CN112117535A - 一种5g毫米波电磁混合双极化mimo天线阵列 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种5G毫米波电磁混合双极化MIMO天线阵列，由地板、介质层、金属柱、槽型网格以及金属矩形网格组成。采用槽线和微带线混合设计的毫米波MIMO天线阵列，通过调节单元的几何参数便可以调节阻抗带宽，每一个矩形网格的短边即为一个辐射单元，在一定条件下，随着辐射单元个数的增加天线增益也会增加，天线工作频段宽为24.0GHz～27.5GHz,完全覆盖24.25～27.5GHz(5G)频段，在微波集成电路和通信***中具有很大的应用价值，为电磁混合型网格MIMO阵列天线在微波集成电路和5G通信***中能够广泛应用提供基础，具有高隔离、阻抗带宽宽、增益高、工作于毫米波段、体积小、易加工、集成度高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种5G毫米波电磁混合双极化MIMO天线阵列。
背景技术
网格阵列天线，最早是由Kraus在1964年提出，并在1966年获得专利。自那时起，人们对它进行了一系列的研究，但这些研究都只是在较低的频率上进行。1996年Nakano和他的助手提出了蜂窝式网格天线，1998年又在网格天线上加载C型转换器使它达到圆极化的目的。随后又通过弯曲网格的长边来得到小型化的网格阵列天线，还通过修改网格的短边来得到圆极化网格阵列天线。
2016年ZhiHao Chen和YuePing Zhang等人发表的题为“A 94-GHz Dual-Polarized Microstrip Mesh Array Antenna in LTCC Technology”的文章，首次提出了一种用于94GHz的微带网格阵列天线。微带网阵天线增加了***的极化分集，能够同时支持两个正交极化的接收和任意一个极化的传输。提出的设计是由两个正交方向的栅格阵列组成，其中匹配桩被专门设计来补偿由于另一个极化的互补阵列的直接耦合而引起的输入阻抗的变化。双线极化微带网阵列天线作为单口天线，在93.6GHz时测量到的最大实现增益为13.3dBi,10dB阻抗带宽为6.91％，3-dB增益带宽为1.70％，其结构如图1所示。
2018年，Zhang Yue Ping等人发表题为“Mutual Coupling BetweenSubmicrostrip Grid Arrays on Electrically Thin Substrate”的文章，文章中提出一种在薄的介质基板上设计了一款高隔离的微带网格MIMO天线阵列。研究发现，薄的介质基板上微带网格阵列间的相互耦合主要是由介质极化电流引起的。通过适当选择天线阵系数和尺寸，可以实现亚栅阵之间的高隔离。但是由于介质基板太薄，所以其工作带宽较窄，其结构如图2所示。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种5G毫米波电磁混合双极化MIMO天线阵列，采用槽线和微带线混合设计的毫米波MIMO天线阵列天线工作频段宽24.0GHz～27.5GHz,完全覆盖24.25～27.5GHz(5G)频段，在微波集成电路和通信***中具有很大的应用价值。
本发明提供一种5G毫米波电磁混合双极化MIMO天线阵列，包括微带网格天线阵列、馈电点、连接件、第一介质层、槽型网格天线阵列、金属地、金属柱、第二介质层、同轴电缆，所述第一介质层的顶面和底面印刷有金属层，所述微带网格天线阵列、所述馈电点、所述连接件位于所述第一介质层的顶面，所述槽型网格天线阵列印刷在所述第一介质层的底面，所述第一介质层和所述第二介质层开设有金属通孔，所述金属柱通过所述金属通孔安装在所述第一介质层和所述第二介质层上，所述第二介质层的顶面印刷有金属层，所述金属地印刷在所述第二介质层的顶面，并与所述同轴电缆的外导体相连作为所述槽型网格天线阵列的反射面，所述金属地通过所述金属柱与所述槽型网格天线阵列的***金属相连作为所述微带网格天线阵列的反射面，所述微带网格天线阵列的馈电点与所述同轴电缆的内导体连接，所述同轴电缆的外导体与所述槽型网格天线阵列相连，所述同轴电缆的内导体通过所述槽型网格天线阵列的馈电点与所述连接件相连，所述连接件通过所述金属柱与所述槽型网格天线阵列连接。
进一步地，所述第一介质层的底面开设有圆形槽，所述圆形槽的位置与所述微带网格天线阵列的馈电点对应。
进一步地，所述圆形槽的半径与所述同轴电缆的外导体半径相同。
进一步地，所述第二介质层上开设有连接通孔，所述连接通孔的位置与所述圆形槽的位置对应，所述同轴电缆穿过所述连接通孔与所述第一介质层和所述第二介质层连接。
进一步地，所述第一介质层的顶面还设有金属铜环，所述金属铜环位于所述金属通孔的外圈，并与所述金属通孔连接。
进一步地，所述第一介质层底面的金属层上开设有槽线，所述槽线位于相邻两个微带网格天线阵列之间。
进一步地，所述微带网格天线阵列与所述槽型网格天线阵列的放置方向相同。
进一步地，所述槽型网格天线阵列位于所述微带网格天线阵列的中间位置在所述第一介质层的底面对应的位置处。
进一步地，所述金属柱为金属铜柱，所述连接件为金属贴片。
进一步地，所述第一介质层和所述第二介质层为介电常数为2.2的罗杰斯介质层。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
本发明提供一种5G毫米波电磁混合双极化MIMO天线阵列，由地板、介质层、金属柱、槽型网格以及金属矩形网格组成。采用槽线和微带线混合设计的毫米波MIMO天线阵列，通过调节单元的几何参数便可以调节阻抗带宽，每一个矩形网格的短边即为一个辐射单元，在一定条件下，随着辐射单元个数的增加天线增益也会增加，天线工作频段宽为24.0GHz～27.5GHz,完全覆盖24.25～27.5GHz(5G)频段，在微波集成电路和通信***中具有很大的应用价值，为电磁混合型网格MIMO阵列天线在微波集成电路和5G通信***中能够广泛应用提供基础，具有高隔离、阻抗带宽宽、增益高、工作于毫米波段、体积小、易加工、集成度高等优点。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明背景技术中双线极化微带网阵列天线结构示意图；
图2为本发明背景技术中微带网格MIMO天线阵列结构示意图
图3为本发明的一种5G毫米波电磁混合双极化MIMO天线阵列结构示意图；
图4为本发明的第一介质层顶面示意图；
图5为本发明的第一介质层底面示意图；
图6为本发明的第二介质层示意图；
图7为本发明的一种5G毫米波电磁混合双极化MIMO天线阵列的S参数示意图；
图8为本发明的一种5G毫米波电磁混合双极化MIMO天线阵列的方向图。
图中：1、微带网格天线阵列；2、连接件；3、第一介质层；31、金属通孔；32、圆形槽；33、槽线；4、槽型网格天线阵列；5、金属柱；6、第二介质层；7、金属地；8、同轴电缆；9、端口1馈电点；10、端口2馈电点；11、端口3馈电点；12、端口5馈电点；13、端口4馈电点；14、金属铜环；15、矩形金属；16、金属层。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
一种5G毫米波电磁混合双极化MIMO天线阵列，如图3、图4、图6所示，包括微带网格天线阵列1、馈电点、连接件2、第一介质层3、槽型网格天线阵列4、金属地7、金属柱5、第二介质层6、同轴电缆8，第一介质层3的顶面和底面印刷有金属层16，微带网格天线阵列1、馈电点、连接件2位于第一介质层3的顶面，槽型网格天线阵列4印刷在第一介质层3的底面，第一介质层3和第二介质层6开设有金属通孔31，金属柱5通过金属通孔31安装在第一介质层3和第二介质层6上，金属柱5还充当了天线的支撑结构。天线采用同轴方式进行馈电，第二介质层6的顶面印刷有金属层16，金属地7印刷在第二介质层6的顶面，并与同轴电缆8的外导体相连作为槽型网格天线阵列4的反射面，金属地7通过金属柱5与槽型网格天线阵列4的***金属相连作为微带网格天线阵列1的反射面，微带网格天线阵列1通过同轴电缆8直接馈电，具体的，微带网格天线阵列1的馈电点与同轴电缆8的内导体连接；槽型网格天线阵列4的馈电***具体为：同轴电缆8的外导体与槽型网格天线阵列4相连，同轴电缆8的内导体通过槽型网格天线阵列4的馈电点与连接件2相连，连接件2通过金属柱5与槽型网格天线阵列4连接，以达到对槽型网格天线阵列4馈电的效果。优选的，金属柱5为金属铜柱，连接件2为金属贴片，第一介质层3和第二介质层6为介电常数为2.2的罗杰斯介质层。
如图4、图5所示，采用微带网格天线阵列1的数量为4，槽型网格天线阵列4的数量为1的设计，电路更加小型化、集成化程度更高。微带网格天线阵列1的端口2馈电点10、端口3馈电点11、端口4馈电点13、端口5馈电点12与同轴电缆8的内导体连接；同轴电缆8的外导体与槽型网格天线阵列4的矩形金属15相连，同轴电缆8的内导体通过槽型网格天线阵列4的端口1馈电点9与金属贴片相连，金属贴片通过金属柱5与槽型网格天线阵列4的矩形金属15连接，以达到对槽型网格天线阵列4馈电的效果。槽型网格天线阵列4位于四个微带网格天线阵列1的中间位置在第一介质层3的底面对应的位置处，本实施例中，槽型网格天线阵列4通过金属蚀刻技术印刷在第一介质层3的背面。应当理解的是，微带网格天线阵列1和槽型网格天线阵列4的具体数量可以根据实际需求进行设定。
如图5所示，为了避免短路，在第一介质层3的底面开设有圆形槽32，圆形槽32的位置与微带网格天线阵列1的馈电点对应，圆形槽32的半径与同轴电缆8的外导体半径相同。
如图6所示，第二介质层6上开设有连接通孔，连接通孔的位置与圆形槽32的位置对应，同轴电缆8穿过连接通孔与第一介质层3和第二介质层6连接。
为了防止金属柱5与第一介质层3的金属层16接触不良，第一介质层3的顶面还设有金属铜环14，金属铜环14位于金属通孔31的外圈，并与金属通孔31连接。
为了增加相邻两个微带网格阵列天线之间的隔离度，第一介质层3底面的金属层16上开设有槽线33，槽线33位于相邻两个微带网格天线阵列1之间。
根据网格阵列天线的设计原理，微带网格天线阵列1的短边和槽型网格天线阵列4的短边均为天线工作频率对应的半个波长，长边均为一个波长。因此对于微带网格天线阵列1，在短边上的电流均是同向叠加的，在长边上的电流均是反向抵消的。对于槽型网格天线阵列4，在短边槽上的磁流均是同向叠加的，在长边槽上的磁流均是反向抵消。因此，将微带网格阵列天线和槽型网格天线阵列4的放置方向一致，微带网格天线阵列1上的电流和槽型网格天线阵列4上的磁流在空间上的耦合非常小，因此该MIMO***的隔离度非常的高。
如图7、图8所示，由于结构的对称性，4个微带网格阵列天线对应的S参数和方向图相同。S参数，也就是散射参数，是微波传输中的一个重要参数。S12为端口1匹配时，端口2到端口1反向传输系数，也就是隔离；S21为端口2匹配时，端口1到端口2的正向传输系数；S11为端口2匹配时，端口1的反射系数，也就是输入回波损耗，S22为端口1匹配时，端口2的反射系数，也就是输出回波损耗，依次类推。一般天线结构如果是对称的，我们可以称为是个互易的网络，互易网络对应的S12＝S21。因为结构上的对称，端口2和3对应的微带网格天线他们的S参数是相同的。为了更加清晰的描述，本实施例中给出一个端口的对应的S参数和方向图。其中，|S22|＝|S33|＝|S44|＝|S55|、|S21|＝|S31|、|S41|＝|S51|、|S32|＝|S54|、|S42|＝|S53|、|S52|＝|S43|，故图7给出了|S11|、|S22|、|S21|、|S41|、|S32|、|S42|、|S43|即可完整的描述该MIMO天线阵列的S参数的数值。可以看到|S11|和|S22|在24.0GHz-27.5GHz频率范围内均低于-10dB,其工作带宽完全覆盖了24.25GHz-27.5GHz 5G毫米波通信频段。且|S21|、|S41|、|S32|、|S42|、|S43|在24.0GHz-27.5GHz频率范围内均低于-38dB，可以看出该MIMO阵列具有极高的端口隔离特性。图8为该MIMO阵列在25.5GHz时端口1和端口2对应的E面和H面的方向图，可以看到该MIMO天线阵列具有较低的旁瓣。
本发明提供一种5G毫米波电磁混合双极化MIMO天线阵列，由地板、介质层、金属柱、槽型网格以及金属矩形网格组成。采用槽线和微带线混合设计的毫米波MIMO天线阵列，通过调节单元的几何参数便可以调节阻抗带宽，每一个矩形网格的短边即为一个辐射单元，在一定条件下，随着辐射单元个数的增加天线增益也会增加，天线工作频段宽为24.0GHz～27.5GHz,完全覆盖24.25～27.5GHz(5G)频段，在微波集成电路和通信***中具有很大的应用价值，为电磁混合型网格MIMO阵列天线在微波集成电路和5G通信***中能够广泛应用提供基础，具有高隔离、阻抗带宽宽、增益高、工作于毫米波段、体积小、易加工、集成度高等优点。
以上，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上而顺畅地实施本发明；但是,凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时,凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种5G毫米波电磁混合双极化MIMO天线阵列，其特征在于：包括微带网格天线阵列、馈电点、连接件、第一介质层、槽型网格天线阵列、金属地、金属柱、第二介质层、同轴电缆，所述第一介质层的顶面和底面印刷有金属层，所述微带网格天线阵列、所述馈电点、所述连接件位于所述第一介质层的顶面，所述槽型网格天线阵列印刷在所述第一介质层的底面，所述第一介质层和所述第二介质层开设有金属通孔，所述金属柱通过所述金属通孔安装在所述第一介质层和所述第二介质层上，所述第二介质层的顶面印刷有金属层，所述金属地印刷在所述第二介质层的顶面，并与所述同轴电缆的外导体相连作为所述槽型网格天线阵列的反射面，所述金属地通过所述金属柱与所述槽型网格天线阵列的***金属相连作为所述微带网格天线阵列的反射面，所述微带网格天线阵列的馈电点与所述同轴电缆的内导体连接，所述同轴电缆的外导体与所述槽型网格天线阵列相连，所述同轴电缆的内导体通过所述槽型网格天线阵列的馈电点与所述连接件相连，所述连接件通过所述金属柱与所述槽型网格天线阵列连接。
2.如权利要求1所述的一种5G毫米波电磁混合双极化MIMO天线阵列，其特征在于：所述第一介质层的底面开设有圆形槽，所述圆形槽的位置与所述微带网格天线阵列的馈电点对应。
3.如权利要求2所述的一种5G毫米波电磁混合双极化MIMO天线阵列，其特征在于：所述圆形槽的半径与所述同轴电缆的外导体半径相同。
4.如权利要求2所述的一种5G毫米波电磁混合双极化MIMO天线阵列，其特征在于：所述第二介质层上开设有连接通孔，所述连接通孔的位置与所述圆形槽的位置对应，所述同轴电缆穿过所述连接通孔与所述第一介质层和所述第二介质层连接。
5.如权利要求1所述的一种5G毫米波电磁混合双极化MIMO天线阵列，其特征在于：所述第一介质层的顶面还设有金属铜环，所述金属铜环位于所述金属通孔的外圈，并与所述金属通孔连接。
6.如权利要求1所述的一种5G毫米波电磁混合双极化MIMO天线阵列，其特征在于：所述第一介质层底面的金属层上开设有槽线，所述槽线位于相邻两个微带网格天线阵列之间。
7.如权利要求1所述的一种5G毫米波电磁混合双极化MIMO天线阵列，其特征在于：所述微带网格天线阵列与所述槽型网格天线阵列的放置方向相同。
8.如权利要求1所述的一种5G毫米波电磁混合双极化MIMO天线阵列，其特征在于：所述槽型网格天线阵列位于所述微带网格天线阵列的中间位置在所述第一介质层的底面对应的位置处。
9.如权利要求1所述的一种5G毫米波电磁混合双极化MIMO天线阵列，其特征在于：所述金属柱为金属铜柱，所述连接件为金属贴片。
10.如权利要求1所述的一种5G毫米波电磁混合双极化MIMO天线阵列，其特征在于：所述第一介质层和所述第二介质层为介电常数为2.2的罗杰斯介质层。
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2020
- 2020-09-01 CN CN202010906147.2A patent/CN112117535A/zh active Pending
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