形的第一金属贴片2，第一金属贴片2周围设置呈矩形的环绕贴片1，环绕贴片1包括首尾相间隔设置的4个L型的金属带条；
第二基板7，顶面中心处印刷呈矩形的第二金属贴片5，第二基板7的顶面通过粘合板与第一基板4底面相连接，第二金属贴片5位于第一金属贴片2正下方，第三基板10的顶面通过粘合板与第二基板7的底面相连接；
第三基板10，顶面设置蚀刻有交叉缝隙8的金属地9，底面设置用于馈电的微带线11；
以及两圈呈矩形布置的金属化通孔3，抑制表面波，提高天线增益，由内至外环绕设置在环绕贴片1外侧，位于内圈的金属化通孔3贯穿第二基板7并向下延伸至贯穿第三基板10形成基片集成波导背腔6，位于外圈的金属化通孔3依次贯穿第一基板4、第二基板7并向下延伸至金属地9顶面，位于外圈金属化通孔3以外的第一基板4的顶面部分作印刷金属处理。
使用时，在微带线11上引入λ0/4阻抗变换线和开路枝米波双频双宽带圆极化多谐振器天线节，改善混合天线的整体阻抗匹配，射频激励信号由底层的微带线11馈入，通过交叉缝隙8耦合，对位于其上的天线结构进行馈电。该结构中，馈电的交叉缝隙8本身也可作为一个辐射单元提供一个圆极化模式工作于28GHz频段；位于第一基板4的上表面的环绕贴片1可以产生另一个圆极化模式工作于28GHz频段；层叠设置的第一金属贴片2和第二金属贴片5可以分别产生贴片基模TM01两个谐振模式，产生的两个圆极化模式工作于39GHz频段；由此，每个频段均存在两个圆极化模式从而实现毫米波双频段宽频的工作效果。即采用在金属地9上蚀刻的交叉缝隙8、同时激励环绕贴片-交叉缝隙-层叠金属贴片四个辐射结构，在每个频段均可以存在两个圆极化模式，实现了28GHz和39GHz这两个5G毫米波热点频段的宽频圆极化工作效果；该天线结构紧凑，具有较小的辐射单元尺寸，同时兼顾较小平面尺寸和低剖面的优异特性，可以方便地拓展为波束扫描天线阵列，极具实用价值。
该天线具有低的剖面高度，天线整体高度仅为1.2mm(～0.11λ1@28GHz)；在同一天线结构下混合多种辐射单元，结构紧凑，只需较小的单元平面尺寸便可实现，单元平面尺寸为0.37λ1×0.37λ1(～λ1@28GHz)，远小于现有的平面尺寸(≥0.5×0.5λ02)。
实施例2
在实施例1的基础上，交叉缝隙包括中心处垂直相交的两个直线型缝隙，两个直线型缝隙的长度比为1：2-1：3。
实施例3
一种天线阵列，包括实施例1或2中面向5G毫米波双频双宽带圆极化多谐振器天线构建的1×4阵列拓展，即以面向5G毫米波双频双宽带圆极化多谐振器天线为天线单元构建的1×4阵列拓展，天线阵列为波束扫描天线陈列，具有良好的波束扫描能力，在28GHz和39GHz处分别具有±45°和±30°波束扫描性能，具有良好的辐射性能，方向图对称，交叉极化较小，同时具有结构紧凑、宽频的双频段、每个谐振点可以进行单独调节等优点。
实验例
使用HFSS仿真软件，其天线单元和阵列的结构如图1至图6所示。本案例中的第一基板4、第二基板7、第三基板10采用的低介电常数介质基板的介电常数为3.55，损耗角为0.0027；第一基板4、第二基板7、第三基板10之间的两个粘合板的介电常数均为3.66，损耗角为0.0037。整体剖面高度1.2mm(～0.11λ0@28GHz)，平面尺寸0.37λ1×0.37λ1(～λ1@28GHz)。
天线单元的传输响应如图7所示，该天线的阻抗带宽和轴比带宽的重合带宽在28/39GHz频段分别达到19.76％(24.18–29.53GHz)和10.51％(36.78–40.86GHz)，可见很好的覆盖了n257、n258、n261以及n260的这四个5G毫米波热点频段，实现了毫米波双频段的宽频覆盖。由辐射响应图7可知本天线的峰值增益分别达到6.02dBi和7.1dBi。图8为本天线单元的仿真方向图，其中(a)为28GHz处的仿真方向图，(b)为39GHz处的仿真方向图，由图可知天线两个毫米波频段的方向图对称，在主辐射方向上，RHCP(右旋圆极化)比LHCP(左旋圆极化)强20dB以上，验证了良好的RHCP波。
天线阵列的传输响应如图9所示，阵列的重合带宽在28/39GHz频段分别达到21.66％(23.75–29.52GHz)和12.54％(36.25–41.1GHz)，可见该天线单元构建的1×4阵列仍然能够很好的覆盖n257、n258、n261以及n260的这四个5G毫米波热点频段，实现了毫米波双频段的宽频覆盖。天线单元之间的相互耦合性能也如图9所示，互耦在低频段低于-16.2dB，在高频段低于-18.3dB。天线阵列在28GHz和39GHz两个频点处的方向图如图10所示，从图中看出天线阵列的方向图对称，在主辐射方向上，RHCP比LHCP强21.5dB以上，验证了良好的RHCP波。该阵列天线的二维波束扫描性能如图11所示。图11(a)中，本天线阵列在28GHz时可实现阵列辐射扫描角度为θ＝[0、±15、±30、±45]；图11(b)中，本天线阵列在39GHz时可实现阵列辐射扫描角度为θ＝[0、±10、±20、±30]。由此可见，本文所提出的天线适用于波束扫描阵列，基于该天线构建的1×4阵列在28GHz和39GHz处分别具有±45°和±30°波束扫描性能。根据上述仿真结果，该1×4直线天线阵列具有良好的波束扫描性能，适合波束扫描应用。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种面向5G毫米波双频双宽带圆极化多谐振器天线，其特征在于，包括：
第一基板(4)，顶面印刷第一金属贴片(2)，所述第一金属贴片(2)周围设置环绕贴片(1)，所述环绕贴片(1)包括首尾相间隔设置的若干个金属带条；
第二基板(7)，顶面印刷第二金属贴片(5)，所述第二基板(7)的顶面通过粘合板与第一基板(4)底面相连接，所述第二金属贴片(5)位于所述第一金属贴片(2)正下方；
第三基板(10)，顶面设置蚀刻有交叉缝隙(8)的金属地(9)，底面设置用于馈电的微带线(11)，所述第三基板(10)的顶面通过粘合板与所述第二基板(7)的底面相连接；
以及两圈金属化通孔(3)，由内至外环绕设置在所述环绕贴片(1)外侧，位于内圈的所述金属化通孔(3)贯穿所述第二基板(7)并向下延伸至贯穿所述第三基板(10)形成基片集成波导背腔(6)，位于外圈的所述金属化通孔(3)依次贯穿所述第一基板(4)、所述第二基板(7)并向下延伸至所述金属地(9)顶面，位于外圈所述金属化通孔(3)以外的所述第一基板(4)的顶面部分作印刷金属处理。
2.根据权利要求1所述的面向5G毫米波双频双宽带圆极化多谐振器天线，其特征在于，使用时，在所述微带线(11)上引入λ0/4阻抗变换线和开路枝米波双频双宽带圆极化多谐振器天线节。
3.根据权利要求1或2所述的面向5G毫米波双频双宽带圆极化多谐振器天线，其特征在于，所述第一金属贴片(2)、所述第二金属贴片(5)的形状均设置为矩形。
4.根据权利要求1-3任一项所述的面向5G毫米波双频双宽带圆极化多谐振器天线，其特征在于，所述第一金属贴片(2)印刷于所述第一基板(4)顶面中心。
5.根据权利要求1-4任一项所述的面向5G毫米波双频双宽带圆极化多谐振器天线，其特征在于，所述环绕贴片(1)呈矩形布置。
6.根据权利要求1-5任一项所述的面向5G毫米波双频双宽带圆极化多谐振器天线，其特征在于，所述环绕贴片(1)包括四个L型的金属带条。
7.根据权利要求1-6任一项所述的面向5G毫米波双频双宽带圆极化多谐振器天线，其特征在于，两圈所述金属化通孔(3)均呈矩形布置。
8.根据权利要求1-7任一项所述的面向5G毫米波双频双宽带圆极化多谐振器天线，其特征在于，所述交叉缝隙包括中心处垂直相交的两个直线型缝隙。
9.根据权利要求1-8任一项所述的面向5G毫米波双频双宽带圆极化多谐振器天线，其特征在于，两个所述直线型缝隙的长度比为1：2-1：3。
10.一种天线阵列，其特征在于，包括若干个如权利要求1-9任一项所述的面向5G毫米波双频双宽带圆极化多谐振器天线。
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