CN209448014U - 一种偶极子毫米波天线单元及天线阵列 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种偶极子毫米波天线单元及天线阵列。该天线单元包括介质基板、辐射单元、微带馈线和接地面；介质基板的正面印刷有辐射单元和微带馈线，背面印刷有接地面；辐射单元由第一矩形贴片和第一半圆环贴片组成；微带馈线由第二矩形贴片和第一直角三角形贴片组成；接地面由大矩形贴片、小矩形贴片、第二直角三角形贴片、第三矩形贴片和第二半圆环贴片组成。该天线单元属于印刷偶极子，通过在矩形辐射单元上加半圆环贴片，使天线单元在28GHz处具有良好的阻抗匹配，具有高增益、宽频带等优点。该天线阵列由天线单元组成，能够内嵌到当前主流终端中，并且兼具高增益、低旁瓣、宽频带、高集成性和小型化等优点，保证整体的定向性。

Description

一种偶极子毫米波天线单元及天线阵列

技术领域

本实用新型属于移动通信技术领域，具体是一种偶极子毫米波天线单元及天线阵列。

背景技术

天线作为一种变换器，在无线通信系统中起着至关重要的作用。在现代移动通信中，如电脑、手机、导航等，天线广泛应用于上述设备中。随着无线通信技术的发展，高速数据业务已经呈现出一种爆炸式增长。为适应未来用户业务的需求，各国也争先投入第五代移动通信系统的研究当中。

同4G相比，5G通信的突出优点是流量密度大、传输速率高等；与此同时，5G的点对点通信时延是现用4G的五分之一；更为突出的是，5G终端的能耗会延长为现用4G的十倍。目前，毫米波技术、小蜂窝网络和MIMO三者是5G天线最为核心的三个方向。

单一天线的方向性是有限的，为了能够适应各种场合，将相同的两个及两个以上的天线按照一定规律排列起来并进行馈电，从而组成了天线阵列。阵列单元通过组阵，使得天线阵具有高增益的特性，同时也加强并改善辐射场的方向性。相控阵天线是通过控制阵列单元相位的变化，进而控制波束方向，最终达到波束扫描的结果。

相控阵最早应用在雷达中，随着5G的快速发展以及毫米波技术的研究，相控阵也逐渐应用于毫米波技术中。2016年，美国联邦通信委员会声明了用于5G的三个工作频段，分别为28GHz(27.5GHz-28.35GHz)、37GHz(37GHz-38.6GHz)和39GHz(38.6GHz-40GHz)。然而，目前并没有过多的设计是关于专一频段28GHz的毫米波天线。申请号为201711479323.3的文献公开了一种天线单元及阵列天线，但是该天线单元包括两层介质基板，结构复杂，实现难度大。因此，设计一款能够工作于28GHz频段以及结构简单的毫米波天线单元以及天线阵列具有重大意义。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型拟解决的技术问题是，提供一种偶极子毫米波天线单元及天线阵列。

本实用新型解决所述技术问题的技术方案是，提供一种偶极子毫米波天线单元，其特征在于该天线单元包括介质基板、辐射单元、微带馈线和接地面；所述介质基板的正面印刷有辐射单元和微带馈线，背面印刷有接地面；辐射单元位于介质基板的正面底边中线左侧部分，微带馈线位于辐射单元下方；接地面位于介质基板背面的下方；

所述辐射单元由第一矩形贴片和第一半圆环贴片组成；所述微带馈线由第二矩形贴片和第一直角三角形贴片组成；所述接地面由大矩形贴片、小矩形贴片、第二直角三角形贴片、第三矩形贴片和第二半圆环贴片组成；

所述第一矩形贴片的左侧与第一半圆环贴片连接，右侧与第一直角三角形贴片的一条直角边连接；所述第一直角三角形贴片的另一条直角边与第二矩形贴片的顶边连接，第二矩形贴片的底边与介质基板正面底边连接；第二矩形贴片的中线与介质基板正面底边的中线共线；

第三矩形贴片和第二半圆环贴片位于介质基板的背面底边中线右侧部分；所述第三矩形贴片的右侧与第二半圆环贴片连接，左侧与第二直角三角形贴片的一条直角边连接；所述第二直角三角形贴片的另一条直角边与小矩形贴片的顶边连接，小矩形贴片的底边与大矩形贴片的顶边连接，大矩形贴片的底边与介质基板背面底边连接并且共线；小矩形贴片的中线与介质基板背面底边的中线共线。

与现有技术相比，本实用新型有益效果在于：

1、该天线单元属于印刷偶极子，具有高增益、宽频带等优点。通过在矩形辐射单元上加半圆环贴片，使天线单元在28GHz处具有良好的阻抗匹配。

2、该天线单元工作于中心频率28GHz，实际带宽26.1-30.1GHz，相对于其工作带宽27.5-28.35GHz，相对带宽为14.3％，实现了宽频带。天线中心频率的反射系数达到了-42.2dB，并且在整个带宽内天线的电压驻波比均小于2，同时天线实现了良好的阻抗匹配。

3、介质基板采用介电常数为3、损耗角正切值为0.0013的Rogers RO3003材料，该材料在高频段具有稳定特性，其厚度仅为0.762mm，厚度较薄。

4、该天线单元结构简单、紧凑，易于加工。

5、该天线阵列由天线单元组成，通过外接设备的HFSS仿真软件调整相邻天线单元之间的相位差，实现波束扫描，达到相控阵天线的目的。该天线阵列能够内嵌到当前主流的手机等终端的电路板中，并且兼具高增益、低旁瓣、宽频带、高集成性和小型化等优点，保证整体的定向性。

附图说明

图1是本实用新型一种实施例的天线单元正面结构示意图。

图2是本实用新型一种实施例的天线单元背面结构示意图。

图3是本实用新型实施例1的天线单元在频率28GHz的反射系数曲线图。

图4是本实用新型实施例1的天线单元在频率28GHz的电压驻波比曲线图。

图5是本实用新型实施例2的8元天线阵列的正面结构示意图。

图6是本实用新型实施例2的8元天线阵列的背面结构示意图。

图7是本实用新型实施例2的8元天线阵列在28GHz处的扫描范围图。

(图中：1、介质基板；2、辐射单元；3、微带馈线；4、接地面；21、第一矩形贴片；22、第一半圆环贴片；31、第二矩形贴片；32、第一直角三角形贴片；41、大矩形贴片；42、小矩形贴片；43、第二直角三角形贴片；44、第三矩形贴片；45、第二半圆环贴片)

具体实施方式

下面给出本实用新型的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本实用新型，不限制本申请权利要求的保护范围。

本实用新型提供了一种偶极子毫米波天线单元(简称天线单元，参见图1-2)，其特征在于该天线单元包括介质基板1、辐射单元2、微带馈线3和接地面4；所述介质基板1的正面印刷有辐射单元2和微带馈线3，背面印刷有接地面4；辐射单元2位于介质基板1的正面底边中线左侧部分，微带馈线3位于辐射单元2下方；接地面4位于介质基板1背面的下方；

所述辐射单元2由第一矩形贴片21和第一半圆环贴片22组成；所述微带馈线3由第二矩形贴片31和第一直角三角形贴片32组成；所述接地面4由大矩形贴片41、小矩形贴片42、第二直角三角形贴片43、第三矩形贴片44和第二半圆环贴片45组成；

所述第一矩形贴片21的左侧与第一半圆环贴片22连接，右侧与第一直角三角形贴片32的一条直角边连接；所述第一直角三角形贴片32的另一条直角边与第二矩形贴片31的顶边连接，第二矩形贴片31的底边与介质基板1正面底边连接；第二矩形贴片31的中线与介质基板1正面底边的中线共线；

第三矩形贴片44和第二半圆环贴片45位于介质基板1的背面底边中线右侧部分；所述第三矩形贴片44的右侧与第二半圆环贴片45连接，左侧与第二直角三角形贴片43的一条直角边连接；所述第二直角三角形贴片43的另一条直角边与小矩形贴片42的顶边连接，小矩形贴片42的底边与大矩形贴片41的顶边连接，大矩形贴片41的底边与介质基板1背面底边连接并且共线；小矩形贴片42的中线与介质基板1背面底边的中线共线。

优选地，第一直角三角形贴片32为等腰直角三角形；第一半圆环贴片22外圆的直径、第一矩形贴片21的宽度、第一直角三角形贴片32的两条直角边的长度和第二矩形贴片31的长度均相同；第二直角三角形贴片43为等腰直角三角形；第二半圆环贴片45外圆的直径、第三矩形贴片44的宽度、第二直角三角形贴片43的两条直角边的长度和小矩形贴片42的长度均相同。

优选地，第一直角三角形贴片32和第二直角三角形贴片43的尺寸相同，位于介质基板1的正面和背面相同位置处；第一半圆环贴片22与第二半圆环贴片45位于介质基板1的正面和背面相同位置处，第一矩形贴片21与第三矩形贴片44位于介质基板1的正面和背面相同位置处。

优选地，所述介质基板1采用相对介电常数为3、损耗角正切值为0.0013的RogersRO3003(罗杰斯RO3003)材料。

优选地，所述辐射单元2、微带馈线3、左接地面4和右接地面5均采用金属材料制成，具体是铜。

本实用新型同时提供了一种由至少两个所述天线单元构成的直线天线阵列(简称天线阵列，参见图5-6)，其特征在于每个天线单元的介质基板1依次连接形成一个整体，每个辐射单元2之间的距离相同，每个微带馈线3之间的距离相同；每个天线单元的大矩形贴片41依次连接形成一个整体，每个小矩形贴片42之间的距离相同，每个第二直角三角形贴片43之间的距离相同，每个第三矩形贴片44之间的距离相同，每个第二半圆环贴片45之间的距离相同。

天线阵列中的天线单元的个数根据需要达到的增益值以及应用于的手机中内嵌天线的空间确定。相邻两个天线单元之间的距离的具体大小可以根据手机的实际尺寸以及天线单元的大小进行合理的设计。

实施例1

本实施例中介质基板1的形状为矩形，介质基板1的尺寸是4.6mm×6mm×0.762mm。

第一矩形贴片21的尺寸为1.8mm×0.6mm。为了使天线单元在28GHz处有良好的阻抗匹配，第一矩形贴片21的左侧连接有第一半圆环贴片22；第一半圆环贴片22的内圆半径为0.2mm，外圆半径为0.3mm，第一半圆环贴片22外圆的直径与第一矩形贴片21的宽度相同，第一半圆环贴片22的圆心距离介质基板1的左侧边缘为0.9mm。

为了减小微带馈线3上的损耗，通过第一直角三角形贴片32来连接微带馈线3与辐射单元2，第一直角三角形贴片32的尺寸为0.6mm×0.6mm。第二矩形贴片31的尺寸为0.6mm×2mm。第二矩形贴片31的长度和第一矩形贴片21的宽度相同。

大矩形贴片41的尺寸为6mm×1.5mm；小矩形贴片42的尺寸为0.6mm×0.5mm；第二直角三角形贴片43的尺寸为0.6mm×0.6mm；第三矩形贴片44的尺寸为1.8×0.6mm；第二半圆环贴片45的内圆半径为0.2mm，外圆半径为0.3mm，第二半圆环贴片45的圆心距离介质基板1的右侧边缘为0.9mm。大矩形贴片41的顶边与第三矩形贴片44的底边的距离为0.5mm。

图3为实施例天线单元的反射系数曲线，从图中可以看出天线单元在26.1GHz-30.1GHz频段内反射系数小于-10dB，这使得天线能够工作在26.1GHz-30.1GHz频段，实现了宽频带；天线单元中心频率处的反射系数达到了-42.2dB，良好实现了阻抗匹配。

图4是实施例天线单元的电压驻波比曲线，从图中可以看出上述反射系数小于-10dB的频段内天线单元的电压驻波比均小于2，满足工程要求。

实施例2

本实施例中的天线阵列是由8个实施例1的天线单元构成的直线天线阵列，任意两个相邻天线单元之间的距离都相同，为4.6mm。该距离指第二矩形贴片31底边的中线到相邻天线单元第二矩形贴片31底边的中线的距离。

图4是实施例8元天线阵列在28GHz处的扫描范围图，从图中可以看出该天线阵列在28GHz处时的原始状态所能达到的最大增益为12.5dB，在28GHz处，设置天线阵列分别以0°、20°、40°的扫描范围进行扫描，证明该天线阵列在28GHz处有良好的扫描范围。针对天线阵列在28GHz处需要测试的角度，不局限于上述几种，在实际应用中，可以根据需要进行合理的设置。

本实用新型未述及之处适用于现有技术。

Claims (6)

1.一种偶极子毫米波天线单元，其特征在于该天线单元包括介质基板、辐射单元、微带馈线和接地面；所述介质基板的正面印刷有辐射单元和微带馈线，背面印刷有接地面；辐射单元位于介质基板的正面底边中线左侧部分，微带馈线位于辐射单元下方；接地面位于介质基板背面的下方；

所述辐射单元由第一矩形贴片和第一半圆环贴片组成；所述微带馈线由第二矩形贴片和第一直角三角形贴片组成；所述接地面由大矩形贴片、小矩形贴片、第二直角三角形贴片、第三矩形贴片和第二半圆环贴片组成；

所述第一矩形贴片的左侧与第一半圆环贴片连接，右侧与第一直角三角形贴片的一条直角边连接；所述第一直角三角形贴片的另一条直角边与第二矩形贴片的顶边连接，第二矩形贴片的底边与介质基板正面底边连接；第二矩形贴片的中线与介质基板正面底边的中线共线；

第三矩形贴片和第二半圆环贴片位于介质基板的背面底边中线右侧部分；所述第三矩形贴片的右侧与第二半圆环贴片连接，左侧与第二直角三角形贴片的一条直角边连接；所述第二直角三角形贴片的另一条直角边与小矩形贴片的顶边连接，小矩形贴片的底边与大矩形贴片的顶边连接，大矩形贴片的底边与介质基板背面底边连接并且共线；小矩形贴片的中线与介质基板背面底边的中线共线。

2.根据权利要求1所述的偶极子毫米波天线单元，其特征在于第一直角三角形贴片为等腰直角三角形；第一半圆环贴片外圆的直径、第一矩形贴片的宽度、第一直角三角形贴片的两条直角边的长度和第二矩形贴片的长度均相同；第二直角三角形贴片为等腰直角三角形；第二半圆环贴片外圆的直径、第三矩形贴片的宽度、第二直角三角形贴片的两条直角边的长度和小矩形贴片的长度均相同。

3.根据权利要求2所述的偶极子毫米波天线单元，其特征在于第一直角三角形贴片和第二直角三角形贴片的尺寸相同，位于介质基板的正面和背面相同位置处；第一半圆环贴片与第二半圆环贴片位于介质基板的正面和背面相同位置处，第一矩形贴片与第三矩形贴片位于介质基板的正面和背面相同位置处。

4.根据权利要求1所述的偶极子毫米波天线单元，其特征在于所述介质基板采用相对介电常数为3、损耗角正切值为0.0013的Rogers RO3003材料。

5.根据权利要求1所述的偶极子毫米波天线单元，其特征在于所述辐射单元、微带馈线、左接地面和右接地面均采用金属材料制成。

6.一种由至少两个权利要求1-5任一所述的偶极子毫米波天线单元构成的直线天线阵列，其特征在于每个天线单元的介质基板依次连接形成一个整体，每个辐射单元之间的距离相同，每个微带馈线之间的距离相同；每个天线单元的大矩形贴片依次连接形成一个整体，每个小矩形贴片之间的距离相同，每个第二直角三角形贴片之间的距离相同，每个第三矩形贴片之间的距离相同，每个第二半圆环贴片之间的距离相同。