CN110571523B - 一种大频率比三线极化天线 - Google Patents

Abstract

本发明属于5G通信技术领域，涉及一种大频率比三线极化天线，包括堆叠放置的第一贴片天线和第二贴片天线；磁电偶极子天线，设置于所述第二贴片天线远离第一贴片天线的一侧；以及金属地板，所述第一贴片天线、第二贴片天线和磁电偶极子天线安装于所述金属地板上，且所述第一贴片天线、第二贴片天线和磁电偶极子天线依次向远离金属地板的方向设置；所述第一贴片天线、第二贴片天线和磁电偶极子天线分别连接一个馈电单元。本发明的天线可同时工作在微波和毫米波频段，提供较大的工作频率比，且可提供三个方向相同的线极化波，实现三线极化。

Description

一种大频率比三线极化天线

技术领域

本发明属于5G通信技术领域，涉及一种大频率比三线极化天线。

背景技术

5G（第五代）移动通信相较于4G（***）移动通信具有极高的速率、极大的容量和极低的延时。随着5G移动通信技术的飞速发展，其用户数量和数据吞吐量都会大规模的增加；因此，作为发射和接收电磁波的核心器件——天线，就需要来满足上述工作需求；而现有的5G天线仅能满足较单一的频率工作，不能满足G5通信的工作需要。

发明内容

本发明的目的在于针对相关技术的不足，提供一种大频率比三线极化天线，同时可工作于微波和毫米波，解决天线频率比小的问题。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种大频率比三线极化天线，包括：

堆叠放置的第一贴片天线和第二贴片天线；

磁电偶极子天线，设置于所述第二贴片天线远离第一贴片天线的一侧；以及

金属地板，所述第一贴片天线、第二贴片天线和磁电偶极子天线安装于所述金属地板上，且所述第一贴片天线、第二贴片天线和磁电偶极子天线依次向远离金属地板的方向设置；

所述第一贴片天线、第二贴片天线和磁电偶极子天线分别连接一个馈电单元。

进一步的，所述第一贴片天线连接第一馈电单元，所述第一馈电单元包括：

第一馈电探针，其一端连接第一贴片天线，其另一端连接第一馈电端口。

进一步的，所述第一贴片天线与金属地板之间连接有第三金属柱和第四金属柱，所述第三金属柱中空。

进一步的，所述第二贴片天线连接第二馈电单元，所述第二馈电单元包括：

L形馈电单元，其一端与第二贴片天线耦合馈电，其另一端连接第二馈电探针的一端，

所述第二馈电探针的另一端连接第二馈电端口。

进一步的，所述L形馈电单元包括相连接的L形传输线和L形探针，所述L形传输线远离L形探针的一端连接第二馈电探针，所述L形探针远离L形传输线的一端给第二贴片天线耦合馈电。

进一步的，所述磁电偶极子天线连接第三馈电单元，所述第三馈电单元包括：

第一矩形波导，所述第一矩形波导一端与磁电偶极子天线连接，其另一端连接第二矩形波导，所述第二矩形波导远离第一矩形波导的一端连接第三馈电端口。

进一步的，所述磁电偶极子天线包括：

天线组件，用于收发信号；以及

馈电组件，用于给天线组件馈电，所述馈电组件一端连接天线组件，其另一端连接馈电单元。

进一步的，所述馈电组件包括：

第一介质基板，设于天线组件和第二贴片天线之间；

第一金属化层，设于第一介质基板靠近第二贴片天线的一侧，所述第一金属化层对应馈电单元的位置刻蚀有矩形槽；

第二金属化层，设于第一介质基板靠近天线组件的一侧，所述第二金属化层上刻蚀有缝隙，所述缝隙用于给天线组件馈电；

所述第一介质基板内周期性排列有第二金属柱，连接于第一金属化层和第二金属化层之间。

进一步的，所述天线组件包括第三金属化层和第二介质基板，所述第三金属化层设于第二介质基板远离馈电组件的一侧，所述第二介质基板内设有与第三金属化层连接的第一金属柱。

进一步的，所述金属地板周围环绕设置有反射板。

本发明的有益效果：

本发明中的第一贴片天线、第二贴片天线和磁电偶极子天线分别采用不同的馈电单元进行馈电，可分别产生方向相同的线极化波，实现三线极化；

本发明中第一贴片天线可工作在2.4GHz频段，频率范围为2.38-2.52 GHz；第二贴片天线可工作在5.8 GHz频段，频率覆盖范围为4.7-5.95 GHz；磁电偶极子天线工作在在60-GHz频段，频率覆盖范围为55-69 GHz；因此，本发明提供的大频率比三线极化天线具有较大的频率比，可工作于微波频段和毫米波频段，具有广泛的信号覆盖，以及提供较高的数据传输速率和较大的网络容量。

附图说明

附图1是大频率比三线极化天线的外部结构示意图；

附图2是大频率比三线极化天线的内部结构示意图；

附图3是无反射板状态下大频率比三线极化天线的侧视结构示意图；

附图4是无反射板状态下大频率比三线极化天线的俯视结构示意图；

附图5是图4中A-A方向的剖面结构示意图；

附图6是图4中B-B方向的剖面结构示意图；

附图7是L形馈电单元的结构示意图；

附图8是磁电偶极子天线的俯视结构示意图；

附图9是图8中C-C方向的剖面结构示意图；

附图10是第二贴片天线的仰视结构示意图；

附图11是磁电偶极子天线的金属化贴片的结构示意图；

附图12是第二金属化层的结构示意图；

附图13是第一金属化层的结构示意图；

附图14是实验中大频率比三线极化天线尺寸标注示意图一；

附图15是实验中大频率比三线极化天线尺寸标注示意图二；

附图16是实验中大频率比三线极化天线仿真和测试的反射系数结果图；

附图17是实验中大频率比三线极化天线仿真和测试的微波和毫米波端口间隔离度的结果图；

附图18是实验中大频率比三线极化天线仿真和测试的增益图；

附图19和20是实验中大频率比三线极化天线工作在2.45GHz时的仿真和测试方向图；

附图21和22是实验中大频率比三线极化天线工作在5.2GHz时的仿真和测试方向图；

附图23和24是实验中大频率比三线极化天线工作在60GHz时的仿真测试方向图。

图中标识：1-金属地板、2-反射板、3-第一贴片天线、4-L形馈电单元、401-L形传输线、402-L形探针、5-第二贴片天线、501-第一通孔、6-第一介质基板、7-第二介质基板、8-第一金属化层、801-矩形槽、9-第二金属化层、901-缝隙、10-第三金属化层、11-第一金属柱、12-第二金属柱、13-第一矩形波导、14-第三金属柱、15-第四金属柱、16-第一馈电探针、17-第一馈电端口、18-外导体、19-第二馈电探针、20-第二馈电端口、21-第二矩形波导、22-第三馈电端口、23-螺丝孔、24-外壳。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

为了解决网络拥塞和支持更多终端连接，5G扩展使用了毫米波频率，这意味着5G终端设备要能够利用6 GHz以下的频率来提供广泛的信号覆盖，并采用毫米波（24 GHz以上）频率来提供高数据传输速率和网络容量；因此，作为发射和接收电磁波的核心器件——天线，要能够同时工作在微波（6 GHz）和毫米波（24 GHz以上）频段，即具有大频率比特性来满足上述要求。

参考附图1至图13所示，本发明中提供了一种大频率比三线极化天线，包括：堆叠放置的第一贴片天线3和第二贴片天线5；磁电偶极子天线，设置于所述第二贴片天线5远离第一贴片天线3的一侧；以及金属地板1，所述第一贴片天线3、第二贴片天线5和磁电偶极子天线安装于所述金属地板1上，且所述第一贴片天线3、第二贴片天线5和磁电偶极子天线依次向远离金属地板1的方向设置；所述第一贴片天线3、第二贴片天线5和磁电偶极子天线分别连接一个馈电单元。实施例中，所述第一贴片天线3、第二贴片天线5和磁电偶极子天线分别工作于不同的频段，从而使大频率比三线极化天线可该工作于不同的频段，具有较大的频率比。

参考附图2至图4所示，实施例中，所述金属地板1为方形金属地板，其周围环绕设置有反射板2，从而以增强大频率比三线极化天线的辐射强度，增强传输信号的强度；所述第一贴片天线3、第二贴片天线5和磁电偶极子天线也分别为正方形，且所述第一贴片天线3、第二贴片天线5和磁电偶极子天线与金属地板1同轴设置，即第一贴片天线3的中心、第二贴片天线5的中线、磁电偶极子天线的中线分别与金属地板1的中心对应设置，在同一轴线上。

实施例中，所述第一贴片天线3安装于金属地板1设有反射板2的一侧；所述第一贴片天线3的四个角分别通过塑料螺钉与金属地板1固定；所述第二贴片天线5安装于第一贴片天线3远离金属地板1的一侧，所述第二贴片天线5和第一贴片天线3之间间隔设置，所述第二贴片天线5和第一贴片天线3之间留有空气层；所述磁电偶极子天线安装于第二贴片天线5远离第一贴片天线3的一侧，所述磁电偶极子天线紧贴第二贴片天线5设置；所述磁电偶极子天线周边四个角和第二贴片天线5的周边四个角分别设有螺丝孔23，从而可通过塑料螺钉将磁电偶极子天线和第二贴片天线5之间固定。实施例中，所述金属地板1的中心固定安装有第一矩形波导13，所述第一矩形波导13远离金属地板1的一端依次穿过第一贴片天线3的中心和第二贴片天线5的中心，并实现第一贴片天线3和第二贴片天线5的固定；所述第一矩形波导13的一端止于第二贴片天线5与磁电偶极子天线的接触面。实施例中，所述第一矩形波导13的两端开口设置。

参考附图6所示，实施例中，所述第一贴片天线3与金属地板1之间还连接有第三金属柱14和第四金属柱15；所述第三金属柱14内部中空设置；所述第三金属柱14和第四金属柱15设置在与第一贴片天线3极化方向垂直的中心面上。

参考附图3至图5所示，实施例中，所述第一贴片天线3连接第一馈电单元，所述第一馈电单元包括：第一馈电探针16，其一端连接第一贴片天线3，其另一端连接第一馈电端口17；所述金属地板1上设有第一馈电探针16穿过的通孔，所述第一馈电探针16的一端穿过金属地板1后与第一贴片天线3接触电连接，从而给所述第一贴片天线3直接馈电；所述第一馈电探针16的另一端连接第一馈电端口17。实施例中，所述第一馈电探针16处于第一贴片天线3的另一中心面上，即与第三金属柱14和第四金属柱15所在中心面的垂直的中心面上。

实施例中，所述第一贴片天线3由第一馈电探针16直接馈电，产生线极化辐射，其工作于2.4GHz WLAN频段，频率范围为2.38-2.52 GHz。

参考附图4至图7所示，实施例中，所述第二贴片天线5连接第二馈电单元，所述第二馈电单元包括：L形馈电单元4，其一端与第二贴片天线5耦合馈电，其另一端连接第二馈电探针19的一端，所述第二馈电探针19的另一端连接第二馈电端口20。实施例中，所述第二馈电探针19从所述第三金属柱14的内部穿过；所述第二馈电探针19一端依次穿过金属地板1、第三金属柱14和第一贴片天线3后与L形馈电单元4接触电连接，进行直接馈电；所述第二馈电探针19的另一端连接第二馈电端口20；所述第二馈电探针19外还套设有外导体18，所述外导体18的内表面涂有绝缘层，从而将所述外导体18与第二馈电探针19绝缘；所述外导体18本体导电，从而，所述外导体18与第三金属柱14和第一贴片天线3电连接。

实施例中，所述L形馈电单元4包括相连接的L形传输线401和L形探针402，所述L形传输线401远离L形探针402的一端连接第二馈电探针19，由所述第二馈电探针19直接馈电；所述L形探针402远离L形传输线401的一端给第二贴片天线5耦合馈电。实施例中，所述L形传输线401和L形探针402为一体结构；所述L形探针402处于第二贴片天线5下方，并与第二贴片天线5之间留有间隙，从而实现给第二贴片天线5耦合馈电。

实施例中，所述第二贴片天线5由L形馈电单元4耦合馈电，产生与第一贴片天线3相同的极化方向，工作在5.8 GHz频段，频率覆盖范围为4.7-5.95 GHz。

参考附图6、图8至图13所示，实施例中，所述磁电偶极子天线连接第三馈电单元，所述第三馈电单元包括：第一矩形波导13，所述第一矩形波导13一端与磁电偶极子天线连接，其另一端连接第二矩形波导21，所述第二矩形波导21远离第一矩形波导13的一端连接第三馈电端口22；从而，由所述第一矩形波导13给所述磁电偶极子天线直接馈电。

实施例中，所述磁电偶极子天线包括：天线组件，用于收发信号；以及馈电组件，用于给天线组件馈电；所述馈电组件一端连接天线组件，其另一端连接第三馈电单元。所述馈电组件设于天线组件和第二贴片天线5之间，所述第一矩形波导13远离金属地板1的一端与馈电组件连接，从而实现给磁电偶极子天线的天线组件馈电。

实施例中，所述馈电组件包括：第一介质基板6，设于天线组件和第二贴片天线5之间；第一金属化层8，设于第一介质基板6靠近第二贴片天线5的一侧，所述第一金属化层8对应馈电单元的位置刻蚀有矩形槽801；第二金属化层9，设于第一介质基板6靠近天线组件的一侧，所述第二金属化层9上刻蚀有缝隙901，所述缝隙901用于给天线组件馈电；所述第一介质基板6内周期性排列有第二金属柱12，连接于第一金属化层8和第二金属化层9之间。实施例中，所述第一介质基板6的边长尺寸与第二贴片天线5的边长尺寸相同，且第一介质基板6与第二贴片天线5重叠设置；所述第一金属化层8上设置的矩形槽801对应第一介质基板6的中心位置设置，所述第二矩形槽801与第一矩形波导13对应，且矩形槽801的大小与第一矩形波导13的口径相同；所述馈电组件由周期性排列的第二金属柱12构成基片集成波导，其靠近天线组件的一侧设有缝隙901，从而，所述馈电组件在接收第一矩形波导13馈电后，再向天线组件馈电。

实施例中，所述天线组件包括第三金属化层10和第二介质基板7，所述第三金属化层10设于第二介质基板7远离馈电组件的一侧，所述第二介质基板7内设有与第三金属化层10连接的第一金属柱11。实施例中，所述第二介质基板7设于第二金属化层9远离第一介质基板6的一侧；所述第二介质基板7的边长尺寸大小与第一介质基板6相同，且第二介质基板7与第一介质基板6重叠设置。实施例中，所述第三金属化层10并列设置有两个，两个第三金属化层10分别对应缝隙901的两侧，两个第三金属化层10分别连接有第一金属柱11；所述第一金属柱11一端与第三金属化层10连接，其另一端与第二金属化层9连接。

实施例中，所述磁电偶极子天线由第一矩形波导13直接馈电，产生与第一贴片天线3和第二贴片天线5相同的极化方向，工作在60-GHz频段，频率覆盖范围为55-69 GHz。

实施例中，所述大频率比三线极化天线外侧还设置有外壳24。

综上，本发明提供的大频率比三线极化天线，通过三个馈电端口分别给第一贴片天线3、第二贴片天线5和磁电偶极子天线进行馈电，产生三个相同的线极化波；同时，第一贴片天线3、第二贴片天线5和磁电偶极子天线分别工作于不同的频段，使大频率比三线极化天线具有较大的频率比。

以下结合具体实验，来说明本发明提供的大频率比三线极化天线的工作性能。

参考附图14和15所示，为实验中大频率比三极化天线的尺寸标注示意图，其中：L1=140mm、 L2=54mm、 L3=18mm、 L4=15mm、 L5=18mm、 L6=10mm、 H1=4mm、 H2=8 mm、H3=5mm。

参考附图16所示，是实验中大频率比三线极化天线仿真和测试的反射系数结果图；其中实线（Simulated）代表仿真结果，虚线（Measured）代表测试结果。其结果表明，本发明的大频率比三线极化天线有三个工作频带，分别工作在2.4/5.8/60GHz，覆盖了2.38-2.52 GHz、4.7-5.95 GHz和55-69 GHz三个频率范围。

参考附图17所示，是实验中大频率比三线极化天线仿真和测试的微波和毫米波端口间隔离度的结果图；其中

和

代表仿真结果，其中

和

代表测试结果。其结果表明，毫米波（60 GHz）端口和微波（2.4/5.8GHz）端口之间的隔离度在50-70GHz范围内高于40 dB。

参考附图18所示，是实验中大频率比三线极化天线仿真和测试的增益图；其中实线（Simulated）代表仿真结果，其中虚线（Measured）代表测试结果。其结果表明，在2.38-2.52GHz范围内，增益最大值为9.85 dBi；在4.7-5.95 GHz范围内，增益最大值为7.95 dBi；在55-69 GHz范围内，增益最大值为8 dBi。

参考附图19和20所示，是实验中大频率比三线极化天线工作在2.45GHz时的仿真和测试方向图；从图中可以看出，大频率比三线极化天线在2.45GHz产生了定向的辐射方向图。

参考附图21和22所示，是实验中大频率比三线极化天线工作在5.2GHz时的仿真和测试方向图；从图中可以看出，大频率比三线极化天线在5.2GHz产生了定向的辐射方向图。

参考附图23和24所示，是实验中大频率比三线极化天线工作在60GHz时的仿真测试方向图；从图中可以看出，大频率比三线极化天线在60GHz产生了定向的辐射方向图。

以上所述的实施例，只是本发明的较优选的具体方式之一，本领域的技术员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种大频率比三线极化天线，其特征在于，包括：堆叠放置的第一贴片天线(3)和第二贴片天线(5)；磁电偶极子天线，设置于所述第二贴片天线(5)远离第一贴片天线(3)的一侧；以及金属地板(1)，所述第一贴片天线(3)、第二贴片天线(5)和磁电偶极子天线安装于所述金属地板(1)上，且所述第一贴片天线(3)、第二贴片天线(5)和磁电偶极子天线依次向远离金属地板(1)的方向设置；所述第一贴片天线(3)、第二贴片天线(5)和磁电偶极子天线分别连接一个馈电单元；

所述第一贴片天线(3)连接第一馈电单元，所述第一馈电单元包括：

第一馈电探针(16)，其一端连接第一贴片天线(3)，其另一端连接第一馈电端口(17)；

所述第二贴片天线(5)连接第二馈电单元，所述第二馈电单元包括：L形馈电单元(4)，其一端与第二贴片天线(5)耦合馈电，其另一端连接第二馈电探针(19)的一端，所述第二馈电探针(19)的另一端连接第二馈电端口(20)；

所述磁电偶极子天线连接第三馈电单元，所述第三馈电单元包括：

第一矩形波导(13)，所述第一矩形波导(13)一端与磁电偶极子天线连接，其另一端连接第二矩形波导(21)，所述第二矩形波导(21)远离第一矩形波导(13)的一端连接第三馈电端口(22)。

2.根据权利要求1所述的大频率比三线极化天线，其特征在于，所述第一贴片天线(3)与金属地板(1)之间连接有第三金属柱(14)和第四金属柱(15)，所述第三金属柱(14)中空。

3.根据权利要求1所述的大频率比三线极化天线，其特征在于，所述L形馈电单元(4)包括相连接的L形传输线(401)和L形探针(402)，所述L形传输线(401)远离L形探针(402)的一端连接第二馈电探针(19)，所述L形探针(402)远离L形传输线(401)的一端给第二贴片天线(5)耦合馈电。

4.根据权利要求1所述的大频率比三线极化天线，其特征在于，所述磁电偶极子天线包括：天线组件，用于收发信号；以及馈电组件，用于给天线组件馈电，所述馈电组件一端连接天线组件，其另一端连接馈电单元。

5.根据权利要求4所述的大频率比三线极化天线，其特征在于，所述馈电组件包括：

第一介质基板(6)，设于天线组件和第二贴片天线(5)之间；

第一金属化层(8)，设于第一介质基板(6)靠近第二贴片天线(5)的一侧，所述第一金属化层(8)对应馈电单元的位置刻蚀有矩形槽(801)；

第二金属化层(9)，设于第一介质基板(6)靠近天线组件的一侧，所述第二金属化层(9)上刻蚀有缝隙(901)，所述缝隙(901)用于给天线组件馈电；

所述第一介质基板(6)内周期性排列有第二金属柱(12)，连接于第一金属化层(8)和第二金属化层(9)之间。

6.根据权利要求4或5所述的大频率比三线极化天线，其特征在于，所述天线组件包括第三金属化层(10)和第二介质基板(7)，所述第三金属化层(10)设于第二介质基板(7)远离馈电组件的一侧，所述第二介质基板(7)内设有与第三金属化层(10)连接的第一金属柱(11)。

7.根据权利要求1所述的大频率比三线极化天线，其特征在于，所述金属地板(1)周围环绕设置有反射板(2)。

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