CN117374607A - 贴片/透射阵结构复用的微波/毫米波双频圆极化天线 - Google Patents
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Abstract
本发明提供贴片/透射阵结构复用的微波/毫米波双频圆极化天线，包括透射阵阵面、频率选择表面、四个L形探针、微波馈电网络和用于发出线极化电磁波的线极化馈源，频率选择表面位于微波馈电网络顶部，线极化馈源位于微波馈电网络下方；透射阵阵面位于频率选择表面上方，四个L形探针设置在微波馈电网络上且关于结构中心旋转对称。本发明利用空间馈电的透射阵天线作为毫米波天线，解决了传统直馈式毫米波阵列馈电网络复杂、馈电损耗高的问题，本发明在微波、毫米波频段均具有宽带、高增益的特性，优于目前的技术水平。
Description
技术领域
本发明涉及天线技术领域，特别涉及一种贴片和透射阵结构复用的微波/毫米波双频宽带天线。
背景技术
当前，第五代移动通信技术(5G)的规模化商用已步入快车道，成为了最新一代的通信技术。就频带划分而言，5G主要包括微波(Sub-6GHz)和毫米波两个大的频带范围，其中，微波频带具有穿透性好、信号稳定等的优势，可用于较远距离或存在障碍物的通信环境中，而毫米波频带则具有传输速度快、低延时、大带宽等的优势，可用于短距离的高速通信。为了实现“万物互联”的目标，未来的通信系统势必是兼具有微波和毫米波两个频带通信能力的，这将极大程度地推动科技以及人们日常生活的发展，但同时也为通信系统中的天线设计带来了很大的挑战。
面向5G通信系统，天线设计中的微波/毫米波共存是一个目前广受关注的问题。这是因为如果只是单纯的将两个频段的天线组合放置在一起，则有可能因为天线之间的电磁耦合而导致方向图畸变、隔离度变差等性能方面的问题，同时，采用这一方案也会使得整个天线系统的尺寸过大，不利于实际应用。相较之下，如果可以将两个频段的天线结构有机地结合在一起，做到部分或全部结构的复用，同时充分考虑到两个频段天线性能的独立性，则可以有效实现高性能、小型化的微波/毫米波双频天线，例如，文献[1-3]分别介绍了四款采用该方案的天线设计，它们分别通过单极子天线/波导缝隙天线，贴片天线/波导缝隙天线，贴片天线/栅格天线复用的形式实现了微波/毫米波双频功能。但针对目前的技术水平，仍然存在有一些亟待解决和改善的问题，这包括：1)设计方面，由于毫米波频段的电磁波在大气中的传播损耗较高，因此该频段的天线通常采用阵列的形式，通过高增益来补偿传播损耗，而传统的天线阵列往往需要引入复杂的馈电网络来给每个单元馈电，这无形中会引入较高的馈电损耗，同时增加了天线的复杂度；2)性能方面，已报道的天线设计较少能够同时实现微波、毫米波两个频带的宽带和高增益；3)尺寸方面，已报道的天线设计在结构上多数为微波、毫米波结构的部分复用，因此较难实现高结构复用率，进而可能存在尺寸较大的问题。另一方面，圆极化天线在实际当中有着非常广泛的应用，它可以有效解决通信过程中的极化失配问题同时降低多径效应带来的负面影响，然而，目前已报道的文献中却较少有高性能的圆极化微波/毫米波双频天线提出。
[1]Y.Su,X.Q.Lin,and Y.Fan,“Dual-band coaperture antenna based onasingle-layer mode composite transmission line,”IEEE Trans.Antennas Propag.,vol.67no.7,pp.4825-4829,Jul.2019.
[2]J.F.Zhang,Y.J.Cheng,Y.R.Ding,and C.X.Bai,“A dual-band shared-aperture antenna with large frequency ratio,high aperture reuse efficiency,and high channel isolation,”IEEE Trans.Antennas Propag.,vol.67,no.2,pp.853-860,Feb.2019.
[3]G.Xu,H.-L.Peng,Z.Shao,L.Zhou,Y.Zhang,and W.-Y.Yin,“Dual-banddifferential shifted-feed microstrip grid array antenna with two parasiticpatches,”IEEE Trans.Antennas Propag.,vol.68,no.3,pp.2434-2439,Mar.2020.
发明内容
本发明提出了一种贴片/透射阵结构复用的微波/毫米波双频圆极化天线，旨在解决微波/毫米波大频率比情况下的双频圆极化天线设计问题。本发明利用空间馈电的透射阵天线作为毫米波天线，解决了传统直馈式毫米波阵列馈电网络复杂、馈电损耗高的问题。同时，通过微波贴片与透射阵阵面结构复用的形式，实现了天线结构的高复用率以及天线系统的小型化。在性能方面，本发明在微波、毫米波频段均具有宽带、高增益的特性，优于目前的技术水平。
为了实现本发明目的，本发明提供一种贴片/透射阵结构复用的微波/毫米波双频圆极化天线，包括透射阵阵面、频率选择表面、四个L形探针、微波馈电网络和用于发出线极化电磁波的线极化馈源，
频率选择表面位于微波馈电网络顶部，线极化馈源位于微波馈电网络下方；透射阵阵面位于频率选择表面上方，四个L形探针设置在微波馈电网络上且关于结构中心旋转对称。
与现有技术相比，本发明至少能够实现以下有益效果：
(1)本发明提出了一种贴片/透射阵结构复用的微波/毫米波双频圆极化天线，在毫米波频段时，天线以透射阵的形式工作，而在微波频段时，透射阵的阵面部分可以等效为金属贴片，天线以贴片天线的形式工作。
(2)为了使透射阵天线实现较高的口径效率，本发明将贴片天线的金属地板替换为具有带通特性的频率选择表面，并将馈源部分安置于频率选择表面下方。当天线工作于毫米波频段时，馈源发出的电磁波将无遮挡地通过频率选择表面直达阵面，而当天线工作于微波频段时，频率选择表面呈阻带特性，可完全反射电磁波，等效为金属地板。
(3)在本质上，本发明采用空间馈电的透射阵天线作为毫米波频段的辐射器，因此，相较于传统的直馈天线阵列，本发明在毫米波频段具有馈电简单、馈电损耗低、高增益等的优势。同时，由于透射阵阵面和金属贴片的完全复用，本发明具有结构复用率高、站址面积小的优点。
(4)在天线性能方面，本发明在微波、毫米波频段均可以实现宽带(微波：45％、毫米波：31.5％)、高增益(微波：9.7dBic、毫米波：27.6dBic)的特性，优于目前的技术水平。本发明工作于2.4GHz/60GHz频带，毫米波、微波频率比达25：1，结构复用率达100％，可用于Wi-Fi/Wi-Gig应用。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种贴片/透射阵结构复用的微波/毫米波双频圆极化天线的结构示意图。
图2是是本发明实施例提供的一种贴片/透射阵结构复用的微波/毫米波双频圆极化天线的侧视图。
图3是本发明实施例提供的一种贴片/透射阵结构复用的微波/毫米波双频圆极化天线的俯视图。
图4是本发明实施例中阵面的俯视图。
图5是本发明实施例中阵面单元的结构示意图。
图6是本发明实施例中频率选择表面的结构示意图。
图7是本发明实施例中频率选择表面的单元结构示意图。
图8是本发明实施例中微波馈电网络的底视图。
图9是本发明实施例中阵面上不同阵面单元的透射率和移相相位随频率变化的关系图。
图10是本发明实施例中天线的阻抗匹配特性示意图。
图11是本发明实施例中天线的轴比与增益性能示意图。
图12是本发明实施例中天线在中心频率2.5GHz时XOZ面((a)图)与YOZ面((b)图)的方向图。
图13是本发明实施例中天线的反射系数示意图。
图14是本发明实施例天线的轴比与增益性能示意图。
图15是本发明实施例天线在60GHz时的XOZ面((a)图)与YOZ面((b)图)方向图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都是本发明保护的范围。
本发明提供了一种贴片/透射阵结构复用的微波/毫米波双频圆极化天线。图1至图3分别为天线结构的全视图、侧视图以及俯视图。所述天线包括透射阵阵面11、频率选择表面12、L形探针13、微波馈电网络22和用于发出线极化电磁波的线极化馈源21，其中，频率选择表面12和微波馈电网络22为多层PCB压合板，频率选择表面12位于微波馈电网络22上方，透射阵阵面11位于频率选择表面12上方，线极化馈源21位于频率选择表面12下方，L形探针13共有4个，分别安置于微波馈电网络22之上且关于结构中心旋转对称。
在本发明的其中一些实施例中，图4所示为透射阵阵面11的俯视图，所述透射阵阵面包括两层PCB板，板材均采用Rogers 5880，相对介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，厚度均为0.508mm。
透射阵阵面11中共包括324个阵面单元，以18×18的形式排列。阵面单元的结构如图5所示，将两层PCB板分别定义为第一PCB板51和第二PCB板52，板上的金属层分别为第一金属层53、第二金属层54和第三金属层55，其中，第一PCB板51和第二PCB板52上设置有第一金属通孔50，第二PCB板52上设置有四个第二金属通孔56，第一金属层53上设置有一个开口的椭圆环形贴片57，第二金属层54为金属地板，第三金属层55上设置有四个旋转对称的第一正方形贴片58和一个位于结构中心处的矩形贴片59，第一金属通孔50连通椭圆环形贴片57和矩形贴片59，第二金属通孔56连通第二金属层54和第一正方形贴片58。在整个阵面中，不同阵面单元的椭圆环形贴片57是关于第一金属通孔50旋转设置的，具体旋转角度θ取决于该阵面单元所需的相移大小，旋转角度与移相大小为相等关系，而相移大小的计算可由费马原理(Fermat’sprinciple)确定，即：
其中，x和y表示透射阵阵面11上某点在x方向和y方向上的坐标，f表示透射阵阵面11的焦距，λ表示毫米波频段中心频率处的自由空间波长，表示任意初始相位；/>即表示点(x,y)处所需的移相大小。不同阵面单元中，椭圆环形贴片57的旋转角度θ不同，其余结构参数均相同。
在本发明的其中一些实施例中，图6所示为频率选择表面12的俯视图，频率选择表面12包括两层PCB板，板材均为Rogers 5880，厚度均为0.254mm，共包括6400个频率选择单元，各个频率选择单元的结构以及参数均相同，以80×80的形式排列。
图7所示为频率选择单元结构的全视图，将两层PCB板分别为定义第三PCB板71和第四PCB板72，PCB板上的金属层分别为第四金属层73、第五金属层74和第六金属层75，其中，第四金属层73和第六金属层75上分别设置有第二方形贴片76和第三方形贴片77，两者的结构参数均相同，第五金属层74上开设有十字形缝隙78。
在本发明的其中一些实施例中，图8所示为微波馈电网络22的底视图，所述微波馈电网络22采用单层PCB板，板材为Rogers 5880，厚度为0.787mm。
所述微波馈电网络22包括两级威尔金森功分器，隔离电阻81为100Ω的集总电阻。通过调整功分器上传输线的长度，所述微波馈电网络可以实现等幅的序列馈电，即四个输出端口，分别为第一输出端口82、第二输出端口83、第三输出端口84、第四输出端口85，具有相同的信号幅度且相位分别为0°、90°、180°和270°。由于微波馈电网络22为微带线结构，为防止由馈源发出的电磁波被微带线背面的金属地板阻挡，微波馈电网络22的地板中心处蚀刻有一个正方形的透波槽86。
在本发明的其中一些实施例中，照射馈源21采用喇叭，可以理解的是，在其他实施例中，也可以采用其他线极化馈源。
工作原理上，该天线可以同时工作在微波、毫米波两个频段。在毫米波频段时，天线工作为透射阵，喇叭为照射馈源，可发出线极化的电磁波。由于频率选择表面12具有带通特性，因此电磁波可以通过频率选择表面12，然后直达透射阵阵面11。透射阵阵面11为收/发型阵面，电磁波由第二PCB板52上的线极化接收单元接收，然后再由第一PCB板51上的圆极化发射单元发射至大气，在此过程中，既可以实现线-圆极化的转换，同时椭圆环形贴片57的旋转可以实现单元移相，通过各个不同单元的相位补偿，透射阵阵面11可以将入射的球面波转换为出射的平面波，进而实现聚焦波束达到高增益的效果。图9为阵面上不同单元的透射率和移相相位随频率变化的关系图，可以看出，各个阵面单元的透射率几乎相同且在带内均大于0.8，相位随频率呈线性变化关系，阵面单元间的相对相位差几乎恒定为45度，这说明该透射阵单元具有较高的透射率且同时具有宽带特性。
在微波频段时，透射阵的透射阵阵面11可以等效为一整块金属贴片，因此，该天线以贴片天线的形式工作，具体地，透射阵阵面11中的阵面单元的大小为0.5λmm×0.5λmm(λmm表示毫米波频段的自由空间波长)，该尺寸换算到微波频段后小于十分之一微波频段自由空间波长，同时，阵面上不同金属层之间的间距也小于微波频段十分之一波长，因此，透射阵阵面11上的各个结构可以被视作为极电小结构，从微波频段的电磁波看来，透射阵阵面11等效为一整块的金属贴片。由于微波馈电网络22采用序列馈电的方式，通过两对L型探针13的激励，该天线可实现宽带的圆极化辐射。另一方面，与上述等效关系类似，频率选择表面12在微波频段时呈带阻特性，因此，频率选择表面12可等效为金属地板，天线的工作原理类似于传统贴片天线，天线性能几乎没有影响。
性能方面，图10至图12所示为天线在微波频段的性能参数。图10为天线的阻抗匹配特性，在2.04GHz～3.83GHz范围内天线的反射系数小于-10dB，其-10dB阻抗带宽为61％，该天线的阻抗匹配良好，具有宽带特性，图11所示为天线的轴比与增益性能，在1.92GHz～3.06GHz范围内，天线的轴比小于3dB，其3dB轴比带宽为45％，峰值增益为9.5dBic，在整个通带范围内，天线的增益波动小于3dB，性能稳定。图12所示为天线在中心频率2.5GHz时XOZ面与YOZ面的方向图，该天线的方向图与传统圆极化贴片的方向图近似，故该透射阵阵面在微波频段时与普通金属贴片表现近似。
图13至图15所示为天线在毫米波频段的性能参数。图13所示为天线的反射系数，该天线在50GHz～73GHz内反射系数均小于-10dB，透射性能良好。图14所示为天线的轴比与增益性能，该天线的3dB增益频带为51.5GHz～70.9GHz，其3dB增益带宽为31.6％，峰值口径效率为51％。在3dB增益频带内，该天线的轴比均低于1dB，说明该天线具有高增益、宽带的特性。在60GHz时，天线的XOZ面与YOZ面方向图如图15所示，该天线的E面、H面旁瓣均低于-15dB，性能良好。
本发明前述实施例提供了一种工作于微波/毫米波大频率比情况下的双频圆极化天线设计。该天线在毫米波频段与微波频段下分别工作为透射阵与贴片形式。与现有技术相比，本发明具有毫米波频段馈电简单、馈电损耗低，同时微波、毫米波结构复用率高，小型化，宽带等优势。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种贴片/透射阵结构复用的微波/毫米波双频圆极化天线，其特征在于，包括透射阵阵面(11)、频率选择表面(12)、四个L形探针(13)、微波馈电网络(22)和用于发出线极化电磁波的线极化馈源(21)，
频率选择表面(12)位于微波馈电网络(22)顶部，线极化馈源(21)位于微波馈电网络(22)下方；透射阵阵面(11)位于频率选择表面(12)上方，四个L形探针(13)设置在微波馈电网络(22)上且关于结构中心旋转对称。
2.根据权利要求1所述的一种贴片/透射阵结构复用的微波/毫米波双频圆极化天线，其特征在于，透射阵阵面(11)包括多个阵面单元，每个阵面单元包括第一PCB板(51)和第二PCB板(52)，且第一PCB板(51)上表面、第一PCB板(51)和第二PCB板(52)之间、第二PCB板(52)下表面分别设置有第一金属层(53)、第二金属层(54)和第三金属层(55)，第一PCB板(51)和第二PCB板(52)上设置有第一金属通孔(50)，第二PCB板(52)上设置有第二金属通孔(56)，第一金属层(53)上设置有一个开口的椭圆环形贴片(57)，第二金属层(54)为金属地板，第三金属层(55)设置有矩形贴片(59)和旋转对称设置在矩形贴片(59)外侧的第一正方形贴片(58)，椭圆环形贴片(57)和矩形贴片(59)之间通过第一金属通孔(50)连通，第二金属层(54)和第一正方形贴片(58)通过第二金属通孔(56)连通。
3.根据权利要求2所述的一种贴片/透射阵结构复用的微波/毫米波双频圆极化天线，其特征在于，不同阵面单元的椭圆环形贴片(57)关于第一金属通孔(50)旋转设置，旋转角度θ由阵面单元所需的相移大小决定。
4.根据权利要求3所述的一种贴片/透射阵结构复用的微波/毫米波双频圆极化天线，其特征在于，相移大小的计算方式为
其中，x和y表示透射阵阵面(11)上某点在x方向和y方向上的坐标，f表示透射阵阵面(11)的焦距，λ表示毫米波频段中心频率处的自由空间波长，表示任意初始相位；即表示点(x，y)处所需的移相大小。
5.根据权利要求2所述的一种贴片/透射阵结构复用的微波/毫米波双频圆极化天线，其特征在于，透射阵阵面(11)的不同阵面单元中，椭圆环形贴片(57)的旋转角度θ不同，其余结构参数均相同。
6.根据权利要求1所述的一种贴片/透射阵结构复用的微波/毫米波双频圆极化天线，其特征在于，频率选择表面(12)包括多个频率选择单元，每个频率选择包括第三PCB板(71)和第四PCB板(72)，第三PCB板(71)的上表面、第三PCB板(71)和第四PCB板(72)之间、第四PCB板(72)下表面分别设置有第四金属层(73)、第五金属层(74)和第六金属层(75)，其中，第四金属层(73)和第六金属层(75)上分别设置有第二方形贴片(76)和第三方形贴片(77)，第五金属层(74)上开设有十字形缝隙(78)。
7.根据权利要求6所述的一种贴片/透射阵结构复用的微波/毫米波双频圆极化天线，其特征在于，第二方形贴片(76)和第三方形贴片(77)的结构参数相同。
8.根据权利要求1所述的一种贴片/透射阵结构复用的微波/毫米波双频圆极化天线，其特征在于，所述微波馈电网络(22)为单层PCB板。
9.根据权利要求1所述的一种贴片/透射阵结构复用的微波/毫米波双频圆极化天线，其特征在于，所述微波馈电网络(22)包括两级威尔金森功分器，两级威尔金森功分器包括隔离电阻(81)和四个输出端口，四个输出端口具有相同的信号幅度且相位分别为0°、90°、180°和270°，且微波馈电网络(22)上蚀刻有透波槽(86)。
10.根据权利要求1-9任一所述的一种贴片/透射阵结构复用的微波/毫米波双频圆极化天线，其特征在于，所述线极化馈源(21)为喇叭。
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|---|---|---|---|---|
| CN117335169A (zh) * | 2023-09-07 | 2024-01-02 | 苏州欣天盛科技有限公司 | 用于5g毫米波系统的双频双圆极化透射阵天线及方法 |
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2023
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| CN117335169B (zh) * | 2023-09-07 | 2024-04-19 | 苏州欣天盛科技有限公司 | 用于5g毫米波系统的双频双圆极化透射阵天线及方法 |
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