CN206441865U - 一种网格方环加载过孔结构的2.5维超宽带移动通信天线罩 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种网格方环加载过孔结构的2.5维超宽带移动通信天线罩。主要由多个相同周期单元阵列组成的周期性频率选择表面，每个周期单元主要由上下两层介质层、设置在介质层上的金属贴片和金属过孔以及两层介质层之间的空气缝隙层组成；空间内的电磁场入射于所述天线罩，依次经过上层介质层、空气缝隙层和下层介质层的选择性滤波后，从下层介质层输出所需频段的电磁场，能在电磁波入射角度变化的情况下抑制杂波的能量。本实用新型适用于超宽带移动通信天线罩的设计，通带带宽大，带内插入损耗极小且稳定，尤其是入射电磁波在大角度变化时宽带性能稳定，频率选择性能佳。在移动通信、雷达、电磁屏蔽等领域都具有巨大的应用价值。

Description

一种网格方环加载过孔结构的2.5维超宽带移动通信天线罩

技术领域

本实用新型涉及了一种天线器件，尤其是涉及了一种网格方环加载过孔结构的2.5维超宽带移动通信天线罩，可用于超宽带(5G)移动通信。

背景技术

目前，全球各大通信制备公司开始未雨绸缪，积极研发5G移动通信网络。我国也在2013年和2014年启动5G移动网络一期、二期研究项目，并将其纳入到十二五和十三五计划当中。5G移动网络作为全球移动通信领域新一轮竞争的开始，已成为我国信息技术发展的首要任务。

与4G相比，5G不仅将进一步提升用户的网络体验，同时还将满足未来万物互联的应用需求。相比于4G/LTE的峰值速率(100Mbit/s)，5G的峰值速率期望达到10Gbit/s，而根据香浓公式，我们可以知道，在保证信噪比一定的情况下，加快传输速率需要增加通带带宽。因此，对5G实际应用的硬件设备提出了更高的要求，尤其是天线罩这一模块。针对5G通信，需要设计满足大于2GHz 带宽的通带，并且为了不使信号失真，需要满足如此宽带内的插入损耗至少小于0.6dB。此外，在实际通信环境下，所设计的天线罩需要满足入射电磁波大角度变化时，如此宽带的选择透过性仍可以达到指标，这无疑是一个新的挑战。

现有天线罩的实现方式，一般采用的是周期性频率选择表面结构。常见的单层或者双层金属频率选择表面结构可以实现窄带的空间滤波，或者选择性较差的宽通带的空间滤波。这里的选择性较差指的是通带内的插入损耗不平稳，通带内的插入损耗较大以及通带到阻带的过度较慢，无法保证阻带的抑制性能。此外，为了保证天线罩的角度稳定性，更多研究者旨在设计更加小型化的天线罩，而他们的研究点多数集中在将结构设计的曲折复杂化，从而引入分立的电容和电感。然而，随着5G工作频段的升高，对应天线罩的周期结构变得很小，因此可以用来曲折设计的空间也变得非常有限，所以类似方法的局限性油然而生。

实用新型内容

针对如何提高天线罩的通带特性，阻带特性，频率的选择性，尤其是电磁波大角度入射时的稳定性能，从而满足5G移动通信的硬件指标要求，本实用新型提出了一种网格方环加载过孔结构的2.5维超宽带移动通信天线罩。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案：

所述天线罩是主要由多个相同周期单元阵列组成的周期性频率选择表面，每个周期单元主要由上下两层介质层、设置在介质层上的金属贴片和金属过孔以及两层介质层之间的空气缝隙层组成；空间内的电磁场入射于所述天线罩，依次经过上层介质层、空气缝隙层和下层介质层的选择性滤波后，从下层介质层输出所需频段的电磁场，并能在电磁波入射角度变化的情况下抑制杂波的能量。

本实用新型周期单元结构的个数可依据实际用途选择20×20至40×40之间。

所述的周期单元包括上层金属贴片、上层介质板、空气缝隙层、下层介质板和下层金属贴片，上层介质板和下层介质板之间布置有作为空气缝隙层的间隙，上层金属贴片贴于上层介质板上表面，下层金属贴片贴于下层介质板下表面，上层金属贴片和下层金属贴片结构尺寸相同，上层介质板和下层介质板中分别开有贯穿板上下表面的上层金属过孔和下层金属过孔；空间内的电磁场从上层介质板上方入射，所述天线罩，依次经过上层金属贴片、上层金属过孔、空气缝隙层、下层金属过孔和下层金属贴片的选择性滤波后，从下层金属贴片输出所需频段的电磁场，能在入射大角度变化范围内大带宽幅度抑制杂波的能量。

所述的上层金属贴片包括方环形并且分别布置于上层介质板上表面中心内外的上层金属贴片内方环和上层金属贴片外方环，上层金属贴片外方环和上层介质板的外边长均为周期单元边长，上层金属贴片内方环和上层金属贴片外方环同心布置；所述的下层金属贴片包括方环形并且分别布置于下层介质板下表面中心内外的下层金属贴片内方环和下层金属贴片外方环，下层金属贴片外方环和下层介质板的外边长均为周期单元边长，下层金属贴片内方环和下层金属贴片外方环同心布置。

所述的上层金属过孔和下层金属过孔布置结构和尺寸相同，即下层金属过孔的分布方式在Z方向上与上层金属过孔对称分布并且尺寸相同。

所述的上层金属过孔包括分别布置在上层金属贴片内方环四角的四个内侧金属过孔和分别布置在上层金属贴片外方环四角的八个外侧金属过孔，八个外侧金属过孔以两个为一对形成四对，四对外侧金属过孔分别位于上层金属贴片外方环四角附近，每对外侧金属过孔分别位于对应的上层金属贴片内方环角的两条边的延长线上。

所述的下层金属过孔包括分别布置在下层金属贴片内方环四角的四个内侧金属过孔和分别布置在下层金属贴片外方环四角的八个外侧金属过孔，八个外侧金属过孔以两个为一对形成四对，四对外侧金属过孔分别位于下层金属贴片外方环四角附近，每对外侧金属过孔分别位于对应的下层金属贴片内方环角的两条边的延长线上。

优选地，具体实施的上层介质板和下层介质板的介电常数为2.2，介电损耗角正切为0.0009。损耗相对于其它介质较小。

沿介质板法向(Z坐标方向)贯穿布置在上下表面的所述金属过孔会增加金属贴片的有效电感和电容，在周期单元自身有限的空间内通过介质板法向另一维度的金属过孔大大减小周期单元尺寸，使入射电磁波在沿介质板法向的60°角度范围内变化，所述天线罩仍保持带宽的选择透过性。

本实用新型网格方环加载过孔结构的2.5维超宽带移动通信天线罩能够在 5G移动通信的应用。

本实用新型通过Z坐标方向上金属过孔的巧妙插入，结合网格方环型金属贴片结构，对空间内的电磁波实现具有高度且稳定的选择透过性，入射电磁波在-60°至+60°大角度变化时，天线罩仍保持带宽的选择透过性。

本实用新型在空间电磁波正入射的情况下，在26.9GHz～29.5GHz的宽通带范围内实现小于0.6dB的插入损耗，在满足通带要求的同时，对于带外30.5 GHz～43.0GHz范围内的阻带抑制超过20dB。并且通带到阻带的下降速度非常快，具有良好的频率选择性。最终使得其能广泛应用于5G移动通信中。

本实用新型天线罩结构，适合于传统PCB工艺进行加工实现。

本实用新型具有的有益的效果是：

本实用新型设计的外方环结合金属过孔的两层级联方式为天线罩提供一个插入损耗稳定极小并且带宽很大的通带，电磁波在正入射的情况下，在26.9 GHz～29.5GHz的通带范围内，插入损耗小于0.6dB；26.0GHz～30.0GHz的通带范围内，插入损耗极小，小于3dB，尤其是入射电磁波在大角度变化时宽带性能稳定，频率选择性能佳。。

本实用新型设计的内方环结合金属过孔的两层级联方式为天线罩提供一个带外抑制大且范围较广的阻带。电磁波在正入射的情况下，在30.5GHz～43.0 GHz的阻带范围内，阻带抑制大于20dB。

本实用新型设计的高度对称结构使天线罩同时支持TE，TM两种电磁波的极化模式。

本实用新型由于在Z方位的维度上增加了多个金属过孔，使得天线罩单元尺寸变得小型化，因此在入射电磁波正负60度的大角度变化范围内性能仍非常稳定。

本实用新型在超宽带移动通信，雷达以及电磁屏蔽等领域具有重要的应用价值。

附图说明

图1是本实用新型中天线罩三维结构示意图(图中仅以4×4单元示意，不限于此)。

图2是本实用新型中周期单元结构的三维结构图。

图3是本实用新型中周期单元结构的正视图。

图4是本实用新型中周期单元结构其中一层的三维结构图。

图5是本实用新型中周期单元结构的俯视图。

图6是电磁波在TM模式下，不同入射角度对于本实用新型中的天线罩性能的影响曲线。

图7是电磁波在TE模式下，不同入射角度对于本实用新型中的天线罩性能的影响曲线。

图中：1、上层金属贴片外方环，2、上层金属贴片内方环，3、上层金属过孔，4、上层介质板，5、空气缝隙层，6、下层介质板，7、下层金属过孔，8、下层金属贴片内方环，9、下层金属贴片外方环。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

如图1所示，具体实施的天线罩是主要由多个相同周期单元阵列组成的周期性频率选择表面。

如图2所示，周期单元包括上层金属贴片1、2、上层介质板4、空气缝隙层5、下层介质板6和下层金属贴片8、9，上层介质板4和下层介质板6之间布置有作为空气缝隙层5的间隙，上层金属贴片1、2贴于上层介质板4上表面，下层金属贴片8、9贴于下层介质板6下表面，上层金属贴片和下层金属贴片结构尺寸相同，上层介质板4和下层介质板6中分别开有贯穿板上下表面的上层金属过孔3和下层金属过孔7；空间内的电磁场从上层介质板4上方入射，所述天线罩，依次经过上层金属贴片1、2、上层金属过孔3、空气缝隙层5、下层金属过孔7和下层金属贴片8、9的选择性滤波后，从下层金属贴片8、9输出所需频段的电磁场，能在入射大角度变化范围内大带宽幅度抑制杂波的能量。

如图4和图5所示，对于贴片布置，上层金属贴片1、2包括方环形并且分别布置于上层介质板4上表面中心内外的上层金属贴片内方环2和上层金属贴片外方环1，上层金属贴片外方环1和上层介质板4的外边长均为周期单元边长，上层金属贴片内方环2和上层金属贴片外方环1同心布置。下层金属贴片8、9 包括方环形并且分别布置于下层介质板6下表面中心内外的下层金属贴片内方环8和下层金属贴片外方环9，下层金属贴片外方环9和下层介质板6的外边长均为周期单元边长，下层金属贴片内方环8和下层金属贴片外方环9同心布置。上层金属贴片内方环2和下层金属贴片内方环8分别位于尺寸较大的上层金属贴片外方环1和下层金属贴片外方环9的内部。

如图3、图4和图5所示，对于过孔布置，上层金属过孔3和下层金属过孔 7布置结构和尺寸相同，即下层金属过孔7的分布方式在Z方向上与上层金属过孔对称分布并且尺寸相同。上层金属过孔3包括分别布置在上层金属贴片内方环2四角的四个内侧金属过孔和分别布置在上层金属贴片外方环1四角的八个外侧金属过孔，八个外侧金属过孔以两个为一对形成四对，四对外侧金属过孔分别位于上层金属贴片外方环1四角附近，每对外侧金属过孔分别位于对应的上层金属贴片内方环2角的两条边的延长线上，使得四对外侧金属过孔的八个外侧金属过孔以规则方式中心对称布置。下层金属过孔7包括分别布置在下层金属贴片内方环8四角的四个内侧金属过孔和分别布置在下层金属贴片外方环9 四角的八个外侧金属过孔，八个外侧金属过孔以两个为一对形成四对，四对外侧金属过孔分别位于下层金属贴片外方环9四角附近，每对外侧金属过孔分别位于对应的下层金属贴片内方环8角的两条边的延长线上，使得四对外侧金属过孔的八个外侧金属过孔以规则方式中心对称布置。

本实用新型整个天线罩的工作设计原理如下：

(a)基板上一个周期单元内的金属贴片外方环由于和相邻的下一个周期单元的金属贴片外方环直接连接，所以等效成一个电感。

(b)金属贴片内方环本身看做一个电感，而金属内外方环之间的缝隙等效成一个电容，因此整体来看是一个串联谐振，提供了一个传输零点(阻带上的一点)。而此串联LC电路并联上外方环金属所等效出来的电感后，便提供了一个传输的极点(通带上的一点)。

(c)为了使天线罩对于角度更加稳定，引入了Z坐标方向上的过孔。过孔本身等效成一个电感，外方环下的过孔和内方环下的过孔之间由于存在缝隙可以等效出一个电容。因此有效提升了LC谐振中的电感和电容，使得谐振频率降低。换句话说，由于谐振频率的降低，将周期结构设计得更加小型化来抵消过孔引入的电特性，而小型化的结构对于入射电磁波的角度变化将变得不那么敏感。

(d)经过上下两层结构的级联，原本单层的窄带特性变成了宽带特性。为了使两层之间更好地得到匹配，以及让上下两层之间的金属过孔不相互影响，在两层之间设计了空气的隔离层。由此实现能在入射大角度变化范围内大带宽幅度抑制杂波。

本实用新型实施例以工作在5G移动通信频段的天线罩为例，具体阐述各个部分的实施方式以及各部分的结构参数对于整体的影响：

5G移动通信现在最有可能被国际采纳的是在27.5GHz～29.5GHz这个频段，覆盖的带宽为2GHz，相比于之前4G等通信方式来说带宽明显增加。在满足宽带的同时，还需要让天线系统稳定工作在复杂的环境之中，即选择透过各种角度入射过来的电磁波，这是之前通信系统所未曾面临的挑战。

针对此种实际应用，传统的单层或者双层频率选择性表面结构所制成的天线罩已经很难满足需求。而本实用新型创新性地利用过孔增加有效电长度的思想，减小了周期单元的尺寸，仅需要级联两层结构便可以满足带宽要求，而且带内的插损小，带外抑制大，并且通带往阻带具有陡峭的特性。在沿垂直入射角度的60度范围内，性能均非常稳定。

本实用新型的实施例如下：

如图1，图2所示，实施例采用20×20个相同的周期单元，每个周期单元结构的上层外方环型金属贴片1和下层外方环形金属贴片9均为外边长2.27mm，宽度0.20mm的金属贴片。从等效电路的角度，我们可以清楚分析出外方环的边长和宽度尺寸对于天线罩整体性能的影响。

首先，假如外方环的宽度变大，意味着外方环和内方环的缝隙减小，也即产生阻带的串联电容变大，根据串联谐振频率等于来分析，那么天线罩的阻带中心频率会向低处移动。对于通带而言，由于串联电容的影响大于电感的影响，因此天线罩的通带中心频率也会和阻带一样向低处移动，且造成通带宽度减小。

其次，在宽度一定的情况下，外方环的边长尺寸变大相当于减小了外方环的等效电感，因此对于天线罩的性能影响恰好和宽度尺寸变大的影响相反。此时，通带和阻带的中心频率会向高处移动，通带宽度随之增大。表1具体阐述了外方环金属贴片边长和宽度尺寸对于性能的影响。

表1外方环金属贴片边长和宽度尺寸对于性能的影响

注：通带中心频率＝(传输极点1+传输极点2)/2；

阻带中心频率＝(传输零点1+传输零点2)/2。

上层介质板4和下层介质板6采用周期单元厚度0.38mm、正方形边长 2.27mm的Rogers RT5880板材，选择这种介质的原因是它的材料损耗较小，可在一定程度上减小材料本身对于通带插入损耗的影响。考虑到大规模使用的成本问题，也可以选择材料损耗相对较小，介电常数相近的其它低成本材料。阵列的周期长度对于结构的整体性能影响和外方环边长尺寸的影响相同，变化趋势见表1。

每个周期单元结构上层内方环型金属贴片2和下层外方环形金属贴片8均为边长1.32mm，宽度0.02mm的金属贴片。同样从等效电路的角度分析，内方环边长尺寸的增加会使得内方环金属与外方环金属的距离变小，意味着从两者缝隙中等效出来的电容会变大，从而使得串联谐振频率向低处移动。从性能上即反映出通带和阻带的中心频率向低处移动，且通带带宽变小。其次，在边长一定的情况下，仅增加内方环的宽度相当于使得内外方环的间隙相同，只改变了内方环等效的电感，且宽度越大等效电感越小。因此，天线罩工作频率会向高处移动，且通带宽度随之增大。表2具体阐述了内方环金属贴片边长和宽度尺寸对于性能的影响。

表2内方环金属贴片边长和宽度尺寸对于性能的影响

另外，本结构设计的核心创新点是插入了多个一端连接于金属方环的金属过孔。从原理上来讲，它在Z方向维度上增加了方环谐振的有效电长度。而传统天线罩的设计，一般只在X-Y方向上进行优化，随着工作频率的增加，光在X-Y方向上的设计将非常具有局限性。从另一方面来讲，Z方向上电长度的增加可以很大程度上缩小X-Y方向上的尺寸，从而使得天线罩尺寸变得小型化，使得其尺寸对于电磁波的波长来说更加不敏感，因而在入射电磁波大角度变化时天线罩的宽带性能依然非常稳定和优秀。图6和图7分别表示了天线罩在TM 和TE两种不同模式的电磁波入射下的透射特性，可以发现，两种模式的电磁波在正负60度的不同角度入射时，宽带特性仍非常稳定。在5G工作的频段内，性能依然非常优秀，这在目前发表的国内外论文里很难看到的。

对于过孔的直径和数量，都会对于天线罩的具体性能有所影响。首先，考虑过孔的数量，自然是排列的数量越多，谐振的有效电长度越大。但是考虑到整个结构本身的工作频段较高，尺寸很小，所以没有空间插入过多的过孔。此外，将金属过孔摆放在金属方环四个角落附近比摆放在金属方环中间附近的效果要好，这是因为放在角落附近相当于直接将过孔电感串联到方环电感上，而放在方环中间附近则会有一部分电感效果被并联出去。因此在本实用新型中，我们将过孔最高效地排列在了如图2和图5的位置。对于过孔直径尺寸的影响，假如过孔直径变大则意味着过孔的等效电感变小，但是同时影响更大的是内方环下的过孔和外方环下的过孔的距离。过孔直径的增大意味着内方环和外方环下过孔的距离减小，那么等效的谐振电容增加地很快，导致谐振频率整体向低处移动。表3具体阐述了过孔直径尺寸对于性能的影响。

表3过孔直径尺寸对于性能的影响

实施例的整体结构的传输特性曲线如图6，7所示，考虑电磁波正入射的情况下，在26.9GHz～29.5GHz的通带范围内，插入损耗小于0.6dB；在26.0 GHz～30.0GHz的通带范围内，插入损耗小于3dB；阻带方面，30.5GHz～43.0GHz 的阻带范围内，阻带抑制大于20dB。同时支持TE，TM两种极化模式，在正负 60度的大角度变化范围内性能仍非常稳定，满足实际的5G通信环境要求。因此，在超宽带移动通信，雷达以及电磁屏蔽等领域具有重要的应用价值。

由此，本实用新型具有突出显著的技术效果，实现了电磁波正入射情况下近2.6GHz带宽的通带损耗稳定小于0.6dB，在12.5GHz大带宽范围内的阻带抑制均大于20dB。同时支持TE，TM两种极化模式，在入射电磁波正负60度的大角度变化范围内，仍表现出非常且优异的宽带性能。

Claims (5)

1.一种网格方环加载过孔结构的2.5维超宽带移动通信天线罩，其特征在于：所述天线罩是主要由多个相同周期单元阵列组成的周期性频率选择表面，每个周期单元主要由上下两层介质层、设置在介质层上的金属贴片和金属过孔以及两层介质层之间的空气缝隙层组成；空间内的电磁场入射于所述天线罩，依次经过上层介质层、空气缝隙层和下层介质层的选择性滤波后，从下层介质层输出所需频段的电磁场，并能在电磁波入射角度变化的情况下抑制杂波的能量。

2.根据权利要求1所述的一种网格方环加载过孔结构的2.5维超宽带移动通信天线罩，其特征在于：所述的周期单元包括上层金属贴片(1、2)、上层介质板(4)、空气缝隙层(5)、下层介质板(6)和下层金属贴片(8、9)，上层介质板(4)和下层介质板(6)之间布置有作为空气缝隙层(5)的间隙，上层金属贴片(1、2)贴于上层介质板(4)上表面，下层金属贴片(8、9)贴于下层介质板(6)下表面，上层金属贴片和下层金属贴片结构尺寸相同，上层介质板(4)和下层介质板(6)中分别开有贯穿板上下表面的上层金属过孔(3)和下层金属过孔(7)；空间内的电磁场从上层介质板(4)上方入射，所述天线罩，依次经过上层金属贴片(1、2)、上层金属过孔(3)、空气缝隙层(5)、下层金属过孔(7)和下层金属贴片(8、9)的选择性滤波后，从下层金属贴片(8、9)输出所需频段的电磁场，能在入射大角度变化范围内大带宽幅度抑制杂波的能量。

3.根据权利要求2所述的一种网格方环加载过孔结构的2.5维超宽带移动通信天线罩，其特征在于：所述的上层金属贴片(1、2)包括方环形并且分别布置于上层介质板(4)上表面中心内外的上层金属贴片内方环(2)和上层金属贴片外方环(1)，上层金属贴片外方环(1)和上层介质板(4)的外边长均为周期单元边长；

所述的下层金属贴片(8、9)包括方环形并且分别布置于下层介质板(6)下表面中心内外的下层金属贴片内方环(8)和下层金属贴片外方环(9)，下层金属贴片外方环(9)和下层介质板(6)的外边长均为周期单元边长。

4.根据权利要求2所述的一种网格方环加载过孔结构的2.5维超宽带移动通信天线罩，其特征在于：所述的上层金属过孔(3)和下层金属过孔(7)布置结构和尺寸相同，所述的上层金属过孔(3)包括分别布置在上层金属贴片内方环(2)四角的四个内侧金属过孔和分别布置在上层金属贴片外方环(1)四角的八个外侧金属过孔，八个外侧金属过孔以两个为一对形成四对，四对外侧金属过孔分别位于上层金属贴片外方环(1)四角附近，每对外侧金属过孔分别位于上层金属贴片内方环(2)角的两条边的延长线上。

5.根据权利要求2所述的一种网格方环加载过孔结构的2.5维超宽带移动通信天线罩，其特征在于：所述的上层介质板(4)和下层介质板(6)的介电常数为2.2，介电损耗角正切为0.0009。