CN115911890A - 一种用于毫米波手机终端的双频双极化磁电偶极子天线阵列 - Google Patents

一种用于毫米波手机终端的双频双极化磁电偶极子天线阵列 Download PDF

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CN115911890A CN202310160775.4A CN202310160775A CN115911890A CN 115911890 A CN115911890 A CN 115911890A CN 202310160775 A CN202310160775 A CN 202310160775A CN 115911890 A CN115911890 A CN 115911890A
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柳传浩
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Abstract

一种用于毫米波手机终端的双频双极化磁电偶极子天线阵列，属于5G毫米波无线通信和天线技术领域。由天线单元排列组合而成，每个天线单元包括水平方形金属贴片、蝶形金属贴片层、金属地板、金属化盲孔、馈电结构及其填充在以上结构内的介质，其中，馈电结构包括+45°馈电单元、‑45°馈电单元。天线阵列由四个结构相同等间隔排布的天线单元和两个位于两侧的类磁流结构构成，第一第二天线单元的四个端口与第三第四天线单元的四个端口关于阵列中心成镜像分布。本发明利用金属地板的金属化盲孔、蝶形金属贴片层的结构，能够实现紧凑型的天线单元设计，适用于以高通毫米波模块为例的毫米波手机天线阵列中；利用类磁流结构7实现宽扫描角；能够实现小尺寸、双频、双极化和宽扫描角的共存。

Description

一种用于毫米波手机终端的双频双极化磁电偶极子天线阵列
技术领域
本发明属于5G毫米波无线通信和天线技术领域，涉及一种用于毫米波手机终端的双频双极化磁电偶极子天线阵列。
背景技术
随着移动通信领域用户需求的快速增长，需要更宽的毫米波段的带宽来满足用户的需求。目前手机端毫米波通信的商用频段主要为n257(26.5-29.5GHz)、n258(24.25-27.5GHz)、n260(37.0-40.0GHz)和n261(27.5-28.35GHz)，对于双极化、多频带的覆盖一直是毫米波芯片天线设计的关键。
毫米波频段的电磁波由于传播衰减大，其主要传输方式为视距传播，容易产生极化失配和链路损失，因此需要设计双极化定向天线，并将天线形成阵列以提高增益。为了实现通信的多角度覆盖，阵列天线需要拥有宽的波束扫描角。并且由于手机***内其他硬件的升级，天线在手机中的空间逐渐减小，小尺寸的天线设计逐渐成为研究要点。
本发明将两对磁电偶极子天线沿±45°放置，并用正交的L型馈线耦合馈电，通过在天线地板四角加入金属化盲孔、对垂直磁偶极子结构弯折，实现了双频±45°双极化的小尺寸天线单元。最终将该天线单元形成1×4的阵列，并在阵列两侧加入类磁流结构，实现了阵列在整个频带内至少±47°的波束扫描。
发明内容
本发明为了解决毫米波终端天线难以兼顾小型化、双极化、宽带化、宽扫描角的难题，提出了一种双频双极化磁电偶极子毫米波天线阵列。通过在地板四角放置金属化盲孔、对垂直磁偶极子弯折，实现了天线小型化。通过在1×4阵列两侧加入类磁流结构，实现了阵列的宽扫描角度。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种用于毫米波手机终端的双频双极化磁电偶极子天线阵列，由多个结构相同的双频双极化磁电偶极子天线单元排列组合而成，所述的每个双频双极化磁电偶极子天线单元如图1所示，主要包括水平方形金属贴片1、四个结构相同的蝶形金属贴片层2、金属地板3、金属化盲孔4、馈电结构5及其填充在以上结构内的介质6。其中，馈电结构5包括+45°馈电单元5-1、-45°馈电单元5-2。
所述的水平方形金属贴片1由四个结构相同的方形金属小贴片组合而成，位于天线单元的顶层，相邻小贴片之间留有间隙(所述相邻小贴片之间的缝隙尺寸为0.35～0.55mm)，构成电偶极子；四个贴片沿顺时针依次编号1号贴片、2号贴片、3号贴片、4号贴片。为了避免与馈电结构5接触，四个小贴片靠近水平方形金属贴片1中心位置的顶角处(即馈电位置处)向内蚀刻一条缝隙(所述的缝隙尺寸为:长为0.58～0.68mm，宽为0.15～0.25mm，其中，长为沿贴片对角线方向)；两个对角的缝隙之间放置十字花布置的馈电结构5的水平部分，+45°馈电单元5-1、-45°馈电单元5-2相交处不接触，且两个馈电单元的端部置于对应小贴片缝隙内，且不与缝隙边缘接触。
所述的蝶形金属贴片层2位于水平方形金属贴片1和底部金属地板3之间，四个蝶形金属贴片层2布置于水平方形金属贴片1四个金属小贴片下方。所述每个蝶形金属贴片层2包括上层贴片2-1、中部方形贴片2-2、下层贴片2-3，构成磁偶极子，为一体化结构，具体如下：
上层贴片2-1由一片沿垂直方向布置的金属贴片沿中部水平弯折90°而成，拐角方向向外；为了避免与馈电结构5接触，拐角处上层设有缺口。上层贴片2-1垂直布置于水平方形金属贴片1中的一个金属小贴片两个边下方，二者接触，其中金属小贴片的两个边与蚀刻的缝隙相邻。
中部方形贴片2-2贴合安装在上层贴片2-1下方，中部方形贴片2-2的一个顶角与上层贴片2-1拐角处的顶角重合。
下层贴片2-3由一片沿垂直方向布置的金属贴片沿中部水平弯折90°而成，拐角方向向内，且拐角与中部方形贴片2-2的另一个顶角重合。即上层贴片2-1和下层贴片2-3的两个拐角位于中部方形贴片2-2的同一对角线上。
所述的水平方形金属贴片1、四个结构相同的蝶形金属贴片层2构成互补源，水平方形金属贴片1在低频主导辐射，蝶形金属贴片层2在高频主导辐射，可通过调整水平金属贴片1的尺寸和垂直蝶形金属贴片2各个部分的尺寸调节低频和高频的工作频率。
所述的金属地板3位于底层，蝶形金属贴片层2的下层贴片2-3贴合布置于金属地板3上，四个蝶形金属贴片层2布置后，其四个上层贴片2-1的拐角靠近天线中轴线位置，四个下层贴片2-3的拐角远离天线中轴线位置。所述金属地板3上蚀刻有两个圆孔，保证垂直部分5-1-1的水平段B不与地面接触，圆孔设于任意相邻两个蝶形金属贴片层2的下层贴片2-3靠近拐角位置的处，且两个圆孔的圆心分别与垂直部分5-1-1水平段B、垂直部分5-2-1水平段B的中心重合，圆孔下方设置外部馈电结构8，外部馈电结构8与水平段B相连，用于射频信号输入。所述金属地板3的四个顶角处各设有三个金属化盲孔4，且金属化盲孔4的顶面与水平方形金属贴片1之间留有间隙(所述的间隙范围为0.2～0.6mm)，金属化盲孔4能够起到延长金属地板3的电流的作用，增加等效地面尺寸，金属化盲孔4和水平金属贴片1间的电容效应可改善天线单元的阻抗匹配，并左移天线单元的谐振点，减小天线电尺寸。
所述的馈电单元5为L型馈线结构，包括+45°馈电单元5-1和-45°馈电单元5-2，具体如下：
+45°馈电单元5-1包括垂直部分5-1-1、水平部分5-1-2，类L型结构。所述水平部分5-1-2为水平布置的长条结构。所述垂直部分5-1-1沿水平部分5-1-2一端往下设置三段弯折结构，即垂直部分5-1-1从上至下依次为垂直段A、水平段A、垂直段B、水平段B，其中垂直段A的高度小于上层贴片2-1的高度，水平段A位于中部方形贴片2-2上方且不与其接触，水平段A与中部方形贴片2-2的间隙范围为0.03～0.1mm，垂直段B的高度大于下层贴片2-3的高度，垂直段B与下层贴片2-3的间隙范围为0.03～0.1mm，水平段B的中心与金属地板3蚀刻圆孔的中心重合，水平段B与外部馈电结构8相连。
-45°馈电单元5-2包括垂直部分5-2-1、水平部分5-2-2。所述水平部分5-2-2为水平布置的长条结构，其中部向下弯折为了不与水平部分5-1-2接触。所述垂直部分5-2-1与垂直部分5-1-1结构相同，布置于另一个蝶形金属贴片层2位置处。
布置后，两个馈电单元所在的蝶形金属贴片层2相邻；所述+45°馈电单元5-1垂直部分5-1-1的垂直段A和-45°馈电单元5-2垂直部分5-2-1的垂直段A均与蝶形金属贴片层2的上层贴片2-1平行，+45°馈电单元5-1垂直部分5-1-1的垂直段B和-45°馈电单元5-2垂直部分5-2-1的垂直段B均与蝶形金属贴片2-1的下层贴片2-3平行，+45°馈电单元5-1垂直部分5-1-1的水平段A和-45°馈电单元5-2垂直部分5-2-1的水平段A均与水平方形金属贴片1平行。+45°馈电单元5-1垂直部分5-1-1和-45°馈电单元5-2垂直部分5-2-1分别与蝶形金属贴片层2形成两个50欧姆的空气微带线。+45°馈电单元5-1的水平部分5-1-2与-45°馈电单元5-2的水平部分5-2-2均与水平方形金属贴片1平行，水平部分5-1-2和水平部分5-2-2***水平方形金属贴片1的缝隙，实现电容耦合馈电，***的长度能够调节天线单元的阻抗匹配。所述的介质6填充在水平方形金属贴片1、四个结构相同的蝶形金属贴片层2、金属地板3、金属化盲孔4、馈电结构5组成的结构空间内，用于增加天线的电长度。所述阵列填充的介质6的相对介电常数影响天线的工作频率，可根据工作频带需求进行调节。
进一步的，所述的毫米波双频双极化磁电偶极子天线阵列如图6所示，天线阵列由四个结构相同的双频双极化磁电偶极子天线单元和两个类磁流结构7构成，四个天线单元并列等间隔排布，两个类磁流结构7位于天线单元组合件的左右两侧，每个天线单元上放置的+45°馈电单元5-1、-45°馈电单元5-2处分别为端口1、3、5、7和端口2、4、6、8，共8个端口，第一第二个天线单元上的四个端口与第三第四天线单元上的四个端口关于阵列中心成镜像分布(如图6所示，端口1、2、3、4与端口5、6、7、8分别关于阵列中心成镜像分布)。所述相邻毫米波双频双极化磁电偶极子天线单元中心点之间的距离为L7，L7的范围为0.4～0.5mm；所述类磁流结构7与其相邻的天线单元的距离为L8，L8的范围为0.1～0.4mm。
进一步的，所述的类磁流结构7由矩形金属贴片7-1、金属化过孔7-2和金属地板3组成，其中矩形金属贴片7-1与水平方形金属贴片1平行，金属化过孔7-2与金属化盲孔4平行。类磁流结构7可与其相邻的水平方形金属贴片1和金属化盲孔4形成xoy方向的槽，将阵列能量向非边射方向辐射出去，增加天线单元的波束宽度和阵列的扫描角。通过调整类磁流结构7与相邻天线单元的距离L8能够调节两侧天线单元的波束宽度，但是类磁流结构7与相邻天线单元过近会改变天线单元的阻抗匹配情况。
本发明的工作过程为：
射频信号通过外部馈电结构8输入，外部馈电结构8连接+45°馈电单元5-1的垂直部分5-1-1的水平段B和-45°馈电单元5-2的垂直部分5-2-1的水平段B，信号从水平段B馈入，沿蝶形金属贴片层2分别和垂直部分5-1-1、5-2-1组成两个的50欧姆空气微带线将信号分别输入至馈电单元水平部分5-2-1、5-2-2，馈电单元水平部分5-2-1、5-2-2***水平方形金属贴片1进行电容耦合馈电，射频信号通过电容耦合馈电进入天线单元，金属化盲孔4延长了金属地面3的电流，并与水平方形金属贴片1形成电容效应，天线内的介质6调节天线的电长度。
作为电偶极子的水平方形金属贴片1的辐射在低频占主导，表面电流分布在贴片边缘，如图10(a)和图10(b)所示，通过+45°馈电单元5-1和-45°馈电单元5-2，分别形成+45°方向上和-45°方向上的电流；
作为磁偶极子的蝶形金属贴片层2的辐射在高频占主导，通过+45°馈电单元5-1和-45°馈电单元5-2，在水平方形金属贴片1间的间隙处分别形成-45°方向上和+45°方向上的磁流，如图10(c)和图10(d)所示。电流和磁流正交，相位中心相同，电偶极子和磁偶极子作为互补源工作。
将四个天线单元并列等间隔排布，两个类磁流结构7位于天线单元组合件的左右两侧，每个天线单元上放置的+45°馈电单元5-1、-45°馈电单元5-2处分别为端口1、3、5、7和端口2、4、6、8，第一第二个天线单元上的四个端口与第三第四天线单元上的四个端口关于阵列中心成镜像分布，类磁流结构7可与其相邻的水平方形金属贴片1和金属化盲孔4形成xoy方向的槽，射频信号由外部馈电结构8馈入天线阵列，通过改变馈入射频信号的激励相位控制阵列的波束扫描。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明所述的磁电偶极子天线单元利用金属地板3的四个顶角的金属化盲孔4、蝶形金属贴片层2的结构，实现了紧凑型的天线单元设计，适用于以高通毫米波模块为例的毫米波手机天线阵列中。
(2)本发明所述的磁电偶极子天线阵列利用类磁流结构7，实现了宽扫描角。
(3)本发明所述的磁电偶极子天线阵列能够实现小尺寸、双频、双极化和宽扫描角的共存。
附图说明
图1是本发明提出的双频双极化磁电偶极子天线单元的结构示意图；
图2是本发明提出的双频双极化磁电偶极子天线单元中电偶极子的结构示意图；
图3是本发明提出的双频双极化磁电偶极子天线单元中磁偶极子的结构示意图；
图4是本发明提出的双频双极化磁电偶极子天线单元中馈电单元的结构示意图；
图5是本发明提出的双频双极化磁电偶极子天线单元中金属地面层的结构示意图；
图6是本发明提出的双频双极化磁电偶极子1×4天线阵列的结构示意图；
图7是本发明提出的双频双极化磁电偶极子1×4天线阵列中类磁流结构14的结构示意图；
图8是本发明提出的双频双极化磁电偶极子天线单元的S参数；
图9是本发明提出的双频双极化磁电偶极子天线单元的二维辐射方向图；图9(a)为本发明提出的双频双极化磁电偶极子天线单元在26.5GHz的E面和H面的方向图；图9(b)为本发明提出的双频双极化磁电偶极子天线单元在41GHz的E面和H面的方向图；
图10(a)是本发明提出的通过+45°馈电单元5-1馈电的双频双极化磁电偶极子天线单元在26.5GHz的电流分布；
图10(b)是本发明提出的通过-45°馈电单元5-2馈电的双频双极化磁电偶极子天线单元在26.5GHz的电流分布；
图10(c)是本发明提出的通过+45°馈电单元5-1馈电的双频双极化磁电偶极子天线单元在41GHz的磁流分布；
图10(d)是本发明提出的通过-45°馈电单元5-2馈电的双频双极化磁电偶极子天线单元在41GHz的磁流分布；
图11是本发明中应用于双频双极化磁电偶极子1×4天线阵列的S参数；
图12(a)～(d)是本发明中应用于双频双极化磁电偶极子1×4天线阵列在26.5GHz、37GHz、41GHz和43GHz的波束扫描角；
图中：1水平方形金属贴片；2蝶形金属贴片层；3金属地板；4金属化盲孔；5馈电结构；6介质；7类磁流结构；8外部馈电结构；
2-1上层贴片、2-2中部方形贴片、2-3下层贴片；
5-1+45°馈电单元；5-1-1垂直部分；5-1-2水平部分；
5-2-45°馈电单元；5-2-1垂直部分；5-2-2水平部分；
7-1矩形金属贴片、7-2金属化过孔。
具体实施方式
下面结合说明书附图和技术方案，对本发明的具体实施方案做详细说明。
一种用于移动终端的毫米波双频双极化磁电偶极子天线阵列，由多个结构相同的双频双极化磁电偶极子天线单元排列组合而成，所述的每个双频双极化磁电偶极子天线单元如图1所示，主要包括水平方形金属贴片1、四个结构相同的蝶形金属贴片层2、金属地板3、金属化盲孔4、馈电结构5及其填充在以上结构内的介质6。其中，馈电结构5包括+45°馈电单元5-1、-45°馈电单元5-2。
所述的水平方形金属贴片1由四个结构相同的方形金属小贴片组合而成，位于天线单元的顶层，相邻小贴片之间留有间隙，构成电偶极子；四个贴片沿顺时针依次编号1号贴片、2号贴片、3号贴片、4号贴片。为了避免与馈电结构5接触，四个小贴片靠近水平方形金属贴片1中心位置的顶角处(即馈电位置处)向内蚀刻一条缝隙；两个对角的缝隙之间放置十字花布置的馈电结构5的水平部分，+45°馈电单元5-1、-45°馈电单元5-2相交处不接触，且两个馈电单元的端部置于对应小贴片缝隙内，且不与缝隙边缘接触。
所述的蝶形金属贴片层2位于水平方形金属贴片1和底部金属地板3之间，四个蝶形金属贴片层2布置于水平方形金属贴片1四个金属小贴片下方。所述每个蝶形金属贴片层2包括上层贴片2-1、中部方形贴片2-2、下层贴片2-3，构成磁偶极子，为一体化结构，具体如下：上层贴片2-1由一片沿垂直方向布置的金属贴片沿中部水平弯折90°而成，拐角方向向外；为了避免与馈电结构5接触，拐角处上层设有缺口。上层贴片2-1垂直布置于水平方形金属贴片1中的一个金属小贴片两个边下方，二者接触，其中金属小贴片的两个边与蚀刻的缝隙相邻。中部方形贴片2-2贴合安装在上层贴片2-1下方，中部方形贴片2-2的一个顶角与上层贴片2-1拐角处的顶角重合。下层贴片2-3由一片沿垂直方向布置的金属贴片沿中部水平弯折90°而成，拐角方向向内，且拐角与中部方形贴片2-2的另一个顶角重合。即上层贴片2-1和下层贴片2-3的两个拐角位于中部方形贴片2-2的同一对角线上。
所述的水平方形金属贴片1、四个结构相同的蝶形金属贴片层2构成互补源，水平方形金属贴片1在低频主导辐射，蝶形金属贴片层2在高频主导辐射，可通过调整水平金属贴片1的尺寸和垂直蝶形金属贴片2各个部分的尺寸调节低频和高频的工作频率。
所述的金属地板3位于底层，蝶形金属贴片层2的下层贴片2-3贴合布置于金属地板3上，四个蝶形金属贴片层2布置后，其四个上层贴片2-1的拐角靠近天线中轴线位置，四个下层贴片2-3的拐角远离天线中轴线位置。所述金属地板3上蚀刻有两个圆孔，保证垂直部分5-1-1的水平段B不与地面接触，圆孔设于任意相邻两个蝶形金属贴片层2的下层贴片2-3靠近拐角位置的处，且两个圆孔的圆心分别与垂直部分5-1-1水平段B、垂直部分5-2-1水平段B的中心重合，圆孔下方设置外部馈电结构8，外部馈电结构8与水平段B相连，用于射频信号输入。所述金属地板3的四个顶角处各设有三个金属化盲孔4，且金属化盲孔4的顶面与水平方形金属贴片1之间留有间隙，金属化盲孔4能够起到延长金属地板3的电流的作用，增加等效地面尺寸，金属化盲孔4和水平金属贴片1间的电容效应可改善天线单元的阻抗匹配，并左移天线单元的谐振点，减小天线电尺寸。
所述的馈电单元5为L型馈线结构，包括+45°馈电单元5-1和-45°馈电单元5-2，具体如下：+45°馈电单元5-1包括垂直部分5-1-1、水平部分5-1-2，类L型结构。所述水平部分5-1-2为水平布置的长条结构。所述垂直部分5-1-1沿水平部分5-1-2一端往下设置三段弯折结构，即垂直部分5-1-1从上至下依次为垂直段A、水平段A、垂直段B、水平段B，其中垂直段A的高度小于上层贴片2-1的高度，水平段A位于中部方形贴片2-2上方且不与其接触，水平段A与中部方形贴片2-2的间隙范围为0.03～0.1mm，垂直段B的高度大于下层贴片2-3的高度，垂直段B与下层贴片2-3的间隙范围为0.03～0.1mm，水平段B的中心与金属地板3蚀刻圆孔的中心重合，水平段B与外部馈电结构8相连。-45°馈电单元5-2包括垂直部分5-2-1、水平部分5-2-2。所述水平部分5-2-2为水平布置的长条结构，其中部向下弯折为了不与水平部分5-1-2接触。所述垂直部分5-2-1与垂直部分5-1-1结构相同，布置于另一个蝶形金属贴片层2位置处。
布置后，两个馈电单元所在的蝶形金属贴片层2相邻；所述+45°馈电单元5-1垂直部分5-1-1的垂直段A和-45°馈电单元5-2垂直部分5-2-1的垂直段A均与蝶形金属贴片层2的上层贴片2-1平行，+45°馈电单元5-1垂直部分5-1-1的垂直段B和-45°馈电单元5-2垂直部分5-2-1的垂直段B均与蝶形金属贴片2-1的下层贴片2-3平行，+45°馈电单元5-1垂直部分5-1-1的水平段A和-45°馈电单元5-2垂直部分5-2-1的水平段A均与水平方形金属贴片1平行。+45°馈电单元5-1垂直部分5-1-1和-45°馈电单元5-2垂直部分5-2-1分别与蝶形金属贴片层2形成两个50欧姆的空气微带线。+45°馈电单元5-1的水平部分5-1-2与-45°馈电单元5-2的水平部分5-2-2均与水平方形金属贴片1平行，水平部分5-1-2和水平部分5-2-2***水平方形金属贴片1的缝隙，实现电容耦合馈电，***的长度能够调节天线单元的阻抗匹配。所述的介质6填充在水平方形金属贴片1、四个结构相同的蝶形金属贴片层2、金属地板3、金属化盲孔4、馈电结构5组成的结构空间内，用于增加天线的电长度。所述阵列填充的介质6的相对介电常数影响天线的工作频率，可根据工作频带需求进行调节。
具体尺寸及结构如下(除图1外，介质6被隐藏)：
参见图1，所述的每个双频双极化磁电偶极子天线单元包括水平方形金属贴片1、四个结构相同的蝶形金属贴片层2、金属地板3、金属化盲孔4、馈电结构5及其填充在以上结构内的介质6。其中，馈电结构5包括+45°馈电单元5-1、-45°馈电单元5-2。所述的双频双极化磁电偶极子天线单元的整体尺寸为4mm×4mm×1mm。
参见图2，所述的水平方形金属贴片1由四个结构相同的方形金属小贴片组合而成，位于天线单元的顶层，相邻小贴片之间留有0.45mm的间隙，构成电偶极子；四个贴片沿顺时针依次编号1号贴片、2号贴片、3号贴片、4号贴片，小贴片的边长L1为1.63mm。为了避免与馈电结构5接触，四个小贴片靠近水平方形金属贴片1中心位置的顶角处(即馈电位置处)向内蚀刻一条缝隙，所述的缝隙的长为0.58mm，宽为0.15mm，其中，长为沿贴片对角线方向；两个对角的缝隙之间放置十字花布置的馈电结构5的水平部分，+45°馈电单元5-1、-45°馈电单元5-2相交处不接触，且两个馈电单元的端部置于对应小贴片缝隙内，且不与缝隙边缘接触。
参见图3，所述的蝶形金属贴片层2位于水平方形金属贴片1和底部金属地板3之间，四个蝶形金属贴片层2布置于水平方形金属贴片1四个金属小贴片下方。所述每个蝶形金属贴片层2包括上层贴片2-1、中部方形贴片2-2、下层贴片2-3，构成磁偶极子，为一体化结构，具体如下：
上层贴片2-1由一片沿垂直方向布置的金属贴片沿中部水平弯折90°而成，拐角方向向外，上层贴片2-1一侧的长度L2为1.34mm和宽度W1为0.3mm；为了避免与馈电结构5接触，拐角处上层设有缺口，缺口一侧的长为0.28mm，宽为0.1mm。上层贴片2-1垂直布置于水平方形金属贴片1中的一个金属小贴片两个边下方，二者接触，其中金属小贴片的两个边与蚀刻的缝隙相邻。
中部方形贴片2-2贴合安装在上层贴片2-1下方，中部方形贴片2-2的边长L3为0.5mm，中部方形贴片2-2的一个顶角与上层贴片2-1拐角处的顶角重合。
下层贴片2-3由一片沿垂直方向布置的金属贴片沿中部水平弯折90°而成，拐角方向向内，且拐角与中部方形贴片2-2的另一个顶角重合，下层贴片2-3的长度L4为0.7mm，宽度W2为0.5mm。即上层贴片2-1和下层贴片2-3的两个拐角位于中部方形贴片2-2的同一对角线上。
所述的水平方形金属贴片1、四个结构相同的蝶形金属贴片层2构成互补源，水平方形金属贴片1在低频主导辐射，蝶形金属贴片层2在高频主导辐射，可通过调整水平金属贴片1的尺寸和垂直蝶形金属贴片2各个部分的尺寸调节低频和高频的工作频率。
参见图2、图3、图4，所述的馈电单元5为L型馈线结构，包括+45°馈电单元5-1和-45°馈电单元5-2，具体如下：
+45°馈电单元5-1包括垂直部分5-1-1、水平部分5-1-2，类L型结构。所述水平部分5-1-2为水平布置的长条结构，长度L5为1.36mm，宽度W3为0.09mm。所述垂直部分5-1-1沿水平部分5-1-2一端往下设置三段弯折结构，即垂直部分5-1-1从上至下依次为垂直段A、水平段A、垂直段B、水平段B，其中垂直段A的长为0.25mm，宽由0.09mm渐变至0.12mm，水平段A的长为0.455mm，宽由0.12mm渐变至0.15mm，垂直段B的长0.75mm，宽由0.12mm渐变至0.18mm，水平段B为方形，边长为0.18mm，垂直段A与水平段A位于中部方形贴片2-2上方且不与其接触，水平段A与中部方形贴片2-2的间隙范围为0.05mm，垂直段B与下层贴片2-3的间隙范围为0.05mm，水平段B的中心与金属地板3蚀刻圆孔的中心重合，水平段B与外部馈电结构8相连，外部馈电结构8采用同轴连接器。
-45°馈电单元5-2包括垂直部分5-2-1、水平部分5-2-2。所述水平部分5-2-2为水平布置的长条结构，长度L6为1.29mm和宽度W4为0.09mm，其中部向下弯折为了不与水平部分5-1-2接触，弯折部分的长为0.3mm。所述垂直部分5-2-1与垂直部分5-1-1结构相同，布置于另一个蝶形金属贴片层2位置处。
布置后，两个馈电单元所在的蝶形金属贴片层2相邻；+45°馈电单元5-1垂直部分5-1-1的垂直段A和-45°馈电单元5-2垂直部分5-2-1的垂直段A均与蝶形金属贴片层2的上层贴片2-1平行，+45°馈电单元5-1垂直部分5-1-1的垂直段B和-45°馈电单元5-2垂直部分5-2-1的垂直段B均与蝶形金属贴片2-1的下层贴片2-3平行，+45°馈电单元5-1垂直部分5-1-1的水平段A和-45°馈电单元5-2垂直部分5-2-1的水平段A均与水平方形金属贴片1平行。+45°馈电单元5-1垂直部分5-1-1和-45°馈电单元5-2垂直部分5-2-1分别与蝶形金属贴片层2形成两个50欧姆的空气微带线。+45°馈电单元5-1的水平部分5-1-2与-45°馈电单元5-2的水平部分5-2-2均与水平方形金属贴片1平行，水平部分5-1-2和水平部分5-2-2***水平方形金属贴片1的缝隙，实现电容耦合馈电，***的长度能够调节天线单元的阻抗匹配。
参见图1、图5，所述的金属地板3位于底层，蝶形金属贴片层2的下层贴片2-3贴合布置于金属地板3上，四个蝶形金属贴片层2布置后，其四个上层贴片2-1的拐角靠近天线中轴线位置，四个下层贴片2-3的拐角远离天线中轴线位置。所述金属地板3上蚀刻有两个圆孔，圆孔半径为0.3mm，保证垂直部分5-1-1的水平段B不与地面接触，圆孔设于相邻两个蝶形金属贴片层2的下层贴片2-3靠近拐角位置的处，且两个圆孔的圆心分别与垂直部分5-1-1水平段B、垂直部分5-2-1水平段B的中心重合，圆孔下方设置外部馈电结构8，外部馈电结构8与水平段B相连，用于射频信号输入。所述金属地板3的四个顶角处各设有三个金属化盲孔4，且金属化盲孔4的顶面与水平方形金属贴片1之间留有0.3mm的间隙，金属化盲孔4的半径为0.15mm，相邻金属化盲孔4中心点之间的间距为0.46mm，金属化盲孔4能够起到延长金属地板3的电流的作用，增加等效地面尺寸，金属化盲孔4和水平金属贴片1间的电容效应可改善天线单元的阻抗匹配，并左移天线单元的谐振点，减小天线电尺寸。
参见图1，所述的介质6填充在水平方形金属贴片1、四个结构相同的蝶形金属贴片层2、金属地板3、金属化盲孔4、馈电结构5组成的结构空间内，用于增加天线的电长度。介质6所用材质为相对介电常数为2.2，损耗正切角为0.0009的TLY-5。
所述双频双极化磁电偶极子天线单元通过同轴连接器馈电，得到的S参数如图8所示。天线的-10dB工作带宽为24.5-30.6GHz和35.6-44.2GHz，隔离度在整个频带大于15dB，在低频段和高频段实现了宽带特性。
图9(a)～(b)为本发明提出的双频双极化磁电偶极子天线单元端口1和端口2馈电时在26.5GHz和41GHz处的E面和H面辐射方向图，包括共极化和交叉极化，增益大于5dBi，交叉极化比在边射方向大于21dB。
图7是本发明提出的双频双极化磁电偶极子1×4天线阵列的结构示意图。天线阵列由四个结构相同的双频双极化磁电偶极子天线单元和两个类磁流结构7构成，四个天线单元并列等间隔排布，两个类磁流结构7位于天线单元组合件的左右两侧，每个天线单元上放置的+45°馈电单元5-1、-45°馈电单元5-2处分别为端口1、3、5、7和端口2、4、6、8，共8个端口，第一第二个天线单元上的四个端口与第三第四天线单元上的四个端口关于阵列中心成镜像分布，即端口1、2、3、4与端口5、6、7、8分别关于阵列中心成镜像分布。所述相邻毫米波双频双极化磁电偶极子天线单元中心点之间的距离L7为0.4mm，所述类磁流结构7与其相邻的天线单元的距离L8为0.29mm，阵列的整体尺寸为4mm×18mm×1mm。
参考图8，所述的类磁流结构7由矩形金属贴片7-1、金属化过孔7-2和金属地板3组成，矩形金属贴片7-1与水平方形金属贴片1平行，金属化过孔7-2与金属化盲孔4平行,矩形金属贴片7-1的长度L9为4mm，宽度W5为0.905mm。类磁流结构7可与其相邻的水平方形金属贴片1和金属化盲孔4形成xoy方向的槽，将阵列能量向非边射方向辐射出去，增加天线单元的波束宽度和阵列的扫描角。
图11是本发明提出的双频双极化磁电偶极子天线阵列的S参数结果，天线阵列的工作带宽为25.4-29.4GHz和35-44.5GHz，端口间的隔离度大于10dB。
图12(a)～(d)是本发明提出的双频双极化磁电偶极子天线阵列在26.5GHz、37GHz、41GHz、43GHz的波束扫描结果，其3dB扫描角分别为-58°～58°、-62°～62°、-47°～47°、-54°～54°。
以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此理解为对本发明专利的范围限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于毫米波手机终端的双频双极化磁电偶极子天线阵列，其特征在于，其由多个结构相同的双频双极化磁电偶极子天线单元排列组合而成，所述的每个双频双极化磁电偶极子天线单元包括水平方形金属贴片(1)、四个结构相同的蝶形金属贴片层(2)、金属地板(3)、金属化盲孔(4)、馈电结构(5)及其填充在以上结构内的介质(6)；其中，馈电结构(5)包括+45°馈电单元(5-1)、-45°馈电单元(5-2)；
所述的水平方形金属贴片(1)由四个结构相同的方形金属小贴片组合而成，位于天线单元的顶层，相邻小贴片之间留有间隙，构成电偶极子；为了避免与馈电结构(5)接触，四个小贴片的馈电位置处向内蚀刻一条缝隙；两个对角的缝隙之间放置十字花布置的馈电结构(5)的水平部分，+45°馈电单元(5-1)、-45°馈电单元(5-2)相交处不接触，且两个馈电单元的端部置于对应小贴片缝隙内，并不与缝隙边缘接触；
所述的四个蝶形金属贴片层(2)布置于水平方形金属贴片(1)四个金属小贴片下方；所述每个蝶形金属贴片层(2)包括上层贴片(2-1)、中部方形贴片(2-2)、下层贴片(2-3)，构成磁偶极子，为一体化结构，具体如下：
上层贴片(2-1)由一片沿垂直方向布置的金属贴片沿中部水平弯折90°而成；为了避免与馈电结构(5)接触，拐角处上层设有缺口；上层贴片(2-1)的两边布置于金属小贴片与缝隙相邻的两边下方；
中部方形贴片(2-2)水平安装在上层贴片(2-1)下方，中部方形贴片(2-2)的一个顶角与上层贴片(2-1)拐角处的顶角重合；
下层贴片(2-3)由一片沿垂直方向布置的金属贴片沿中部水平弯折90°而成，且拐角与中部方形贴片(2-2)的另一个顶角重合；
所述的水平方形金属贴片(1)、四个结构相同的蝶形金属贴片层(2)构成互补源，水平方形金属贴片(1)在低频主导辐射，蝶形金属贴片层(2)在高频主导辐射，可通过调整水平金属贴片(1)的尺寸和垂直蝶形金属贴片各个部分的尺寸调节低频和高频的工作频率；
所述的金属地板(3)位于底层，四个蝶形金属贴片层(2)布置后，其四个上层贴片(2-1)的拐角靠近天线中轴线位置，四个下层贴片(2-3)的拐角远离天线中轴线位置；所述金属地板(3)上蚀刻有两个圆孔，用于保证垂直部分(5-1-1)的水平段B不与地面接触，圆孔下方设置外部馈电结构(8)，外部馈电结构(8)与水平段B相连，用于射频信号输入；所述金属地板(3)的四个顶角处各设有多个金属化盲孔(4)，且金属化盲孔(4)的顶面与水平方形金属贴片(1)之间留有间隙；
所述的馈电单元(5)为L型馈线结构，包括+45°馈电单元(5-1)和-45°馈电单元(5-2)，具体如下：
+45°馈电单元(5-1)包括垂直部分(5-1-1)、水平部分(5-1-2)，类L型结构；所述水平部分(5-1-2)为水平布置的长条结构；所述垂直部分(5-1-1)沿水平部分(5-1-2)一端往下设置三段弯折结构，即垂直部分(5-1-1)从上至下依次为垂直段A、水平段A、垂直段B、水平段B，其中垂直段A的高度小于上层贴片(2-1)的高度，水平段A位于中部方形贴片(2-2)上方且不与其接触，垂直段B的高度大于下层贴片(2-3)的高度，水平段B的中心与金属地板(3)蚀刻圆孔的中心重合，水平段B与外部馈电结构(8)相连；
-45°馈电单元(5-2)包括垂直部分(5-2-1))、水平部分(5-2-2)；所述水平部分(5-2-2)为水平布置的长条结构，其中部向下弯折为了不与水平部分(5-1-2)接触；所述垂直部分(5-2-1))与垂直部分(5-1-1)结构相同，布置于另一个蝶形金属贴片层(2)位置处；
所述的介质(6)填充在水平方形金属贴片(1)、四个结构相同的蝶形金属贴片层(2)、金属地板(3)、金属化盲孔(4)、馈电结构(5)组成的结构空间内，用于增加天线的电长度；
所述的毫米波双频双极化磁电偶极子天线阵列由四个结构相同的双频双极化磁电偶极子天线单元和两个类磁流结构(7)构成，四个天线单元并列等间隔排布，两个类磁流结构(7)位于天线单元组合件的左右两侧，每个天线单元上放置的+45°馈电单元(5-1)、-45°馈电单元(5-2)处分别为端口，共8个端口，第一第二个天线单元上的四个端口与第三第四天线单元上的四个端口关于阵列中心成镜像分布。
2.根据权利要求1所述的一种用于毫米波手机终端的双频双极化磁电偶极子天线阵列，其特征在于，所述水平方形金属贴片(1)的相邻小贴片之间的缝隙尺寸为0.35～0.55mm；所述每个小贴片的馈电位置处蚀刻的缝隙尺寸为:长为0.58～0.68mm，宽为0.15～0.25mm，其中，长为沿贴片对角线方向；所述的金属化盲孔(4)的顶面与水平方形金属贴片(1)之间的间隙范围为0.2～0.6mm；所述的+45°馈电单元(5-1)中，水平段A与中部方形贴片(2-2)的间隙范围为0.03～0.1mm，垂直段B与下层贴片(2-3)的间隙范围为0.03～0.1mm。
3.根据权利要求1所述的一种用于毫米波手机终端的双频双极化磁电偶极子天线阵列，其特征在于，所述的金属地板(3)上蚀刻的两个圆孔设于任意相邻两个蝶形金属贴片层(2)的下层贴片(2-3)靠近拐角位置的处，且两个圆孔的圆心分别与垂直部分(5-1-1)水平段B、垂直部分(5-2-1))水平段B的中心重合。
4.根据权利要求1所述的一种用于毫米波手机终端的双频双极化磁电偶极子天线阵列，其特征在于，所述馈电单元(5)布置后，两个馈电单元所在的蝶形金属贴片层(2)相邻；所述+45°馈电单元(5-1)垂直部分(5-1-1)的垂直段A和-45°馈电单元(5-2)垂直部分(5-2-1))的垂直段A均与蝶形金属贴片层(2)的上层贴片(2-1)平行，+45°馈电单元(5-1)垂直部分(5-1-1)的垂直段B和-45°馈电单元(5-2)垂直部分(5-2-1))的垂直段B均与蝶形金属贴片(2-1)的下层贴片(2-3)平行，+45°馈电单元(5-1)垂直部分(5-1-1)的水平段A和-45°馈电单元(5-2)垂直部分(5-2-1))的水平段A均与水平方形金属贴片(1)平行；+45°馈电单元(5-1)垂直部分(5-1-1)和-45°馈电单元(5-2)垂直部分(5-2-1))分别与蝶形金属贴片层(2)形成两个50欧姆的空气微带线；+45°馈电单元(5-1)的水平部分(5-1-2)与-45°馈电单元(5-2)的水平部分(5-2-2)均与水平方形金属贴片(1)平行，水平部分(5-1-2)和水平部分(5-2-2)***水平方形金属贴片(1)的缝隙，实现电容耦合馈电，***的长度能够调节天线单元的阻抗匹配。
5.根据权利要求1所述的一种用于毫米波手机终端的双频双极化磁电偶极子天线阵列，其特征在于，所述毫米波双频双极化磁电偶极子天线阵列中，相邻毫米波双频双极化磁电偶极子天线单元中心点之间的距离为L7，L7的范围为0.4～0.5mm；类磁流结构(7)与其相邻的天线单元的距离为L8，L8的范围为0.1～0.4mm。
6.根据权利要求1所述的一种用于毫米波手机终端的双频双极化磁电偶极子天线阵列，其特征在于，所述的类磁流结构(7)由矩形金属贴片(7-1)、金属化过孔(7-2)和金属地板(3)组成，其中矩形金属贴片(7-1)与水平方形金属贴片(1)平行，金属化过孔(7-2)与金属化盲孔(4)平行；类磁流结构(7)可与其相邻的水平方形金属贴片(1)和金属化盲孔(4)形成xoy方向的槽，将阵列能量向非边射方向辐射出去，增加天线单元的波束宽度和阵列的扫描角；通过调整类磁流结构(7)与相邻天线单元的距离L8能够调节两侧天线单元的波束宽度。
7.一种权利要求1-6任一所述的用于毫米波手机终端的双频双极化磁电偶极子天线阵列的使用过程，其特征在于，包括以下内容：
射频信号通过外部馈电结构(8)输入，外部馈电结构(8)连接+45°馈电单元(5-1)的垂直部分(5-1-1)的水平段B和-45°馈电单元(5-2)的垂直部分(5-2-1))的水平段B，信号从水平段B馈入，沿蝶形金属贴片层(2)分别和垂直部分(5-1-1)、(5-2-1))组成两个的50欧姆空气微带线将信号分别输入至馈电单元水平部分(5-2-1))、(5-2-2)，馈电单元水平部分(5-2-1))、(5-2-2)***水平方形金属贴片(1)进行电容耦合馈电，射频信号通过电容耦合馈电进入天线单元，金属化盲孔(4)延长了金属地面3的电流，并与水平方形金属贴片(1)形成电容效应，天线内的介质(6)调节天线的电长度；
作为电偶极子的水平方形金属贴片(1)的辐射在低频占主导，表面电流分布在贴片边缘，通过+45°馈电单元(5-1)和-45°馈电单元(5-2)，分别形成+45°方向上和-45°方向上的电流；
作为磁偶极子的蝶形金属贴片层(2)的辐射在高频占主导，通过+45°馈电单元(5-1)和-45°馈电单元(5-2)，在水平方形金属贴片(1)间的间隙处分别形成-45°方向上和+45°方向上的磁流；电流和磁流正交，相位中心相同，电偶极子和磁偶极子作为互补源工作；
类磁流结构(7)可与其相邻的水平方形金属贴片(1)和金属化盲孔(4)形成xoy方向的槽，射频信号由外部馈电结构(8)馈入天线阵列，通过改变馈入射频信号的激励相位控制阵列的波束扫描。
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