CN211655058U - 小型化宽带双极化磁电偶极子毫米波边射天线及其阵列 - Google Patents
小型化宽带双极化磁电偶极子毫米波边射天线及其阵列 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型公开了一种小型化宽带双极化磁电偶极子毫米波边射天线及其阵列,所述天线包括该边射天线包括由上往下依次设置的顶部金属层(1)、第一介质层(2)、第二金属层(3)、第二介质层(4)、第三介质层(5)、第三金属层(6),第四介质层(7)、第五介质层(8)、底部金属层(9);利用纵向弯折结构实现横向电偶极子尺寸的减小进而实现小型化,同时也提供一种由该天线组成的双极化天线阵列,实现在两个极化方向上的宽阻抗带宽,低复杂度馈电结构、低馈电剖面、易于直接集成的毫米波天线及阵列结构。本实用新型可以获得超过50%的双极化阻抗带宽,同时带内的增益波动也低于3dB,具有稳定的方向图。
Description
技术领域
本实用新型属于微波毫米波通信,具体涉及一种小型化宽带双极化磁电偶极子毫米波边射天线及其阵列。
背景技术
随着移动终端使用人数的激增,全球移动数据流量在以前所未有的速度继续增长,目前的4G移动网络容量从长期来看将是不可持续的。与4G系统相比,5G蜂窝系统的主要区别之一是向毫米波波段的转移,在更高的频段更容易获得更宽的带宽。所以作为毫米波无线系统中关键器件的宽带毫米波器件天线急需要被设计和开发。在各种毫米波天线中,平面毫米波阵列天线因为高增益以及可以直接与射频前端集成的优点非常的有前景。且为了实现更好的信号发射和接收能力,需要毫米波阵列天线具有宽覆盖和多极化的性能,便于发射和接收来自任意方位的信号。所以能够辐射双极化波的毫米波平面集成阵列天线具有非常好的应用前景,尤其是易于直接集成的小型化毫米波双极化平面集成阵列天线。
磁电偶极子天线及阵列由于其具有宽工作频带、稳定的带内增益平坦度、稳定的单向辐射方向图以及低交叉极化等特性获得了广泛关注。目前,相关领域的专家、学者、工程技术人员针对毫米波基片集成磁电偶极子展开了一系列的研究,并获得了相应的一些技术成果。然而,就目前已报道的毫米波基片集成磁电偶极子的设计而言,存在以下几个方面有待改进。一是,大部分的毫米波基片集成磁电偶极子在扩展成阵列天线时,其带宽往往都会明显变窄;二是,大部分的毫米波基片集成磁电偶极子只实现了单极化或者圆极化的性能,接受来自不同方向的信息的能力有限;三是,大部分的毫米波基片集成磁电偶极子天线阵列的馈电网络大多都采用缝隙耦合馈电,因此很难实现与毫米波前端电路芯片直接集成;除此之外,大部分的毫米波双极化基片集成磁电偶极子阵列天线带宽都低于40%,仍然有提高的空间。
发明内容
发明目的:本实用新型旨在提供一种小型化宽带双极化磁电偶极子毫米波边射天线,利用纵向弯折结构实现横向电偶极子尺寸的减小进而实现小型化,同时也提供一种由该天线组成的双极化天线阵列,实现在两个极化方向上的宽阻抗带宽,低复杂度馈电结构、低馈电剖面、易于直接集成的毫米波天线及阵列结构。
技术方案:本实用新型的一种小型化宽带双极化磁电偶极子毫米波边射天线,该边射天线包括由上往下依次设置的顶部金属层、第一介质层、第二金属层、第二介质层、第三介质层、第三金属层,第四介质层、第五介质层、底部金属层;
所述顶部金属层上中心位置设有四个根据坐标原点对称的第一正方形贴片、第二正方形贴片、第三正方形贴片和第四正方形贴片,其中第一正方形贴片、第四正方形贴片和第二正方形贴片、第三正方形贴片组成x方向上的一对电偶极子,在这对电偶极子中间有一片类似“I”字型的第一长方形金属片,该第一长方形金属片为x方向极化上的馈电片,与贯穿第一介质层、第二介质层、第三介质层、第四介质层和第五介质层的金属化通孔形成倒“L”型馈电结构;此外另一个小正方形金属片在第二正方形贴片和第三正方形贴片中间;
所述第二金属层上印制有与第一金属层上的第一长方形金属片垂直的类似“I”字型的第二长方形金属片;该第二长方形金属片为y方向极化上的馈电片,与贯穿第一介质层、第二介质层、第三介质层、第四介质层和第五介质层的金属化通孔形成倒“L”型馈电结构,此外在该层的四个角上有四个小的正方形贴片,通过贯穿第一介质层的金属化盲孔与顶层金属层的电偶极子相连;
所述第三金属层为接地层,第三金属层上蚀刻有两个圆形槽,四个根据坐标原点对称的正方形贴片与第三金属层之间通过贯穿第一介质层、第二介质层和第三介质层的若干金属化半盲孔实现电连接,且第一组金属化盲孔和第三组金属化盲孔构成x方向上的一对磁偶极子,第二组金属化盲孔和第四组金属化盲孔构成y方向上的另一对磁偶极子;
所述边射天线还包括低剖面微带馈电结构,低剖面微带馈电结构包括第三金属层、第四介质层、第五介质层和底部金属层,其中,底部金属层上设有两个相互垂直的50 欧姆微带线,分别与位于顶部金属层和第二金属层上的两个I型第一长方形金属片和第二长方形金属片分别通过贯穿第一介质层、第二介质层、第三介质层、第三金属层,第四介质层和第五介质层的第一金属化通孔、第二金属化通孔相接,第三金属层作为辐射单元和微带馈电结构的公共地。
其中,
所述顶部金属层上还设有第一金属化半盲孔和第一小正方形贴片,第二金属化半盲孔和第二小正方形贴片,第三金属化半盲孔和第三小正方形贴片,和第四金属化半盲孔和第四小正方形贴片构成纵向弯折结构,四个金属化半盲孔分别位于靠近四个根据坐标原点对称的第一正方形贴片、第二正方形贴片、第三正方形贴片和第四正方形贴片的四个角的位置,利用纵向弯折结构实现横向电偶极子尺寸的减小进而实现小型化。
所述第一介质层、第二介质层和第三介质层相加的厚度为四分之一导波波长,所述第二介质层和第四介质层为半固化粘贴介质层,所述第一介质层和第三介质层为介质基板。
本实用新型的小型化宽带双极化磁电偶极子毫米波边射天线的阵列天线,其特征在于该阵列天线由四个排列成两行两列的双极化磁电偶极子单元构成一个2×2的阵列天线,该四个双极化磁电偶极子单元由第一双极化磁电偶极子单元,第二双极化磁电偶极子单元,第三双极化磁电偶极子单元和第四双极化磁电偶极子单元组成,每行或者每列的两个双极化磁电偶极子单元中的x方向极化的激励端口分别连接至一个一分二的微带功率分配器的输出端口,即底部金属层中设有一个一分二的第一微带功率分配器和一个一分二的第二微带功率分配器,该两个一分二的微带功率分配器的输入端口分别连接至一分二的第三微带功率分配器的输出端口;同样地,y方向极化的激励端口分别连接至另一个一分二的微带功率分配器的输出端口,即底部金属层中设有另一个一分二的第四微带功率分配器和另一个一分二的第五微带功率分配器,该两个一分二的微带功率分配器的输入端口分别连接至一分二的第六微带功率分配器的输出端口。
所述阵列天线的结构规模可以扩大到2N×2N,N≥2。
所述阵列天线采用四个2N-1×2N-1阵列按照每行每列各两个进行排列,然后用一个一分二微带功率分配器将这四个2N-1×2N-1阵列的x方向极化的激励端口连接起来,每个 2N -1×2N-1阵列的该激励端口分别连接至总的一分二功率分配器的输出端口;同样地,用另一个一分二微带功率分配器将这四个2N-1×2N-1阵列的y方向极化的激励端口连接起来,每个2N-1×2N-1阵列的该激励端口分别连接至总的一分二功率分配器的输出端口。
有益效果:本实用新型公开了一种小型化宽带双极化磁电偶极子毫米波边射天线及其阵列,单个小型化宽带双极化磁电偶极子毫米波边射天线可以获得54%左右的双极化阻抗带宽以及平坦的带内增益,该天线结构可以很方便地扩展成阵列,使用的低剖面微带馈电结构可以使得天线可以实现与毫米波射频前端电路的直接集成。
附图说明
图1为本实用新型具体实施方式中天线的层次结构示意图;
图2为本实用新型具体实施方式中天线剖分结构示意图;
图3为本实用新型具体实施方式中2×2阵列天线的顶层金属层的结构示意图;
图4为本实用新型具体实施方式中2×2阵列天线的底部金属层(馈电网络)的结构示意图;
图5为本实用新型具体实施方式中天线S参数仿真结果图;
图6为本实用新型具体实施方式中天线增益曲线仿真结果图;
图7为本实用新型具体实施方式中天线x方向极化的归一化辐射方向图仿真结果(33GHz);
图8为本实用新型具体实施方式中天线y方向极化的归一化辐射方向图仿真结果(33GHz);
图9为本实用新型具体实施方式中2×2阵列天线的S参数仿真结果图;
图10为本实用新型具体实施方式中2×2阵列天线的增益曲线仿真结果图;
图11为本实用新型具体实施方式中阵列天线x方向极化的归一化辐射方向图仿真结果(33GHz);
图12为本实用新型具体实施方式中阵列天线y方向极化的归一化辐射方向图仿真结果(33GHz)。
具体实施方式
为了进一步地说明本实用新型所公开的技术方案,下面结合具体实施方式和附图对本实用新型的技术方案作进一步的阐述。
如图1和图2所示,本具体实施方式公开了一种小型化宽带双极化磁电偶极子毫米波边射天线,包括由上往下依次设置的顶部金属层1、第一介质层2、第二金属层3、第二介质层4、第三介质层5、第三金属层6,第四介质层7、第五介质层8、底部金属层9;所述顶部金属层1上中心位置设有四个根据坐标原点对称的第一正方形贴片101、第二正方形贴片102、第三正方形贴片103和第四正方形贴片104,其中第一正方形贴片101、第四正方形贴片104和第二正方形贴片102、第三正方形贴片103组成x方向上的一对电偶极子,在这对电偶极子中间有一片类似“I”字型的第一长方形金属片11,此外另一个小正方形金属片12在第二正方形贴片102和第三正方形贴片103中间;所述第二金属层上印制有与第一金属层上的长方形金属片垂直的类似“I”字型的长方形金属片13;所述第三金属层6为接地层,第三金属层6上蚀刻有两个圆形槽14,四个根据坐标原点对称的正方形贴片10与第三金属层6之间通过贯穿第一介质层2、第二介质层4和第三介质层5的若干金属化半盲孔15实现电连接。
进一步地,本实用新型所述天线还包括低剖面微带馈电结构,低剖面微带馈电结构包括第三金属层6、第四介质层7、第五介质层8和底部金属层9,其中,底部金属层9 上设有两个相互垂直的50欧姆微带线16,分别与位于顶部金属层和第二金属层上的两个I型长方形贴片11和13通过贯穿第一介质层2、第二介质层4、第三介质层5、第三金属层6,第四介质层7和第五介质层8的金属化通孔171、172相接,第三金属层6 作为辐射单元和微带馈电结构的公共地。所述第一介质层2、第二介质层4和第三介质层5相加的厚度大约为四分之一导波波长,所述第二介质层4和第四介质层7为半固化粘贴介质层,所述第一介质层2和第三介质层5为介质基板。
如图2所示,还可以利用纵向弯折结构实现横向电偶极子尺寸的减小进而实现小型化,该纵向弯折结构由如图3所示的第一金属化半盲孔181和第一小正方形贴片191,第二金属化半盲孔182和第二小正方形贴片192,第三金属化半盲孔183和第三小正方形贴片193,和第四金属化半盲孔184和第四小正方形贴片194构成,四个金属化半盲孔位于靠近四个根据坐标原点对称的第一正方形贴片101、第二正方形贴片102、第三正方形贴片103和第四正方形贴片104的四个角的位置且贯穿第一介质层2,四个小正方形贴片印制在第二金属层3。
如图3所示,可以由四个磁电偶极子单元排列成两行两列构成一个2×2的阵列天线,四个磁电偶极子单元图中所示为第一磁电偶极子单元201,第二磁电偶极子单元202,第三磁电偶极子单元203和第四磁电偶极子单元204,每行(或者每列)的两个双极化磁电偶极子单元的x方向极化的激励端口分别连接至一个一分二的微带功率分配器的输出端口,图4中具体分别对应第一微带功率分配器21和第二微带功率分配器22,两个一分二的微带功率分配器的输入端口分别连接至一分二的第三微带功率分配器23的输出端口;同样地,y方向极化的激励端口分别连接至另一个一分二的微带功率分配器的输出端口,即设有另一个一分二的第四微带功率分配器24和另一个一分二的第五微带功率分配器25,该两个一分二的微带功率分配器的输入端口分别连接至一分二的第六微带功率分配器26的输出端口。
除此之外,在上述2×2阵列的基础上,阵列天线的规模还可以扩大到2N×2N(N≥2),扩大的方法如下:
将四个2N-1×2N-1(N≥2)阵列按照每行每列各两个进行排列,然后用一个一分二微带功率分配器将这四个2N-1×2N-1(N≥2)阵列的x方向极化的激励端口连接起来,每个 2N-1×2N-1(N≥2)阵列的该激励端口分别连接至总的一分二功率分配器的输出端口;同样地,用另一个一分二微带功率分配器将这四个2N-1×2N-1(N≥2)阵列的y方向极化的激励端口连接起来,每个2N-1×2N-1(N≥2)阵列的该激励端口分别连接至总的一分二功率分配器的输出端口。
为了验证本实用新型提供的实现小型化宽带双极化阵列天线及其阵列结构的可实施性,首先利用商用全波仿真软件对公开的一种小型化宽带双极化磁电偶极子毫米波边射天线结构模型进行了仿真,图5-图9分别给出了相关仿真结果,结果显示,该双极化天线的|S11|<-10dB带宽为54.5%(23.9~41.8GHz),已大于大部分的双极化毫米波基片集成磁电偶极子天线;隔离度|S12|和|S21|<-20dB,具有较好的隔离度;两个方向极化的峰值增益分别为7.85dBi和7.68dBi,且带内增益变化均在3dB以内;可以观察到在33GHz处两个方向极化的xoz面和yoz面方向图较为稳定和对称,交叉极化较低。
进一步地,按照本实用新型提供的方案和结构制作了一个2×2阵列天线实施例进行验证,天线的第一介质层2和第三介质层5可以采用厚度为0.254mm和1mm的介质基片Taconic TLY-5,第二介质层4和第四介质层6可以采用厚度为0.1mm的粘贴片Rogers4450F,第三介质层6可以采用厚度为0.127mm的介质基片Taconic TLY-5。图9-图12 给出了该阵列天线的相关性能仿真结果,仿真实验结果可以看出,阵列天线的 |S11|<-10dB带宽为51.1%(24.9~42.0GHz),已大于大部分的双极化毫米波基片集成磁电偶极子阵列天线;隔离度|S12|和|S21|<-18dB;两个方向极化的峰值增益分别为 12.68dBi和13.73dBi,且带内增益变化均在3dB以内;可以观察到在33GHz处两个方向极化的xoz面和yoz面方向图较为稳定和对称,交叉极化较低。该双极化阵列天线具有紧凑的结构,较宽的阻抗带宽,较高增益和较低的交叉极化等特点。并且馈电网络采用0.227mm厚度(0.1mm+0.127mm)的介质基片,可以实现与毫米波射频前端芯片直接集成。
Claims (6)
1.一种小型化宽带双极化磁电偶极子毫米波边射天线,其特征在于该边射天线包括由上往下依次设置的顶部金属层(1)、第一介质层(2)、第二金属层(3)、第二介质层(4)、第三介质层(5)、第三金属层(6),第四介质层(7)、第五介质层(8)、底部金属层(9);
所述顶部金属层(1)上中心位置设有四个根据坐标原点对称的第一正方形贴片(101)、第二正方形贴片(102)、第三正方形贴片(103)和第四正方形贴片(104),其中第一正方形贴片(101)、第四正方形贴片(104)和第二正方形贴片(102)、第三正方形贴片(103)组成x方向上的一对电偶极子,在这对电偶极子中间有一片类似“I”字型的第一长方形金属片(11),该第一长方形金属片(11)为x方向极化上的馈电片,与贯穿第一介质层、第二介质层、第三介质层、第四介质层和第五介质层的第一金属化通孔(171)形成倒“L”型馈电结构;此外另一个小正方形金属片(12)在第二正方形贴片(102)和第三正方形贴片(103)中间;
所述第二金属层上印制有与第一金属层上的第一长方形金属片(11)垂直的类似“I”字型的第二长方形金属片(13);该第二长方形金属片(13)为y方向极化上的馈电片,与贯穿第一介质层、第二介质层、第三介质层、第四介质层和第五介质层的第二金属化通孔(172)形成倒“L”型馈电结构,此外在该层的四个角上有四个小的正方形贴片,通过贯穿第一介质层的金属化盲孔与顶层金属层的电偶极子相连;
所述第三金属层(6)为接地层,第三金属层(6)上蚀刻有两个圆形槽(14),四个根据坐标原点对称的正方形贴片(10)与第三金属层(6)之间通过贯穿第一介质层(2)、第二介质层(4)和第三介质层(5)的若干金属化半盲孔实现电连接,且第一组金属化盲孔(151)和第三组金属化盲孔(153)构成x方向上的一对磁偶极子,第二组金属化盲孔(152)和第四组金属化盲孔(154)构成y方向上的另一对磁偶极子;
所述边射天线还包括低剖面微带馈电结构,低剖面微带馈电结构包括第三金属层(6)、第四介质层(7)、第五介质层(8)和底部金属层(9),其中,底部金属层(9)上设有两个相互垂直的50欧姆微带线(16),分别与位于顶部金属层和第二金属层上的两个I型第一长方形金属片(11)和第二长方形金属片(13)分别通过贯穿第一介质层(2)、第二介质层(4)、第三介质层(5)、第三金属层(6),第四介质层(7)和第五介质层(8)的第一金属化通孔(171)、第二金属化通孔(172)相接,第三金属层(6)作为辐射单元和微带馈电结构的公共地。
2.根据权利要求1所述的一种小型化宽带双极化磁电偶极子毫米波边射天线,其特征在于:所述顶部金属层(1)上还设有第一金属化半盲孔(181)和第一小正方形贴片(191),第二金属化半盲孔(182)和第二小正方形贴片(192),第三金属化半盲孔(183)和第三小正方形贴片(193),和第四金属化半盲孔(184)和第四小正方形贴片(194)构成纵向弯折结构,四个金属化半盲孔分别位于靠近四个根据坐标原点对称的第一正方形贴片(101)、第二正方形贴片(102)、第三正方形贴片(103)和第四正方形贴片(104)的四个角的位置,利用纵向弯折结构实现横向电偶极子尺寸的减小进而实现小型化。
3.根据权利要求1所述的一种小型化宽带双极化磁电偶极子毫米波边射天线,其特征在于:所述第一介质层(2)、第二介质层(4)和第三介质层(5)相加的厚度为四分之一导波波长,所述第二介质层(4)和第四介质层(7)为半固化粘贴介质层,所述第一介质层(2)和第三介质层(5)为介质基板。
4.一种采用权利要求1、2或3所述的小型化宽带双极化磁电偶极子毫米波边射天线的阵列天线,其特征在于该阵列天线由四个排列成两行两列的双极化磁电偶极子单元构成一个2×2的阵列天线,该四个双极化磁电偶极子单元由第一双极化磁电偶极子单元(201),第二双极化磁电偶极子单元(202),第三双极化磁电偶极子单元(203)和第四双极化磁电偶极子单元(204)组成,每行或者每列的两个双极化磁电偶极子单元中的x方向极化的激励端口分别连接至一个一分二的微带功率分配器的输出端口,即底部金属层(9)中设有一个一分二的第一微带功率分配器(21)和一个一分二的第二微带功率分配器(22),该两个一分二的微带功率分配器的输入端口分别连接至一分二的第三微带功率分配器(23)的输出端口;同样地,y方向极化的激励端口分别连接至另一个一分二的微带功率分配器的输出端口,即底部金属层(9)中设有另一个一分二的第四微带功率分配器(24)和另一个一分二的第五微带功率分配器(25),该两个一分二的微带功率分配器的输入端口分别连接至一分二的第六微带功率分配器(26)的输出端口。
5.根据权利要求4所述的阵列天线,其特征在于:所述阵列天线的结构规模可以扩大到2N×2N,N≥2。
6.根据权利要求5所述的阵列天线,其特征在于:所述阵列天线采用四个2N-1×2N-1阵列按照每行每列各两个进行排列,然后用一个一分二微带功率分配器将这四个2N-1×2N-1阵列的x方向极化的激励端口连接起来,每个2N-1×2N-1阵列的该激励端口分别连接至总的一分二功率分配器的输出端口;同样地,用另一个一分二微带功率分配器将这四个2N-1×2N-1阵列的y方向极化的激励端口连接起来,每个2N-1×2N-1阵列的该激励端口分别连接至总的一分二功率分配器的输出端口。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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GR01 | Patent grant | ||
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