CN117559129A - 一种基于寄生结构复用的微波毫米波共口径天线 - Google Patents

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Abstract

本发明属于微波毫米波通信技术领域，具体涉及一种基于寄生结构复用的微波毫米波共口径天线。本发明包括自上而下层叠设置的第一基板、第二基板及第三基板；第一基板上方设置微带多贴片结构；第一基板与第二基板均阵列设置若干个接地金属通孔；第二基板阵列设置若干个金属化槽；第三基板上表面设置金属地；金属地上表面设置一字型缝隙和H型缝隙，其中一字型缝隙用于高频馈电，H型缝隙用于低频馈电；第三基板下表面设置用于低频馈电的第一微带线结构以及用于高频馈电的第二微带线结构。本发明在实现微波/毫米波双频带覆盖的同时能够实现毫米波频段宽角度的波束扫描并兼具较小平面尺寸的优异特性，空间利用率极高。

Description

一种基于寄生结构复用的微波毫米波共口径天线
技术领域
本发明属于微波毫米波通信技术领域，具体涉及一种基于寄生结构复用的微波毫米波共口径天线。
背景技术
近年来，5G系统已在许多国家部署，6G系统的研究正在兴起,与在Sub-6 GHz频段运行的4G移动网络相比，5G和6G系统都引入了毫米波频段，与Sub-6G微波频段合作，在不同场景下支持前所未有的高质量无线通信。因此，微波与毫米波技术的共存是新兴无线通信系统的必然趋势。就终端天线而言，其面临着如何在本已十分受限的空间内对微波天线与毫米波天线阵列进行设计集成这一显著问题，其中，微波天线须在实现宽带或双频带的同时具备极低的剖面高度以满足设备的轻薄化需求。为了克服较高的传输损耗以及保持原有的单元覆盖角度，毫米波天线需为具有波束扫描能力的相控天线阵列。此外，毫米波和毫米波天线应覆盖某些商业频段，如微波的n79频段(4.4-5GHz)和毫米波的n257频段(26.5-29.5GHz)。可以预测，该问题还将随着更多新增频谱的纳入而变得更加棘手。微波/毫米波共口径天线技术是解决上述问题的一条有效途径，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，天线实现共口径的方式主要有四种，第一种是将两副不同频率的天线水平或垂直放置来实现，这种共口径天线实现形式对空间的利用效率较低，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，模式复合传输线是指将经典的双导体传输线(例如微带线、带状线、共面波导等)的一个导体用具有封闭结构的基片集成波导(SIW：Substrate IntegratedWaveguide)来替换，从而实现低频信号走经典传输线，而高频信号走SIW的微波/毫米波双模传输结构。模式复合传输线结构虽可实现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，从而恶化小尺寸微波天线本已受限的性能；第四种是超表面结构(Meta-surface)的一面多用，即低频可用来构成超表面天线而高频被复用为频率选择表面，但是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。尤其在毫米波频段，因无法构建对称天线结构并加入多个馈电端口而难以实现毫米波相控波束扫描。
目前，微波/毫米波共口径天线实现方式主要有四种，第一种是将两副不同频率的天线相邻或垂直放置来实现，这种共口径天线实现形式对空间的利用效率较低；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，该结构在实际应用中会带来基带算法极其复杂，功耗剧增等问题；第三种是是嵌入式结构，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；第四种是是超表面天线结构，该结构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的不足，提出了一种基于寄生结构复用的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：
一种基于寄生结构复用的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、第二基板及第三基板；所述第一基板上方设置微带多贴片结构；所述第一基板与第二基板均阵列设置若干个接地金属通孔；所述第二基板阵列设置若干个金属化槽；所述第三基板上表面设置金属地；所述金属地上表面设置一字型缝隙和H型缝隙，其中一字型缝隙用于高频馈电，H型缝隙用于低频馈电；所述第三基板下表面设置用于低频馈电的第一微带线结构以及用于高频馈电的第二微带线结构；在微波频段，第一基板和第二基板构成了微波天线介质基板，微带多贴片结构作为微波天线辐射贴片；所述微带多贴片结构包括主辐射贴片、两侧两组1×8的第一蘑菇型寄生贴片及第二蘑菇型寄生贴片；射频激励信号由第一微带线结构馈入；第一蘑菇型寄生贴片或者第二蘑菇型寄生贴片与第一基板、第二基板及接地金属通孔共同组成蘑菇型寄生结构；由于蘑菇型寄生结构的加载，使得微波频段引入了一个寄生的谐振模式，实现了4.8GHz微波频段的宽带效果；在毫米波频段，将两个蘑菇型寄生结构复用为一个毫米波天线单元，该毫米波天线单元包括2个第一蘑菇型寄生贴片或者2个第二蘑菇型寄生贴片与第一基板、第二基板及接地金属通孔；射频激励信号由第二微带线结构馈入，通过金属地上的一字型缝隙对位于其上的毫米波天线单元进行耦合馈电，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，两组1×8的蘑菇型寄生结构组成了两组1×4的毫米波天线单元阵列，实现了毫米波波束扫描。
进一步的作为本发明的优选技术方案，所述第二基板上的金属化槽用于实现毫米波天线单元间的相互隔离。
进一步的作为本发明的优选技术方案，所述第二微带线结构包括第一端口至第八端口；所述第一端口至第八端口均为L型端口结构；所述第一端口至第四端口设置在一侧；所述第五端口至第八端口设置在另一侧；第一微带线结构包括第九端口。
本发明所述的一种基于寄生结构复用的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)本发明基于寄生结构复用技术实现了微波/毫米波共面共口径天线，寄生结构复用技术拥有极佳的高低频独立设计能力。在4.8GHz微波频段，本发明在主辐射贴片的两侧引入了蘑菇型的寄生结构阵列，从而获得了一个额外的寄生谐振模式，从而实现了微波的宽带效果。同时，在28GHz毫米波频段，本发明将两个蘑菇型寄生结构复用成为了一个毫米波天线单元，组成了两组1×4的毫米波天线阵列，可以获得较高的辐射增益。
(2)本发明利用馈电缝隙对每一个毫米波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。毫米波天线单元间还通过金属隔离槽结构来获得良好的隔离度。
(3)本发明在实现微波/毫米波双频带覆盖的同时能够实现毫米波频段的波束扫描并兼具低剖面及较小平面尺寸的优异特性，极具实用价值。
(4)本发明在主辐射贴片两侧分别引入了1×8的蘑菇型寄生结构，使得微波频段额外获得了一个寄生谐振模式，从而实现了微波频段的宽带效果。在此基础之上，将一侧的蘑菇型结构两两分组，复用为了四个毫米波天线单元，组成了两组1×4的毫米波天线阵列，2组毫米波天线阵列具有多个独立馈电端口，在实现微波/毫米波双频带覆盖的同时能够实现毫米波频段宽角度的波束扫描并兼具较小平面尺寸的优异特性，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是本发明实施例的微带多贴片结构示意图；
图3是本发明实施例的毫米波天线单元意图；
图4是本发明实施例在没有寄生结构的情况下天线的反射系数仿真结果；
图5是本发明实施例加载了寄生结构后天线的反射系数和增益的仿真结果；
图6是本发明实施例的天线在4.5GHz方向图天线的仿真方向图；
图7是本发明实施例的天线在4.8GHz方向图天线的仿真方向图；
图8是本发明实施例的天线在28GHz频段天线的反射系数和增益的仿真结果；
图9是本发明实施例的天线在28GHz天线波束扫描的仿真方向图；
图10是本发明实施例的天线的毫米波频段和微波频段的隔离仿真图；
图11是本发明实施例的天线的毫米波单元端口中的第二端口与第三端口之间有无金属化槽的隔离仿真图；
附图中，1、微带多贴片结构；1-1、主辐射贴片；1-2、第一蘑菇型寄生贴片；1-3、第二蘑菇型寄生贴片；2、第一基板；3、第二基板；4、金属地；5、第三基板；6、第一微带线结构；7、接地金属通孔；8、金属化槽；9、一字型缝隙；10、H型缝隙；11、第二微带线结构；11-1、第一端口；11-2、第二端口；11-3、第三端口；11-4、第四端口；11-5、第五端口；11-6、第六端口；11-7、第七端口；11-8、第八端口；6-1、第九端口。
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所示，一种基于寄生结构复用的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2、第二基板3及第三基板5；第一基板2上方设置微带多贴片结构1；第一基板2与第二基板3均阵列设置若干个接地金属通孔7；第二基板3阵列设置若干个金属化槽8；第三基板5上表面设置金属地4；金属地4上表面设置一字型缝隙9和H型缝隙10，其中一字型缝隙9用于高频馈电，H型缝隙10用于低频馈电；第三基板5下表面设置用于低频馈电的第一微带线结构6以及用于高频馈电的第二微带线结构11；在微波频段，第一基板2和第二基板3构成了微波天线介质基板，微带多贴片结构1作为微波天线辐射贴片。
如图2所示，微带多贴片结构1包括主辐射贴片1-1、两侧两组1×8的第一蘑菇型寄生贴片1-2及第二蘑菇型寄生贴片1-3；射频激励信号由第一微带线结构6馈入；第一蘑菇型寄生贴片1-2或者第二蘑菇型寄生贴片1-3与第一基板2、第二基板3及接地金属通孔7共同组成蘑菇型寄生结构；由于蘑菇型寄生结构的加载，使得微波频段引入了一个寄生的谐振模式，实现了4.8GHz微波频段的宽带效果。
如图3所示，在毫米波频段，将两个蘑菇型寄生结构复用为一个毫米波天线单元，该毫米波天线单元包括2个第一蘑菇型寄生贴片1-2或者2个第二蘑菇型寄生贴片1-3与第一基板2、第二基板3及接地金属通孔7；射频激励信号由第二微带线结构11馈入，通过金属地4上的一字型缝隙9对位于其上的毫米波天线单元进行耦合馈电，实现了28GHz毫米波频段的工作。
两组1×8的蘑菇型寄生结构组成了两组1×4的毫米波天线单元阵列，实现了毫米波波束扫描。第二基板3上的金属化槽8用于实现毫米波天线单元间的相互隔离。第二微带线结构11包括第一端口11-1至第八端口11-8；第一端口11-1至第八端口11-8均为L型端口结构；第一端口11-1至第四端口11-4设置在一侧；第五端口11-1至第八端口11-8设置在另一侧；第一微带线结构6包括第九端口6-1。
本发明基于寄生结构复用技术实现了微波/毫米波共面共口径天线，寄生结构复用技术拥有极佳的高低频独立设计能力。在4.8GHz微波频段，本发明在主辐射贴片1-1的两侧引入了蘑菇型的寄生结构阵列，从而获得了一个额外的寄生谐振模式，从而实现了微波的宽带效果。同时，在28GHz毫米波频段，本发明将两个蘑菇型寄生结构复用成为了一个毫米波天线单元，组成了两组1×4的毫米波天线阵列，可以获得较高的辐射增益。利用馈电缝隙对每一个毫米波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。毫米波天线单元间还通过金属隔离槽结构来获得良好的隔离度。
本发明是一种基于寄生结构复用的微波毫米波共面共口径天线，本发明采用的第三基板5的介电常数为3.55，损耗角为0.0027，厚度为0.305mm，第一基板2和第二基板3的介电常数为4.4，损耗角为0.02，厚度均为1.5mm。整体剖面高度3.305mm(～0.05λ0@4.8GHz)，平面尺寸29.6mm×25.4mm(～0.47×0.4λ02@4.8GHz)。天线的传输响应和辐射响应如图4-5和图8所示，对于S11≤-10dB，微波频段在没有引入寄生结构时，带宽范围为4.62-4.98GHz，如图4所示，在加载了寄生结构之后，带宽范围为4.3-5.1GHz，如图5所示。毫米波频段带宽范围为26.2-29.8GHz，可见两个频段很好的覆盖了5G中的n79频段(4.4-5.0GHz)以及5G毫米波n257频段(26.5-29.5GHz)，频带内增益分别为5dBi和11dBi以上。图6-7是在4.5GHz与4.8GHz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±40°范围。图10是天线在毫米波与微波频段之间隔离仿真图，4.8GHz和28GHz天线端口之间的隔离大于20dB。图11是毫米波单元之间有无金属化槽的隔离仿真对比图，毫米波段单元之间的隔离大于15dB。
本发明将一侧的蘑菇型结构两两分组，复用为了四个毫米波天线单元，组成了两组1×4的毫米波天线阵列，2组毫米波天线阵列具有多个独立馈电端口，在实现微波/毫米波双频带覆盖的同时能够实现毫米波频段宽角度的波束扫描并兼具较小平面尺寸的优异特性，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。
本方案提出的共口径天线可以有效的进行共面集成并实现毫米波段的波束扫描，其中微波天线能覆盖5G中的n79频段(4.4-5GHz)，毫米波天线能覆盖中国5G毫米波n257频段(26.5-29.5GHz)。
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 (4)

1.一种基于寄生结构复用的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(2)、第二基板(3)及第三基板(5)；其特征在于，所述第一基板(2)上方设置微带多贴片结构(1)；所述第一基板(2)与第二基板(3)均阵列设置若干个接地金属通孔(7)；所述第二基板(3)阵列设置若干个金属化槽(8)；所述第三基板(5)上表面设置金属地(4)；所述金属地(4)上表面设置一字型缝隙(9)和H型缝隙(10)，其中一字型缝隙(9)用于高频馈电，H型缝隙(10)用于低频馈电；所述第三基板(5)下表面设置用于低频馈电的第一微带线结构(6)以及用于高频馈电的第二微带线结构(11)；
在微波频段，第一基板(2)和第二基板(3)构成了微波天线介质基板，微带多贴片结构(1)作为微波天线辐射贴片；所述微带多贴片结构(1)包括主辐射贴片(1-1)、两侧两组1×8的第一蘑菇型寄生贴片(1-2)及第二蘑菇型寄生贴片(1-3)；射频激励信号由第一微带线结构(6)馈入；第一蘑菇型寄生贴片(1-2)或者第二蘑菇型寄生贴片(1-3)与第一基板(2)、第二基板(3)及接地金属通孔(7)共同组成蘑菇型寄生结构；由于蘑菇型寄生结构的加载，使得微波频段引入了一个寄生的谐振模式，实现了4.8GHz微波频段的宽带效果；
在毫米波频段，将两个蘑菇型寄生结构复用为一个毫米波天线单元，该毫米波天线单元包括2个第一蘑菇型寄生贴片(1-2)或者2个第二蘑菇型寄生贴片(1-3)与第一基板(2)、第二基板(3)及接地金属通孔(7)；射频激励信号由第二微带线结构(11)馈入，通过金属地(4)上的一字型缝隙(9)对位于其上的毫米波天线单元进行耦合馈电，实现了28GHz毫米波频段的工作。
2.根据权利要求1所述的一种基于寄生结构复用的微波毫米波共口径天线，其特征在于，两组1×8的蘑菇型寄生结构组成了两组1×4的毫米波天线单元阵列，实现了毫米波波束扫描。
3.根据权利要求2所述的一种基于寄生结构复用的微波毫米波共口径天线，其特征在于，所述第二基板(3)上的金属化槽(8)用于实现毫米波天线单元间的相互隔离。
4.根据权利要求1所述的一种基于寄生结构复用的微波毫米波共口径天线，其特征在于，所述第二微带线结构(11)包括第一端口(11-1)至第八端口(11-8)；所述第一端口(11-1)至第八端口(11-8)均为L型端口结构；所述第一端口(11-1)至第四端口(11-4)设置在一侧；所述第五端口(11-1)至第八端口(11-8)设置在另一侧；第一微带线结构(6)包括第九端口(6-1)。
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