CN115377674A - 一种5g毫米波宽带双极化天线单元及天线阵列 - Google Patents
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Abstract
本发明属于无线通信技领域，尤其是一种5G毫米波宽带双极化天线单元，包括接地面、三层介质基板、带状线馈电网络、驱动贴片层、支撑框架、辐射贴片层，所述三层介质基板包括第一层介质基板、第二层介质基板、第三层介质基板，所述接地面印制在第一层介质基板的下表面，带状线馈电网络印制在第一层介质基板的上表面，所述驱动贴片层印制在第二层介质基板的上表面，所述第一层介质基板和第二层介质基板紧密压合在一起。本发明具有极宽的阻抗带宽，较高的增益和良好的定向辐射特性，完全符合5G毫米波通信系统对天线性能的要求；此外，该天线采用多层PCB结构，工艺简单、加工成本低、易于与射频前端集成，适用于5G毫米波通信设备之中。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种5G毫米波宽带双极化天线单元及天线阵列。
背景技术
5G移动通信时代是一个万物互联的时代，超高速率、低延时、高可靠性、大带宽的技术优点，将会为无人驾驶、智慧城市、虚拟现实、工业互联网等各个领域建立新的业务标准。然而现阶段，通信系统的部署主要集中在低频频段，6GHz以下的频谱资源已经相当紧缺，最大使用带宽仅为100MHz，传输速率也不超过1Gbps，这无疑不能满足未来5G业务对大带宽频谱资源的需求，将频段范围从6GHz以下扩展到毫米波频段，利用毫米波频段丰富的频谱资源，将大大弥补5G在频谱资源短缺方面的困扰；此外，毫米波频段具有低延时、高可靠性、抗干扰能力强等优点，将进一步扩展5G的应用范围和发展空间。
毫米波天线作为毫米波无线通信系统中的关键器件，其性能的好坏直接对整个通信系统产生重大影响。由于毫米波天线尺寸较小，在有限的空间内放置多个天线组成大规模阵列，可产生更高的增益和更窄的辐射波束，具有更高的分辨率和更好的信号传输质量；为了便于发射和接收任意方向的信号，增强天线的波束覆盖能力，通常采用具有双极化特性的天线结构；目前5G毫米波的频段主要集中在24～30GHz以及37～42GHz，为了实现如此宽频带的覆盖能力，毫米波天线还应具备宽带性能；因此，设计5G毫米波宽带双极化天线具有重要意义。
近年来，已有专利公开了一些毫米波天线的技术方案，与现有技术进行比较，其中：
专利号为CN216354801U的中国专利提出“一种超宽带可扩展毫米波天线单元及阵列”，天线采用四层金属贴片作为辐射单元，通过共面波导与缝隙耦馈电合相结合的结构作为馈电网络，实现了超宽带特性，但是该天线仅能实现单极化特性，不适用于双极化的通信系统中；专利号为CN113964508A的专利公开了“一款宽带双极化毫米波天线及其扫描阵列”，天线单元采用两对对角放置的金属振子辐射面组成双极化天线，通过两个由金属化过孔与带状线组成的耦合巴伦结构馈电并在最上层加载四个寄生贴片实现宽带特性；上述两个现有技术中提出的天线整体叠层数量较多，至少需要六层以上，天线结构复杂，需要采用LTCC或者HDI技术实现，工艺难度大，加工成本高。
专利号为US 2021/0057823A1的美国专利“MILLIMETER WAVE FILTERING ANTENNAAND WIRELESS COMMUNICATION DEVICE”中天线单元采用两个差分馈电结构实现双极化，辐射贴片和寄生贴片均采用十字型结构并在四个象限分别嵌入一个四边形寄生单元实现宽带特性；但是该天线馈电网络结构复杂，天线整体尺寸较大，不适合用于大规模MIMO阵列中。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种5G毫米波宽带双极化天线单元及天线阵列。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种5G毫米波宽带双极化天线单元，包括接地面、三层介质基板、带状线馈电网络、驱动贴片层、支撑框架、辐射贴片层，所述三层介质基板包括第一层介质基板、第二层介质基板、第三层介质基板，所述接地面印制在第一层介质基板的下表面，带状线馈电网络印制在第一层介质基板的上表面，所述驱动贴片层印制在第二层介质基板的上表面，所述第一层介质基板和第二层介质基板紧密压合在一起，所述支撑框架位于第二层介质基板上侧，所述第三层介质基板位于支撑框架的上侧，所述辐射贴片层印制在第三层介质基板的上表面。
优选的，所述三层介质基板材料均为Rogers5880高频板材，第一层介质基板和第二层介质基板的厚度为10mil，第三层介质基板的厚度为5mil。
优选的，所述接地面、带状线馈电网络、驱动贴片层、辐射贴片层材料均为厚度为0.017mm的铜。
优选的，所述驱动贴片层由带四个切角的正方形贴片和四个耦合寄生枝节一组成。
优选的，所述带状线馈电网络为双极化馈电网络，每一个极化由圆形焊盘和矩形带状线两部分组成。
优选的，所述带切角的正方形贴片通过金属化过孔与带状线馈电网络的圆形焊盘相连。
优选的，四个耦合寄生枝节一位于正方形的四个切角处，形状为
宽度为0.2-0.3mm，与正方形贴片的切角部平行且距离为0.1-0.2mm。
优选的，所述支撑框架为中间挖空结构，长、宽与三层介质板相同，高度为0.7-0.9mm，材料为耐高温、抗腐蚀性好、不易变形的不锈钢。
优选的，所述辐射贴片由带切角的正方形金属贴片和四个耦合寄生枝节二组成，四个耦合寄生枝节二位于正方形的四个切角处，形状为
宽度为0.2-0.3mm，与正方形金属贴片的切角部平行且距离为0.1-0.2mm，所述辐射贴片层位于驱动贴片层的垂直正上方。
一种5G毫米波宽带双极化天线阵列，包括上述任意一项所述的毫米波宽带双极化天线单元和两个“E”形馈电网络，两个“E”形馈电网络印制在第二层介质基板上表面，两个毫米波天线单元之间的间距为0.5-0.7个波长。
本发明中，所述一种5G毫米波宽带双极化天线单元及天线阵列，采用双层贴片结构，驱动贴片层4对辐射贴片层6具有耦合作用，通过优化双层贴片的尺寸以及相对高度可产生两个谐振频点；同层的耦合寄生枝节通过与主贴片的耦合会产生额外的电流路径，进一步改善各谐振频点的阻抗带宽；当两个谐振频点位置较近时，即可实现宽带特性。
本发明具有极宽的阻抗带宽，较高的增益和良好的定向辐射特性，完全符合5G毫米波通信系统对天线性能的要求；此外，该天线采用多层PCB结构，工艺简单、加工成本低、易于与射频前端集成，适用于5G毫米波通信设备之中。
附图说明
图1是本发明一种5G毫米波宽带双极化天线单元3D示意图；
图2是本发明一种5G毫米波宽带双极化天线单元侧视图；
图3是本发明一种5G毫米波宽带双极化天线单元顶表面俯视图；
图4是本发明一种5G毫米波宽带双极化天线阵列3D示意图；
图5是本发明一种5G毫米波宽带双极化天线单元回波损耗曲线图；
图6是本发明一种5G毫米波宽带双极化天线单元增益随频率变化曲线；
图7a是本发明一种5G毫米波宽带双极化天线单元
的二维辐射方向图；
图7b是本发明一种5G毫米波宽带双极化天线单元
的二维辐射方向图；
图8是本发明一种5G毫米波宽带双极化天线阵列电压驻波比曲线图；
图9是本发明一种5G毫米波宽带双极化天线阵列双极化端口之间隔离度曲线图；
图10是本发明一种5G毫米波宽带双极化天线阵列的增益曲线图；
图11是本发明一种5G毫米波宽带双极化天线阵列的交叉极化比曲线图。
图中：1接地面、2三层介质基板、3带状线馈电网络、4驱动贴片层、5支撑框架、6辐射贴片层、7“E”形馈电网络、21第一层介质基板、22第二层介质基板、23第三层介质基板、31圆形焊盘、32矩形带状线、41正方形贴片、42耦合寄生枝节一、43金属化过孔、61正方形金属贴片、62耦合寄生枝节二。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
参照图1-11，一种5G毫米波宽带双极化天线单元，包括接地面1、三层介质基板2、带状线馈电网络3、驱动贴片层4、支撑框架5、辐射贴片层6，三层介质基板2包括第一层介质基板21、第二层介质基板22、第三层介质基板23，接地面1印制在第一层介质基板21的下表面，带状线馈电网络3印制在第一层介质基板21的上表面，驱动贴片层4印制在第二层介质基板22的上表面，第一层介质基板21和第二层介质基板22紧密压合在一起，支撑框架5位于第二层介质基板22上侧，第三层介质基板23位于支撑框架5的上侧，辐射贴片层6印制在第三层介质基板23的上表面。
本发明中，三层介质基板2材料均为Rogers5880高频板材，第一层介质基板21和第二层介质基板22的厚度为10mil，有利于扩展带状线的线宽，降低加工难度，第三层介质基板23的厚度为5mil，有利于进一步降低介质损耗，提高天线效率。
本发明中，接地面1、带状线馈电网络3、驱动贴片层4、辐射贴片层6材料均为厚度为0.017mm的铜。
本发明中，驱动贴片层4由带四个切角的正方形贴片41和四个耦合寄生枝节一42组成。
本发明中，带状线馈电网络3为双极化馈电网络，每一个极化由圆形焊盘31和矩形带状线32两部分组成。
本发明中，带切角的正方形贴片41通过金属化过孔43与带状线馈电网络3的圆形焊盘31相连。
本发明中，四个耦合寄生枝节一42位于正方形的四个切角处，形状为
宽度为0.2-0.3mm，与正方形贴片的切角部平行且距离为0.1-0.2mm。
本发明中，支撑框架5为中间挖空结构，长、宽与三层介质板2相同，高度为0.7-0.9mm，材料为耐高温、抗腐蚀性好、不易变形的不锈钢，中间掏空结构可以进一步降低损耗，提高天线增益和辐射效率。
本发明中，辐射贴片6由带切角的正方形金属贴片61和四个耦合寄生枝节二62组成，四个耦合寄生枝节二62位于正方形的四个切角处，形状为
宽度为0.2-0.3mm，与正方形金属贴片61的切角部平行且距离为0.1-0.2mm，辐射贴片层6位于驱动贴片层4的垂直正上方。
如图4所示，一种5G毫米波宽带双极化天线阵列，包括上述任意一项的毫米波宽带双极化天线单元和两个“E”形馈电网络7，两个“E”形馈电网络7印制在第二层介质基板2上表面，两个毫米波天线单元之间的间距为0.5-0.7个波长。
为了进一步说明本发明一种5G毫米波宽带双极化天线单元及阵列良好的性能，利用电磁仿真软件HFSS对本实施例进行建模仿真。
图5为本实施例一种5G毫米宽带双极化天线单元的回波损耗仿真结果，由图5可知，天线单元回波损耗小于-10dB的带宽为23.97～30.3GHz，在25.3GHz和29.2GHz处产生两个谐振频点，这两个谐振频点共同作用产生了良好的宽带性能。
图6为本实施例一种5G毫米宽带双极化天线单元在工作频段内的增益曲线，由图6可知，在工作频段内天线单元的增益大于6.2dBi，增益波动小于0.8dB，具有良好的增益稳定性。
图7a和图7b为本实施例一种5G毫米宽带双极化天线单元在
和
的两个平面的二维辐射方向图，由图7a和图7b可知，在24GHz、27GHz、29GHz三个频点处该天线单元的3dB波束宽度在76°±6°范围内，并具有良好的定向辐射特性。
图8为本实施例一种5G毫米宽带双极化天线阵列的电压驻波比仿真结果，由图8可知，该天线阵列电压驻波比小于1.5的阻抗带宽为23.8～30.46GHz，能同时覆盖n275&n258(24.25～29.5GHz)两个5G毫米波频段。
图9为本实施例一种5G毫米宽带双极化天线阵列双极化端口之间的隔离度仿真结果，由图9可知，在工作频段内，天线阵列双极化端口之间的隔离度小于-18dB，具有良好的极化隔离度。
图10为本实施例一种5G毫米宽带双极化天线阵列的增益仿真结果，由图10可知，24.3GHz、27GHz和29.5GHz三个频点处的该天线阵的增益在9.9～11.3dBi之间，可以看到组阵之后在方向天线的波束宽度明显变窄，具有更高的辐射方向性。
图11为本实施例一种5G毫米宽带双极化天线阵列交叉极化比仿真结果，由图11可知天线阵列的极化识别率，在-30°＜θ＜30°角度范围内大于15dB,在-60°＜θ＜60°范围内极化识别率大于10dB。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种5G毫米波宽带双极化天线单元，包括接地面(1)、三层介质基板(2)、带状线馈电网络(3)、驱动贴片层(4)、支撑框架(5)、辐射贴片层(6)，其特征在于，所述三层介质基板(2)包括第一层介质基板(21)、第二层介质基板(22)、第三层介质基板(23)，所述接地面(1)印制在第一层介质基板(21)的下表面，带状线馈电网络(3)印制在第一层介质基板(21)的上表面，所述驱动贴片层(4)印制在第二层介质基板(22)的上表面，所述第一层介质基板(21)和第二层介质基板(22)紧密压合在一起，所述支撑框架(5)位于第二层介质基板(22)上侧，所述第三层介质基板(23)位于支撑框架(5)的上侧，所述辐射贴片层(6)印制在第三层介质基板(23)的上表面。
2.根据权利要求1所述的一种5G毫米波宽带双极化天线单元，其特征在于，所述三层介质基板(2)材料均为Rogers5880高频板材，第一层介质基板(21)和第二层介质基板(22)的厚度为10mil，第三层介质基板(23)的厚度为5mil。
3.根据权利要求1所述的一种5G毫米波宽带双极化天线单元，其特征在于，所述接地面(1)、带状线馈电网络(3)、驱动贴片层(4)、辐射贴片层(6)材料均为厚度为0.017mm的铜。
4.根据权利要求1所述的一种5G毫米波宽带双极化天线单元，其特征在于，所述驱动贴片层(4)由带四个切角的正方形贴片(41)和四个耦合寄生枝节一(42)组成。
5.根据权利要求1所述的一种5G毫米波宽带双极化天线单元，其特征在于，所述带状线馈电网络(3)为双极化馈电网络，每一个极化由圆形焊盘(31)和矩形带状线(32)两部分组成。
6.根据权利要求4所述的一种5G毫米波宽带双极化天线单元，其特征在于，所述带切角的正方形贴片(41)通过金属化过孔(43)与带状线馈电网络(3)的圆形焊盘(31)相连。
7.根据权利要求4所述的一种5G毫米波宽带双极化天线单元，其特征在于，四个耦合寄生枝节一(42)位于正方形的四个切角处，形状为
宽度为0.2-0.3mm，与正方形贴片的切角部平行且距离为0.1-0.2mm。
8.根据权利要求1所述的一种5G毫米波宽带双极化天线单元，其特征在于，所述支撑框架(5)为中间挖空结构，长、宽与三层介质板(2)相同，高度为0.7-0.9mm，材料为耐高温、抗腐蚀性好、不易变形的不锈钢。
9.根据权利要求1所述的一种5G毫米波宽带双极化天线单元，其特征在于，所述辐射贴片(6)由带切角的正方形金属贴片(61)和四个耦合寄生枝节二(62)组成，四个耦合寄生枝节二(62)位于正方形的四个切角处，形状为
宽度为0.2-0.3mm，与正方形金属贴片(61)的切角部平行且距离为0.1-0.2mm，所述辐射贴片层(6)位于驱动贴片层(4)的垂直正上方。
10.根据权利要求1所述的一种5G毫米波宽带双极化天线阵列，其特征在于，包括上述权利要求1-9中任意一项所述的毫米波宽带双极化天线单元和两个“E”形馈电网络(7)，两个“E”形馈电网络(7)印制在第二层介质基板(2)上表面，两个毫米波天线单元之间的间距为0.5-0.7个波长。
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