CN106654567A - 容性、感性表面耦合机制小型化高性能高频段通信天线罩 - Google Patents

容性、感性表面耦合机制小型化高性能高频段通信天线罩 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种容性、感性表面耦合机制小型化高性能高频段通信天线罩。主要由周期单元阵列组成频率选择表面，每一周期单元分为介质层和金属层，介质层包括上下两层介质层及其中间的一层介质层，金属层包括上下两层介质层外表面的完整金属贴片和相邻介质层之间的金属缝隙贴片；自由空间的电磁波经过所述天线罩选择性滤波后输出所需工作频段的电磁波。本发明适用于角度、极化稳定性高的超宽带通信天线罩设计，通带内***损耗小且稳定，通带后拥有高抑制的宽阻带，带通到带阻工作状态转化速度快，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

容性、感性表面耦合机制小型化高性能高频段通信天线罩
技术领域
本发明涉及天线技术领域，特别是涉及了一种容性、感性表面耦合机制小型化高性能高频段通信天线罩，可应用于高频段5G通信及雷达方面。
背景技术
随着4G通信技术的成熟上市，超高速5G通信技术为满足更高移动通信性能要求的新一代通信技术，并成为如今移动通信行业研究的热点，2020年5G移动通信的上市目标也极大地推动5G通信技术的研究。
5G通信将更加注重用户体验，提高通信网络的传输速率、降低能耗，充分利用高频段频谱资源，实现5G普遍广泛应用。因此，要求5G通信需要具有更高传输速率和更宽带宽。按照10Gbit/s的传输速率要求，实际中需要有2GHz的通带带宽，并且为了保证通信质量需要在如此宽通带内的***损耗小于0.8dB，此外，实际通信中电磁波信号来自四面八方，需要设备具有很好的角度稳定性才能保证通信质量，对天线罩的设计提出了更高的要求。
如今，天线罩的设计通常采用频率选择表面技术来实现，国内外对于这种技术也有了数年的研究。传统的频率选择表面结构可以实现较窄的通带或者阻带，现在也有人设计出不少新型的频率选择表面，可以实现较宽的通带，但是多数还是局限于10GHz甚至更低的低频段，另外，如今的结构选择性能还有待改进，主要表现在通带***损耗过大，造成通信质量下降，另一方面主要是通带边沿下降速度缓慢，从通带到阻带的转换速度不够快，造成选择性变差。更重要的一个问题是，角度稳定性是如今面临的一大难题，当电磁波入射角度发生改变时，造成很大的偏移，对传输性能影响很大。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种容性、感性表面耦合机制小型化高性能高频段通信天线罩，通过4层金属层的巧妙耦合设计，对于空间多个方向入射的电磁波有着稳定、高效的选择透过性。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一、一种容性、感性表面耦合机制小型化高性能高频段通信天线罩：
所述天线罩是主要由周期单元阵列组成的频率选择表面，每一周期单元分为介质层和金属层，介质层包括上下两层介质层及其中间的一层介质层，金属层包括上下两层介质层外表面的完整金属贴片和相邻介质层之间的金属缝隙贴片；自由空间的电磁波经过所述天线罩选择性滤波后，滤除其余杂波，输出所需工作频段的电磁波。
本发明为高频段通信中角度、极化稳定性要求高的超宽带天线罩设计，通带内***损耗小且稳定，通带后拥有高抑制的宽阻带，带通到带阻工作状态转化速度快，角度、极化稳定性及频率选择性能极佳。
所述周期单元包括上层金属贴片P1、上层薄介质D1、上层金属缝隙片P2、中间层厚介质D2、下层金属缝隙片P3、下层薄介质D3和下层金属贴片P4；上层金属贴片P1贴于上层薄介质D1上表面，上层金属缝隙片P2位于上层薄介质D1与中间层厚介质D2之间，下层金属缝隙片P3位于下层薄介质D3与中间层厚介质D2之间，下层金属贴片P4贴于下层薄介质D3下表面；其中上层金属贴片P1与下层金属贴片P4结构尺寸相同，上层金属缝隙片P2与下层金属缝隙片P3结构尺寸相同，上层薄介质D1与下层薄介质D3结构尺寸相同。
所述上层金属缝隙片P2和下层金属缝隙片P3主要由双工字形金属贴片结构和***方环金属贴片以及两者之间的缝隙组成：所述的双工字形金属贴片呈耶鲁撒冷十字架形，位于***方环金属贴片的中心；所述的***方环金属贴片位于双工字形金属贴片的外圈，外边长与周期单元边长相同。
所述的上层金属贴片P1和下层金属贴片P4分别置于上层金属贴片P1与下层金属贴片P4的中心。
优选地，具体实施的上层薄介质D1、中间层厚介质D2和下层薄介质D3的介电常数为3.5，介质损耗角正切值为0.0015。
本发明在空间电磁波垂直入射的情况下，在27.15GHz-29.65GHz的通带范围内***损耗小于0.4dB，在31.15GHz-33.52GHz的阻带范围内抑制大于20dB；空间电磁波在±45°的入射时，在27.08GHz-29.80GHz的通带范围内***损耗小于1.5dB；并且入射电磁波在±85°入射角度范围内变化时，其传输极点与零点基本不发生改变，角度、极化稳定性极高，实现了带通到带阻工作状态的快速转换，频率选择性能极佳。
二、所述天线罩应用于5G的现代通信、雷达及军事通信中。
本发明天线罩设计采用了小型化设计，单元尺寸较传统方案所设计结构尺寸缩小了三倍，但仍适用于传统PCB工艺进行加工生产。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的上下两层的方形金属贴片天线与中间两层缝隙层***金属方环为天线罩提供一个带宽非常大且***损耗极小的通带，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27.15GHz-29.65GHz频段范围内通带***损耗小于0.4dB。
本发明的中间两层金属缝隙层为天线罩提供了带宽范围广抑制高的阻带，两层金属缝隙的设计思想进一步提高了通带到阻带的转换速度。对于垂直入射到所述天线罩的电磁波，在31.15GHz-33.52GHz频段范围内阻带抑制大于20dB。
本发明独特的结构设计，使得本发明具有极高的角度稳定性能，空间中电磁波在±60°的入射角度范围内各项性能非常稳定，在±85°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。此外，本发明的电磁双极化性能稳定，同时支持TE、TM两种极化模式。
本发明在天线器件小型化、5G等现代通信、雷达及军事通信中具有极高的应用价值。
附图说明
图1是本发明实施例的天线罩三维结构图。
图2是本发明单元结构的三维结构图。
图3是本发明单元结构的主视图。
图4是本发明单元结构的俯视图。
图5是本发明单元结构的中间金属缝隙层视图。
图6是方形金属贴片尺寸改变时对本发明中天线罩传输性能影响曲线图。
图7是对于垂直入射TE、TM极化模式下的本发明天线罩传输性能曲线图。
图8是TE极化模式电磁波入射角度对于本发明中天线罩性能影响曲线图。
图9是TM极化模式电磁波入射角度对于本发明中天线罩性能影响曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
如图1所示，天线罩是主要由周期单元阵列组成的频率选择表面。每一周期单元分为介质层和金属层，介质层包括上下两层介质层及其中间的一层介质层，金属层包括上下两层介质层外表面的完整金属贴片和相邻介质层之间的金属缝隙贴片。
如图2和图3所示，周期单元包括上层金属贴片P1、上层薄介质D1、上层金属缝隙片P2、中间层厚介质D2、下层金属缝隙片P3、下层薄介质D3和下层金属贴片P4；上层金属贴片P1贴于上层薄介质D1上表面，上层金属缝隙片P2位于上层薄介质D1与中间层厚介质D2之间，下层金属缝隙片P3位于下层薄介质D3与中间层厚介质D2之间，下层金属贴片P4贴于下层薄介质D3下表面；其中上层金属贴片P1与下层金属贴片P4结构尺寸相同并且布置在表面的位置也相同，上层金属缝隙片P2与下层金属缝隙片P3结构尺寸相同，上层薄介质D1与下层薄介质D3结构尺寸相同。
天线罩中间层厚介质D2上下表面分别贴有上层金属缝隙片P2和下层金属缝隙片P3，其中上层金属缝隙片P2和下层金属缝隙片P3主要由双工字形金属贴片结构a和***方环金属贴片b以及两者之间的缝隙组成。如图5所示，双工字形金属贴片a呈耶鲁撒冷十字架形，位于***方环金属贴片b的中心，具体是由四个T字形单元以螺旋中心对称方式沿周向间隔均布而成。***方环金属贴片b位于双工字形金属贴片a的外圈，外边长与周期单元边长相同，是一个标准的金属方环。
如图4所示，上层金属贴片P1和下层金属贴片P4均为位于单元结构中心的方形金属贴片，分别置于上层金属贴片P1与下层金属贴片P4的中心。
本发明天线罩工作原理如下：
当空间中电磁波的入射角度为θ时，天线罩单元周期尺寸决定了到达各个单元表面的电磁波之间的相位差，该相位差越大造成与电磁波垂直入射时的传输性能偏差就越大，为了克服电磁波在多角度入射情况下对天线罩传输性能的影响，本发明中的天线罩采用了容性、感性表面耦合技术来实现单元结构的小型化，进而提高本发明中天线罩的角度稳定性。
其中天线罩最外面两侧方形金属贴片层周期性排布后形成一个容性表面，储存电场能；而中间两层金属缝隙层中的***方环金属可等效为电感，形成一个感性表面，储存磁场能。这种容性与感性表面的耦合机制抑制了电磁波的波动性，打破了单元尺寸与谐振波长一致的限制，从而实现了结构单元的小型化设计。
最外面两侧方形金属贴片层可分别看作发射与接收天线，其本身可等效为串联谐振回路。中间两金属缝隙层的***方环金属是一感性结构，与最外面两侧方形金属贴片形成LC并联谐振回路，形成带通效果。中间两金属缝隙层的***方环金属与中间金属缝隙层的双工字形的结构之间缝隙形成容性结构，在加上“双工字”形结构本身为感性，故看作是一个LC串联谐振回路，进而在通带的下降处产生一个传输零点，实现了通带边沿的快速下降。
本发明的天线罩一方面采用了双金属缝隙层的设计，形成高阶滤波效果，展宽了带宽，增加了工作频带内的平坦度，提高了天线罩的选择性；另一方面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。
本发明的实施例以应用于5G通信工频段天线罩为例，具体阐述本发明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：
随着对5G通信技术的飞速发展，其相关标准也逐渐成型，现在看来28.5GHz前后2GHz频段最有可能成为5G通信的工作频段，同时该频段内的通带***损耗需要小于0.8dB，此外还要具有很好的角度、极化稳定性。本发明采用了容性、感性表面耦合与AFFA技术实现了5G通信高频段天线罩的小型化高性能设计，本发明中的天线罩，电磁波在±60°入射角度范围内，有稳定的传输性能，实现了带通到带阻工作状态的快速转化，具有很好的频率选择性能。
如图1所示，实施例采用了32*32的周期单元阵列，周期单元结构的最外面两侧的方形金属贴片P1和P2，均为边长为1.73mm的正方形。实际应用中可根据具体的设计通带目标进行该尺寸的选择。它的尺寸变化影响着通带两个传输极点的变化。当方形金属贴片的尺寸增加时，会使整个通带想低频方向移动，并且通带带宽减小，但是通带***损耗有所减小。这主要是由于随着方形金属贴片尺寸的增大，其谐振频率会减小，因而通带向低频方向偏移；在不改变其他部分结构尺寸的情况下，由于方形贴片尺寸的增大，使得其与金属缝隙层的耦合强度增大，进而实现了通带***损耗减小，而这种通带内稳定性的提高是以牺牲通带带宽为代价的。但是方形金属贴片的尺寸变化对天线罩传输零点没有影响，这主要是因为传输零点主要由中间金属缝隙层控制的。图6具体描述了方形金属贴片尺寸变化对于通带效果的影响。
上层薄介质D1、中间层厚介质D2及下层薄介质D3都是采用的Rogers RO3035板材，其周期单元尺寸为2.53mm。该板材的特点是其介质损耗较小，因此对通带的***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。
如图2、3、4所示，天线罩中间层厚介质D2两侧表面分别贴有上层金属缝隙片P2和下层金属缝隙片P3，这两层金属缝隙层是本发明的设计核心。首先对于最***的方环形金属贴片结构b，它的外边长为2.53mm，也即周期单元结构尺寸的大小。结构b的尺寸与最外两层方形金属贴片P1和P4尺寸决定了天线罩的工作频带，周期单元结构尺寸的增加会使得通带向低频方向移动，通带内***损耗增大，通带带宽展宽。这主要是单元周期的增加，使得单元间的耦合强度降低，进而通带***损耗增大；结构b外边长的增加，造成谐振频率降低，通带向低频方向移动。同理，最***的方环形金属贴片的内边长的变化，也会对通带产生影响。
中间两金属缝隙层P1和P2除了对通带的影响，还会对通带后的阻带有决定性的意义。如图5所示，中间双工字形金属结构a，它的尺寸决定了阻带的变化。当结构a的主体结构长度L增大时，阻带会向低频方向移动。这主要是由于在其他部分结构不发生改变而L增大时，结构a和结构b之间的缝隙减小，相当于电容的两个极板距离减小，进而使得容性增强，使得LC串联谐振回路产生的谐振频率减小，使得阻带向低频方向偏移。当双工字形金属结构a的臂长J增加时，相应的阻带也会向低频方向移动。这主要是由于结构a中J的增加，相当于电容的极板面积增大，从而使得容性增强，导致谐振频率降低。表1具体描述了“双工字”形金属结构a尺寸变化对于阻带效果的影响。
表1“双工字”形金属结构a尺寸变化对于阻带效果的影响
本实施例在电磁波垂直入射时的传输特性曲线如图7所示，在27.45GHz～29.52GHz带宽的通带内***损耗小于0.4dB，在27.19GHz～29.64GHz带宽内的***损耗小于5G通信***损耗0.8dB的要求；此外，本实例有极好的频率选择性，具体表现在其通带下降沿下降速度非常快，实现了从通带到阻带的快速转换；在31.18GHz～33.53GHz带宽的阻带抑制大于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8、9所示，描述了实施例的天线罩在电磁波入射角度发生变化时，对天线罩传输性能的影响。图中能够发现在±45°的入射角度范围内，传输特性曲线基本上与垂直入射下的传输特性曲线基本吻合，拥有相当稳定的传输性能。此外，随着入射角度的进一步增加，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***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、零点基本上都没有发生偏移。
因此，通过上述实施可见本发明实现了高频段通信中宽通带带插损、宽阻带高抑制、通带陡峭下降边沿以及角度与双极化性能相当稳定的高性能小型化天线罩设计。

Claims (7)

1.一种容性、感性表面耦合机制小型化高性能高频段通信天线罩，其特征在于：所述天线罩是主要由周期单元阵列组成的频率选择表面，每一周期单元分为介质层和金属层，介质层包括上下两层介质层及其中间的一层介质层，金属层包括上下两层介质层外表面的完整金属贴片和相邻介质层之间的金属缝隙贴片；自由空间的电磁波经过所述天线罩选择性滤波后输出所需工作频段的电磁波。
2.根据权利要求1所述的一种容性、感性表面耦合机制小型化高性能高频段通信天线罩，其特征在于：所述周期单元包括上层金属贴片P1、上层薄介质D1、上层金属缝隙片P2、中间层厚介质D2、下层金属缝隙片P3、下层薄介质D3和下层金属贴片P4；上层金属贴片P1贴于上层薄介质D1上表面，上层金属缝隙片P2位于上层薄介质D1与中间层厚介质D2之间，下层金属缝隙片P3位于下层薄介质D3与中间层厚介质D2之间，下层金属贴片P4贴于下层薄介质D3下表面；其中上层金属贴片P1与下层金属贴片P4结构尺寸相同，上层金属缝隙片P1与下层金属缝隙片P3结构尺寸相同，上层薄介质D1与下层薄介质D3结构尺寸相同。
3.根据权利要求2所述的一种容性、感性表面耦合机制小型化高性能高频段通信天线罩，其特征在于：所述上层金属缝隙片P2和下层金属缝隙片P3主要由双工字形金属贴片结构(a)和***方环金属贴片(b)以及两者之间的缝隙组成：
所述的双工字形金属贴片(a)呈耶鲁撒冷十字架形，位于***方环金属贴片(b)的中心；所述的***方环金属贴片(b)位于双工字形金属贴片(a)的外圈，外边长与周期单元边长相同。
4.根据权利要求2所述的一种容性、感性表面耦合机制小型化高性能高频段通信天线罩，其特征在于：所述的上层金属贴片P1和下层金属贴片P4分别置于上层金属贴片P1与下层金属贴片P4的中心。
5.根据权利要求2所述的一种容性、感性表面耦合机制小型化高性能高频段通信天线罩，其特征在于：所述的上层薄介质D1、中间层厚介质D2和下层薄介质D3的介电常数为3.5，介质损耗角正切值为0.0015。
6.根据权利要求1-5任一所述的一种容性、感性表面耦合机制小型化高性能高频段通信天线罩，其特征在于：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27.15GHz-29.65GHz频段范围内通带***损耗小于0.4dB，在31.15GHz-33.52GHz频段阻带抑制大于20dB；并且入射电磁波在垂直入射角度的±85°入射角度范围内变化时，其传输极点与零点不发生改变，角度、极化稳定性极高。
7.权利要求1～6所述的一种容性、感性表面耦合机制小型化高性能高频段通信天线罩的应用，其特征在于：所述天线罩应用于5G的现代通信、雷达及军事通信。
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