CN113517572B

CN113517572B - 一种用于毫米波频段的高隔离度双频双极化阵列天线

Info

Publication number: CN113517572B
Application number: CN202110318050.4A
Authority: CN
Inventors: 何宇奇; 赵鲁豫; 吕思涵; 申秀美
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Xi'an Longpuda Communication Technology Co ltd
Priority date: 2021-03-25
Filing date: 2021-03-25
Publication date: 2022-09-23
Anticipated expiration: 2041-03-25
Also published as: CN113517572A

Abstract

本发明公开了一种用于毫米波频段的高隔离度双频双极化阵列天线，由上至下依次包括：寄生天线层、第一介质层、辐射天线层、第一金属地层；寄生天线层上包括至少一个谐振寄生天线单元组成的寄生天线阵列；辐射天线层上包括至少一个多频谐振天线单元组成的辐射天线阵列，相邻两个多频谐振天线单元之间设有去耦结构；第一介质层为谐振寄生天线单元和多频谐振天线单元之间的介质基板；第一金属地层上设有馈电端口，馈电端口通过馈电柱与对应的多频谐振天线单元连接。通过双层天线堆叠式结构来满足双频的需求同时减少天线的尺寸，在相邻两个天线单元之间设有去耦结构，不仅使得空间受限的多频多天线***的耦合降低，而且保持原有的天线阵工作性能。

Description

一种用于毫米波频段的高隔离度双频双极化阵列天线

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种用于毫米波频段的高隔离度双频双极化阵列天线。

背景技术

应用的毫米波技术是学术界和行业的热门话题，在2019的世界无线电通信大会（WRC-19）上确定了5G毫米波频段为24.25-27.5GHz，37-43.5GHz，45.5-47GHz，47.2-48.2GHz和66-71GHz，这标志着全球产业朝5G毫米波的最佳性能和规模效应最大化迈出了坚实的一步，毫米波天线具有更快的传输速度、更大的带宽，所以使得移动通信领域的毫米波天线设计受到越来越多研究者的关注。

随着移动通信领域毫米波频段的划分，越来越多的学者开始设计毫米波天线，但是单一的毫米波天线单元并不能满足移动通讯的要求，所以需要将单元天线组阵来获得更高的增益和更大的带宽。随着阵列天线的引入，就会引起阵列天线单元间的耦合，为了消除这一耦合，去耦技术就变得至关重要；同时由于毫米波频段的带宽较宽，所以天线阵列需要覆盖较宽的频带；应用于终端的毫米波天线阵列还需要良好的波束扫描能力。由此可知，如何在较小体积内实现毫米波阵列天线较大的带宽、较大的增益、较好的相扫能力和较好的隔离效果成为设计毫米波阵列天线所重视的问题。

发明内容

本发明目的是：提供一种用于毫米波频段的高隔离度双频双极化阵列天线，在小体积内实现毫米波阵列天线较大的带宽、较大的增益、较好的相扫能力和较好的隔离效果。

本发明的技术方案是：一种用于毫米波频段的高隔离度双频双极化阵列天线，由上至下依次包括：寄生天线层、第一介质层、辐射天线层、第一金属地层；所述寄生天线层上包括至少一个谐振寄生天线单元组成的寄生天线阵列；所述辐射天线层上包括至少一个多频谐振天线单元组成的辐射天线阵列，相邻两个所述多频谐振天线单元之间设有去耦结构；所述第一介质层为所述谐振寄生天线单元和所述多频谐振天线单元之间的介质基板；所述第一金属地层上设有馈电端口，所述馈电端口通过馈电柱与对应的多频谐振天线单元连接。

通过双层天线堆叠式结构来满足双频的需求同时减少天线的尺寸，并在相邻两个多频谐振天线单元之间设有去耦结构，不仅使得空间受限的多频多天线***的耦合降低，而且保持原有的天线阵工作性能。

其进一步的技术方案是：所述去耦结构包括设置在所述辐射天线层上相邻两个所述多频谐振天线单元之间的I形谐振器和刻蚀在所述第一金属地层上的C形环形槽。

通过在第一金属地层上刻蚀C形环形槽，等效成一个带阻滤波器，C形环形槽的大小、位置的调整可以改变等效带阻滤波器的电抗性，改善天线单元间的隔离度，在相邻两个多频谐振天线单元之间设置I形谐振器，通过改变I形谐振器的大小、位置，使得天线单元间的耦合电流相互抵消，从而提高天线单元间的隔离度。

其进一步的技术方案是：所述多频谐振天线单元采用低频天线，工作于26GHz；所述多频谐振天线单元为微带贴片天线，采用方形天线贴片切除四个角的对称式结构。

下层的辐射天线层采用工作于26GHz的微带贴片天线，采用切除四个角的对称式结构，减少天线贴片所占面积，对称式结构以便微带贴片以正负45°极化工作。

其进一步的技术方案是：所述谐振寄生天线单元采用高频天线，工作于39GHz；所述谐振寄生天线单元包括中间挖去方形槽的天线贴片和围绕在所述天线贴片四周的四个寄生贴片。

上层的寄生天线层采用工作于39GHz的高频天线，通过采用中间挖去方形槽的天线贴片来实现更好的匹配和增益，围绕在天线贴片四周设计四个寄生贴片，可以有效改善隔离度，并且寄生贴片带入的新谐振频率也拓宽了高频带宽。

其进一步的技术方案是：所述寄生贴片工作于41GHz。

通过工作于41GHz的寄生贴片可以拓宽高频频带。

其进一步的技术方案是：还包括第二介质层和第二金属地层；所述第二介质层设置在所述第一金属地层的下部，所述第二金属地层设置在所述第二介质层的下部；所述第二介质层上开设有金属化通孔；所述第二金属地层用于焊接测试接头，所述测试接头用于连接测试设备；所述馈电柱的一端与所述多频谐振天线单元连接，依次穿过所述第一金属地层和所述第二介质层，另一端与所述第二金属地层上测试接头的焊接处连接。

通过增加第二介质层和第二金属地层，使得阵列天线连接测试设备时不会影响第一金属地层的结构，在第二介质层上设置金属化通孔，使得第一金属地层与第二金属地层的结构有良好的接触，可以保证微带天线具有完整的辐射接地板。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1是本申请提供的一种用于毫米波频段的高隔离度双频双极化阵列天线的示意图；

图2是本申请提供的谐振寄生天线单元的示意图；

图3是本申请提供的多频谐振天线单元的示意图；

图4是本申请提供的用于毫米波频段的高隔离度双频双极化阵列天线的去耦结构的示意图；

图5是本申请提供的C形环形槽的等效电路图；

图6是本申请提供的带有双层金属地的用于毫米波频段的高隔离度双频双极化阵列天线的示意图；

图7是本申请提供的用于毫米波频段的高隔离度双频双极化阵列天线的仿真回波损耗S参数图；

图8是本申请提供的用于毫米波频段的高隔离度双频双极化阵列天线的仿真隔离度S参数图；

图9是本申请提供的用于毫米波频段的高隔离度双频双极化阵列天线的实测回波损耗S参数图；

图10是本申请提供的用于毫米波频段的高隔离度双频双极化阵列天线的实测隔离度S参数图；

图11是本申请提供的用于毫米波频段的高隔离度双频双极化阵列天线在26GHz处的相扫图；

图12是本申请提供的用于毫米波频段的高隔离度双频双极化阵列天线在39GHz处的相扫图。

其中：1、寄生天线层；11、谐振寄生天线单元；111、天线贴片；112、寄生贴片；2、第一介质层；3、辐射天线层；31、多频谐振天线单元；32、I形谐振器；4、第一金属地层；41、C形环形槽；42、馈电端口；5、馈电柱；6、第二介质层；61、金属化通孔；7、第二金属地层；8、粘合层。

具体实施方式

实施例：双频双极化毫米波阵列天线***中各天线单元之间的互相耦合、干扰，造成的天线阵列性能的下降，对于满足不同频段的天线的设计需求具体体现在：（1）由于天线单元之间互相的干扰，造成信噪比变差，进而直接影响数据吞吐率；（2）较强的耦合使得能够有效辐射的能量较少，造成天线阵增益降低，能量利用效率低下；（3）如何能够以较小的体积实现多频带的宽带工作；（4）如何在多频带双极化的情况下实现宽角扫描。

对于上述需求，本申请提供了一种用于毫米波频段的高隔离度双频双极化阵列天线，结合参考图1至图12，该用于毫米波频段的高隔离度双频双极化阵列天线由上至下依次包括：寄生天线层1、第一介质层2、辐射天线层3、第一金属地层4。

寄生天线层1上包括至少一个谐振寄生天线单元11组成的寄生天线阵列。

可选的，谐振寄生天线单元11采用高频天线，工作于39GHz；谐振寄生天线单元11为微带贴片天线，如图2所示，谐振寄生天线单元11包括中间挖去方形槽的天线贴片111和围绕在天线贴片111四周的四个寄生贴片112。

如图2所示，较小的贴片能够产生较高的频带，对应39GHz时电长度为0.22λ，通过在天线贴片中间挖去方形槽来加载电抗，实现更好的匹配，提高天线的增益；电容耦合馈电有助于展宽带宽，但会影响双极化端口的隔离效果，因此围绕天线贴片111设计四个寄生贴片112，可以有效的改善隔离度并展宽带宽。

可选的，寄生贴片112工作于41GHz，在41GHz下，寄生贴片112的电长度为0.26λ。寄生贴片112所带入的新谐振频率拓宽了高频带宽。

辐射天线层3上包括至少一个多频谐振天线单元31组成的辐射天线阵列，相邻两个多频谐振天线单元31之间设有去耦结构。

可选的，多频谐振天线单元31采用低频天线，工作于26GHz；如图3所示，多频谐振天线单元31为微带贴片天线，采用方形天线贴片切除四个角的对称式结构。

如图3所示，较大的贴片能够产生较低的频带，在26GHz处的电长度为0.27λ，方形贴片切除四个角可以减少天线单元所占面积以及改变谐振频率，微带贴片采用对称式结构，以便微带贴片以正负45°极化工作。

上层天线工作于39GHz，下层天线工作于26GHz，双层天线堆叠式结构在满足双频的需求同时减小天线的尺寸。

可选的，如图4所示，去耦结构包括设置在辐射天线层3上相邻两个多频谐振天线单元31之间的I形谐振器32和刻蚀在第一金属地层4上的C形环形槽41。

在第一金属地层4刻蚀的C形环形槽41等效成一个带阻滤波器，也可以等效为图5所示的LC谐振回路，通过对C形环形槽41的大小、位置、形状的调整，可以改变等效带阻滤波器的电抗性，改善多频谐振天线单元31间的隔离度；在多频谐振天线单元31之间放置I形谐振器32，可以进一步改善多频谐振天线单元31间的隔离，通过改变I形谐振器32的大小、位置，使得多频谐振天线单元31间的耦合电流相互抵消趋近于零，从而提高多频谐振天线单元31间的隔离度。这两种去耦结构不仅仅适用于低频结构和特定的阵列天线，通过调整两种去耦结构的位置、尺寸、形状，来达到不同频段不同天线阵列的去耦效果，经过测试去耦效果得到显著提升。

另外，在没加入I形谐振器之前，两个天线单元在边缘处产生了耦合，在引入I形谐振器32之后，天线单元的耦合电流与相邻天线单元近似处于相位相等，由于I形谐振器32引入额外的180°相移的耦合路径，使得耦合电流趋近于零，从而进一步提高两天线单元的耦合度，消除两个天线单元间的耦合。

第一介质层2为谐振寄生天线单元11和多频谐振天线单元31之间的介质基板。第一介质层2是为了模拟加工制作中两层天线之间介质基板的粘合厚度。

第一金属地层4上设有馈电端口42，馈电端口42通过馈电柱5与对应的多频谐振天线单元31连接。

可选的，多频谐振天线单元31采用电容式馈电，馈电端口42设置在金属地上，用于抵消同轴探针的电感性，拓宽天线在两个频段内的带宽；示例性的，多频谐振天线单元31采用两个电容式馈电端口，用于实现正负45°极化。

可选的，考虑到加工中的多种因素，由于测试所用的SMPM连接器会影响金属地的结构，因此在图1的阵列天线的基础上又加了一层介质基板和金属地，如图6所示，该用于毫米波频段的高隔离度双频双极化阵列天线还包括第二介质层6和第二金属地层7。

第二介质层6设置在第一金属地层4的下部，第二金属地层7设置在第二介质层6的下部。

第二介质层6上开设有金属化通孔61。为了保证微带天线具有完整的辐射接地板，设计了带有金属化通孔61的双层接地结构。

第二金属地层7用于焊接测试接头，测试接头用于连接测试设备。

馈电柱5的一端与多频谐振天线单元31连接，依次穿过第一金属地层4和第二介质层6，另一端与第二金属地层7上测试接头的焊接处连接。

示例性的，辐射天线层3和第一金属地层4之间设置粘合层8，用于将上下两层粘合在一起，尽管图中未示出，在实际应用中，第一介质层2是支撑寄生天线层1的介质基板与支撑辐射天线层3的介质基板粘合而成的；相应的，第一金属地层4与第二介质层6之间也设有粘合层进行粘合，第二介质层6和第二金属地层7之间也设有粘合层进行粘合。

经过测试，图6所示的阵列天线模拟匹配和隔离度的仿真结果如图7和图8所示，实测匹配和隔离度的结果如图9和图10所示，天线阵列的匹配和隔离度均达到了基本的使用要求，根据原有多频多天线***中各天线的工作状态，调整多频谐振天线单元的形状、大小、尺寸、位置，以及寄生天线结构的位置、形状和尺寸，可以改变各天线的工作频带和工作带宽。图11和图12是本申请所示的双频双极化毫米波阵列天线分别在26GHz和39GHz处的波束扫描图，可以看到天线阵列在26GHz处能实现±60°的波束扫描，在39GHz处能实现±45°的波束扫描。

由此可知，本申请提供的用于毫米波频段的高隔离度双频双极化阵列天线通过堆叠的方式来获得双频的效果，并通过寄生结构和电容式馈电结构来展宽带宽，本申请中的双频双极化阵列天线可以用于制备智能移动终端、无线路由器等产品和***上。

综上所述，本申请提供的用于毫米波频段的高隔离度双频双极化阵列天线，通过双层天线堆叠式结构来满足双频的需求同时减少天线的尺寸，并在相邻两个多频谐振天线单元之间设有去耦结构，不仅使得空间受限的多频多天线***的耦合降低，而且保持原有的天线阵工作性能。

另外，通过在第一金属地层上刻蚀C形环形槽，等效成一个带阻滤波器，C形环形槽的大小、位置的调整可以改变等效带阻滤波器的电抗性，改善天线单元间的隔离度，在相邻两个多频谐振天线单元之间设置I形谐振器，通过改变I形谐振器的大小、位置，使得天线单元间的耦合电流相互抵消，从而提高天线单元间的隔离度。

另外，下层的辐射天线层采用工作于26GHz的微带贴片天线，采用切除四个角的对称式结构，减少天线贴片所占面积，对称式结构以便微带贴片以正负45°极化工作。

另外，上层的寄生天线层采用工作于39GHz的高频天线，通过采用中间挖去方形槽的天线贴片来实现更好的匹配和增益，围绕在天线贴片四周设计四个寄生贴片，可以有效改善隔离度，并且寄生贴片带入的新谐振频率也拓宽了高频带宽。

另外，通过工作于41GHz的寄生贴片可以拓宽高频频带。

另外，通过增加第二介质层和第二金属地层，使得阵列天线连接测试设备时不会影响第一金属地层的结构，在第二介质层上设置金属化通孔，使得第一金属地层与第二金属地层的结构有良好的接触，可以保证微带天线具有完整的辐射接地板。

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隐含所指示的技术特征的数量。由此，限定的“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或者两个以上。

上述本申请实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本申请的较佳实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims

1.一种用于毫米波频段的高隔离度双频双极化阵列天线，其特征在于，由上至下依次包括：寄生天线层、第一介质层、辐射天线层、第一金属地层；

所述寄生天线层上包括至少一个谐振寄生天线单元组成的寄生天线阵列，所述谐振寄生天线单元包括中间挖去方形槽的天线贴片和围绕在所述天线贴片四周的四个寄生贴片；

所述辐射天线层上包括至少一个多频谐振天线单元组成的辐射天线阵列，所述多频谐振天线单元为微带贴片天线，采用方形天线贴片切除四个角的对称式结构；相邻两个所述多频谐振天线单元之间设有去耦结构，所述去耦结构包括设置在所述辐射天线层上相邻两个所述多频谐振天线单元之间的I形谐振器和刻蚀在所述第一金属地层上的C形环形槽；

所述第一介质层为所述谐振寄生天线单元和所述多频谐振天线单元之间的介质基板；

所述第一金属地层上设有馈电端口，所述馈电端口通过馈电柱与对应的多频谐振天线单元连接。

2.根据权利要求1所述的用于毫米波频段的高隔离度双频双极化阵列天线，其特征在于，所述多频谐振天线单元采用低频天线，工作于26GHz。

3.根据权利要求1所述的用于毫米波频段的高隔离度双频双极化阵列天线，其特征在于，所述谐振寄生天线单元采用高频天线，工作于39GHz。

4.根据权利要求3所述的用于毫米波频段的高隔离度双频双极化阵列天线，其特征在于，所述寄生贴片工作于41GHz。

5.根据权利要求1至4任一所述的用于毫米波频段的高隔离度双频双极化阵列天线，其特征在于，还包括第二介质层和第二金属地层；

所述第二介质层设置在所述第一金属地层的下部，所述第二金属地层设置在所述第二介质层的下部；

所述第二介质层上开设有金属化通孔；

所述第二金属地层用于焊接测试接头，所述测试接头用于连接测试设备；

所述馈电柱的一端与所述多频谐振天线单元连接，依次穿过所述第一金属地层和所述第二介质层，另一端与所述第二金属地层上测试接头的焊接处连接。