CN116759816B - 基于基片集成波导的双频双极化天线 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于天线技术领域，提供了基于基片集成波导的双频双极化天线，包括：介质层、对称振子、第一金属层和第二金属层，所述第一金属层和第二金属层分别设置在所述介质层的第一表面和第二表面；所述第一金属层的第二表面与所述第二金属层的第一表面通过呈喇叭状排列设置在所述介质层中的第二金属化通孔连接，以构成喇叭天线；所述喇叭天线的窄端口内嵌有第四金属化通孔，该第四金属化通孔靠近所述第二金属层的一端用于连接同轴插针结构。本发明通过设置的对称振子和微带馈线等构成的偶极子天线，与喇叭天线构成双频双极化天线，实现了双极化辐射，能够覆盖整个5G毫米波频段，并且还具有结构简单、紧凑、剖面低及易于集成等优点。
Description
技术领域
本发明属于天线技术领域，尤其涉及一种基于基片集成波导的双频双极化天线。
背景技术
天线是现代无线通信***中辐射、接受能量的关键部件，其性能好坏往往决定了整个通信***的成败，同时随着无线通信技术的快速发展，对于天线尺寸和电性能的要求越来越高。
现在，第五代移动通信（5G）正在席卷全球，以适应持续的用户数据***式增长，并开启万物互联的新时代。在5G早期，低于6 GHz的频谱以及更高阶的MIMO技术在移动行业得到了广泛的研究和应用，但在不久的将来，根据香农公式，拥有巨大频谱带宽的毫米波(mm-Wave)技术可以在后5G时期提供高信道容量，那么能覆盖5GNR257/258/260频段（24.5-29.5GHz/37-40GHz）的天线将必不可少。由于电磁波在毫米波波段的产生的高路径损耗和多径衰落，需要采用双极化(DP)或极化可重构天线阵列实现高路径损耗任意极化。因此双频段双极化天线的设计研究是非常重要的。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种基于基片集成波导的双频双极化天线，旨在解决现有技术中电磁波在毫米波波段辐射时产生的高路径损耗和多径衰落的问题。
本发明实施例是这样实现的，一种基于基片集成波导的双频双极化天线，包括：介质层、对称振子、第一金属层和第二金属层，所述第一金属层和第二金属层分别设置在所述介质层的第一表面和第二表面；
所述第一金属层的第二表面与所述第二金属层的第一表面通过呈喇叭状排列设置在所述介质层中的第二金属化通孔连接，以构成喇叭天线；
所述喇叭天线的窄端口内嵌有第四金属化通孔，该第四金属化通孔靠近所述第二金属层的一端用于连接同轴插针结构，作为该喇叭天线的输入输出端口；
所述第一金属层的第一表面还设置有介质层，该介质层靠近所述喇叭天线的喇叭口一端的两表面共同设置有一对对称振子，接近所述第一金属层的一个对称振子与第一金属层电性连接，另一个对称振子连接有微带馈线，并且所述微带馈线两侧的介质层中设置有多对第一金属化通孔。
本发明实施例提供的一种基于基片集成波导的双频双极化天线，利用金属化通孔组成的喇叭天线和对称振子组成的偶极子天线，实现了双极化辐射，能够覆盖整个5G毫米波频段，并且还具有结构简单、紧凑、剖面低、高增益以及易于集成等优点。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于基片集成波导的双频双极化天线的结构示意图；
图2为一个实施例中微带馈线的结构示意图；
图3为一个实施例中喇叭天线的结构示意图；
图4为一个实施例中喇叭天线及其馈电结构的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的一种基于基片集成波导的双频双极化天线的S参数仿真结果图；
图6为一个实施例中天线在26GHz频点处水平极化的归一化极化隔离度参数图（x0z面）；
图7为一个实施例中天线在26GHz频点处水平极化的归一化极化隔离度参数图（x0y面）；
图8为一个实施例中天线在38GHz频点处水平极化的归一化极化隔离度参数图（x0z面）；
图9为一个实施例中天线在38GHz频点处水平极化的归一化极化隔离度参数图（x0y面）；
图10为一个实施例中天线在26GHz频点处垂直极化的归一化极化隔离度参数图（x0z面）；
图11为一个实施例中天线在26GHz频点处垂直极化的归一化极化隔离度参数图（x0y面）；
图12为一个实施例中天线在38GHz频点处垂直极化的归一化极化隔离度参数图（x0z面）；
图13为一个实施例中天线在38GHz频点处垂直极化的归一化极化隔离度参数图（x0y面）；
图14为一个实施例中由双频双极化天线组成的1×4的天线阵列结构示意图；
图15为一个实施例中天线阵列的增益仿真结果图；
图16为天线阵列垂直极化在26GHz频点处于x0y(E面)和x0z（H面）平面的辐射方向图；
图17为天线阵列垂直极化在38GHz频点处于x0y(E面)和x0z（H面）平面的辐射方向图；
图18为天线阵列水平极化处于同相位的辐射方向图；
图19为天线阵列水平极化在26GHz频点处于x0y(E面)和x0z（H面）平面的辐射方向图；
图20为天线阵列水平极化在38GHz频点处于x0y(E面)和x0z（H面）平面的辐射方向图。
附图中：1-第一介质基板；2-第二介质基板；3-第三介质基板；4-第一金属层；5-第二金属层；6-缝隙；7-微带馈线；8-第一金属化通孔；9-对称振子；10-第二金属化通孔；11-第三金属化通孔；12-第四金属化通孔；13-槽。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
可以理解，本申请所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但除非特别说明，这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。举例来说，在不脱离本申请的范围的情况下，可以将第一xx元件称为第二xx元件，且类似地，可将第二xx元件称为第一xx元件。
以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述。
如图1所示，为本发明实施例提供的一种基于基片集成波导的双频双极化天线的结构图，包括：介质层、对称振子9、第一金属层4和第二金属层5，所述第一金属层4和第二金属层5分别设置在所述介质层的第一表面和第二表面；
所述第一金属层4的第二表面与所述第二金属层5的第一表面通过呈喇叭状排列设置在所述介质层中的第二金属化通孔10连接，以构成喇叭天线；
所述喇叭天线的窄端口(或称窄端）内嵌有第四金属化通孔12，该第四金属化通孔12靠近所述第二金属层5的一端用于连接同轴插针结构，作为该喇叭天线的输入输出端口；其中同轴插针结构为市面上常规的馈电结构；
所述第一金属层4的第一表面还设置有介质层，该介质层靠近所述喇叭天线的喇叭口一端的两表面共同设置有一对对称振子9，接近所述第一金属层4的一个对称振子9与第一金属层4电性连接，另一个对称振子9连接有微带馈线7，并且所述微带馈线7两侧的介质层中设置有多对第一金属化通孔8。
本实施例的天线整体为平面结构，低剖面，且结构非常简单，易于设计优化，易于加工制作和集成，有利于实现低成本市场化。并且，能实现整个5G毫米波频带的覆盖，拥有-15dB以下的隔离度，此外，如图14所示，该天线组成的天线阵列的水平极化拥有8dbi以上的增益，垂直极化拥有9dbi以上的增益。
在本实施例的一个示例中，所述介质层包括一层或多层介质基板，介质基板的介电常数为2.2，损耗角=0.0009。
进一步地，在本实施例的一个示例中，所述介质层包括第一介质基板1和第二介质基板2，所述第一介质基板1和第二介质基板2层叠设置。
在本实施例的一个示例中，所述介质层包括第三介质基板3，所述第一介质基板1、第二介质基板2、第三介质基板3可以采用罗杰斯线路板，例如：罗杰斯5880（rogers 5880），也可以采用其他印刷线路板，本示例并不局限于此。
更具体地，第一介质基板1，采用罗杰斯5880介质基板，厚度1.016 mm，宽度为13mm，长度为17 mm，介电常数为2.2，损耗角=0.0009。第二介质基板2，采用罗杰斯5880介质基板，厚度0.254 mm，宽度为13 mm，长度为17 mm，介电常数为2.2，损耗角/>=0.0009。第三介质基板3，采用罗杰斯5880介质基板，厚度0.508 mm，宽度为13 mm，长度为17mm，介电常数为2.2，损耗角/>=0.0009。也即天线的尺寸也是W=13mm，L=17mm。
本实施例中，所述第一介质基板1、第二介质基板2、第三介质基板3选用相同的材料，利于模块化生产加工，也利于成本控制。所述微带馈线7两侧的介质层中设置有多对第一金属化通孔8，例如3对、4对或5对等；对称振子9组成的偶极子天线，通过微带馈线7进行馈电，经过在微带馈线7左右增加的两排第一金属化通孔8连接到第一金属层4，使得37-40GHz频段的阻抗改变，而24-30GHz频段的阻抗不产生任何改变，以实现高频谐振点的单方面改善。
在本实施例的一个示例中，第一介质基板1、第二介质基板2、第三介质基板3可以选用不同的材料，利于根据喇叭天线和偶极化天线的介质波导进行灵活设置，实现定制化设计；但本示例并不局限于此。
在一个实施例中，所述第二金属层5上开设有槽13，该槽13与所述第四金属化通孔12同轴心设置。
本实施例中，槽13与第四金属化通孔12构成了喇叭天线的馈电口，为喇叭天线馈电。
在本实施例的一个示例中，所述槽13可以是圆形孔，也可以是方形孔，优选地为圆形孔。
当槽13为圆形孔时，实际上该圆形孔的半径略大于第四金属化通孔的半径，以便于实现同轴馈电。
在本实施例的一个示例中，所述喇叭天线的喇叭口开口面设置有第三金属化通孔11，该第三金属化通孔11的两端分别连接所述第一金属层4和第二金属层5。
本示例中，喇叭天线原本通过其开口处的第三金属化通孔11的加载，可以实现TE30模式的压缩，使其与TE10模式结合实现24-30GHz的频带覆盖。
在本实施例的一个示例中，所述第一金属层4上对应所述第四金属化通孔12的位置开设有缝隙6，该缝隙6产生的等效磁流与所述喇叭天线的开口等效磁流结合构成二元端射阵列。
本示例中，所述的缝隙6可以是矩形缝隙，矩形缝隙的宽度可以与第四金属化通孔12的直径相等；例如矩形缝隙的长度可以是2.45mm，宽度为0.3mm；或者，矩形缝隙的长度还可以是2.4mm或2.5mm。作用是为喇叭天线提供一个38GHz的谐振频点。喇叭天线原本通过其开口处的第三金属化通孔11的加载，可以实现TE30模的压缩，使其与TE10模结合实现24-30GHz的频带覆盖。而通过在第一金属层4上开设的矩形缝隙形成一个等效磁流，与原本喇叭天线的开口等效磁流结合构成二元端射阵列，来覆盖37-40GHz的频带范围。垂直极化的喇叭天线和水平极化的偶极子天线因极化方向不同，两个端口存在良好的隔离度，能够满足天线的设计需求。
在本实施例的一个示例中，所述第一金属化通孔8、第三金属化通孔11半径均为0.2mm，第四金属化通孔12的半径为0.3mm；第二金属化通孔10、第三金属化通孔11的高度均为1.27mm，第四金属化通孔12的高度为1.016mm，第一金属化通孔8的高度为0.508mm。
本示例中，所述第一金属化通孔8，可以用来调节所述对称振子9的高频谐振点阻抗，其规格可以根据对称振子9的规格进行灵活的选择；例如第一金属化通孔8的高度为0.508mm，半径为0.2mm。
进一步地，在一个示例中，所述第三金属化通孔11设置有两个，并对称分布在所述喇叭口开口面。
更具体地，两个第三金属化通孔11位于喇叭天线的开口处，两者之间相距4mm，并且关于喇叭天线中线对称。
在上述的实施例中，针对5G毫米波通信***工作天线，本实施例的双频双极化天线，可用于5G毫米波通信***；天线的两种极化-10dB阻抗带宽可以覆盖5GNR257/258/260频段（24.5-29.5GHz/37-40GHz），隔离度低于-15dB，可确保两种极化之间的影响较小。这样的话，也保证了最终组成的1×4的天线阵列，具有8dBi以上的增益以及辐射方向具有窄波束宽度和高方向性，以便应对毫米波在传播中产生的高路径损耗。
其中，该天线的垂直极化由喇叭天线（第二金属化通孔10组成）产生，通过开口处的第三金属化通孔11压缩TE30模和TE10模结合产生的-10dB能覆盖24.5-29.5GHz的带宽，再通过的矩形缝隙产生的等效磁流和开口处等效磁流结合，产生了37GHz谐振点，与原本喇叭天线的TE50模结合能覆盖37-40GHz频段。
该天线的水平极化由偶极子天线产生，通过微带馈线7对偶极子即对称振子9馈电产生的-10dB带宽覆盖24-30GHz 频段，再经过微带馈线7旁的多对第一金属化通孔8对35-40GHz的阻抗进行调节，使其满足产生能覆盖37-40GHz频段的条件。
在一个实施例的示例中，所述微带馈线7包括平行设置的第一节微带和第二节微带，第一节微带的第一端作为一个输入输出端口，即偶极化天线的输入输出端口；第一节微带的第二端和第二节微带的第一端之间通过导带顺滑过渡连接，第二节微带的第二端与接近所述第一金属层的一个对称振子9电性连接，实现一对对称振子9的馈电。
本示例中，导带顺滑过渡可以通过两段圆弧实现，或通过连续弯折的顺滑曲带实现；导带是导电的。
在一个实施例的示例中，所述微带馈线7与对称振子9构成一投影形状类似“勺子”的结构。
在一个实施例的示例中，所述第一金属层4沿喇叭天线的开口方向的长度小于所述介质层的长度；使得对称振子和金属层可以共面设置；
在一个示例中，所述第三介质基板3的上表面也可以设置有金属接地层；该金属接地层可以替代微带馈线7或与微带馈线7共面设置；通过设置的金属接地层可以提高天线的隔离度。
为了便于本实施例天线的生产和规模化应用；以尺寸规格宽W=13mm，长L=17mm，厚度可由各介质层约定的天线为例，如图1所示，可以建立一个三维空间坐标系，来便捷表示天线的各部分；并对建立的天线结构进行仿真建模，进行仿真测试，如图5至图13所示。
其中，三维空间坐标系即0-xyz包括：原点0、x轴、y轴、z轴；所述第一介质基板1和第二介质基板2均平行于三维空间坐标系0-xyz（或0-XYZ）的x0y面。
如图2所示，微带馈线7两侧的第一金属化通孔8有四对；在对称振子9和微带馈线7构成的偶极子天线中，微带馈线7的宽度W4=1mm，第一对第一金属化通孔8与介质层的边间距D4=3.7mm，第一对第一金属化通孔8与第二对第一金属化通孔8的间距D5=2.3mm，第一节微带和第二节微带间的过渡段导带的一端半径R1=1.6mm，另一端半径R2=5mm；各对第一金属化通孔8之间的间距W5=2mm，第二节微带的第二端宽为Wf=0.5mm，对称振子9的一端宽为LS=0.5mm，另一端宽为LF=1mm。
如图3所示，在喇叭天线中，喇叭天线窄端的第二金属化通孔10与矩形缝隙的较大的间距Ws=0.5mm，矩形缝隙的的长度为W2=2.4mm，宽度为S=0.3mm，窄端的宽度S3=4.2mm，第一金属层4的长度L1=13.6mm、宽度W0=13mm；介质层的长度L0=17mm。
如图4所示，第二金属层5的长度L4=14.2mm，喇叭天线窄端的第二金属化通孔10到第二金属层5的边距L3=5.2mm，喇叭天线窄端的第二金属化通孔10到第四金属化通孔12的中心距L2=1.5mm，喇叭天线的喇叭口开口面的尺寸规格满足L6=2.8mm，W5=5.6mm，喇叭天线窄端两侧的第二金属化通孔10到第四金属化通孔12的中心距W1=2.4mm，到第二金属层5侧边的距离W4=4.1mm，窄端端口处的第二金属化通孔10的间距D1=0.8mm，窄端两侧对应的第二金属化通孔10的间距D2=0.7mm，第三金属化通孔11到第二金属层5的边缘的距离D3=1.3mm。
上述，为所述基于基片集成波导的双频双极化天线的一些尺寸规格说明；可以对上述实施例进行仿真测试，以验证该双频双极化天线的性能；如图5至图13所示。
结果如下：如图5为双频双极化天线的S参数仿真结果，结果显示天线的-10dB S11带宽和S22带宽可以覆盖24.5-29.5GHz以及34-40GHz，并且隔离度S12处于-15dB以下。
图6、图7为天线在26GHz频点处水平极化的归一化极化隔离度参数图，主辐射方向为图中的90°方向，图6和图7分别为天线在x0z面和x0y面的辐射图，可以看到，交叉极化低于主极化10dB以上。
图8、图9为天线在38GHz频点处水平极化的归一化极化隔离度参数图，主辐射方向为图中的90°方向，图8和图9分别为此时在x0z面和x0y面的辐射图，可以看到，交叉极化基本上低于主极化10dB以上；此外，偶极子天线因为下方的第一金属层4表面导致辐射方向图稍微向上倾斜。
图10、图11为天线在26GHz频点处垂直极化的归一化极化隔离度参数图，主辐射方向为图中的90°方向，图10和图11分别为天线在x0z面和x0y面的辐射图，可以看到交叉极化低于主极化10dB以上。
图12、图13为天线在38GHz频点处垂直极化的归一化极化隔离度参数图，主辐射方向为图中的90°方向，图12和图13分别为天线在x0z面和x0y面的辐射图，可以看到交叉极化基本上低于主极化10dB以上。
综上所述，在双频双极化天线中，整体的剖贫平面低，结构紧凑；易于成型和加工；并且天线的合适隔离度和阻抗匹配的情况下具有的带宽广；垂直极化的喇叭天线和水平极化的偶极子天线因极化方向不同，两个端口存在良好的隔离度。
在一个实施例中，如图14所示，还提供了的一种基于基片集成波导的喇叭天线和偶极子天线结合的双频双极化天线最终组成的1×4的天线阵列；是为了应对毫米波在传播中产生的高路径损耗，通过组成1×4的阵列设计来获得高增益性能，由图可知，port1-4为偶极子天线（水平极化）的馈电端口，port5-8为喇叭天线（垂直极化）的馈电端口。
在一个示例中，对该天线阵列机芯仿真测试；结果如图15所示，是1×4的阵列的增益仿真结果，可知，两种极化在整个带宽内分别大于8dBi和9dBi，水平极化的峰值增益能达到10dBi，并且垂直极化的峰值增益能达到12.5dBi。
进一步地，可以得到如图16至图20的测试结果。
图16、图17为天线阵列垂直极化在26GHz频点以及38GHz频点处于x0y(E面)和x0z（H面）平面的辐射方向图，图16为26GHz频点处的辐射方向图，以及图17为38GHz频点处的辐射方向图。进行端口的相位分析后，垂直极化的四个端口相位处于0°、0°、0°、0°时，垂直阵列的增益和最佳辐射方向为最佳情况，当端口不处于此相位时，最大辐射方向不能处于+Y轴。
图18-图20为天线阵列水平极化在26GHz频点以及38GHz频点处于x0y(E面)和x0z（H面）平面的辐射方向图，进行端口的相位分析后，水平极化的的四个端口相位处于0°、0°、0°、0°时，如图18所示最大辐射方向处于75°以及115°方向，在+Y轴方向水平极化阵列天线的辐射效果很差。进行分析调整后，将四个端口的相位处于0°、40°、80°、120°时，天线的辐射方向达到最佳，图19为26GHz频点处的辐射方向图，以及图20为38GHz频点处的辐射方向图。由于方便测试采用对称放置，水平极化的主辐射方向不能调整为+Y方向，会存在旁瓣，用于实际情况可以进行调整，能够改善主辐射方向。
在本实施例的一个示例中，所述天线阵列中双频双极化天线的排列方式并非仅限于线性排列；可以圆周排列，或错位交替排列等；还可以是：等距线性排列、变距线性排列，或等距圆周排列、变距圆周排列、交替穿插排列或错位排列等的排列方式；优选地，本示例采用类似变距线性排列的方式。
一般地，各天线之间保持合适的距离即可具有较好的隔离度；例如：90、95或100mm的距离，满足5G天线的设计需求。
本发明上述实施例中提供了一种基于基片集成波导的双频双极化天线，天线整体为平面结构，低剖面，且结构非常简单，易于设计优化，易于加工制作和集成，有利于实现低成本市场化。并且，能实现整个5G毫米波频带的覆盖，拥有-15dB以下的隔离度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.基于基片集成波导的双频双极化天线，其特征在于，所述基于基片集成波导的双频双极化天线包括：介质层、对称振子、第一金属层和第二金属层，所述第一金属层和第二金属层分别设置在所述介质层的第一表面和第二表面；
所述第一金属层的第二表面与所述第二金属层的第一表面通过呈喇叭状排列设置在所述介质层中的第二金属化通孔连接，以构成喇叭天线；
所述喇叭天线的窄端口内嵌有第四金属化通孔，该第四金属化通孔靠近所述第二金属层的一端用于连接同轴插针结构，作为该喇叭天线的输入输出端口；
所述第一金属层的第一表面还设置有介质层，所述第一金属层的第一表面的该介质层靠近所述喇叭天线的喇叭口一端的两表面共同设置有一对对称振子，接近所述第一金属层的一个对称振子与第一金属层电性连接，另一个对称振子连接有微带馈线，并且所述微带馈线两侧的介质层中设置有多对第一金属化通孔。
2.根据权利要求1所述的基于基片集成波导的双频双极化天线，其特征在于，所述第二金属层上开设有槽，该槽与所述第四金属化通孔同轴心设置。
3.根据权利要求1或2所述的基于基片集成波导的双频双极化天线，其特征在于，所述介质层包括一层或多层介质基板，介质基板的介电常数为2.2，损耗角=0.0009。
4.根据权利要求1所述的基于基片集成波导的双频双极化天线，其特征在于，所述喇叭天线的喇叭口开口面设置有第三金属化通孔，该第三金属化通孔的两端分别连接所述第一金属层和第二金属层。
5.根据权利要求4所述的基于基片集成波导的双频双极化天线，其特征在于，所述第一金属化通孔、第三金属化通孔半径均为0.2mm，第四金属化通孔的半径为0.3mm；第二金属化通孔、第三金属化通孔的高度均为1.27mm，第四金属化通孔的高度为1.016mm，第一金属化通孔的高度为0.508mm。
6.根据权利要求4所述的基于基片集成波导的双频双极化天线，其特征在于，所述第三金属化通孔设置有两个，并对称分布在所述喇叭口开口面。
7.根据权利要求1所述的基于基片集成波导的双频双极化天线，其特征在于，所述第一金属层上对应所述第四金属化通孔的位置开设有缝隙，该缝隙产生的等效磁流与所述喇叭天线的开口等效磁流结合构成二元端射阵列。
8.根据权利要求7所述的基于基片集成波导的双频双极化天线，其特征在于，所述缝隙为矩形缝隙，所述矩形缝隙的长度方向平行于所述喇叭天线的喇叭口开口面；所述矩形缝隙的长度为2.4mm至2.5mm，宽度为0.3mm。
9.根据权利要求1所述的基于基片集成波导的双频双极化天线，其特征在于，所述第一金属层沿喇叭天线的开口方向的长度小于所述介质层的长度。
10.根据权利要求1所述的基于基片集成波导的双频双极化天线，其特征在于，所述微带馈线包括平行设置的第一节微带和第二节微带，第一节微带的第一端作为一个输入输出端口，第一节微带的第二端和第二节微带的第一端之间通过导带顺滑过渡连接，第二节微带的第二端与接近所述第一金属层的一个对称振子电性连接，实现一对对称振子的馈电。
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