CN114374085B - 一种面向5g毫米波双频段应用的双极化混合天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种面向5G毫米波双频段应用的双极化混合天线，自上而下依次层叠设置的第一基板、第二基板、金属地板、第三基板、第四基板和金属反射板，第一基板中央嵌入有介质薄片，第一介质基板上表面印刷围绕介质薄片设置的金属条带，金属地板中央开设有正交的两个“H”型缝隙，第三基板与第四基板之间夹设绝缘板，第三基板下面表面设置有第一馈电微带线，第四基板上表面设置第二馈电微带线，第一馈电微带线、第二馈电微带线为“Y”型微带线且分别与对应的“H”型缝隙的中央缝隙正交。本发明具有结构紧凑，双极化、宽频的双频段，尺寸小，谐振点可单独调节，剖面低等优点。

Description

一种面向5G毫米波双频段应用的双极化混合天线

技术领域

本发明涉及微波通信领域，尤其涉及一种面向5G毫米波双频段应用的双极化混合介质谐振器天线。

背景技术

毫米波技术是第五代移动通信***实现高数据速率无线通信的最为关键的技术。目前世界范围内授权的5G毫米波频段为n257(26.5-29.5GHz)、n258(24.25-27.5GHz)、n260(37.0-40.0GHz)和n261(27.5-28.35GHz)，一般来说，n257、n258和n261频段被划分为28GHz频段，而n260频段被划分为39GHz频段。双频段天线可以减少***中天线的数目，简化硬件结构，降低***的成本。双极化天线技术利用正交电磁波不相干性和信号的多径传输效应，在收发双工的模式下采用极化相互正交的天线同时工作，可以很好的解决电磁波传输过中出现的多径衰落和极化失配等问题，提高***的通信容量。在此背景下，就天线技术领域而言，设计一款能覆盖毫米波28/39GHz的双频段、双极化天线具有重要的研究意义。

基于介质谐振器的混合天线是指将介质谐振器与其他辐射结构相结合的天线，是实现毫米波双频段天线的有效解决方案。不仅因为它具有结构紧凑的多个谐振器，而且还继承了介质谐振器的许多优点，比如易激励，设计灵活，在毫米波频段因为没有导体损耗而辐射效率高等。

申请人向国知局提交一份关于面向5G毫米波双频段应用的混合天线的申请(CN113410631A)，其在实现毫米波双频带宽频覆盖的同时能兼具低剖面及较小平面尺寸的优异特性，可以方便地拓展为波束扫描天线阵列，极具实用价值。然而该毫米波双频段天线存在无法实现双极化的问题。而现有实现双极化的天线其带宽较窄且两个频带不易单独调节；或者现有实现双极化、双频段的天线又存在天线尺寸过大的问题，无法满足毫米波蜂窝网的波束扫描阵列应用需求。

发明内容

本发明的目的在于，克服现有的毫米波天线设计中存在的天线带宽较窄、平面尺寸大、无法实现双极化、各频段不易单独调节等问题，提出一种面向5G毫米波双频段应用的双极化混合天线，实现5G毫米波双频段、双极化应用。

为了实现本发明目的，本发明提供的一种面向5G毫米波双频段应用的双极化混合天线，包括自上而下依次层叠设置的第一基板、第二基板、金属地板、第三基板、第四基板和金属反射板，其特征在于：所述第一基板中央嵌入有介质薄片，第一介质基板上表面印刷有覆盖介质薄片或围绕介质薄片设置的金属条带，金属地板中央开设有正交的两个“H”型缝隙，第三基板与第四基板之间夹设绝缘板，第三基板下面表面设置有用于第一端口馈电的第一馈电微带线，第四基板上表面设置有用于第二端口馈电的第二馈电微带线，所述第一馈电微带线、第二馈电微带线为“Y”型微带线且分别与对应的“H”型缝隙的中央缝隙正交。

其中，介质薄片的介电常数高于第一基板和第二基板的介电常数，所述介质薄片与第一基板和第二基板构成层叠型介质谐振器。

作为优选，所述金属带条周围设有贯穿第二基板并向下延伸至金属反射板的金属化通孔，形成基片集成波导背腔。

作为优选，正交的两个“H”型缝隙的四个象限内分别设置有贯穿第三基板并向下延伸至金属反射板的金属化通孔，以提高天线极化之间的隔离度。

作为优选，第一馈电微带线的传输线部分、第二馈电微带线的传输线部分的左右两侧分别设置多个贯穿第三基板并向下延伸金属反射板的金属孔，形成基片集成同轴线。

首先，本发明在金属地板上蚀刻有两条相互垂直的“H”型缝隙，与第一馈电微带线、第二馈电微带线构成缝隙耦合结构，该结构可以很好的激励起整个天线辐射单元的正交模从而实现双极化特性；其次，在第一馈电微带线与第二馈电微带线左右两侧分别引入金属孔与基板和地一起构成基片集成同轴线来减小馈线在传输过程中产生的损耗；最后在两条相互垂直的“H”型缝隙之间增加金属孔用来提高天线所产生两个相互垂直的线极化之间的隔离度。

本发明中，采用高介电常数的介质薄片与低介电常数介质基板相结合的低剖面层叠型介质谐振器进行天线设计，首先通过缝隙在39GHz频段激励起介质谐振器的基模(TE₁₁₁)和高次模(TE₁₃₁)这两个模式；同时，缝隙本身作为辐射单元在28GHz频段提供一个谐振点；在此基础上，通过在天线顶层印刷一层金属带条的方式在28GHz频段增加一个谐振点以进一步拓展低频频段带宽。因此，在28GHz频段和39GHz频段均存在两个谐振点，实现了毫米波双频段宽频设计，成功覆盖n257、n260频段和n261频段这几个毫米波频段。最后，在第一馈电线和第二馈电线上分别引入匹配枝节调节各个极化方向上的阻抗匹配。本发明使用混合天线设计方案，结构紧凑具有较小的平面尺寸，天线平面尺寸为0.37λ₀×0.37λ₀(～λ₀@28GHz)，因此可以方便地拓展为波束扫描天线阵列。相对于毫米波天线其他方案，本发明具有结构紧凑，双极化、宽频的双频段，尺寸小，谐振点可单独调节，剖面低等优点。

综上，本发明具有以下特点：

1、引入低剖面的层叠型介质谐振器结构，包括高介电常数的介质薄片及具有低介电常数的相对较厚的介质基板；采用“H”型缝隙给上述层叠型介质谐振器进行馈电获得了介质谐振器的TE₁₁₁和TE₁₃₁两个谐振模式，使该介质谐振器天线具备了双模工作特性，实现了毫米波39GHz频段的宽频覆盖。两条相互垂直“H”型馈电缝隙使得该混合天线的介质谐振器部分产生了正交模，实现了该混合天线39GHz处的双极化特性。

2、采用在金属地板上蚀刻有两条相互垂直的“H”型缝隙，缝隙本身在28GHz处产生一个谐振点实现了该混合天线的毫米波双频特性；两条相互垂直的“H”型缝隙实现了该混合天线的缝隙部分在28GHz处的双极化特性，进一步在缝隙周围增加金属通孔来提高本发明天线两个极化之间的隔离度。

3、通过在第一介质基板3上表面印刷金属带条，在毫米波的28GHz频段处增加一个谐振模式的同时不显著增加天线的面积、体积或重量，该谐振模式不影响混合天线的其他谐振模式，显著拓展了28GHz频段的阻抗带宽，实现了该混合天线毫米波28GHz频段的宽频覆盖；两条相互垂直“H”型馈电缝隙使得该混合天线的金属带条部分也产生了正交模，实现了该混合天线28GHz处的双极化特性。

4、在“Y”型馈线下方引入一层基板(第四基板14)和反射地16，馈线的周围增加金属通孔，构成基片集成同轴线结构，减少馈线的传输损耗且有易于本发明天线的进一步集成和加工。

5、本天线设计可以同时包含28GHz以及39GHz两个热点毫米波频段，但不仅限于28GHz以及39GHz频段，该设计技术可应用于5G其他频段。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是本发明混合天线的三维***图。

图2是本发明混合天线的侧视图。

图3是本发明混合天线的顶层透视图。

图4是本发明混合天线的中间层透视图(金属地板向下)。

图5是本发明混合天线的中间层透视图(绝缘粘合板18向下)。

图6是本发明混合天线的中间层透视图(第四基板14向下)。

图7是本发明实施例混合天线的|S₁₁|仿真结果。

图8是本发明实施例混合天线的仿真结果。

图9是本发明实施例混合天线的隔离仿真结果。

图10是本发明实施例混合天线的27GHz仿真方向图，(a)端口一方向图，(b)端口二方向图。

图11是本发明实施例混合天线的29GHz仿真方向图，(a)端口一方向图，(b)端口二方向图。

图12是本发明实施例混合天线的37GHz仿真方向图，(a)端口一方向图，(b)端口二方向图。

图13是本发明实施例混合天线的39GHz仿真方向图，(a)端口一方向图，(b)端口二方向图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

如图1至图2所示，本实施例面向5G毫米波双频段应用的双极化混合天线包括：自上而下依次层叠设置的第一基板3、第二基板5、金属地板8、第三基板9、第四基板14和金属反射板16,第一基板3中央嵌入有介质薄片2，第一介质基板3上表面印刷有围绕介质薄片2设置的四个折线形的金属条带1。金属条带1也可设计为覆盖介质薄片2的矩形金属贴片，但采用直接覆盖的形式，天线的带宽会变窄，并非最优方案。介质薄片2的介电常数高于第一基板3和第二基板5的介电常数，使得介质薄片2与第一基板3和第二基板5构成层叠型介质谐振器。第二基板5与金属地板8之间通过粘合板17粘接固定。

金属地板8中央开设有正交的两个“H”型缝隙6，第三基板9与第四基板14之间夹设绝缘粘合板18，第三基板9下面表面设置有用于第一端口馈电的第一馈电微带线10，第四基板14上表面设置有用于第二端口馈电的第二馈电微带线13。如图所示，本实施例中，第一馈电微带线10、第二馈电微带线13为“Y”型微带线且分别与对应的“H”型缝隙6的中央缝隙正交。金属地板8上蚀刻的相互垂直的“H”型缝隙与第一馈电微带线10和第二馈电微带线13构成缝隙耦合结构，该结构可以很好的激励起整个天线辐射单元的正交模从而实现双极化特性。

本实施例中，金属带条1周围设有贯穿第二基板5并向下延伸至金属反射板16的金属化通孔，形成基片集成波导背腔4。金属化通孔的上表面分别通过金属带相连，如图所示，金属带呈L型且分设于金属条带1***的四角处。金属化通孔的作用是抑制表面波，提高天线增益。

本实施例中，低介电常数介质基板的介电常数为3.55，损耗角为0.0027，第一介质基板厚度为0.203mm，第二介质基板厚度为0.508mm，第三介质基板厚度为0.305mm；高介电常数介质薄片的介电常数为45，损耗角为0.00019，厚度为0.305mm。整体剖面高度1.5mm(～0.14λ₀@28GHz)，平面尺寸0.37λ₀×0.37λ₀(～λ₀@28GHz)。将X轴方向的第一馈电微带线10的馈电处设置为端口一，将Y轴方向的第二馈电微带线13的馈电处设置为端口二。

在此基础上，如图1、图5和图6所示，第一馈电微带线10上设置有第一匹配枝节11，第二馈电微带线13上设置有第二匹配枝节15，以改善混合天线的整体阻抗匹配。

如图1和图4所示，正交的两个“H”型缝隙6的四个象限内分别设置有贯穿第三基板9并向下延伸至金属反射板16的金属化通孔7，以提高天线极化之间的隔离度。第一馈电微带线10的传输线部分、第二馈电微带线13的传输线部分的左右两侧分别设置多个贯穿第三基板9并向下延伸金属反射板16的金属孔，形成基片集成同轴线12，来减小馈线在传输过程中产生的辐射损耗。本发明在实现毫米波双频带宽频覆盖的同时能兼具双极化及小型化的优异特性，可以方便地拓展为波束扫描天线阵列，极具实用价值。

本实例中，介质薄片2为矩形，金属化通孔围绕的介质薄片2四周设置。耦合缝隙6选用H型耦合馈电槽，中央缝隙分别与x轴和y轴平行。

金属地板8以上为本发明提出的金属带条-缝隙-介质谐振器混合整体结构。首先，位于最上层的高介电常数介质薄片2和低介电常数的第一介质基板3、第二介质基板5一起构成了层叠型介质谐振器天线。射频激励信号由底层相互垂直的“Y”型第一馈电微带线10和第二馈电微带线13分别馈入，通过“H”型缝隙6耦合对位于其上的天线结构进行馈电。该结构中，馈电缝隙本身也作为辐射单元提供一个谐振点工作于28GHz频段；位于第一基板3的上表面的金属带条1可以产生另一个谐振点工作于28GHz频段；位于第二基板5中间的介质薄片可以产生基模(TE₁₁₁)以及高次模(TE₁₃₁)两个谐振点工作于39GHz频段；由此，每个频段均存在两个谐振点从而实现毫米波双频段宽频的工作效果；在此基础上，在两根馈电微带线上分别进一步引入匹配枝节10和匹配枝节15改善混合天线的整体阻抗匹配。

本实施例双极化混合天线的具体参数在表I中给出。

表I天线的详细尺寸

本发明的关键点在于采用在金属地板上蚀刻有两条相互垂直的“H”型缝隙同时激励金属带条-缝隙-介质谐振器三种辐射结构产生正交模实现了天线的双极化特性，且每个极化方向的每个频段均存在两个谐振点，实现了28GHz和39GHz这两个5G毫米波热点频段的宽频的工作效果。本发明采用层叠型介质谐振器结构，且(3)的上表面印刷的金属贴片对天线的剖面高度几乎没有影响，因此具有低的剖面高度，天线整体高度仅为1.5mm(～0.14λ₀@28GHz)；在同一结构下混合多种辐射单元，结构紧凑，只需较小的单元平面尺寸便可实现，单元平面尺寸为0.37λ₀×0.37λ₀(～λ₀@28GHz)，本发明因此可以方便地拓展为波束扫描天线阵列。

使用仿真软件HFSS对本实施例天线进行仿真。天线的传输响应如图7所示，以|S₁₁|≤-10dB为标准，端口一激励时带宽范围为25.68 -30.32GHz(相对带宽为～16.57％)，36.45 -41.02GHz(相对带宽为～11.81％)，端口二激励时带宽范围为25.82 -30.42GHz(相对带宽为～16.36％)，36.43 -40.92GHz(相对带宽为～11.62％)可见很好的覆盖了n257、n261以及n260的这三个5G毫米波热点频段，实现了毫米波双频段的宽频覆盖。由辐射响应图8可知本天线在两个端口分别激励后所产生的频带内平均增益均为6dBi以上。图9天线端口一和端口二的隔离度仿真结果，带内隔离均优于为-17dB。图10-图13为本天线仿真方向图。图10中(a)为端口一激励时27GHz处的天线仿真方向图，(b)为端口二激励时27GHz处天线仿真方向图；图11中(a)为端口一激励时29GHz处的天线仿真方向图，(b)为端口二激励时29GHz处天线仿真方向图；图12中(a)为端口一激励时37GHz处的天线仿真方向图，(b)为端口二激励时37GHz处天线仿真方向图；图13中(a)为端口一激励时39GHz处的天线仿真方向图，(b)为端口二激励时39GHz处天线仿真方向图；由图可知端口激励后所对应的相同频段下的天线的方向图相似说明本天线具有良好的双极化特性，且所有方向图结构对称、交叉极化在3-dB波束范围内优于15dB。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种面向5G毫米波双频段应用的双极化混合天线，包括自上而下依次层叠设置的第一基板（3）、第二基板（5）、金属地板（8）、第三基板（9）、第四基板（14）和金属反射板（16），其特征在于：所述第一基板（3）中央嵌入有介质薄片（2），第一介质基板（3）上表面印刷有覆盖介质薄片（2）或围绕介质薄片（2）设置的金属条带（1），金属地板（8）中央开设有正交的两个“H”型缝隙（6），第三基板（9）与第四基板（14）之间夹设绝缘粘合板（18），第三基板（9）下面表面设置有用于第一端口馈电的第一馈电微带线（10），第四基板（14）上表面设置有用于第二端口馈电的第二馈电微带线（13），所述第一馈电微带线（10）、第二馈电微带线（13）为“Y”型微带线且分别与对应的“H”型缝隙（6）的中央缝隙正交；正交的两个“H”型缝隙（6）的四个象限内分别设置有贯穿第三基板（9）并向下延伸至金属反射板（16）的金属化通孔（7），以提高天线极化之间的隔离度；

所述金属条带（1）周围设有贯穿第二基板（5）并向下延伸至金属反射板（16）的金属化通孔，形成基片集成波导背腔（4）；

所述第一馈电微带线（10）的传输线部分、第二馈电微带线（13）的传输线部分的左右两侧分别设置多个贯穿第三基板（9）并向下延伸金属反射板（16）的金属孔，形成基片集成同轴线（12）。

2.根据权利要求1所述的一种面向5G毫米波双频段应用的双极化混合天线，其特征在于：相邻形成基片集成波导背腔（4）的金属化通孔的上表面通过金属带相连，所述金属带呈L型且分设于金属条带（1）***的四角处。

3.根据权利要求1所述的一种面向5G毫米波双频段应用的双极化混合天线，其特征在于：所述第一馈电微带线（10）上设置有第一匹配枝节（11），第二馈电微带线（13）上设置有第二匹配枝节（15）。

4.根据权利要求1所述的一种面向5G毫米波双频段应用的双极化混合天线，其特征在于：所述金属条带（1）为围绕介质薄片（2）设置的四根折线形金属条带。

5.根据权利要求4所述的一种面向5G毫米波双频段应用的双极化混合天线，其特征在于：所述介质薄片（2）为正方形，金属化通孔围绕在介质薄片（2）四周设置。

6.根据权利要求1所述的一种面向5G毫米波双频段应用的双极化混合天线，其特征在于：所述介质薄片（2）的介电常数高于第一基板（3）和第二基板（5）的介电常数，所述介质薄片（2）与第一基板（3）和第二基板（5）构成层叠型介质谐振器。

7.根据权利要求1所述的一种面向5G毫米波双频段应用的双极化混合天线，其特征在于：所述第二基板（5）与金属地板（8）之间通过粘合板（17）粘接固定。