CN209232965U - 背腔激励的双极化电磁偶极子阵列天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种背腔激励的双极化电磁偶极子阵列天线，属于天线领域，具体包括由上至下设置的辐射层、功率分配层和反馈层；反馈层的信号经过功率分配层传递至辐射层；辐射贴片通过顶层金属化过孔与顶层介质基板的下表面的铜片耦接形成双极化电磁偶极子；功率分配层，采用十字形耦合缝为一组子阵列馈电，且中层金属化过孔与中层铜片、中层传导铜片形成高阶模基板集成腔；将这种高阶模板集成腔作为激励结构去给这个2*2的子阵列馈电，以相同的相位和幅度激励所有的辐射单元，既简单又高效率，可以减少金属化过孔的数量，更利于天线集成；反馈层的第一输出端和第二输出端成90度，实现天线双极化；整个天线具备宽的阻抗匹配带宽，高增益的特性。

Description

背腔激励的双极化电磁偶极子阵列天线

技术领域

本实用新型涉及天线领域，具体涉及一种背腔激励的双极化电磁偶极子阵列天线。

背景技术

近年来随着第五代移动通信快速发展，毫米波天线大量地吸引了研究人员的注意力；移动通信在毫米波频段有很宽的频谱资源，能够实现高速率传输数据，速率高达每秒几个Gbits,有望在未来无线传输无压缩高清影像和超快文件传输；做为通信系统的重要组成部分，有低成本，宽带宽和高增益的毫米波天线或者阵列需求越来越大；迄今，研究人员提出了很多不同类型有优良性能的毫米波天线，比如背腔天线，缝隙天线，贴片天线等等；众所周知，由于双极化天线有着极化分集和改善信道容量的优点，工作在低频段的双极化天线阵列被广泛应用于无线通信系统中。

因此，毫米波频段双极化阵列也会在新一代的无线通信系统中有很大应用空间；通过应用由电偶极子和磁偶极子组成的互补天线的概念，电磁偶极子天线具有宽带宽，优越的辐射性能和结构简单的优点，也被广泛应用于天线设计中；除了馈电网络和辐射效率，制造公差对天线性能的影响不宜被忽略，因为毫米波天线的波长很短；因此,需要高度精确的制造技术；否则,天线性能包括匹配、增益和效率会下降；为了减轻制造公差在天线性能上的影响，研究人员提出了基片集成腔激励代替其他复杂的馈电网络来减少在腔内的金属化过孔数量。

实用新型内容

针对上述技术中存在的不足之处，本实用新型提供一种背腔激励的双极化电磁偶极子阵列天线，具有宽带宽，高增益，辐射模式对称，两个输入端口之间的高隔离度，其增益和辐射模式在工作频段上稳定的特点。

为实现上述目的，本实用新型提供一种背腔激励的双极化电磁偶极子阵列天线，包括由上至下设置的辐射层、功率分配层和反馈层；所述反馈层的信号经过功率分配层传递至辐射层；

所述辐射层包括顶层介质基板、设置在顶层介质基板上表面的多块辐射贴片和设置在所述介质基板下表面的顶层传导铜片；所述顶层介质基板设有顶层金属化过孔，所述辐射贴片通过所述顶层金属化过孔与所述顶层传导铜片耦接；

所述功率分配层包括中层介质基板、覆盖在所述中层介质基板上表面的中层铜片和覆盖在所述中层介质基板下表面的中层传导铜片；所述中间铜片设有中层十字形耦合缝，与所述顶层传导铜片耦接；所述中层介质基板设有中层金属化过孔与所述中层铜片、中层传导铜片形成高阶模基板集成腔；

所述反馈层，包括相互垂直的第二信号输入端和第一信号输入端。

其中，所述反馈层还包括下层介质基板和底层介质基板；所述下层介质基板上表面覆盖有下层铜片，所述底层介质基板上表面覆盖有底层铜片；所述第二信号输入端口设置在所述下层铜片，所述第一信号输入端口设置在所述底层铜片。

其中，4块所述辐射贴片以2*2的方式阵列在所述顶层介质基板上表面，且4块所述辐射贴片相邻内角之间通过交叉带连接，形成子阵列；4块所述子阵列相互分离，并以2*2的方式阵列在所述顶层介质基板上表面，形成的天线辐射臂。

其中，所述中层十字形耦合缝数量与所述子阵列的数量相等，且所述中层十字形的耦合缝的几何中心与所述子阵列的几何中心位置相对应。

其中，所述下层铜片设有下层十字形耦合缝；且所述下层十字形耦合缝的几何中心点与所述天线辐射臂的几何中心位置相对应；所述底层铜片设有条形耦合缝，所述条形耦合缝与所述下层十字形耦合缝数量相等，且所述条形耦合缝隙的几何中心点与所述下层十字形耦合缝的几何中心点位置相对应。

其中，所述下层介质基板设有下层金属化过孔，所述下层金属化过孔与所述第二信号输入端口围合成下层凸字形SIW结构，所述底层介质基板设有底层金属化过孔，所述底层金属化过孔与所述第一信号输入端口围合成底层凸字形SIW结构；且所述下层凸字形SIW结构与底层凸字形SIW结构夹角成90度。

其中，4块所述辐射贴片以2*2的方式阵列在所述顶层介质基板上表面，且4块所述辐射贴片相邻内角之间通过交叉带连接，形成第一子阵列；4块所述子阵列相互分离，并以2*2的方式阵列在所述顶层介质基板上表面，形成第二子阵列；4块所述第二子阵列相互分离，并以所述以2*2的方式阵列在所述顶层介质基板上表面形成天线辐射臂。

其中，所述中间铜片设有中层十字形耦合缝，所述中层十字形耦合缝数量与所述第一子阵列的数量相等，且所述中层十字形的耦合缝与所述第一子阵列的几何中心位置相对应。

其中，所述下层铜片设有下层十字形耦合缝；所述十字形耦合缝与所述第二阵列的数量相等，且所述下层十字形耦合缝的几何中心点与所述第二子阵列的几何中心位置相对应；所述底层介质基板上表面覆盖有底层铜片，所述底层铜片设有条形耦合缝，所述条形耦合缝与所述下层十字形耦合缝数量相等，且所述条形耦合缝隙的几何中心点位置与所述下层十字形耦合缝的几何中心点相对应。

其中，所述下层介质基板设有下层金属化过孔，所述下层金属化过孔围合成下层凸字形SIW结构，所述第二信号输入端设置在所述下层凸字形SIW结构前端；所述底层介质基板设有底层金属化过孔，所述底层金属化过孔围合成底层凸字形SIW结构，所述第一信号输入端设置在所述底层凸字形前端。

本实用新型的有益效果是：与现有技术相比，本实用新型包括由上至下设置的辐射层、功率分配层和反馈层；反馈层的信号经过功率分配层传递至辐射层；辐射贴片通过金属化过孔与顶层介质基板的下表面的铜片耦接形成双极化电磁偶极子；功率分配层，采用十字形耦合缝为一组子阵列馈电，且中层金属化过孔与中层铜片、中层传导铜片形成高阶模基板集成腔；可以减少金属化过孔的数量，更利于天线集成；反馈层的第一输出端和第二输出端成90度，实现天线双极化；整个天线具备宽的阻抗匹配带宽，高增益的特性。

附图说明

图1为本实用新型的天线臂子阵列以2*2排列的结构爆炸图；

图2为本实用新型的天线臂子阵列以2*2排列的结构尺寸图；

图3为本实用新型的天线臂子阵列以2*2排列的模拟仿真的S参数和隔离度结果；图；

图4为本实用新型的天线臂子阵列以2*2排列的模拟仿真的模拟仿真的增益图；

图5为本实用新型的天线臂子阵列以4*4排列的结构尺寸图；

图6为本实用新型的天线臂子阵列以4*4排列的模拟仿真的S参数和隔离度结果图；

图7为本实用新型的天线臂子阵列以4*4排列的模拟仿真的模拟仿真的增益图；

图8为本实用新型的天线臂子阵列以4*4排列的SIW的转接结构尺寸图；

图9为本实用新型的天线臂子阵列以4*4排列的S参数图。

主要元件符号说明如下：

1、顶层介质基板；2、中层介质基板；3、下层介质基板；4、底层介质基板；11、辐射贴片；12、子阵列；13交叉带；15、顶层金属化过孔；16、顶层侧壁金属化孔；21、中层铜片；22、中层十字形耦合缝；23、中层金属化过孔；31、下层铜片；32、下层十字形耦合缝；33、第一信号输入端口；34、下层金属化过孔；41、底层铜片；42、条形耦合缝；43、第二信号输入端口；44、底层金属化过孔；121、第一子阵列；122、第二子阵列。

具体实施方式

为了更清楚地表述本实用新型，下面结合附图对本实用新型作进一步地描述。

请参阅图1，一种背腔激励的双极化电磁偶极子阵列天线，包括由上至下设置的辐射层、功率分配层和反馈层；反馈层的信号经过功率分配层传递至辐射层；辐射层包括顶层介质基板1、设置在顶层介质基板1上表面的多块辐射贴片11和设置在介质基板下表面的顶层传导铜片；顶层介质基板1设有顶层金属化过孔15，辐射贴片11通过顶层金属化过孔15与顶层传导铜片耦接；功率分配层包括中层介质基板2、覆盖在中层介质基板2上表面的中层铜片21和覆盖在中层介质基板2下表面的中层传导铜片；中间铜片设有中层十字形耦合缝22，与顶层传导铜片耦接；中层介质基板2设有中层金属化过孔23与中层铜片21、中层传导铜片形成高阶模基板集成腔；反馈层，包括相互垂直的第二信号输入端和第一信号输入端。

在本实施例中，反馈层还包括下层介质基板3和底层介质基板4；下层介质基板3上表面覆盖有下层铜片31，底层介质基板4上表面覆盖有底层铜片41；第二信号输入端口43设置在下层铜片31，第一信号输入端口33设置在底层铜片41；第一信号输入端的信号传递至第二信号输入端，第二信号输入端将信号传递至中层十字形耦合缝22，中层十字形耦合缝22将信号传递至天线臂，最终发送出去；在本实施例中，四块介质基板，均采用种罗杰斯5880PCB板，厚度为0.508mm，介电常数为2.2；辐射贴片11通过顶层金属化过孔15与顶层介质基板1的下表面的铜片耦接形成双极化电磁偶极子，功率分配层，采用十字形耦合缝为一组子阵列12馈电，且中层金属化过孔23与中层铜片21、中层传导铜片形成高阶模基板集成腔；可以减少金属化过孔的数量，更利于天线集成；反馈层的第一输出端和第二输出端成90度，实现天线双极化；整个天线具备宽的阻抗匹配带宽，高增益的特性；现有技术中，SIW技术被广泛应用于毫米波频段天线的设计中，然而，当设计大型天线阵时，我们需要与常规微带馈电网络一样用到了大量基于SIW的功分器和长的SIW线，这时我们就不能忽视SIW馈电网络的总损耗了；利用高阶模腔激励优势，我们提出的阵列可以扩展到更大的规模，同时简化馈电网络，保持其损耗小特性；除此之外，因为波长很小，而且金属化通孔数量很大，天线性能的制造公差不容忽视。与常规馈电网络相比，我们所提出的设计使用更少的金属通孔；因此，该设计更加具有成本效益。

请参阅图2，4块辐射贴片11以2*2的方式阵列在顶层介质基板1上表面，且4块辐射贴片11相邻内角之间通过交叉带13连接，形成子阵列12；4块子阵列12相互分离，并以2*2的方式阵列在顶层介质基板1上表面，形成的天线辐射臂；中层十字形耦合缝22数量与子阵列12的数量相等，且中层十字形的耦合缝的几何中心与子阵列12的几何中心位置相对应；下层铜片31设有下层十字形耦合缝32；且下层十字形耦合缝32的几何中心点与天线辐射臂的几何中心位置相对应；底层铜片41设有条形耦合缝42，条形耦合缝42与下层十字形耦合缝32数量相等，且条形耦合缝42隙的几何中心点与下层十字形耦合缝32的几何中心点位置相对应；下层介质基板3设有下层金属化过孔34，下层金属化过孔34与第二信号输入端口43围合成下层凸字形SIW结构，底层介质基板4设有底层金属化过孔44，底层金属化过孔44与第一信号输入端口33围合成底层凸字形SIW结构；且下层凸字形SIW结构与底层凸字形SIW结构夹角成90度。

在本实施例中，在辐射贴片11中心加入交叉条带，将四个辐射贴片11的内角连接在一起，这是为了获得更好的阻抗匹配；中层十字形耦合缝22数量为4，下层十字形耦合缝32和条形耦合缝42的数量均为1；顶层介质基板1的四周还有顶层侧壁金属化孔16，围合天线臂；可以约束增益方向，提高增益效果；在本实施例中天线的尺寸参数如表1，

表1.天线阵列的几何参数

参数	C<sub>1</sub>	C<sub>2</sub>	D<sub>0</sub>	D<sub>v</sub>	S<sub>v</sub>	P<sub>w1</sub>	P<sub>W2</sub>	L<sub>1</sub>	L<sub>2</sub>	L<sub>3</sub>
											单位/mm	14	12.6	0.6	0.4	0.7	2.22	2.31	4.6	2.69	2.85
参数	L<sub>4</sub>	L<sub>c1</sub>	L<sub>c2</sub>	W<sub>0</sub>	W<sub>1</sub>	W<sub>2</sub>	W<sub>gap</sub>	F<sub>a1</sub>	F<sub>a2</sub>	F<sub>b1</sub>
											单位/mm	2.29	5.6	5.73	0.2	0.3	11.3	10.7	6.3	2.26	5.9
参数	F<sub>b2</sub>	S<sub>w</sub>	h
											单位/mm	2.25	16	0.508

请参阅图3，其中，S11为第一信号输入端的回波损耗强度，S22为第二信号输入端的回波损耗强度；S21为第一信号输入端与第二信号输入端之间的额隔离度；其中回波损耗强度是指由辐射臂回传至输入端的信号强度；可以很容易地观察到第二信号输入端口43和第一信号输入端口33的模拟阻抗带宽分别为16.7％和15.2％(S11≤-10dB)；第二信号输入端口43和第一信号输入端口33的工作频率范围略有不同；这可能是由两条馈电带尺寸和位置的微小差异造成的；两个端口共同的频带宽度为15.2％(SWR≤2),覆盖范围为36.6到42.6GHz；在工作频段内两个端口的隔离度优于36dB，满足商业基站天线的设计要求；如图4所示，第二信号输入端口43和第一信号输入端口33仿真模拟的增益范围分别为11.5到14.1dBi和11.4到14.1dBi；请参阅表2，天线子阵列12辐射方向图的角度表：

表2，天线子阵列12辐射方向图的角度

请参阅图5，4块辐射贴片11以2*2的方式阵列在顶层介质基板1上表面，且4块辐射贴片11相邻内角之间通过交叉带13连接，形成第一子阵列121；4块子阵列12相互分离，并以2*2的方式阵列在顶层介质基板1上表面，形成第二子阵列122；4块第二子阵列122相互分离，并以以2*2的方式阵列在顶层介质基板1上表面形成天线辐射臂。中间铜片设有中层十字形耦合缝22，中层十字形耦合缝22数量与第一子阵列121的数量相等，且中层十字形的耦合缝与第一子阵列121的几何中心位置相对应；下层铜片31设有下层十字形耦合缝32；十字形耦合缝与第二阵列的数量相等，且下层十字形耦合缝32的几何中心点与第二子阵列122的几何中心位置相对应；底层介质基板4上表面覆盖有底层铜片41，底层铜片41设有条形耦合缝42，条形耦合缝42与下层十字形耦合缝32数量相等，且条形耦合缝42隙的几何中心点位置与下层十字形耦合缝32的几何中心点相对应；下层介质基板3设有下层金属化过孔34，下层金属化过孔34围合成下层凸字形SIW结构，第二信号输入端设置在下层凸字形SIW结构前端；底层介质基板4设有底层金属化过孔44，底层金属化过孔44围合成底层凸字形SIW结构，第一信号输入端设置在底层凸字形前端。

在本实施例中，第二子阵列122相当于上一实施中的天线辐射臂，且尺寸完全相同；在辐射贴片11中心加入交叉条带，将四个辐射贴片11的内角连接在一起，这是为了获得更好的阻抗匹配；中层十字形耦合缝22数量为16，下层十字形耦合缝32和条形耦合缝42的数量均为4；其中，中层十字耦合缝、下层十字形耦合缝32和条形耦合缝42的尺寸也均与上一实施例的尺寸完全相同；顶层介质基板1的四周和第二子阵列122之间，还有顶层侧壁金属化孔16，排列成“田”字形，田字形每个部分围合一个第二子阵列122，可以约束增益方向，提高增益效果；下层凸字形SIW结构，具体的为H形与I字形的组合结构，I字形位于H形中部，其中，l为凸字形的前端突出部，第二信号输入端位于l字形前端；H形左侧竖直部分为中间低两端外凸的三段式结构，H形右侧竖直部分与左侧竖直部分对称；且两端外凸部分偏差量为δ，在本实施例中δ＝2.8mm；采用这种设计是为了给出一个两端外凸部形成的相邻SIW腔之间的额外180度相位延迟，这样可以做到当第一信号输入端口33沿y方向或者第二信号输入端口43沿x方向馈电时，能给天线提供同相电场激励；底层凸字形SIW结构与下层凸字形SIW结构结构完全相同，但是两者之间夹角为90度；在本实施例中天线的尺寸参数如表3，

表3.天线阵列馈电网络与转接结构的几何参数

参数	dv	sv	m1	lr1	lr2	wr1	wr2	wr3	SS	fd1
											单位/mm	0.4	0.7	0.2	1.52	0.13	3.37	2.9	6.3	14	1.66
参数	fd2	fd3	fd4	fl	δ
											单位/mm	1.76	1.66	1.76	4.2	2.8

请阅图6，其中，S11为第一信号输入端的回波损耗强度，S22为第二信号输入端的回波损耗强度；S21为第一信号输入端与第二信号输入端之间的额隔离度；其中回波损耗强度是指由辐射臂回传至输入端的信号强度；可以很容易地观察到4×4单元的双极化阵列的第一信号输入端和第二信号输入端的模拟阻抗带宽分别为16.7％和15.2％(S参数低于-10dB)；第一信号输入端和第二信号输入端的工作频率范围略有不同；两个端口共同的频带宽度为15.2％(S参数低于-10dB),覆盖范围为36.6-42.6GHz；在工作频段内两个端口的隔离度优于-40dB，满足商业基站天线的设计要求；如图7所示，第一输入端峰值增益为20.2dBi，第二信号输入端的峰值增益为19.8dBi；图8给出了天线阵列馈电网络的矩形波导转接SIW的转接尺寸图，即为第一或第二信号输入端的尺寸图；图9给出转接结构的S参数，S11为第一信号传输端口的回波损耗，S12第一信号传输端口的插入损耗，为在37GHz-42.5GHz毫米波频段中，其S参数低于-10dB；因此，就基站天线而言，这是在未来第五代通信系统下有着良好发展前景的一种天线；请参阅表4，天线阵列辐射方向图的角度表：

表4，天线子阵列辐射方向图的角度

本实用新型的优势在于：

1、本实用新型包括由上至下设置的辐射层、功率分配层和反馈层；反馈层的信号经过功率分配层传递至辐射层；辐射贴片通过顶层金属化过孔与顶层介质基板的下表面的铜片耦接形成双极化电磁偶极子；

2、功率分配层，采用十字形耦合缝为一组子阵列馈电，且中层金属化过孔与中层铜片、中层传导铜片形成高阶模基板集成腔；将这种高阶模板集成腔作为激励结构去给这个2*2的子阵列馈电，以相同的相位和幅度激励所有的辐射单元，既简单又高效率，可以减少金属化过孔的数量，更利于天线集成；

3、反馈层的第一输出端和第二输出端成90度，实现天线双极化；整个天线具备宽的阻抗匹配带宽，高增益的特性。

以上公开的仅为本实用新型的几个具体实施例，但是本实用新型并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种背腔激励的双极化电磁偶极子阵列天线，其特征在于，包括由上至下设置的辐射层、功率分配层和反馈层；所述反馈层的信号经过功率分配层传递至辐射层；

所述辐射层包括顶层介质基板、设置在顶层介质基板上表面的多块辐射贴片和设置在所述介质基板下表面的顶层传导铜片；所述顶层介质基板设有顶层金属化过孔，所述辐射贴片通过所述顶层金属化过孔与所述顶层传导铜片耦接；

所述功率分配层包括中层介质基板、覆盖在所述中层介质基板上表面的中层铜片和覆盖在所述中层介质基板下表面的中层传导铜片；所述中层铜片设有中层十字形耦合缝，与所述顶层传导铜片耦接；所述中层介质基板设有中层金属化过孔与所述中层铜片、中层传导铜片形成高阶模基板集成腔；

所述反馈层，包括相互垂直的第二信号输入端和第一信号输入端。

2.根据权利要求1所述的背腔激励的双极化电磁偶极子阵列天线，其特征在于，所述反馈层还包括下层介质基板和底层介质基板；所述下层介质基板上表面覆盖有下层铜片，所述底层介质基板上表面覆盖有底层铜片；所述第二信号输入端口设置在所述下层铜片，所述第一信号输入端口设置在所述底层铜片。

3.根据权利要求2所述的背腔激励的双极化电磁偶极子阵列天线，其特征在于，4块所述辐射贴片以2*2的方式阵列在所述顶层介质基板上表面，且4块所述辐射贴片相邻内角之间通过交叉带连接，形成子阵列；4块所述子阵列相互分离，并以2*2的方式阵列在所述顶层介质基板上表面，形成天线辐射臂。

4.根据权利要求3所述的背腔激励的双极化电磁偶极子阵列天线，其特征在于，所述中层十字形耦合缝数量与所述子阵列的数量相等，且所述中层十字形的耦合缝的几何中心与所述子阵列的几何中心位置相对应。

5.根据权利要求3所述的背腔激励的双极化电磁偶极子阵列天线，其特征在于，所述下层铜片设有下层十字形耦合缝；且所述下层十字形耦合缝的几何中心点与所述天线辐射臂的几何中心位置相对应；所述底层铜片设有条形耦合缝，所述条形耦合缝与所述下层十字形耦合缝数量相等，且所述条形耦合缝隙的几何中心点与所述下层十字形耦合缝的几何中心点位置相对应。

6.根据权利要求3所述的背腔激励的双极化电磁偶极子阵列天线，其特征在于，所述下层介质基板设有下层金属化过孔，所述下层金属化过孔与所述第二信号输入端口围合成下层凸字形SIW结构，所述底层介质基板设有底层金属化过孔，所述底层金属化过孔与所述第一信号输入端口围合成底层凸字形SIW结构；且所述下层凸字形SIW结构与底层凸字形SIW结构夹角成90度。

7.根据权利要求2所述的背腔激励的双极化电磁偶极子阵列天线，其特征在于，4块所述辐射贴片以2*2的方式阵列在所述顶层介质基板上表面，且4块所述辐射贴片相邻内角之间通过交叉带连接，形成第一子阵列；4块所述子阵列相互分离，并以2*2的方式阵列在所述顶层介质基板上表面，形成第二子阵列；4块所述第二子阵列相互分离，并以所述以2*2的方式阵列在所述顶层介质基板上表面形成天线辐射臂。

8.根据权利要求7所述的背腔激励的双极化电磁偶极子阵列天线，其特征在于，所述中间铜片设有中层十字形耦合缝，所述中层十字形耦合缝数量与所述第一子阵列的数量相等，且所述中层十字形的耦合缝与所述第一子阵列的几何中心位置相对应。

9.根据权利要求7所述的背腔激励的双极化电磁偶极子阵列天线，其特征在于，所述下层铜片设有下层十字形耦合缝；所述十字形耦合缝与所述第二子阵列的数量相等，且所述下层十字形耦合缝的几何中心点与所述第二子阵列的几何中心位置相对应；所述底层介质基板上表面覆盖有底层铜片，所述底层铜片设有条形耦合缝，所述条形耦合缝与所述下层十字形耦合缝数量相等，且所述条形耦合缝隙的几何中心点位置与所述下层十字形耦合缝的几何中心点相对应。

10.根据权利要求7所述的背腔激励的双极化电磁偶极子阵列天线，其特征在于，所述下层介质基板设有下层金属化过孔，所述下层金属化过孔围合成下层凸字形SIW结构，所述第二信号输入端设置在所述下层凸字形SIW结构前端；所述底层介质基板设有底层金属化过孔，所述底层金属化过孔围合成底层凸字形SIW结构，所述第一信号输入端设置在所述底层凸字形前端。