CN112054301B - 一种小型化线极化、双极化、圆极化和三极化5g天线 - Google Patents
一种小型化线极化、双极化、圆极化和三极化5g天线 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种小型化线极化、双极化、圆极化和三极化5G天线，其通过在传统的超材料中的Mushroom结构上，开设横纵两个方向上的两道正交容型缝隙，构成新型电磁超材料谐振器结构‑环形谐振器，激励起负一阶谐振模式，在实现小型化设计的同时，实现与传统正一阶模式类似的阻抗、场分布和辐射特性；并通过合适的耦合馈电激励或其他同轴背馈、差分馈电形式，实现了小型化线极化、双极化、圆极化和三极化天线设计，在地板背面耦合馈电线上，串联开路微带线枝节，引入新的谐振模式，使得带内出现双谐振点，有效拓展天线带宽，满足5G新频段带宽要求。此外，还采用标准制式金属螺钉进行支撑和少量介质基板，尽可能降低了介质损耗，保持了高辐射效率。
Description
技术领域
本发明涉及5G天线技术领域，具体涉及一种小型化线极化、双极化、圆极化和三极化5G天线。
背景技术
随着5G新频段和其他sub 6GHz频段的无线通信等应用的快速全面推进，无线通信***对天线性能提出了新的需求和挑战，迫切需要开发出小型化，宽带宽和高辐射性能的5G天线。同时为了适应复杂多变的应用场景，有效的改善传播中的多径效应和增加信道通信容量，多极化天线(双极化、圆极化和三极化天线)的开发尤为重要。目前为了满足5G新频段对宽带宽的需求，传统的双极化基站天线，普遍采用带有反射地板的十字交叉偶极子对天线，磁电偶极子天线和带有反射腔的缝隙天线等方案，因此它们存在天线尺寸大(半波长限制)，天线剖面高(四分之一波长限制等)等缺点，无法有效地应用到比如室内等空间有限的微单元发射端上。传统的圆极化天线，为了满足宽带宽的需求，通常采用交叉偶极子对圆极化天线，多模圆极化贴片天线和带有宽带馈电的圆极化天线，但均存在天线尺寸大的问题。传统的三极化天线，采用基片集成波导加载正交偶极子的三极化天线和贴片加载的三极化天线，存在天线尺寸大、天线剖面高和带宽窄的缺点。基片集成波导和双极化贴片加载的三极化天线，存在天线尺寸大等问题。而传统的小型化天线，通常采用加载高介电常数基板，天线表面开槽和天线长度弯折等方法，这类小型化天线存在工作带宽窄，天线损耗大，天线辐射性能差的问题。因此采用传统技术开发的小型化多极化天线仍难以满足5G宽频段通信的需求。
综上所述，目前用于5G新频段和sub 6GHz应用的多极化天线，均存在尺寸大，带宽有限，辐射效率低等缺点，难以适用于室内等小型化***的天线应用需求。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一类小型化多极化天线，包含但不限于线极化、双极化、圆极化和三极化5G天线方案。
为了达到上述发明目的，第一方面，本发明提供了一种小型化线极化5G天线，包括电磁超材料环形谐振器结构层、地板层、及固定支撑所述电磁超材料环形谐振器结构层和地板层的短路金属柱；
所述电磁超材料环形谐振器结构层包括顶层基板和设置在所述顶层基板上的超材料贴片表面，所述超材料贴片表面采用在金属表面敷刻容型缝隙构成；
所述地板层包括具有条形开槽缝隙的底层基板和与所述底层基板构成缝隙耦合馈电结构的微带线馈线。
本方案的有益效果是：本发明采用新颖电磁超材料谐振器结构，通过合适的耦合馈电激励或其他同轴背馈、差分馈电形式，实现了小型化线极化辐射设计；并且在地板背面耦合馈电线上，串联开路微带线，相当于级联一个一阶的低通滤波响应，形成带内双谐振模式，有效拓展带宽，满足5G新频段带宽要求。
第二方面，本发明提供了一种小型化双极化5G天线，包括电磁超材料环形谐振器结构层、地板层、及固定支撑所述电磁超材料环形谐振器结构层和地板层的短路金属柱；
所述电磁超材料环形谐振器结构层包括顶层基板和设置在所述顶层基板上的超材料贴片表面，所述超材料贴片表面采用在金属表面敷刻容型缝隙构成；
所述地板层包括具有十字开槽缝隙的底层基板和与所述底层基板构成正交的缝隙耦合馈电结构的微带线馈线。
本方案的有益效果是：本发明采用新颖电磁超材料谐振器结构，通过合适的耦合馈电激励或其他同轴背馈、差分馈电形式，实现了小型化双极化辐射设计；并且在地板背面耦合馈电线上，串联开路微带线，相当于级联一个一阶的低通滤波响应，形成带内双谐振模式，有效拓展带宽，满足5G新频段带宽要求。
优选地，所述微带线馈线具体包括呈正交布置的第一端口微带线馈线和第二端口微带线馈线。
上述优选方案的有益效果是：本发明采用呈正交设置的第一端口微带线馈线和第二端口微带线馈线分别正交馈入超材料天线，产生高隔离度的双极化辐射；并且与具有十字开槽缝隙的底层基板构成缝隙耦合馈电结构，激励起天线谐振辐射和宽带工作。
第三方面，本发明提供了一种小型化圆极化5G天线，包括电磁超材料环形谐振器结构层、地板层、及固定支撑所述电磁超材料环形谐振器结构层和地板层的短路金属柱；
所述电磁超材料环形谐振器结构层包括顶层基板和设置在所述顶层基板上的超材料贴片表面，所述超材料贴片表面采用在金属表面敷刻容型缝隙构成，并对贴片中心进行开槽；
所述地板层包括具有十字开槽缝隙的底层基板和与所述底层基板构成正交的缝隙耦合馈电结构的微带线馈线。
本方案的有益效果是：本发明采用新颖电磁超材料谐振器结构，通过对贴片中心进行开槽，获得进一步小型化；并且通过合适的耦合馈电激励或其他同轴背馈、差分馈电形式，实现了小型化圆极化辐射设计；并且在地板背面耦合馈电线上，串联开路微带线，相当于级联一个一阶的低通滤波响应，形成带内双谐振模式，有效拓展带宽，满足5G新频段带宽要求。
优选地，所述微带线馈线具体呈45°馈入电磁超材料环形谐振器结构层。
上述优选方案的有益效果是：本发明的微带线馈线呈45°馈入电磁超材料环形谐振器结构层，能够激励器正交的两个超谐振器模式，产生圆极化辐射以及拓展天线工作带宽；并且与具有十字开槽缝隙的底层基板构成缝隙耦合馈电结构，激励起天线谐振辐射和宽带工作。
第四方面，本发明提供了一种小型化三极化5G天线，包括电磁超材料环形谐振器结构层、地板层、及固定支撑所述电磁超材料环形谐振器结构层和地板层的支撑柱；
所述电磁超材料环形谐振器结构层包括顶层基板、超材料贴片表面和金属支撑壁，所述顶层基板由环形空槽分割为内部基板和外部基板，所述内部基板与地板层通过短路金属柱进行固定支撑，所述外部基板内侧边与地板层通过金属支撑壁进行固定支撑，所述超材料贴片表面设置在所述内部基板上，且所述超材料贴片表面采用在金属表面敷刻容型缝隙构成；
所述地板层包括具有十字开槽缝隙的底层基板和与所述底层基板构成正交的缝隙耦合馈电结构的微带线馈线和共模馈电结构。
本方案的有益效果是：本发明采用新颖电磁超材料谐振器结构，通过控制超材料贴片表面和螺钉尺寸和位置，从而实现天线小型化；并且利用方形金属壁将天线地板和顶层贴片相连接，将水平双极化和垂直极化模式相隔离，获得良好的端口隔离度，同时实现垂直极化的低剖面设计；而且采用共模同相馈电微带线，同时接入贴片两侧，同相激励两个低剖面的半模天线，形成垂直极化的水平全向辐射模式。
优选地，所述微带线馈线具体包括呈正交布置的第一端口微带线馈线和第二端口微带线馈线。
上述优选方案的有益效果是：本发明采用呈正交布置的第一端口微带线馈线和第二端口微带线馈线分别正交馈入超材料天线，激励起超谐振天线的两个水平正交的极化模式，同时两个水平极化模式之间具有良好的隔离度；并且与具有十字开槽缝隙的底层基板构成正交的缝隙耦合馈电结构，激励起天线谐振辐射和宽带工作。
优选地，所述共模馈电结构包括设置在所述底层基板上的共模馈电微带线和设置在所述底层基板与外部基板之间的共模馈电容型环结构，所述共模馈电微带线与共模馈电容型环结构相连。
上述优选方案的有益效果是：本发明采用共模同相馈电微带线，同时接入贴片两侧，同相激励两个低剖面的半模天线，形成垂直极化的水平全向辐射模式。
优选地，所述共模馈电容型环结构设置为2个，且分别位于所述底层基板两对侧。
上述优选方案的有益效果是：本发明在贴片表面的两侧，敷刻共模馈电容型环结构，可以等效为串联电容，从而改善垂直极化模式阻抗匹配。
附图说明
图1为本发明的小型化线极化5G天线结构示意图；
图2为本发明的电磁超材料环形谐振器结构示意图；
图3为本发明的电磁超材料环形谐振器结构等效谐振电路示意图；
图4为本发明的小型化线极化5G天线加载与不加载开路枝节线的带宽性能对比示意图；
图5为本发明的小型化双极化5G天线结构示意图；
图6为本发明的小型化圆极化5G天线结构示意图；
图7为本发明的小型化三极化5G天线结构示意图；
图8为本发明的小型化三极化5G天线的三端口的带宽和隔离度性能示意图。
其中附图说明为：1、超材料贴片表面，2、短路金属柱，3、顶层基板，4、地板层，5、底层基板，6、微带线馈线，7、支撑柱，8、金属支撑壁，9、共模馈电微带线，10、共模馈电容型环结构，11、固定螺钉。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
本发明为了解决传统应用于5G新频段的基站天线和sub 6GHz场景应用天线尺寸大，天线极化类型单一等问题，提出了一系列基于电磁超材料的小型化多极化天线，涵盖线极化、双极化、圆极化和三极化天线设计，多极化天线解决传统基站填充尺寸大高剖面等问题，还解决了传统小型化***中天线的带宽窄和辐射效率低的问题，因此能够满足5G室内紧凑***对小型化宽带宽天线的需求。除此之外，多极化天线提供了多种极化类型的选择，解决了目前5G新频段发射端天线极化单一的问题，能够适用于多种不同室内外环境对极化的不同要求。
本发明基于电磁超材料基本原理，提出一种新颖的超材料谐振器结构，具有低损耗的特性，能够在小型化的同时，保持较高的辐射效率和合适的工作带宽，并且将该超材料谐振器结构用于5G新频段的多极化天线设计中。
实施例1
如图1所示，本发明实施例提供的一种小型化线极化5G天线，包括电磁超材料环形谐振器结构层、地板层4、及固定支撑电磁超材料环形谐振器结构层和地板层4的短路金属柱2。
电磁超材料环形谐振器结构层包括顶层基板3和设置在顶层基板3上的超材料贴片表面1，超材料贴片表面1采用在整块金属表面敷刻容型缝隙构成。
本发明基于电磁超材料中的复合左右手传输线(CRLH-TL)和开口环谐振器(SRR)原理，通过在传统的超材料中的Mushroom结构上，增大左手短路电感，开设横纵两个方向上的两道正交容型缝隙，串联左手电容，构成新型电磁超材料谐振器结构-环形谐振器(RTR)，如图2所示，利用Π-型超材料传输线结构激励起负一阶谐振模式，在实现小型化设计的同时，实现与传统正一阶模式相类似的阻抗，表面场分布和辐射特性。
为了简化分析和设计，将数值影响小的右手电容和右手电感忽略，形成电磁超谐振结构，其等效谐振电路如图3所示。本发明通过短路电感外移，增大左手电感，以进一步小型化；通过双缝隙左手电容加载，增大表面电场进一步发散，从而增大天线辐射口径，改善辐射增益和效率。
本发明的新型电磁超材料结构-环形谐振器结构采用低损耗的超谐振器结构和多电容加载的表面结构，一方面降低了介质损耗，另一方面拓展天线辐射口径面积，从而能够在小型化的同时，保持较高的辐射效率和合适的工作带宽，并且将该超材料谐振器结构用于5G新频段的多极化天线设计中；并且采用短路金属螺钉进行支撑和少量PCB基板，尽可能降低了介质损耗，保持了高辐射效率，以及低成本。
地板层4包括具有条形开槽缝隙的底层基板5和设置在底层基板5上的微带线馈线6。微带线馈线6与底层基板5构成缝隙耦合馈电结构，激励起天线谐振辐射和宽带工作。在微带线馈线6中，串联加载入一个开路枝节线结构，相当于串联一个一阶低通滤波响应，引入一个新的的谐振模式，从而形成双谐振点，有效拓宽工作带宽，满足5G新频段带宽要求。如图4所示，线极化天线串联加载开路枝节线以后，引入的一个新的谐振模式，与最初的电磁超谐振器模式相耦合，形成双谐振点，有效的拓展了天线带宽，能够覆盖5G-N78频段带宽，满足5G新频段应用需求。
顶层基板3和底层基板5之间通过短路金属柱2，具体采用短路金属螺钉进行固定支撑和短路电感加载操作，由此构造出电磁超材料环形谐振器结构，通过控制超材料贴片表面和螺钉尺寸和位置，从而实现天线小型化。本发明天线采用少量薄层介质基板加工和标准制式金属螺钉固定，尽可能降低了介质损耗，保持了高辐射效率，易于组装生产以及低成本。
实施例2
如图5所示，本发明实施例还提供的一种小型化双极化5G天线，该双极化5G天线结构与实施例1中的线极化5G天线类似，区别在于该双极化5G天线的地板层4包括具有十字开槽缝隙的底层基板5和设置在底层基板5上的微带线馈线6。
微带线馈线6具体包括呈正交布置的第一微带线馈线和第二微带线馈线。第一微带线馈线和第二微带线馈线与底层基板5构成正交的缝隙耦合馈电结构，激励起天线谐振辐射和宽带工作。
第一微带线馈线和第二微带线馈线分别正交馈入超材料天线，产生双极化辐射。
实施例3
如图6所示，本发明实施例还提供的一种小型化圆极化5G天线，该圆极化5G天线结构与实施例1中的线极化5G天线或实施例2中的双极化5G天线类似，区别在于该圆极化5G天线的超材料贴片表面1的贴片中心进行开槽，地板层4包括具有十字开槽缝隙的底层基板5和设置在底层基板5上的微带线馈线6。微带线馈线6与底层基板5构成正交的缝隙耦合馈电结构，激励起天线谐振辐射和宽带工作。
电磁超材料环形谐振器结构层的超材料贴片表面1采用在整块金属表面敷刻容型缝隙构成，并且对各个贴片中心进行开槽，能够调控增大等效电感，获得进一步小型化。
微带线馈线6具体呈45°馈入电磁超材料环形谐振器结构层，从而能够激励起正交的两个超谐振器模式，产生圆极化辐射以及拓展天线工作带宽。
本发明采用的二维的新型电磁超材料环形谐振器结构，通过合适的耦合馈电激励或其他同轴背馈、差分馈电形式，实现了小型化线极化、双极化和圆极化辐射设计。
实施例4
如图7所示，本发明实施例还提供的一种小型化三极化5G天线，该三极化5G天线结构与实施例2中的双极化5G天线类似，区别在于该三极化5G天线的电磁超材料环形谐振器结构层包括顶层基板5、超材料贴片表面1和金属支撑壁8，顶层基板5由环形空槽分割为内部基板和外部基板，内部基板与地板层4通过短路金属柱2进行固定支撑，外部基板内侧边与地板层4通过金属支撑壁8进行固定支撑，超材料贴片表面1设置在内部基板上，且超材料贴片表面1采用在金属表面敷刻容型缝隙构成；地板层4包括具有十字开槽缝隙的底层基板5和设置在底层基板5上的微带线馈线6和共模馈电结构。
微带线馈线6具体包括呈正交布置的第一微带线馈线和第二微带线馈线。
共模馈电结构包括设置在底层基板5上的共模馈电微带线9和设置在底层基板5与外部基板之间的共模馈电容型环结构10，共模馈电微带线9与共模馈电容型环结构10相连。具体而言，共模馈电容型环结构10设置为2个，且分别位于底层基板两对侧。
本发明利用方形金属支撑壁8将地板层4和外部基板的顶层表面金属层相连接，将水平双极化和垂直极化模式相隔离，获得良好的端口隔离度，同时实现垂直极化的低剖面设计。
本发明利用地板层4上正交的第一微带线馈线和第二微带线馈线通过缝隙耦合馈电，激励起超谐振天线的两个水平正交的极化模式。地板层4上的共模馈电微带线9和共模馈电容型环结构10等幅同相激励超材料贴片表面1两侧，形成低剖面垂直极化模式。
本发明在三极化天线的设计中，利用方形金属支撑壁8，将贴片中间部分隔离出来，将基于超材料的双极化天线内嵌到三极化天线中。采用共模同相馈电微带线9，同时接入贴片两侧，同相激励两个低剖面的半模天线，形成垂直极化的水平全向辐射模式。另外在超材料贴片表面1的两侧，敷刻了共模馈电容型环结构10，等效为串联电容，能改善垂直极化模式阻抗匹配。三极化天线的低剖面设计主要来源于小型化的水平双极化天线和低剖面的同相激励贴片的集成。三极化天线三个极化模式的带宽性能，满足5G新频段带宽要求。如图8所示，三极化天线的三端口的工作带宽，均能覆盖5G-N78频段，三端口之间的隔离度均大于15dB，三极化天线在保持小尺寸和低剖面的特点下，工作带宽宽，满足5G新频段的室内应用需求。
本发明的一系列多极化天线具有小型化、低剖面的优点，适用于微基站；天线工作带宽宽，能够覆盖N78等5G新频段；天线高辐射效率(>80％)，辐射性能好；天线半功率波束宽度宽，通信覆盖范围大，适合室内广角通信；天线成本低，易于组装，适合批量生产；天线涵盖线极化，双极化，圆极化和三极化形式，能够满足多种不同应用场景的通信需求。
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (2)
1.一种小型化三极化5G天线，其特征在于，包括电磁超材料环形谐振器结构层、地板层(4)、及固定支撑所述电磁超材料环形谐振器结构层和地板层(4)的支撑柱(7)；
所述电磁超材料环形谐振器结构层包括顶层基板(3)、超材料贴片表面(1)和金属支撑壁(8)，所述顶层基板(3)由环形空槽分割为内部基板和外部基板，所述内部基板与地板层(4)通过短路金属柱(2)进行固定支撑，所述外部基板内侧边与地板层(4)通过方形金属支撑壁(8)进行固定支撑，方形金属支撑壁(8)将地板层(4)和外部基板的顶层表面金属层相连接；所述超材料贴片表面(1)设置在所述内部基板上，且所述超材料贴片表面(1)采用在金属表面敷刻容型缝隙构成；
所述地板层(4)包括具有十字开槽缝隙的底层基板(5)和与所述底层基板(5)构成正交的缝隙耦合馈电结构的微带线馈线(6)和共模馈电结构；
所述共模馈电结构包括设置在所述底层基板(5)上的共模馈电微带线(9)和设置在所述底层基板(5)与外部基板之间的共模馈电容型环结构(10)，所述共模馈电微带线(9)与共模馈电容型环结构(10)相连；所述共模馈电容型环结构(10)设置为2个，且分别位于所述底层基板(5)两对侧。
2.根据权利要求1所述的小型化三极化5G天线，其特征在于，所述微带线馈线(6)具体包括呈正交布置的第一端口微带线馈线和第二端口微带线馈线。
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