CN219677561U - 一种大频率比宽双频5g天线 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种大频率比宽双频5G天线，包括：主体天线、折叠探针和馈电基板；所述主体天线包括底面，所述底面的中心设置有矩形槽，所述矩形槽中设置有WR‑34波导，在所述底面上设置有两个倾斜板的电偶极子组成的敞口状结构，在两个所述倾斜板电偶极子上边缘分别设置平面状磁偶极子；所述折叠探针为两个，分别设置在所述倾斜板电偶极子两侧，由所述倾斜板电偶极子和所述折叠探针组成方形喇叭状结构；所述馈电基板设置在所述底面上表面，包括介质板以及所述介质板上印刷的微带线。本申请在保持两个频段高隔离度的同时提高毫米波段天线的增益，主探针基础上设计的分支将倾斜面喇叭天线从侧方泄露的波限制在辐射区域内，进而提高倾斜面喇叭天线的增益。
Description
技术领域
本申请涉及天线领域，尤其涉及一种大频率比宽双频5G天线。
背景技术
微波波段的频谱资源日渐紧张，并且带宽有限，这限制了传输速率。毫米波有着比微波更高的绝对带宽，可提供更宽的信道带宽和更高的传输速率。目前5G的研发已经设计毫米波，我国也采取了微波和毫米波兼顾的频谱分配策略。因此，未来的通信系统必须同时覆盖微波和毫米波段。这就要求通信系统中的部件需要较大的频率比，比如天线。
传统的实现大频率比双频天线的方法是设计两个不同波段的天线，然后垂直或水平方式将两跨度较大波段的天线组合在一起。但是这种方法增加了天线在通信系统中的尺寸，制造成本也相应的增加。
近年来共享孔径天线被提出来解决这一问题。共享孔径天线通过将低频段天线的局部区域复用作高波段天线，因此通过这种方式设计的天线不会占用额外的空间，进而达到天线高集成度的目的。
一种结构紧凑的大频率比天线(Y.-X.Sun,K.W.LeungandK.Lu,“CompactDualMicrowave/Millimeter-WavePlanar Shared-ApertureAntennaforVehicle-to-Vehicle/5GCommunications,”IEEETransactio nsonVehicularTechnology,vol.70,no.5,pp.5071-5076,May2021.)被设计出来用来覆盖5.9GHz车对车通信频段和28GHz5G频段。上述文献设计的天线由三层介质板构成，其中底层的介质板为馈电层，在馈电层的上方打印微带线用以激发馈电探针。在其他两层介质板上打造两个垂直矩形金属孔构成微波段磁电偶极子天线的磁偶极子，在矩形金属孔的两侧引入两个平行金属板作为电偶极子。通过调整两个磁偶极子之间的间距来形成平行板谐振腔，进而构成毫米波平行板谐振天线。磁电偶极子天线通过一个折叠探针来激发，平行板谐振天线则通过一对差分馈电的L型探针来馈电。该天线在低频段实现了41％(5.30-8.08GHz)的带宽，但平行板谐振天线的高Q值导致高频段的带宽只有6％
(27.15-29.02GHz)。这使得天线在具有一定的局限性，比如无法覆盖5Gn257频带(26.5-29.5GHz)。为了使大频率比天线的两个频带均实现宽带，一种中心刻有凹槽的介质谐振器(DRA)天线被提出(L.Y.FengandK.W.Leung,“WidebandDual-FrequencyAntennaWithLargeFrequency Ratio,”IEEETrans.AntennasPropag.,vol.67,no.3,pp.1981-1986,Mar.2019.)，并在凹槽的周围附一层铜贴纸形成毫米波段法布里珀罗谐振天线(FPRA)，覆盖了2.4/24GHzISM频段。低频段的DRA通过合并TE111 x模式和TE113 x模式，获得了38.24％的带宽。高频段的FPRA则通过同时激发两个L探针模式和FPRA模式得到了16.18％的带宽。但DRA上的矩形槽会产生强烈的交叉极化场，进而影响DRA的辐射性能。另外，形成FPRA金属板的铜贴纸由于制造工艺问题容易从DRA的表面脱落，也会影响天线稳定的辐射性能。
实用新型内容
本申请的目的在于克服现有技术中的缺陷，提供一种大频率比宽双频5G天线。
本申请提供一种大频率比宽双频5G天线，包括：主体天线、折叠探针和馈电基板；
所述主体天线包括底面，所述底面的中心设置有矩形槽，所述矩形槽中设置有WR-34波导，在所述底面上设置有两个倾斜板的电偶极子组成的敞口状结构，在两个所述倾斜板电偶极子上边缘分别设置平面状磁偶极子；
所述折叠探针为两个，分别设置在所述倾斜板电偶极子两侧，由所述倾斜板电偶极子和所述折叠探针组成方形喇叭状结构；
所述馈电基板设置在所述底面上表面，包括介质板以及所述介质板上印刷的微带线。
可选的，所述折叠探针包括L型的主条带，所述主条带上设置有多个L型的分支结构。
可选的，所述主条带和所述分支机构的厚度为0.5mm。
可选的，所述底面的中心设置有矩形槽，所述矩形槽中设置有波导。
可选的，所述折叠探针通过螺栓固定在所述倾斜板偶极子上。
可选的，所述微带线的一端设置馈电孔，使用SMA进行馈电。
可选的，所述介质板的材料为TaconicRF-60，厚度为0.64mm。
可选的，所述SMA与50欧姆0.85mm的微带线相连，然后通过两段四分之一波长的0.44mm转换线分别与相位相差180°的50欧姆微带线相连，最后连接到所述折叠探针。
可选的，所述底面的长度和宽度分别为Lg＝150mm和Wg＝150mm。
可选的，所述折叠探针与所述磁偶极子的间距为d＝1.2mm。
本申请的优点和有益效果：
本申请提供一种大频率比宽双频5G天线，包括：主体天线、折叠探针和馈电基板；所述主体天线包括底面，所述底面的中心设置有矩形槽，所述矩形槽中设置有WR-34波导，在所述底面上设置有两个倾斜板的电偶极子组成的敞口状结构，在两个所述倾斜板电偶极子上边缘分别设置平面状磁偶极子；所述折叠探针为两个，分别设置在所述倾斜板电偶极子两侧，由所述倾斜板电偶极子和所述折叠探针组成方形喇叭状结构；所述馈电基板设置在所述底面上表面，包括介质板以及所述介质板上印刷的微带线。本申请可以在保持两个频段高隔离度的同时提高毫米波段天线的增益。其馈电方式为一对差分馈电的折叠多支节探针，其中差分馈电消除了磁电偶极子方向图的不对称性，在主探针基础上设计的两个分支可以将倾斜面喇叭天线从侧方泄露的波限制在辐射区域内，进而提高倾斜面喇叭天线的增益。
附图说明
图1是本申请中大频率比宽双频5G天线示意图。
图2是本申请中折叠探针结构示意图。
图3是本申请中馈电介质板结构示意图。
图4是本申请中倾斜面喇叭天线与有无加载支节的探针的增益与驻波比示意图。
图5是本申请中微波段磁电偶极子天线模拟VSWR和增益示意图。
图6是本申请中高频倾斜面喇叭天线模拟VSWR和增益示意图。
图7a是本申请中2.1GHz的模拟天线E面辐射图示意图。
图7b是本申请中2.1GHz的模拟天线H面辐射图示意图。
图8a是本申请中32GHz的模拟天线E面辐射示意图。
图8b是本申请中32GHz的模拟天线H面辐射示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本申请作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本申请并能予以实施。
以下内容均是为了详细说明本申请要保护的技术方案所提供的具体实施过程的示例，但是本申请还可以采用不同于此的描述的其他方式实施，本领域技术人员可以在本申请构思的指引下，采用不同的技术手段实现本申请，因此本申请不受下面具体实施例的限制。
本申请提供一种大频率比宽双频5G天线，包括：主体天线、折叠探针和馈电基板；所述主体天线包括底面，所述底面的中心设置有矩形槽，所述矩形槽中设置有WR-34波导，在所述底面上设置有两个倾斜板的电偶极子组成的敞口状结构，在两个所述倾斜板电偶极子上边缘分别设置平面状磁偶极子；所述折叠探针为两个，分别设置在所述倾斜板电偶极子两侧，由所述倾斜板电偶极子和所述折叠探针组成方形喇叭状结构；所述馈电基板设置在所述底面上表面，包括介质板以及所述介质板上印刷的微带线。本申请可以在保持两个频段高隔离度的同时提高毫米波段天线的增益。其馈电方式为一对差分馈电的折叠多支节探针，其中差分馈电消除了磁电偶极子方向图的不对称性，在主探针基础上设计的两个分支可以将倾斜面喇叭天线从侧方泄露的波限制在辐射区域内，进而提高倾斜面喇叭天线的增益。
图1是本申请中大频率比宽双频5G天线示意图。
请参照图1所示，该天线由三部分组成，分别为天线主体部分，多枝节折叠探针以及馈电基板三部分组成。
天线的所述主体部分可由铝板使用机械加工制成。该天线集成了一个微波段磁电偶极子天线以及一个毫米波段倾斜面喇叭天线。磁电偶极子天线放置在底面上，底面的长度和宽度分别为Lg＝150mm和Wg＝150mm。磁电偶子天线由磁偶极子和电偶极子组成。两个平面偶极子构成磁电偶极子天线的电偶极子，偶极子的长度为Ld＝71mm，宽度为Wd＝35mm。偶极子的长度和宽度在中心频率的四分之一波长和半波长的基础上可以进行微调，从而达到天线的最佳性能。对于磁偶极子部分，两个宽度从Wh＝37mm逐渐减小的倾斜锥形金属板为磁偶极子，其中金属板的倾斜角度为θ。值得注意的是，磁电偶极子天线的磁偶极子部分在毫米波段时重用作倾斜面喇叭天线，因此该双频天线在实现大频率比的同时保持了紧凑的结构。为了激励倾斜面喇叭天线，在底面的中心挖一个矩形槽，将WR-34波导放置在天线的中心位置进行馈电。该主体部分可由机械加工直接制造。
请参照图2所示，天线的所述折叠探针是多分支折叠探针。主折叠探针在Γ型探针的基础上进行设计，由三条厚度为0.5mm的条带构成。由于磁偶极子倾斜放置，为保证磁电偶极子天线的良好性能，探针的第一部分与磁偶极子平行，这部分和磁偶极子一起构成了一段空气微带线。电信号通过条带的第一部分传输到第二部分，然后耦合到电偶极子上。第三部分也平行于磁偶极子，通过改变这部分的长度可以调整磁电偶极子天线的匹配。
为了进一步改善倾斜面喇叭天线的增益，在主探针的基础上引入了两个L型的分支，每个分支的结构与主探针类似。该多分支折叠探针使用3D打印技术进行制造，选用3D打印技术可以达到较高的精确度。
两个多分支折叠探针放置在磁偶极子侧边，多分支折叠探针与磁偶极子的间距为d＝1.2mm。另外，为了固定多分支折叠探针，在探针上打孔并通过螺丝钉和固定条带连接到磁偶极子上，固定条带的材质为铁氟龙。与直接用锡焊固定在探针的方法相比，该方法更加简便且具有较高的稳定性。
另外，由于本申请的探针与底面具有一定的倾斜角度，使用锡焊固定时会有一定的误差。
请参照图3所示，所述馈电基板部分。在底面的上方放置一层与底面尺寸相同的介质板用来印刷馈电微带线。介质板的材料选择为TaconicRF-60，厚度为0.64mm。SMA与50欧姆0.85mm的微带线相连，然后通过两段四分之一波长的0.44mm转换线分别与相位相差180°的50欧姆微带线相连，最后连接到多分支折叠探针。在微带线的一端进行打孔，使SMA可以进行馈电，与SMA直接和探针焊接的方式相比，这样的方式更加容易焊接且稳定性较高。180°移相器保证了可以保证两个探针有相同的幅度不同的相位，进而使磁电偶极子天线有一个对称的辐射图。
此外，磁电偶极子天线部分和底面部分是分别制作的，在磁偶极子的底部可以通过螺丝拆卸来便于馈电基板的安装。与将介质基板拆卸为两部分进行安装的方法相比，本申请的方法可以保证天线的性能不受影响，且制作工艺简便。
针对普通的双频天线集成度不高、频率比较小而导致在5G的某些场景下不适用的问题，本申请创新性的提出了一种频率比达到14的宽带双频天线。该双频天线由微波段磁电偶极子天线和毫米波段倾斜面喇叭天线构成。两个倾斜的锥形金属板在微波段作为磁电偶极子天线的磁偶极子，在毫米波段作为倾斜面喇叭天线。两种天线具有相同的极化方式，为了避免这种情况带来的两种天线间的相互耦合进而影响天线性能，提出了一种新型的磁电偶极子天线的馈电方式。不同于传统的Γ型探针，一对差分馈电的多分支折叠探针来激发磁电偶极子天线，能够使两个频段的天线保持良好的隔离度。此外，这种馈电方式提高了毫米波段倾斜面喇叭天线的增益。
测试结果：
请参照图4所示，为了保证其他的参数不会影响高频天线的性能，在对比时所有的天线具有相同的口径尺寸。从图4中可以看出在三种天线中，倾斜面喇叭天线的增益最低。这是由于倾斜面喇叭天线的侧边是开放式的，有波从侧边泄露到自由空间之中。通过增加一对电偶极子和一对折叠探针，天线的增益得到了提升。引入电偶极子相当于延长了喇叭的尺寸，电偶极子有助于使喇叭孔径处的电场分布更加均匀，这些都会提高高频天线的增益。此外，折叠探头可以阻挡部分波的边缘辐射。通过引入两个支节之后，波被适当地限制在喇叭的辐射孔径内，几乎没有波泄漏，因此所提出的天线具有的增益最高。在宽带天线中起到全频带增益提高的效果是很难得的。
请参照图5所示，从图5可以看出，磁电偶极子天线的模拟阻抗带宽
(VSWR<2)为1.61-2.45GHz。天线的峰值增益可以达到9.62dBi。磁电偶极子天线的工作频率覆盖了5G波段中的n1(1.92-1.98GHz)、n2(1.85-1.91GHz)、n3(1.71-1.785GHz)、n66(1.71-1.78GHz)、n70(1.695-1.71GHz)、n84
(1.92-1.98GHz)波段，具有较为价值的前景。
请参照图7a和图7b所示。由于馈电探针使用差分馈电可以观察到E面和H面均在辐射方向上取得了对称的方向图。
请参照图6所示。从图中可以看出倾斜面喇叭天线在20-40GHz频带内的VSWR均小于2，可以作为宽带天线在5G应用中使用，覆盖了整个FR2频带。且高频倾斜面喇叭天线的峰值增益达到了17.2dBi。
请参照图8a和图8b所示，从图8a和图8b可以看到32GHz时天线的E面和H面方向图取得了定向辐射。两个平面的交叉极化均低于-10dB，且在工作频带内的其他的频点方向图也取得了稳定的结果，验证了倾斜面喇叭天线在毫米波段的可行性。
Claims (10)
1.一种大频率比宽双频5G天线，其特征在于，包括：主体天线、折叠探针和馈电基板；
所述主体天线包括底面，所述底面的中心设置有矩形槽，所述矩形槽中设置有WR-34波导，在所述底面上设置有两个倾斜板的电偶极子组成的敞口状结构，在两个所述倾斜板电偶极子上边缘分别设置平面状磁偶极子；
所述折叠探针为两个，分别设置在所述倾斜板电偶极子两侧，由所述倾斜板电偶极子和所述折叠探针组成方形喇叭状结构；
所述馈电基板设置在所述底面上表面，包括介质板以及所述介质板上印刷的微带线。
2.根据权利要求1所述大频率比宽双频5G天线，其特征在于，所述折叠探针包括L型的主条带，所述主条带上设置有多个L型的分支结构。
3.根据权利要求2所述大频率比宽双频5G天线，其特征在于，所述主条带和所述分支结构的厚度为0.5mm。
4.根据权利要求1所述大频率比宽双频5G天线，其特征在于，所述底面的中心设置有矩形槽，所述矩形槽中设置有波导。
5.根据权利要求1所述大频率比宽双频5G天线，其特征在于，所述折叠探针通过螺栓固定在所述倾斜板偶极子上。
6.根据权利要求1所述大频率比宽双频5G天线，其特征在于，所述微带线的一端设置馈电孔，使用SMA进行馈电。
7.根据权利要求6所述大频率比宽双频5G天线，其特征在于，所述介质板的材料为TaconicRF-60，厚度为0.64mm。
8.根据权利要求6所述大频率比宽双频5G天线，其特征在于，所述SMA与50欧姆0.85mm的微带线相连，然后通过两段四分之一波长的0.44mm转换线分别与相位相差180°的50欧姆微带线相连，最后连接到所述折叠探针。
9.根据权利要求1所述大频率比宽双频5G天线，其特征在于，所述底面的长度和宽度分别为Lg=150mm和Wg=150mm。
10.根据权利要求1所述大频率比宽双频5G天线，其特征在于，所述折叠探针与所述磁偶极子的间距为d=1.2mm。
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