CN114566794A - 一种5g毫米波双极化磁电偶极子滤波天线 - Google Patents

Abstract

一种5G毫米波双极化磁电偶极子滤波天线，涉及射频通信。包括顶层介质基板、底层介质基板和中间粘合层；顶层介质基板上表面印刷辐射体结构、十字形金属贴片、环形金属结构，辐射体结构连接到顶层介质基板下表面，十字形金属贴片连接至底层介质板的馈电微带线上，环形金属结构包围辐射体结构；顶层介质基板下表面印刷金属地，金属地上加载圆缝隙，底层介质基板上表面印刷圆环贴片，下表面印刷两组一分二的馈电微带线，一条微带线末端印刷一个枝节线；电偶极子长度和磁偶极子高度控制低频辐射零点；环形金属结构和差分电路控制高频辐射零点。结构简单，有效提升带外抑制水平，高频带外抑制效果好。未引入额外的滤波电路实现良好带通滤波效果。

Description

一种5G毫米波双极化磁电偶极子滤波天线

技术领域

本发明涉及射频通信领域，具体是涉及具有较高滚降滤波特性的一种5G毫米波双极化磁电偶极子滤波天线。

背景技术

5G毫米波技术是5G应用中的一项重要的技术，因其具有大带宽、低空口时延和灵活弹性空口配置等独特优势，可满足未来无线通信对***容量、传输速率和差异化应用等方面的需求。

相比较于贴片天线和波导缝隙天线，磁电偶极子天线具有带宽大、交叉极化低和后瓣小等优点，因此被广泛应用在无线通信***中；其馈电方式一般有三种，分别是L形金属条馈电、微带缝隙耦合馈电和差分端口馈电。然而，在双极化5G毫米波应用时，这三种馈电方式的设计都存在一定的难度，一是双极化情形馈电线高度不一需要使用多层介质板，二是双极化情形存在正交馈电线交叉需要使用跳线，三是毫米波天线尺寸变小SMA连接头内导体无法直接连接焊接的问题，因此如何设计一个良好的馈电***成为研究人员关注的重点。

近年来，滤波天线因为其效率高、***损耗小等优点受到人们的关注；其设计方法大致分为两种，第一种将天线和滤波器级联起来，由于滤波器的存在，尺寸较大，不利于应用于毫米波***；第二种添加额外的寄生结构产生滤波性能，设计难度较大。因此，能否不使用额外的滤波电路通过天线本身的特性达到滤波性能成为研究人员探究的重点。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述天线技术的缺点和不足，提供一种5G毫米波双极化磁电偶极子滤波天线，该天线利用差分电路的端口隔离度带通特性以及方形环结构，既实现较高滚降的滤波特性，又能保证不引入额外的插损和多余的结构，同时天线的结构较为简单。该天线同时实现宽频段、双极化和集成滤波性能，工作频段可以覆盖5G毫米波n257/n258频段，可以成为5G毫米波***的备选天线。

本发明采用如下技术方案：

一种5G毫米波双极化磁电偶极子滤波天线，包括顶层介质基板、底层介质基板和中间的粘合层；所述顶层介质基板的上表面印刷辐射体结构，所述辐射体结构通过20个金属化过孔连接到该介质基板的下表面，形成磁电偶极子结构，所述20个金属化过孔为盲孔；

所述顶层介质基板的上表面印刷双极化馈电十字架形金属贴片，所述十字架形金属贴片通过4个金属化过孔连接至底层介质板的馈电微带线上，所述4个金属化过孔为通孔；

所述顶层介质基板的上表面印刷一个环形金属贴片，金属贴片可采用方环结构，环形金属贴片包围辐射体结构；

所述顶层介质基板的下表面印刷金属地，所述金属地上加载4个圆缝隙，圆缝隙用于顶层介质基板上表面的十字架形馈电结构连接至底层介质基板下表面的馈电微带线；

所述底层介质基板的上表面印刷4个圆环贴片，用于与顶层介质基板上表面的十字架馈电结构打金属化过孔正常连接。

所述底层介质基板的下表面印刷了两组一分二的馈电微带线，每组馈电微带线构成各自极化方向的差分电路，所述每组一分二馈电微带线分离处两部分的长度差约为工作频段对应波长的二分之一，用于构成差分馈电电路所需要180°相位差；每组馈电微带线分叉后的一条微带线末端印刷一个枝节线，用于提升高频带外抑制水平。

所述粘合层位于两层介质板中间，用于粘合连接顶层介质基板和底层介质基板；所述盲孔不打穿粘合层，用于连接顶层介质基板的上下表面，所述通孔打穿粘合层，用于连接顶层介质基板上表面至底层介质板的下表面。

所述磁电偶极子结构的电偶极子长度和磁偶极子高度可以共同控制低频零点。

所述顶层介质基板上表面的方环形贴片和底层介质基板下表面的差分电路可以共同控制高频零点。

所述5G毫米波双极化磁电偶极子滤波天线覆盖5G毫米波通信n257/n258频段，易于滤波特性和天线功能的集成一体化。

本发明采用双极化差分馈电方式可以有效提升带外抑制水平，通过差分端口隔离度参数的带通特性，由于在高频带外处的隔离度约为-1dB，一个端口激励时能量从另外一个端口耦合流走，因此产生较好的高频带外抑制效果。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1)本发明涉及的双极化磁电偶极子滤波天线结构简单，只在辐射贴片的***添加一个环形贴片，不会进一步增加天线的尺寸。同时，无需任何滤波器网络和额外的其他寄生结构，与双极化差分馈电电路相结合产生带通滤波辐射效果。

2)本发明涉及的双极化磁电偶极子滤波天线的辐射零点可以独立控制：通过控制电偶极子的长度和磁偶极子的高度，可以控制低频辐射零点；通过控制方形环贴片以及差分馈电电路可以控制高频辐射零点。

3)本发明涉及的双极化磁电偶极子滤波天线实现覆盖的阻抗带宽是22.2％(24～30GHz)，覆盖5G毫米波n257/n258频段，可以成为5G毫米波通信***应用的备选天线。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图；

图2是本发明实施例的顶层介质基板的俯视图；

图3是本发明实施例的顶层介质基板的底视图；

图4是本发明实施例的底层介质基板的俯视图；

图5是本发明实施例的底层介质基板的底视图；

图6是本发明天线S参数随频率变化的仿真结果图；

图7是本发明天线增益随频率变化的仿真结果图；

图8是本发明天线在28GHz频率XOZ平面方向图的仿真结果图；

图9是本发明天线在28GHz频率YOZ平面方向图的仿真结果图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

如图1～5所示，本发明实施例所述一种5G毫米波双极化磁电偶极子滤波天线，包括顶层介质基板1、底层介质基板3和中间粘合层2，顶层介质基板和底层介质基板通过中间粘合层2连接。

所述顶层介质基板1的上表面印刷辐射体结构4、一个方形环金属贴片6和一个十字架形金属贴片7，所述辐射体结构4通过金属化盲孔5连接至顶层介质基板1下表面的金属地13；所述十字架形金属贴片7通过通孔8连接至底层介质基板3的下表面馈电微带线。

所述顶层介质基板的下表面印刷金属地13，所述金属地13上加载4个圆形缝隙9，所述圆形缝隙9内径部分加载圆环贴片12，圆环贴片12用于与顶层介质基板上表面的十字架贴片以及底层介质基板下表面的馈电微带线相连。

所述底层介质基板的上表面印刷4个金属圆环15，用于与顶层介质基板上表面的十字架贴片以及底层介质基板下表面的馈电微带线相连。

如图5所示，所述底层介质基板的下表面印刷两组一分二的馈电微带线10和11，每组一分二馈电微带线分离处两部分的长度差约为工作频段对应波长的二分之一，用于构成差分馈电电路所需要的180°相位差。所述差分馈电电路利用不同极化端口之间隔离度的带通特性，实现高频带外增益抑制效果。每组一分二馈电微带线的分叉后的一条微带线的末端印刷一个枝节线14，用于提升高频带外抑制水平。

如图6所示，是本发明天线反射系数S₁₁-频率的仿真结果图，通带内的阻抗匹配良好，阻抗带宽为24-30GHz，回波损耗在-14dB以下，工作频带内的隔离度在-20dB以下，低频带外的回波损耗接近0dB，此时天线并不辐射能量，实现低频滤波效果；高频带外的隔离度接近-1dB，此时若加激励至一个端口，能量将耦合到另外一个端口，高频带外的回波损耗在-10dB以下，此时天线也不辐射能量，实现高频滤波效果。

如图7所示，是本发明天线实际增益-频率的仿真结果图，实现了两个可控的辐射零点。实现了15-19GHz超过30dB的低频带外滤波抑制，以及在35-40GHz超过20dB的高频带外滤波抑制。

如图8和9所示，是本发明天线的一端口激励时XOZ面和YOZ面的归一化方向图，由于端口对称性，另外一个极化端口的方向图基本一致，最终实现交叉极化水平在-20dB以下，主极化呈定向辐射模式，后瓣约为-20dB。

本发明可根据需求对相关结构的尺寸进行调整而适应不同频带的无线通信***的接收和发射设备中，由于本发明结构利用差分馈电结构两个不同端口之间的隔离度带通特性，以及使用一个方形环贴片得到良好的带通滤波特性，不会增加天线的尺寸且无添加任何其他滤波电路，工作带宽覆盖5G毫米波通信n257/n258频段，适用于低损耗、多频段、多制式的多天线无线通信场景中。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式不受本实施例的限制，其他任何未背离本发明的原理和实质下所作的修改、组合和简化等，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种5G毫米波双极化磁电偶极子滤波天线，其特征在于包括顶层介质基板、底层介质基板和中间的粘合层；

所述顶层介质基板的上表面印刷辐射体结构、双极化馈电十字形金属贴片和一个环形金属贴片，环形金属贴片包围辐射体结构；所述辐射体结构连接至顶层介质基板的下表面，形成磁电偶极子结构，所述十字形金属贴片连接至底层介质板的馈电微带线上；

所述顶层介质基板的下表面印刷金属地，所述金属地上加载4个圆缝隙；

所述底层介质基板的上表面印刷4个圆环贴片；

所述底层介质基板的下表面印刷两组一分二的馈电微带线，每组馈电微带线构成各自极化方向的差分电路，每组馈电微带线分叉后的一条微带线末端印刷一个枝节线，用于提升高频带外抑制水平；

所述粘合层位于两层介质板中间，用于粘合连接顶层介质基板和底层介质基板。

2.如权利要求1所述一种5G毫米波双极化磁电偶极子滤波天线，其特征在于所述辐射体结构通过20个金属化过孔连接到该介质基板的下表面，形成磁电偶极子，所述20个金属化过孔为盲孔；

所述双极化馈电十字形金属贴片通过4个金属化过孔连接至底层介质板的馈电微带线上，所述4个金属化过孔为通孔。

3.如权利要求1所述一种5G毫米波双极化磁电偶极子滤波天线，其特征在于所述环形金属贴片采用方环结构。

4.如权利要求1所述一种5G毫米波双极化磁电偶极子滤波天线，其特征在于所述金属地上加载4个圆缝隙，圆缝隙用于顶层介质基板上表面双极化馈电十字形金属贴片连接至底层介质基板下表面的馈电微带线。

5.如权利要求1所述一种5G毫米波双极化磁电偶极子滤波天线，其特征在于所述每组一分二馈电微带线分离处两部分的长度差为工作频段对应波长的二分之一，用于构成差分馈电电路所需要180°相位差。

6.如权利要求2所述一种5G毫米波双极化磁电偶极子滤波天线，其特征在于所述盲孔不打穿粘合层，用于连接顶层介质基板的上下表面；所述通孔打穿粘合层，用于连接顶层介质基板上表面至底层介质板的下表面。

7.如权利要求1所述一种5G毫米波双极化磁电偶极子滤波天线，其特征在于所述磁电偶极子结构的电偶极子长度和磁偶极子高度共同控制低频零点。

8.如权利要求1所述一种5G毫米波双极化磁电偶极子滤波天线，其特征在于所述顶层介质基板上表面的方环形贴片和底层介质基板下表面的差分电路可以共同控制高频零点。

9.如权利要求1所述一种5G毫米波双极化磁电偶极子滤波天线，其特征在于其覆盖5G毫米波通信n257/n258频段，以利用滤波特性和天线功能的集成一体化。

10.如权利要求1所述一种5G毫米波双极化磁电偶极子滤波天线，其特征在于高频带外的隔离度为-1dB，差分电路一个的端口激励时能量从另外一个端口耦合流走，实现高频带外抑制效果。

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