CN112382849B - 一种毫米波宽带端射双极化多波束阵列天线 - Google Patents

一种毫米波宽带端射双极化多波束阵列天线 Download PDF

Info

Publication number
CN112382849B
CN112382849B CN202011227027.6A CN202011227027A CN112382849B CN 112382849 B CN112382849 B CN 112382849B CN 202011227027 A CN202011227027 A CN 202011227027A CN 112382849 B CN112382849 B CN 112382849B
Authority
CN
China
Prior art keywords
dual
substrate integrated
integrated waveguide
polarized
metal layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202011227027.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112382849A (zh
Inventor
洪伟
陆容
余超
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Southeast University
Original Assignee
Southeast University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Southeast University filed Critical Southeast University
Priority to CN202011227027.6A priority Critical patent/CN112382849B/zh
Publication of CN112382849A publication Critical patent/CN112382849A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112382849B publication Critical patent/CN112382849B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/36—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith
    • H01Q1/38—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith formed by a conductive layer on an insulating support
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/50—Structural association of antennas with earthing switches, lead-in devices or lightning protectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/24—Combinations of antenna units polarised in different directions for transmitting or receiving circularly and elliptically polarised waves or waves linearly polarised in any direction

Landscapes

  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Abstract

本发明公开了一种毫米波宽带端射双极化多波束阵列天线，该阵列天线包括顺序连接的双极化天线单元、基片集成波导波束成形网络和双极化转接结构；每一个双极化转接结构输出端口(51)与一个基片集成波导波束成形网络输入端口(11)连接；每一个双极化天线单元输入端口(52)与一个基片集成波导波束成形网络输出端口(13)相连接。上层基片集成波导和下层基片集成波导组成了支持双极化的基片集成波导波束成形网络。基片集成波导波束成形网络由双极化转接结构激励。第一金属层、第二金属层和第三金属层上设有双极化天线单元。基片集成波导波束成形网络与端射双极化天线连接，可以实现低成本、小型化的毫米波端射双极化多波束阵列天线。

Description

一种毫米波宽带端射双极化多波束阵列天线
技术领域
本发明涉及微波毫米波领域，具体涉及一种毫米波端射双极化多波束阵列天线。
背景技术
随着第五代移动通信(5G)技术的高速发展，微波毫米波***的功能越来越复杂、性能指标要求越来越高，同时也要求体积越来越小、重量越来越轻，整个***迅速向小型化、宽带化、低成本方向发展。多波束天线通过波束成形网络产生多个固定的波束指向不同方向，实现波束覆盖的目标。常见的波束成形网络，如Butler 矩阵和Blass矩阵，其利用耦合器或功分器等电路元件实现，虽然具有良好的性能，但其结构相对复杂，体积较庞大，难以满足***小型化的要求。同时，端射天线的辐射方向平行于馈电网络，更容易与射频电路进行集成。另一方面，双极化天线能够提高***数据吞吐量，有利于提升通信速率。因此，毫米波端射双极化多波束阵列天线对于5G毫米波基站和终端的发展具有重要意义。
对于毫米波多波束天线，相关领域的专家、学者、工程技术人员已经开展了广泛的研究，并形成一系列的技术成果。然而，就已公开的毫米波多波束天线而言，在较小的空间内实现双极化波束形成网络仍然是一个问题。
发明内容
技术问题：本发明的目的是利用基片集成波导技术，提供了一种小型化的毫米波端射双极化多波束阵列天线，该天线通过传统PCB工艺制作于介质基片上，易于与有源电路集成。
技术方案：本发明的一种毫米波宽带端射双极化多波束阵列天线，该阵列天线包括顺序连接的双极化天线单元、基片集成波导波束成形网络和双极化转接结构；每一个双极化转接结构输出端口与一个基片集成波导波束成形网络输入端口连接；每一个双极化天线单元输入端口与一个基片集成波导波束成形网络输出端口相连接。
多波束阵列天线包括从上往下依次层叠的第一金属层、第一介质层、第二金属层、第二介质层、第三金属层、贯穿上述各层的金属化过孔；基片集成波导波束成形网络包括上层基片集成波导和下层基片集成波导；其中，上层基片集成波导由第一金属层、第一介质层、第二金属层和金属化过孔组成；下层基片集成波导由第二金属层、第二介质层、第三金属层和金属化过孔组成。
所述上层基片集成波导和下层基片集成波导均包括多模基片集成波导和基片集成波导延长线。
所述双极化转接结构包含垂直极化信号过孔和水平极化信号过孔，基片集成波导波束成形网络通过双极化转接结构激励。
所述双极化天线单元在第一金属层、第三金属层的一端设有三角形金属条带，在三角形金属条带的下方设有偶极子天线，在偶极子天线下方设有长方形金属条带，在长方形金属条带下方设有基片集成波导感性窗，在基片集成波导感性窗的下方即第一金属层、第三金属层的另一端设有双极化天线单元输入端口。
所述双极化天线单元在第二金属层的内部设有带状线L型探针，在带状线L型探针下部设有基片集成波导-带状线过渡结构，在基片集成波导-带状线过渡结构的下端设有双极化天线单元输入端口。
对于双极化天线单元，在不组成阵列时，所述双极化天线单元输入端口与一组双极化转接结构输出端口相连接，双极化转接结构对双极化天线单元进行激励。
有益效果：本发明公开了一种毫米波端射双极化多波束阵列天线，其结构紧凑，在实现相似性能的前提下，基片集成波导波束成形网络仅为传统Butler矩阵电路面积的一半。该天线通过传统PCB工艺制作于介质基片上，易于与有源电路集成。
附图说明
图1为本发明多波束天线的原理图；
图2为本发明多波束天线的分层结构示意图；
图3为本发明多波束天线的层叠侧视图；
图4为本发明多波束天线的基片集成波导波束成形网络的结构示意图；
图5为本发明多波束天线的双极化转接结构的第一金属层的结构示意图；
图6为本发明多波束天线的双极化转接结构的第二金属层的结构示意图；
图7为本发明多波束天线的双极化转接结构的第三金属层的结构示意图；
图8为本发明多波束天线的双极化天线单元的第一金属层、第三金属层的结构示意图；
图9为本发明多波束天线的双极化天线单元的第二金属层的结构示意图；
图10为本发明多波束天线的双极化天线单元的S参数仿真结果图
图11为本发明多波束天线的水平面、垂直面方向图的仿真结果(26GHz)；
图12为本发明多波束天线的4个双极化天线单元与基片集成波导波束成形网络相连接的第二金属层的结构示意图；
图13为本发明多波束天线的仿真和实测的回波损耗和隔离度；
图14为本发明多波束天线的仿真和实测的方向图及增益图。
图中有：第一金属层1、第一介质层2、第二金属层3、第二介质层4、第三金属层5、金属化过孔6、上层基片集成波导7、下层基片集成波导8、多模基片集成波导9、基片集成波导延长线10、网络输出端口13、垂直极化信号过孔14、水平极化信号过孔15、第二金属层上的带状线-基片集成波导过渡结构16、反焊盘17、三角形金属条带18、长方形金属条带19、偶极子天线20、带状线L型探针21、基片集成波导-带状线过渡结构22、基片集成波导感性窗23、双极化转接结构输出端口51、双极化天线单元输入端口52。
具体实施方式
下面结合具体实施方式和附图对本发明的技术方案作进一步的介绍。
本具体实施方式公开了一种毫米波端射双极化多波束阵列天线，其原理图如图 1所示。毫米波端射双极化多波束阵列天线由双极化天线单元、基片集成波导波束成形网络、双极化转接结构组成。端口1-4对应垂直极化馈电端口，端口5-8对应水平极化馈电端口。
如图2所示，毫米波端射双极化多波束阵列天线包括从上往下依次层叠的第一金属层1、第一介质层2、第二金属层3、第二介质层4和第三金属层5。金属化过孔6贯穿第一金属层1、第一介质层2、第二金属层3、第二介质层4、第三金属层 5。基片集成波导波束成形网络包括上层基片集成波导7和下层基片集成波导8，如图3所示。上层基片集成波导由第一金属层1、第一介质层2、第二金属层3和金属化过孔6组成。下层基片集成波导由第二金属层3、第二介质层4、第三金属层5 和金属化过孔6组成。上层基片集成波导7和下层基片集成波导8均包括多模基片集成波导9和基片集成波导延长线10，如图4所示。基片集成波导波束成形网络输入端口11位于多模基片集成波导的一侧，另一侧为多模基片集成波导输出端口12，并与基片集成波导延长线10相连接。基片集成波导延长线10用于补偿多模基片集成波导的相位，同时调整基片集成波导波束成形网络输出端口13间距，便于与天线直接连接。
如图5-图7所示，基片集成波导波束成形网络输入端口11通过双极化转接结构进行激励。4个基片集成波导波束成形网络输入端口11分别与一组双极化转接结构输出端口51相连接，每组双极化转接结构包含垂直极化信号过孔14和水平极化信号过孔15。贯穿第一金属层1、第一介质层2、第二金属层3、第二介质层4和第三金属层5的垂直极化信号过孔14在上层基片集成波导7和下层基片集成波导8 激励起同相的电场，用于垂直极化天线的馈电。贯穿第一金属层1、第一介质层2 和第二金属层3的水平极化信号过孔15与印刷在第二金属层上的带状线-基片集成波导过渡结构16相连接，在上层基片集成波导7和下层基片集成波导8激励起反相的电场，用于水平极化天线的馈电。为避免垂直信号过孔14和水平信号过孔15 短路，在第一金属层1和第三金属层5相应设置了反焊盘17。
如图8、图9所示，双极化天线单元包括在第一金属层1、第三金属层5的三角形金属条带18、长方形金属条带19、偶极子天线20和在第二金属层3的带状线 L型探针21、基片集成波导-带状线过渡结构22。双极化天线单元在第一金属层1、第三金属层5的图案一致。双极化天线单元输入端口52可以与一组双极化转接结构输出端口51相连接，对双极化天线单元进行激励。对于垂直极化辐射，垂直信号过孔14激励起同相的电场在双极化天线单元激励起开路基片集成波导天线。通过加载的三角形金属条带18、长方形金属条带19、基片集成波导感性窗23，拓展了垂直极化天线的带宽。对于水平极化辐射，水平极化信号过孔15激励起反相的电场通过基片集成波导-带状线过渡结构22，激励起带状线L型探针21。带状线L型探针21将能量耦合到偶极子天线20上，实现了水平极化天线。图10为天线的S 参数仿真结果图。由仿真结果可以看出天线在24.2-27.85GHz具有良好的回波损耗，同时在该频段内的端口间隔离度优于-20dB。图11为双极化天线单元在26GHz 频率下水平面、垂直面方向图的仿真结果。双极化天线单元的水平极化增益和垂直极化增益分别为4.5dBi和4.3dBi。仿真结果可以看出在26GHz时，交叉极化分量相对于共极化分量小了20dB以上。
将4个双极化转接结构输出端口51与1个基片集成波导波束成形网络输入端口11相连接，4个双极化天线单元输入端口52与1个基片集成波导波束成形网络输出端口13相连接，可实现双极化多波束天线阵列，如图12所示。为提高多波束方向图的对称性，带状线L型探针21对称放置，同时加入一段相位补偿带状线，补偿因为对称放置引入的相位差。图13为毫米波端射双极化多波束阵列的仿真和实测的回波损耗和隔离度，实测结果可以看出天线在24-27GHz具有良好的回波损耗，同时在该频段内的端口间隔离度优于-12dB。图14为毫米波端射双极化多波束阵列仿真和实测的方向图及增益图，可以看出双极化天线的3dB波束宽度可以覆盖±41°的范围，同时带内增益优于8.5dBi。
本发明提供的天线具有紧凑的结构，较好的多波束性能，较平坦的带内增益，较高正交极化区分度等特点，可以实现小型化的毫米波端射双极化多波束阵列天线，并与5G毫米波射频多通道芯片直接集成。

Claims (4)

1.一种毫米波宽带端射双极化多波束阵列天线，其特征在于该阵列天线包括顺序连接的双极化天线单元、基片集成波导波束成形网络和双极化转接结构；每一个双极化转接结构输出端口（51）与一个基片集成波导波束成形网络输入端口（11）连接；每一个双极化天线单元输入端口（52）与一个基片集成波导波束成形网络输出端口（13）相连接；
多波束阵列天线包括从上往下依次层叠的第一金属层（1）、第一介质层（2）、第二金属层（3）、第二介质层（4）、第三金属层（5）、贯穿上述各层的金属化过孔（6）；基片集成波导波束成形网络包括上层基片集成波导（7）和下层基片集成波导（8）；其中，上层基片集成波导（7）由第一金属层（1）、第一介质层（2）、第二金属层（3）和金属化过孔（6）组成；下层基片集成波导（8）由第二金属层（3）、第二介质层（4）、第三金属层（5）和金属化过孔（6）组成；
所述上层基片集成波导（7）和下层基片集成波导（8）均包括多模基片集成波导（9）和基片集成波导延长线（10）组成的多波束天线的基片集成波导波束成形网络；其中，基片集成波导波束成形网络输入端口（11）位于多模基片集成波导（9）的一侧，多模基片集成波导（9）另一侧为多模基片集成波导输出端口（12），并与基片集成波导延长线（10）相连接，基片集成波导延长线（10）的另一端为网络输出端口（13）；
所述双极化天线单元在第一金属层（1）、第三金属层（5）的一端设有三角形金属条带（18），在三角形金属条带（18）的下方设有偶极子天线（20），在偶极子天线（20）下方设有长方形金属条带（19），在长方形金属条带（19）下方设有基片集成波导感性窗（23），在基片集成波导感性窗（23）的下方即第一金属层（1）、第三金属层（5）的另一端设有双极化天线单元输入端口（52）。
2.根据权利要求1所述的一种毫米波宽带端射双极化多波束阵列天线，其特征在于：所述双极化转接结构包含垂直极化信号过孔（14）和水平极化信号过孔（15），基片集成波导波束成形网络通过双极化转接结构激励。
3.根据权利要求1所述的一种毫米波宽带端射双极化多波束阵列天线，其特征在于：所述双极化天线单元在第二金属层（3）的内部设有带状线L型探针（21），在带状线L型探针（21）下部设有基片集成波导-带状线过渡结构（22），在基片集成波导-带状线过渡结构（22）的下端设有双极化天线单元输入端口（52）。
4.根据权利要求3所述的一种毫米波宽带端射双极化多波束阵列天线，其特征在于：对于双极化天线单元，在不组成阵列时，所述双极化天线单元输入端口（52）与一组双极化转接结构输出端口（51）相连接，双极化转接结构对双极化天线单元进行激励。
CN202011227027.6A 2020-11-06 2020-11-06 一种毫米波宽带端射双极化多波束阵列天线 Active CN112382849B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011227027.6A CN112382849B (zh) 2020-11-06 2020-11-06 一种毫米波宽带端射双极化多波束阵列天线

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011227027.6A CN112382849B (zh) 2020-11-06 2020-11-06 一种毫米波宽带端射双极化多波束阵列天线

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112382849A CN112382849A (zh) 2021-02-19
CN112382849B true CN112382849B (zh) 2022-09-13

Family

ID=74578434

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202011227027.6A Active CN112382849B (zh) 2020-11-06 2020-11-06 一种毫米波宽带端射双极化多波束阵列天线

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112382849B (zh)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109616778A (zh) * 2018-12-05 2019-04-12 东南大学 用于移动终端的毫米波无源多波束阵列装置及其实现方法
CN109687124A (zh) * 2018-12-05 2019-04-26 东南大学 一种用于移动终端的毫米波相控阵天线装置及其实现方法
CN109768381A (zh) * 2018-12-05 2019-05-17 东南大学 一种移动终端的毫米波数字多波束天线阵装置及实现方法

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
ITRM20080282A1 (it) * 2008-05-29 2009-11-30 Rf Microtech S R L Antenna piatta a scansione.
US9742070B2 (en) * 2013-02-28 2017-08-22 Samsung Electronics Co., Ltd Open end antenna, antenna array, and related system and method

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109616778A (zh) * 2018-12-05 2019-04-12 东南大学 用于移动终端的毫米波无源多波束阵列装置及其实现方法
CN109687124A (zh) * 2018-12-05 2019-04-26 东南大学 一种用于移动终端的毫米波相控阵天线装置及其实现方法
CN109768381A (zh) * 2018-12-05 2019-05-17 东南大学 一种移动终端的毫米波数字多波束天线阵装置及实现方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN112382849A (zh) 2021-02-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
He et al. A compact dual-band and dual-polarized millimeter-wave beam scanning antenna array for 5G mobile terminals
Li et al. A Ka-band wideband dual-polarized magnetoelectric dipole antenna array on LTCC
Yang et al. Millimeter-wave dual-polarized differentially fed 2-D multibeam patch antenna array
CN108717992A (zh) 毫米波差分馈电的双极化电磁偶极子天线
Li et al. Isolation-improved dual-band MIMO antenna array for LTE/WiMAX mobile terminals
CN112436294B (zh) 具有高隔离度和低剖面的毫米波双频双极化共口径天线
CN107394395B (zh) 基于平面正交模耦合器的双极化喇叭天线
Ali et al. A dual-polarized magneto-electric dipole antenna based on printed ridge gap waveguide technology
CN111883910B (zh) 一种双极化低剖面磁电偶极子天线及无线通信设备
CN113937482A (zh) 一种天线及移动终端
CN112838361A (zh) 耦合抵消路径枝节及基于其的高隔离毫米波相控阵列天线
CN111129713A (zh) 一种5g毫米波双极化天线模组及终端设备
CN112886234B (zh) 一种基于嵌入式结构的微波毫米波共面共口径天线
Yang et al. A shared-aperture antenna for (3.5, 28) GHz terminals with end-fire and broadside steerable beams in millimeter wave band
Pourahmadazar et al. High gain substrate integrated waveguide resonant slot antenna array for mm-wave band radio
Le et al. Dual-band 5g antenna array in fan-out wafer-level packaging (fowlp) technology
Magray et al. Differential-fed, dual-aperture based, quasi-end-fire 5G mmWave antenna-in-package design
CN114256614A (zh) 一种应用于毫米波通信***的超宽带平面天线阵列
CN112382849B (zh) 一种毫米波宽带端射双极化多波束阵列天线
CN113964489B (zh) 基于弯折形缝隙的宽角扫描相控阵天线
US11837793B2 (en) Wideband wide-beamwidth polarization diverse antenna
CN110380199A (zh) 基于微带栅格和贴片的共口径双频带阵列天线
CN213401514U (zh) 一种5g毫米波电磁混合双极化mimo天线阵列
CN211507886U (zh) 一种5g毫米波双极化天线模组及终端设备
Scalise et al. Dual-Polarized Magneto-Electric Dipole for 5G 28 GHz Phased Array Applications

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant