CN113054425A - 一种毫米波双频双极化滤波天线 - Google Patents

一种毫米波双频双极化滤波天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种毫米波双频双极化滤波天线，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、第三介质层、第四金属层、第四介质层、第五金属层、第五介质层和第六金属层。其中，第一金属层、第二金属层上设有微带方环形辐射单元、寄生耦合条带和辐射背腔，第四金属层设有全封闭四分之一模基片集成波导谐振腔和带状线馈电线，第六金属层设有微带线馈电线。全封闭四分之一模基片集成波导谐振腔上加载了谐振腔缝隙，以方便调节双模谐振频率。本发明能够实现毫米波双频双极化辐射，在两个频带上分别实现三阶滤波响应，抑制了天线带外能量泄露，提高了天线的频率选择性。

Description

一种毫米波双频双极化滤波天线
技术领域
本发明涉及微波毫米波天线领域，特别是涉及一种毫米波双频双极化滤波天线。
背景技术
随着第五代移动通信(5G)技术的快速发展，要求毫米波***有更复杂的功能、更高的电性能指标、更小的体积和更轻的重量。集成滤波功能的毫米波天线能有效抑制带外噪声对***的影响，降低收发***对滤波器的指标要求，实现***的小型化和高性能。同时，双频双极化天线能有效提高***的数据吞吐量，实现高速通信。因此，毫米波双频双极化滤波天线对于5G毫米波通信技术具有重要意义。
对于毫米波滤波天线技术，相关专家学者已经开展了广泛的研究，并取得一系列的学术、技术成果。然而，就已公开的毫米波天线而言，在有限的空间内实现双频双极化滤波天线仍然是一个问题。目前大部分双极化滤波天线设计只支持单一频带，对于5G毫米波双频应用，仍然有改进的空间。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种能够提高双频阻抗带宽，抑制带外辐射的毫米波双频双极化滤波天线。
技术方案：为达到此目的，本发明的一种毫米波双频双极化滤波天线采用以下技术方案：
本发明的一种毫米波双频双极化滤波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、第三介质层、第四金属层、第四介质层、第五金属层、第五介质层和第六金属层；其中，第一金属层上设有顶层低频微带辐射单元和顶层高频微带辐射单元，第二金属层上设有内层低频微带辐射单元和内层高频微带辐射单元，第三金属层中设有两个相垂直设置的矩形槽，开两个第三金属层反焊盘，第四金属层上设有带状线馈电线和全封闭四分之一模基片集成波导谐振腔；第五金属层上开第五金属层反焊盘，防止金属化通孔与第五金属层短路，第六金属层上的微带线馈电线，左侧馈电端口为端口一，右侧馈电端口为端口二。
其中：
所述第一金属层中央设有顶层高频微带辐射单元，顶层低频微带辐射单元位于顶层高频微带辐射单元的外周，在顶层低频微带辐射单元的外周设有金属化背腔孔为正方形排列，在顶层低频微带辐射单元的四个角与金属化背腔孔之间设有寄生耦合条带。
所述第二金属层中设有内层高频微带辐射单元，内层低频微带辐射单元位于内层高频微带辐射单元的外周，在内层低频微带辐射单元的外周设有金属化背腔孔为正方形排列，在内层低频微带辐射单元的四个角与金属化背腔孔之间设有寄生耦合条带。
所述第三金属层中设有两个相垂直设置的矩形槽，用于实现两个极化的带状线馈电网络中的全封闭四分之一模基片集成波导谐振腔到内层低频微带辐射单元和内层高频微带辐射单元的耦合；第三金属层上还开两个第三金属层反焊盘，防止金属化通孔与第三金属层短路；金属化通孔实现两个极化的微带线馈电线与带状线馈电线的连接。
所述第四金属层包含两组内层馈电网络，每组带状线馈电网络包括金属化屏蔽孔、带状线馈电线和全封闭四分之一模基片集成波导谐振腔；金属化屏蔽孔贯穿第三金属层、第三介质层、第四金属层、第四介质层、第五金属层、第五介质层和第六金属层，用于实现毫米波双频双极化滤波天线馈电网络的屏蔽；带状线馈电线直接连接全封闭四分之一模基片集成波导谐振腔进行馈电；全封闭四分之一模基片集成波导谐振腔被金属化屏蔽孔、第三金属层和第五金属层完全包围；全封闭四分之一模基片集成波导谐振腔上加载了谐振腔缝隙，全封闭四分之一模基片集成波导谐振腔上还加载了中间通孔和谐振腔反焊盘。
所述第五金属层上设有第五金属层反焊盘，在第五金属层反焊盘中间是金属化通孔。
所述第六金属层上设有微带线馈电线，微带线馈电线通过金属化通孔与第四金属层上带状线馈电线连接，微带线馈电线作为双极化天线的馈电端口，左侧馈电端口为端口一，右侧馈电端口为端口二。
所述顶层低频微带辐射单元与内层低频微带辐射单元通过放置在四个顶点的寄生耦合条带增加了耦合强度。
有益效果：本发明公开了一种毫米波双频双极化滤波天线，可以能够实现毫米波天线的双频双极化辐射，相对于现有技术抑制了天线双频工作频带外的辐射，提高了天线的频率选择性。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中天线的侧视图；
图2为本发明具体实施方式中天线的分层结构示意图；
图3为本发明具体实施方式中天线的第一金属层的结构示意图；
图4为本发明具体实施方式中天线的第二金属层的结构示意图；
图5为本发明具体实施方式中天线的第三金属层的结构示意图；
图6为本发明具体实施方式中天线的第四金属层的结构示意图；
图7为本发明具体实施方式中天线的第五金属层的结构示意图；
图8为本发明具体实施方式中天线的第六金属层的结构示意图；
图9为本发明具体实施方式中天线的S参数仿真结果图；
图10为本发明具体实施方式中天线的增益曲线仿真结果图；
图11为本发明具体实施方式中天线的端口一在26GHz的归一化方向图的仿真结果；
图12为本发明具体实施方式中天线的端口二在26GHz的归一化方向图的仿真结果；
图13为本发明具体实施方式中天线的端口一在39GHz的归一化方向图的仿真结果；
图14为本发明具体实施方式中天线的端口二在39GHz的归一化方向图的仿真结果。
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、第三介质层6、第四金属层7、第四介质层8、第五金属层9、第五介质层10、第六金属层11、顶层低频微带辐射单元12、顶层高频微带辐射单元13、内层低频微带辐射单元14、内层高频微带辐射单元15、寄生耦合条带16、全封闭四分之一模基片集成波导谐振腔17、矩形槽18、类同轴保护孔19、金属化通孔20、微带线馈电线21、金属化背腔孔22、带状线馈电网络23、第三金属层反焊盘24、屏蔽孔25、带状线馈电线26、谐振腔缝隙27、中间通孔28、谐振腔反焊盘29、第五金属层反焊盘30、端口一31、端口二32。
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双频双极化滤波天线，如图1和图2所示，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、第三介质层6、第四金属层7、第四介质层8、第五金属层9、第五介质层10和第六金属层11。第一介质层2可采用厚度为1.016mm的介质基片，第二介质层4和第四介质层8可采用0.2mm的半固化片，第三介质层6和第五介质层10可以采用厚度为0.203mm的介质基片。
如图3所示，第一金属层1中央设有顶层低频微带辐射单元12和顶层高频微带辐射单元13。如图4所示，第二层金属层中央3设有内层低频微带辐射单元14和内层高频微带辐射单元15。顶层低频微带辐射单元12与内层低频微带辐射单元14还通过放置在四个顶点的寄生耦合条带16进一步加强了耦合。贯穿第一金属层1、第一介质层2、第四金属层3的金属化背腔孔22正方形排列，构成了天线的背腔。
如图5所示，第三金属层5上刻蚀了两个矩形槽18，用于实现两个极化的带状线馈电网络23中的全封闭四分之一模基片集成波导谐振腔17到内层低频微带辐射单元14和内层高频微带辐射单元15的耦合。金属化通孔20实现两个极化的微带线馈电线26与带状线馈电线21的连接。类同轴保护孔19包围金属化通孔20，防止能量从金属化通孔20侧向泄露。第三金属层5上开两个第三金属层反焊盘24，防止金属化通孔20和第三金属层5短路。
如图6所示，第四金属层7包含两组内层馈电网络，用于实现两个极化的馈电。每组带状线馈电网络23包括带金属化屏蔽孔25、带状线馈电线26和全封闭四分之一模基片集成波导谐振腔17。金属化屏蔽孔25贯穿第三金属层5、第三介质层6、第四金属层7、第四介质层8、第五金属层9、第五介质层10和第六金属层11，用于实现毫米波双频双极化滤波天线馈电网络的屏蔽。带状线馈电线26直接连接全封闭四分之一模基片集成波导谐振腔17进行馈电。全封闭四分之一模基片集成波导谐振腔17被金属化屏蔽孔25、第三金属层5和第五金属层9完全包围，消除了辐射损耗。全封闭四分之一模基片集成波导谐振腔17上加载了谐振腔缝隙27，以方便调节双模谐振频率。全封闭四分之一模基片集成波导谐振腔17上还加载了中间通孔28和谐振腔反焊盘29，防止其他谐振模式的寄生。
如图7所示，第五金属层9上开第五金属层反焊盘30，防止金属化通孔20和第五金属层9短路。
如图8所示，第六金属层11上设有微带线馈电线21，微带线馈电线21通过贯穿第三金属层5、第三介质层6、第四金属层7、第四介质层8、第五金属层9、第五介质层10和第六金属层11的金属化通孔20与第四金属层7上带状线馈电线21连接，作为双极化天线的馈电端口。左侧馈电端口为端口一31，右侧馈电端口为端口二32。
本发明的工作原理如下：信号通过微带线馈电线21、金属化通孔20，传导到带状线馈电网络23。带状线馈电线26直接馈电全封闭四分之一模基片集成波导谐振腔17，全封闭四分之一模基片集成波导谐振腔17通过矩形槽18和内层低频微带辐射单元14和内层高频微带辐射单元15实现耦合。在26GHz附近，工作在第一模式的全封闭四分之一模基片集成波导谐振腔17、内层低频微带辐射单元14和顶层低频微带辐射单元12构成三个谐振器，从而在毫米波低频段实现三阶滤波的工作效果。在39GHz附近，工作在第二模式的全封闭四分之一模基片集成波导谐振腔17、内层高频微带辐射单元15和顶层高频微带辐射单元13构成三个谐振器，从而在毫米波高频段实现三阶滤波的工作效果。两组微带线馈电线21、金属化通孔20和带状线馈电网络23用于实现两个不同极化的馈电，两组不同极化共用内层低频微带辐射单元14和顶层低频微带辐射单元12作为低频辐射结构，共用内层高频微带辐射单元15和顶层高频微带辐射单元13作为高频辐射结构。
图9为天线的S参数仿真结果图。由仿真结果可以看出天线在24.25-27.5GHz和37-40GHz具有良好的回波损耗，同时在两个频段内的隔离度分别优于-21dB和-28dB。
图10为天线的增益曲线仿真结果图。由仿真结果可以看出，天线在两个频带内具有平坦的增益，在带外有较好的抑制。
图11-14为天线的在26GHz和39GHz下XOZ面、YOZ面的归一化方向图的仿真结果。仿真结果可以看出在26GHz和39GHz时，交叉极化分量相对于共极化分量小了25dB以上。
本发明提供的毫米波双频双极化天线具有紧凑的结构，较宽的双频阻抗带宽，较好的天线增益滤波响应，较高正交极化区分度等特点，可以实现小型化的毫米波双频双极化滤波天线，并与5G毫米波射频多通道芯片直接集成。

Claims (8)

1.一种毫米波双频双极化滤波天线，其特征在于：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)、第三介质层(6)、第四金属层(7)、第四介质层(8)、第五金属层(9)、第五介质层(10)和第六金属层(11)；其中，第一金属层(1)上设有顶层低频微带辐射单元(12)和顶层高频微带辐射单元(13)，第二金属层上(3)设有内层低频微带辐射单元(14)和内层高频微带辐射单元(15)，第三金属层(5)中设有两个相垂直设置的矩形槽(18)，开两个第三金属层反焊盘(24)，第四金属层(7)上设有带状线馈电线(26)和全封闭四分之一模基片集成波导谐振腔(17)；第五金属层(9)上开第五金属层反焊盘(30)，防止金属化通孔20与第五金属层(9)短路，第六金属层(11)上的微带线馈电线(21)，左侧馈电端口为端口一(31)，右侧馈电端口为端口二(32)。
2.根据权利要求1所述的毫米波双频双极化滤波天线，其特征在于：所述第一金属层(1)中央设有顶层高频微带辐射单元(13)，顶层低频微带辐射单元(12)位于顶层高频微带辐射单元(13)的外周，在顶层低频微带辐射单元(12)的外周设有金属化背腔孔(22)为正方形排列，在顶层低频微带辐射单元(12)的四个角与金属化背腔孔(22)之间设有寄生耦合条带(16)。
3.根据权利要求1所述的毫米波双频双极化滤波天线，其特征在于：所述第二金属层(3)中设有内层高频微带辐射单元(15)，内层低频微带辐射单元(14)位于内层高频微带辐射单元(15)的外周，在内层低频微带辐射单元(14)的外周设有金属化背腔孔(22)为正方形排列，在内层低频微带辐射单元(14)的四个角与金属化背腔孔(22)之间设有寄生耦合条带(16)。
4.根据权利要求1所述的毫米波双频双极化滤波天线，其特征在于：所述第三金属层(5)中设有两个相垂直设置的矩形槽(18)，用于实现两个极化的带状线馈电网络(23)中的全封闭四分之一模基片集成波导谐振腔(17)到内层低频微带辐射单元(14)和内层高频微带辐射单元(15)的耦合；第三金属层(5)上还开两个第三金属层反焊盘(24)，防止金属化通孔(20)与第三金属层(5)短路；金属化通孔(20)实现两个极化的微带线馈电线(21)与带状线馈电线(26)的连接。
5.根据权利要求1所述的毫米波双频双极化滤波天线，其特征在于：所述第四金属层(7)包含两组内层馈电网络，每组带状线馈电网络(23)包括金属化屏蔽孔(25)、带状线馈电线(26)和全封闭四分之一模基片集成波导谐振腔(17)；金属化屏蔽孔(25)贯穿第三金属层(5)、第三介质层(6)、第四金属层(7)、第四介质层(8)、第五金属层(9)、第五介质层(10)和第六金属层(11)，用于实现毫米波双频双极化滤波天线馈电网络的屏蔽；带状线馈电线(26)直接连接全封闭四分之一模基片集成波导谐振腔(17)进行馈电；全封闭四分之一模基片集成波导谐振腔(17)被金属化屏蔽孔(25)、第三金属层(5)和第五金属层(9)完全包围；全封闭四分之一模基片集成波导谐振腔(17)上加载了谐振腔缝隙(27)，全封闭四分之一模基片集成波导谐振腔(17)上还加载了中间通孔(28)和谐振腔反焊盘(29)。
6.根据权利要求1所述的毫米波双频双极化滤波天线，其特征在于：所述第五金属层(9)上设有第五金属层反焊盘(30)，在第五金属层反焊盘(30)中间是金属化通孔(20)。
7.根据权利要求1所述的毫米波双频双极化滤波天线，其特征在于：所述第六金属层(11)上设有微带线馈电线(21)，微带线馈电线(21)通过金属化通孔(20)与第四金属层(7)上带状线馈电线连接，微带线馈电线(21)作为双极化天线的馈电端口，左侧馈电端口为端口一(31)，右侧馈电端口为端口二(32)。
8.根据权利要求2或3所述的毫米波双频双极化滤波天线，其特征在于：所述顶层低频微带辐射单元(12)与内层低频微带辐射单元(14)通过放置在四个顶点的寄生耦合条带(16)增加了耦合强度。
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