CN208580847U - 一种基于强耦合机制的角度极其稳定的高性能通信天线罩 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于强耦合机制的角度极其稳定的高性能通信天线罩。天线罩包括多个紧密排列的周期单元结构，每个周期单元结构由一层介质层和两层金属层组成，两层金属层分别贴于介质层两表面；周期单元结构包括顶层金属贴片、介质和底层金属贴片；顶层金属贴片贴于介质上表面，底层金属贴片贴于介质下表面。本实用新型适用于角度、极化稳定性高的移动通信天线罩设计，通带内插入损耗小且稳定，通带二倍频处形成高抑制的宽阻带，角度、极化稳定性极佳。在现代通信、雷达及军事国防等领域应用价值巨大。

Description

一种基于强耦合机制的角度极其稳定的高性能通信天线罩

技术领域

本实用新型涉及天线技术领域，特别是涉及了一种基于强耦合机制的角度极其稳定的高性能通信天线罩，可应用于高频段5G通信及雷达方面。

背景技术

随着通信技术的飞速发展，5G通信成为如今通信领域的研究热点，加之2020年5G通信技术上市的目标进一步推动了5G通信技术的发展。

传统的无线通信系统通常用到介质滤波器和SAW(Surface Acoustic Wave，声表面波)滤波器。介质滤波器虽然有较好的性能，但体积大，不便于用到便携式设备中。而SAW滤波器在1.5GHz以下使用非常合适，但是在工作频率超过1.5GHz时，SAW的Q值开始下降，到2.5GHz时，SAW的选择性已经只能用在一些要求比较低的场合。另外，基于CMOS工艺的BAW(Bulk Acoustic Wave,体声波)滤波器也常应用于移动通信系统中。然而，BAW滤波器其抑制带外杂散(主要为2倍频)的能力相对较弱。因此，在保证天线正常工作的前提下如何提高对倍频处杂散信号的抑制成为一大难题。

通过大量文献调研、行业分析与技术研究，采用周期性超材料结构设计一体化的滤波天线罩是一个可行的方案。天线罩是用来保护天线或整个微波系统免受环境影响的外壳，在无线系统中应用广泛，常将频率选择表面FSS(Frequency selective surfaces)用来设计天线罩。而超材料电磁场控制理论的提出，为设计新型的天线罩提供了理论基础。通过合理调整周期性超材料天线罩的结构，有望实现在对系统性能的不良影响降至最低的同时，改善系统的通带插损及带外抑制能力。

如今，国内外对于频率选择表面技术也有了数年的研究，之前的研究更多的着眼于单独通带或者阻带，而对于工作频段形成通带，二倍频形成阻带效果的FSS研究甚少。此外，在实际通信系统中，高性能天线对入射电磁波角度的改变敏感性很低，而传统的FSS结构在入射电磁波角度发生变化时，其频率响应会发生偏移，造成系统性能的下降，使得如何提高频率选择表面的角度性能成为另一大挑战。因此，设计一款角度性能极其稳定的高性能频率选择表面结构对于新一代移动通信技术的发展是至关重要的。

实用新型内容

为了克服上述现有技术的不足，本实用新型提供了一种基于强耦合机制的角度极其稳定的高性能通信天线罩，通过两层金属贴片之间巧妙的耦合设计，对于空间各方向入射的电磁波有着稳定、高效的选择透过性。

本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案是：

所述天线罩采用频率选择表面技术，具体包括多个紧密排列的周期单元结构，每个周期单元结构由一层介质层和两层金属层组成，两层金属层分别贴于介质层两表面；当自由空间中电磁波入射到所述天线罩，会对特定入射频率的电磁波产生选择特性，使得天线工作频段的信号正常透过，而对天线工作频段二倍频处产生的杂散信号具有很好的抑制效果。

本实用新型适用于角度、极化稳定性高的移动通信天线罩设计，通带内插入损耗小且稳定，通带二倍频处形成高抑制的宽阻带，角度、极化稳定性极佳。在现代通信、雷达及军事国防等领域应用价值巨大。

所述周期单元结构包括顶层金属贴片P₁、介质D₀和底层金属贴片P₂；顶层金属贴片P₁贴于介质D₀上表面，底层金属贴片P₂贴于介质D₀下表面。

所述顶层金属贴片P₁为主要由矩形金属条T₁和方形贴片T₀绕周围以中心旋转对称布置形成的金属贴片；方形贴片T₀布置于四角，相邻方形贴片T₀的外边缘之间通过矩形金属条T₁连接；四个方形贴片T₀布置角度相同，四个矩形金属条T₁布置角度相同。

所述底层金属贴片P₂为主要由位于中间的中心方形金属贴片T₃和分别布置于中心方形金属贴片T₃周围四角的四个方形金属贴片T₂以及贴片T₂和T₃之间连接部分T₄构成的金属贴片；方形金属贴片T₂布置于中心方形金属贴片T₃的角外，并且中心方形金属贴片T₃的角和方形金属贴片T₂的角相对布置使得中心方形金属贴片T₃的对角线和方形金属贴片T₂的其中一对角线通过连接部分T₄对接重合。

所述顶层金属贴片P₁中的四个边沿，矩形金属条T₁外边沿、方形贴片T₀外边沿均对齐于介质D₀的外边沿作为周期单元结构的边沿，使得顶层金属贴片P₁四边边长均小于介质D₀四边边长；所述底层金属贴片P₂中，中心方形金属贴片T₃外边沿不对齐于介质D₀的外边沿而位于介质D₀的外边沿内，中心方形金属贴片T₃外边沿和介质D₀的外边沿存在间隙，使得底层金属贴片P₂四边边长均小于介质D₀四边边长。最终如图1所示，四个方形金属贴片T₂位于四个方形贴片T₀的下方。

所述底层金属贴片P₂中，中心方形金属贴片T₃位于周期单元结构的正中心。

所述的介质D₀采用Rogers RT5880板材，介电常数为2.2，介质损耗角正切值为0.0009。

所述的入射于所述天线罩电磁波的频率为2GHz-8GHz。

电磁波垂直入射于所述天线罩的各层结构后，在3.10GHz–3.88GHz频段范围内通带插入损耗小于3dB，在3.32GHz–3.67GHz频带范围内通带插入损耗小于0.8dB；在5.74GHz–9.17GHz频段阻带抑制大于20dB。

入射于所述天线罩的电磁波角度在±80°范围内变化时，传输极点与零点不发生改变，角度、极化稳定性极高，从而使得天线工作频段内的信号正常通过，而对天线系统二倍频处的杂散信号具有很好的抑制效果。

本实用新型的基于强耦合机制的角度极其稳定的高性能通信天线罩可应用于5G等现代通信、雷达及军事通信中。

本实用新型的天线罩工作原理如下：

当空间中电磁波以角度θ入射时，相邻单元间会存在相位差，该相位差随着入射角度的增大而增大，从等效电路角度来看，其结构对应的电容与电感将会发生改变，从而使得屏蔽罩的传输性能发生改变，为了克服入射角度问题，本实用新型采用强耦合机制进行频率选择表面结构设计来提高屏蔽罩的角度稳定性能；

本实用新型中的天线罩采用强耦合机制进行频率选择表面结构设计，由于本设计采用一层很薄的介质层，因此，顶层与底层所对应的金属之间存在很强的耦合作用，从而形成强耦合电容，该强耦合电容不易受入射电磁波方向的影响，故而所提出结构具有很好的角度稳定性能。

顶层金属贴片由矩形金属条T₁和方形贴片T₀绕中心旋转得到的图形组成，底层金属P₂由T₂绕中心旋转得到的4个方形金属贴片和中心方形金属贴片T₃以及结构T₂和T₃的连接部分组成。其中顶层方形贴片T₀与底层金属层的方形贴片T₂间形成强耦合，可以等效为电容Cs，图5展示了天线工作频率下的电场分布，可以发现在特定频率下，T₂与T₀将会产生强耦合，使得Cs>>C₁,且Cs的值对电磁波入射角度变化不敏感。

底层金属贴片T₃本身可以等效为电感L₂，等效的电容Cs与电感L₂形成LC串联谐振，在7GHz附近形成一个稳定的阻带，从而实现对杂散信号的抑制；图6为3.5GHz时顶层金属贴片上的电流分布，可以发现电流主要集中在顶层金属结构T₁上，其可以等效为电感L₁，该电感同电容Cs与L₂的串联电路形成并联电路，当该LC并联电路谐振发生在天线的工作频率时，便可实现FSS对天线的透明效果，最终本实用新型结构与等效LC对应图示以及等效电路模型分别如图7和8所示。

本实用新型中的天线罩采用了完全对称的设计思想，实现了电磁波的TE、TM模式下的双极化稳定性设计。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型天线罩设计采用了强耦合机制实现频率选择表面结构的小型化设计，最终单元尺寸约为0.12λ，同样面积内可放置更多的单元，从而使得所制作板子更接近于无限周期结构，但该小型化程度仍适用于传统PCB工艺进行加工生产。

本实用新型的顶层金属以及与底层金属间的强耦合为天线罩提供一个插入损耗极小的宽通带，对于垂直入射到所述天线罩的电磁波，依次经过天线罩的各层结构后，其在3.10GHz–3.88GHz频段范围内通带插入损耗小于3dB，在3.32GHz–3.67GHz频带范围内通带插入损耗小于0.8dB。

本实用新型的底层金属以及与顶层金属间的强耦合为天线罩提供了带宽范围广抑制高的阻带，对工作频段二倍频处的杂散信号起到很好的抑制作用。当空间电磁波垂直入射到所述天线罩上时，在5.74GHz–9.17GHz频段范围内阻带抑制大于20dB。

本实用新型独特的结构设计，使得本实用新型具有极高的角度稳定性能，在±80°的入射角度范围内，其传输极点传输零点相当稳定，基本不发生偏移，保证了天线罩系统的正常工作，同时对二倍频处的杂散信号起到了稳定的抑制作用。此外，本实用新型采用完全对称设计，使得其电磁双极化性能稳定，同时支持TE、TM两种极化模式。

本实用新型在天线器件小型化、5G等现代通信、雷达及军事通信中具有极高的应用价值。

综合来说，本实用新型适用于角度、极化稳定性高的移动通信天线罩设计，通带内插入损耗小且稳定，通带二倍频处形成高抑制的宽阻带，角度、极化稳定性极佳。在现代通信、雷达及军事国防等领域应用价值巨大。

附图说明

图1是本实用新型实施例的天线罩三维结构图；

图2是本实用新型单元结构的主视图；

图3是本实用新型单元结构的顶层金属结构视图；

图4是本实用新型单元结构的底层金属结构视图；

图5是本实用新型单元结构在3.5GHz时介质中电场分布视图；

图6是本实用新型单元结构在3.5GHz时顶层金属结构中电流分布视图；

图7是本实用新型单元结构中各个部分与其等效LC元件对应视图；

图8是顶层矩形金属贴片宽度变化对本实用新型中天线罩传输性能影响曲线；

图9是本实用新型的天线罩对于垂直入射TE、TM极化模式下的传输性能曲线；

图10是本实用新型的天线罩对于垂直入射TE、TM极化模式下传输性能曲线；

图11是TE极化模式下电磁波入射角度对于本实用新型中天线罩性能影响曲线；

图12是TM极化模式电磁波入射角度对于本实用新型中天线罩性能影响曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进一步说明。

本实用新型实施例以应用于5G通信工频段天线罩为例，具体阐述本实用新型各个部分的实施方式及各个结构参数对于天线罩传输性能的影响：

随着现代移动通信技术的飞速发展，5G移动通信技术研究成为通信领域的重要研究热点。在现实应用中，天线是对入射电磁波角度不敏感的，然后，当入射角度发生改变时，传统的FSS结构频率响应将会产生很大偏差。另外，5G通信天线罩系统在天线工作频段的倍频处存在着杂散信号，如何抑制倍频处的杂散信号成为另一个亟待解决的难题。本实用新型采用基于强耦合机制的FSS技术实现5G通信系统天线屏蔽罩的设计，在本实用新型的天线罩，电磁波在±80°入射角度范围内，有稳定的传输性能，同时对倍频处的杂散信号有很好的抑制作用，为解决5G天线罩系统中杂散信号的抑制以及传统FSS屏蔽罩对入射角度敏感的问题提供了一种可行性方案。

如图1所示，实施例采用了20*20的周期单元阵列，本实用新型中单元周期为10mm，各部分结构尺寸如表1所示，在实际应用中可根据具体的设计目标进行相应尺寸的选择。当顶层金属贴片T₀或者底层贴片T₂尺寸增大时，会使得通带、阻带向低频方向移动，这主要是由于T₀和T₂控制着强耦合电容的大小，当他们尺寸增大时，相应的耦合强度增大，使得电容C_s增大，从而使得谐振频率向低频移动；同样，当顶层金属贴片T₁宽度增大时，通带将会向高频方向移动，而阻带移动较小，这主要是由于当T₁宽度增大时，其等效电感会相应减小，使得传输极点增大，而由于该电感对传输零点影响较小，因此，阻带偏移较小。图9具体描述了顶层矩形金属贴片宽度变化对本实用新型中天线罩传输性能的影响。

表1本实用新型结构各部分尺寸

P	L<sub>0</sub>	W<sub>0</sub>	L<sub>1</sub>
				5.4mm	2.61mm	3.63GHz	7.31GHz
W<sub>1</sub>	W<sub>1</sub>	H<sub>0</sub>
				5.8mm	2.61mm	0.3mm

本实用新型中介质板采用的Rogers RT5880板材，其周期单元尺寸为10mm。该板材的特点是其介质损耗非常小，因此对通带的插入损耗影响更小一些。但是该板材的价格比较高，在实际的应用中也可以选择与该材料介电常数类似的板材来进行设计加工，从而减小投产成本。

天线罩顶层金属贴片P₁贴于介质D₀上表面，顶层金属贴片由矩形金属条T₁和方形贴片T₀绕中心旋转得到的图形组成；底层金属P₂位于介质D₀的下表面，P₂由T₂绕中心旋转得到的4个方形金属贴片和中心方形金属贴片T₃以及结构T₂和T₃的连接部分组成。

顶层金属贴片P₁为主要由矩形金属条T₁和方形贴片T₀绕周围以中心旋转对称布置形成的金属贴片；方形贴片T₀布置于四角，相邻方形贴片T₀的外边缘之间通过矩形金属条T₁连接；四个方形贴片T₀布置角度相同，四个矩形金属条T₁布置角度相同。

底层金属贴片P₂为主要由位于中间的中心方形金属贴片T₃和分别布置于中心方形金属贴片T₃周围四角的四个方形金属贴片T₂以及贴片T₂和T₃之间连接部分T₄构成的金属贴片；方形金属贴片T₂布置于中心方形金属贴片T₃的角外，并且中心方形金属贴片T₃的角和方形金属贴片T₂的角相对布置使得中心方形金属贴片T₃的对角线和方形金属贴片T₂的其中一对角线通过连接部分T₄对接重合。

顶层金属贴片P₁中的四个边沿，矩形金属条T₁外边沿、方形贴片T₀外边沿均对齐于介质D₀的外边沿作为周期单元结构的边沿，使得顶层金属贴片P₁四边边长均小于介质D₀四边边长；所述底层金属贴片P₂中，中心方形金属贴片T₃外边沿不对齐于介质D₀的外边沿而位于介质D₀的外边沿内，中心方形金属贴片T₃外边沿和介质D₀的外边沿存在间隙，使得底层金属贴片P₂四边边长均小于介质D₀四边边长。最终如图1所示，四个方形金属贴片T₂位于四个方形贴片T₀的下方。

这两层金属贴片之间的独特位置关系是本实用新型的设计创新。首先，顶层的方形贴片T₀与底层的方形贴片T₂位置相对，他们的尺寸以及相对位置关系控制着耦合强度的大小，实现对耦合电容Cs的控制，进而控制传输极点与传输零点的位置。另外，由于该耦合电容不易受电磁波入射角度的影响，因此，实现了极好的角度稳定性设计。表2具体描述了结构T₀和T₂尺寸对传输性能的影响。

表2结构T₀和T₂尺寸对传输性能的影响

本实施例在电磁波垂直入射时的传输特性曲线如图10所示，在3.10GHz–3.88GHz频段范围内通带插入损耗小于3dB，在3.32GHz–3.67GHz频带范围内的插入损耗小于5G通信插入损耗0.8dB的要求；此外，本实例对天线工作频段的杂散信号具有很好的抑制作用，在5.74GHz–9.17GHz频段阻带抑制大于20dB。同时，可以发现TE、TM两种极化模式下的传输效果完全吻合，很好的满足了5G通信天线罩设计要求。

如图11、12所示，描述了电磁波入射角度发生变化时，对天线罩传输性能的影响。可以发现在±80°的入射角度范围内，随着入射角度的增加，由于入射角度增加时致使波阻抗发生改变，产生了TE模式下的通带插入损耗有所增加，TM模式下的通带带宽有所减小等不可避免的问题，但是，可以看到角度的增加，无论TE模式还是TM模式下，其传输极点基本没有发生偏移，实现了对天线工作信号的透明效果；对于TE模式，其传输零点也基本维持在7GHz,尽管在TM模式下其传输零点随着入射角度的增加略有偏移，但抑制大于10dB的阻带带宽仍然可以很好地覆盖5G通信系统杂散信号的频段范围，实现了极好的角度稳定性。

因此，本实用新型实现了5G通信中工作信号的低损耗、工作信号倍频处杂散信号的高抑制以及角度与双极化性能相当稳定的高性能天线屏蔽罩设计。

Claims (8)

1.一种基于强耦合机制的角度极其稳定的高性能通信天线罩，其特征在于：所述天线罩包括多个紧密排列的周期单元结构，每个周期单元结构由一层介质层和两层金属层组成，两层金属层分别贴于介质层两表面。

2.根据权利要求1所述的一种基于强耦合机制的角度极其稳定的高性能通信天线罩，其特征在于：所述周期单元结构包括顶层金属贴片P₁、介质D₀和底层金属贴片P₂；顶层金属贴片P₁贴于介质D₀上表面，底层金属贴片P₂贴于介质D₀下表面；

所述顶层金属贴片P₁为主要由矩形金属条T₁和方形贴片T₀绕周围以中心旋转对称布置形成的金属贴片；方形贴片T₀布置于四角，相邻方形贴片T₀的外边缘之间通过矩形金属条T₁连接；

所述底层金属贴片P₂为主要由位于中间的中心方形金属贴片T₃和分别布置于中心方形金属贴片T₃周围四角的四个方形金属贴片T₂以及贴片T₂和T₃之间连接部分T₄构成的金属贴片；方形金属贴片T₂布置于中心方形金属贴片T₃的角外，中心方形金属贴片T₃的对角线和方形金属贴片T₂的其中一对角线通过连接部分T₄对接重合。

3.根据权利要求2所述的一种基于强耦合机制的角度极其稳定的高性能通信天线罩，其特征在于：所述顶层金属贴片P₁中，矩形金属条T₁外边沿、方形贴片T₀外边沿均对齐于介质D₀的外边沿作为周期单元结构的边沿；所述底层金属贴片P₂中，中心方形金属贴片T₃外边沿不对齐于介质D₀的外边沿而位于介质D₀的外边沿内，使得底层金属贴片P₂四边边长均小于介质D₀四边边长。

4.根据权利要求2所述的一种基于强耦合机制的角度极其稳定的高性能通信天线罩，其特征在于：所述底层金属贴片P₂中，中心方形金属贴片T₃位于周期单元结构的正中心。

5.根据权利要求2所述的一种基于强耦合机制的角度极其稳定的高性能通信天线罩，其特征在于：所述的介质D₀采用Rogers RT5880板材，介电常数为2.2，介质损耗角正切值为0.0009。

6.根据权利要求1所述的一种基于强耦合机制的角度极其稳定的高性能通信天线罩，其特征在于：入射于所述天线罩电磁波的频率为2GHz-8GHz。

7.根据权利要求1所述的一种基于强耦合机制的角度极其稳定的高性能通信天线罩，其特征在于：入射于所述天线罩的电磁波角度在±80°范围内变化时，传输极点与零点不发生改变。

8.根据权利要求1～7任一所述的一种基于强耦合机制的角度极其稳定的高性能通信天线罩可应用于5G等现代通信、雷达及军事通信中。