CN113471718A

CN113471718A - 一种异频自解耦毫米波阵列天线

Info

Publication number: CN113471718A
Application number: CN202110531855.7A
Authority: CN
Inventors: 何宇奇; 赵阁; 席梦凯; 江嘉越; 刘婷; 赵鲁豫
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Xidian University
Priority date: 2021-05-17
Filing date: 2021-05-17
Publication date: 2021-10-01

Abstract

本发明公开了一种异频自解耦毫米波阵列天线，包括：按照预定排布方式排列的辐射天线阵列；辐射天线阵列包括至少两个高频辐射天线单元和至少一个低频辐射天线单元；预定排布方式为在相邻两个高频辐射天线单元之间放置一个低频辐射天线单元。按照这种排布方式，通过调节低频天线距离高频天线的距离以及低频天线的尺寸，使得在保持辐射天线阵列间隔一定的情况下，两个高频天线单元之间的耦合可以明显降低；同时放置的低频辐射天线单元也可以正常工作，增加整个阵列的覆盖频段；这种自解耦的方法，不需要额外的电路和结构就实现了高频天线之间的隔离度提升，通过高低频天线的紧凑排布可以扩展整个毫米波阵列的工作频段。

Description

一种异频自解耦毫米波阵列天线

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种异频自解耦毫米波的多端口阵列天线。

背景技术

应用的毫米波技术是学术界和行业的热门话题，在2019世界无线电通信大会（WRC-19），为国际移动通讯（IMT）确定了一个全球统一的毫米波频段，目前全球主要的5G毫米波频段为24.25-27.5 GHz，37-43.5 GHz，45.5-47 GHz，47.2-48.2 GHz和66-71 GHz。在移动终端中，由于Sub-6GHz天线以及金属挡板和屏幕的存在，毫米波阵列的空间非常有限，因此，对毫米波多频段覆盖、小型化、高隔离度的天线阵列提出了更高的要求。

随着通讯技术的发展，毫米波天线的设计正在被越来越多的学者和公司研究，但是单一的毫米波天线单元并不能满足移动通讯的要求，所以需要将单元天线组阵来获得更高的增益。随着天线阵列的引入，天线阵列的隔离度是其中一个重要的指标，随着天线净空和相互之间间距的减少，使得天线单元间的耦合问题成为一个难点。由于天线单元之间的间距较近，造成互相直接隔离度提高，干扰增强，进而直接影响数据吞吐率，而较强的耦合使得能够有效辐射的能量减少，造成天线阵增益降低，能量利用效率低下；所以在较小体积内实现毫米波天线阵列的多频带覆盖和保证较好的隔离效果成为设计毫米波阵列天线所重视的问题。

发明内容

本发明目的是：提供一种异频自解耦毫米波阵列天线，在较小体积内，不额外添加其他解耦手段的前提下，实现毫米波的多频带覆盖和良好的隔离度。

本发明的技术方案是：一种异频自解耦毫米波阵列天线，包括：按照预定排布方式排列的辐射天线阵列；所述辐射天线阵列包括至少两个高频辐射天线单元和至少一个低频辐射天线单元；所述预定排布方式为在相邻两个所述高频辐射天线单元之间放置一个所述低频辐射天线单元。

通过在两个高频天线单元之间放置一个低频天线单元的排布方式，通过调节低频辐射天线单元距离高频辐射天线单元的距离以及低频辐射天线单元的尺寸，使得在保持辐射天线阵列间隔一定的情况下，两个高频辐射天线单元之间的耦合可以明显降低；同时放置的低频辐射天线单元也可以正常工作，增加整个阵列的覆盖频段；这种自解耦的方法，不需要额外的电路和结构就实现了高频辐射天线单元之间隔离度的提升，通过高低频辐射天线单元的紧凑排布可以扩展整个毫米波阵列的工作频段；这种排布方式的毫米波阵列天线的设计工艺简单，成本较低，结构稳定，加工技术成熟，良品率高，适合大规模生产。

其进一步的技术方案是：所述辐射天线阵列的下部依次包括第一介质基板、第一金属地层、第二介质基板、第二金属地层；所述第二介质基板上开设有金属化通孔；所述第二金属地层用于焊接接头，所述接头用于连接测试设备或毫米波前端。

通过设置双层金属地，使得辐射天线阵列连接测试设备时不会影响第一金属地层的结构，在第二介质基板上设置金属化通孔，使得第一金属地层与第二金属地层的结构有良好的接触，可以保证辐射天线阵列具有完整的辐射接地板。

其进一步的技术方案是：还包括：馈电柱；所述馈电柱的一端与所述辐射天线阵列连接，依次穿过所述第一介质基板、所述第一金属地层、所述第二介质基板，另一端与所述第二金属地层上接头的焊接处连接。

通过馈电柱连接辐射天线阵列和第二金属地层上接头的焊接处，可以使得辐射天线阵列穿过介质基板和金属底层与接头连接。

其进一步的技术方案是：每个所述高频辐射天线单元和每个所述低频辐射天线单元分别连接一个所述馈电柱。

通过对每个天线单元分别连接一个馈电柱，可以保证各个天线单元之间的馈电柱保持独立。

其进一步的技术方案是：所述高频辐射天线单元的原始耦合为第一耦合，加入的所述低频辐射天线单元吸收部分第一耦合，将部分第一耦合转移到高低频天线单元之间的第二耦合，总体的耦合能量基本保持不变。

由于高低频天线单元的工作频率差距较远，新引入的第二耦合依然处于一个可接受的范围，同时保证了新加入的低频辐射天线单元的良好工作状态。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1是本申请提供的异频自解耦毫米波阵列天线的俯视图；

图2是本申请提供的异频自解耦毫米波阵列天线的剖视图；

图3是本申请提供的异频自解耦毫米波阵列天线的示意图；

图4是本申请提供的异频自解耦毫米波阵列天线的原理示意图；

图5是本申请提供的异频自解耦毫米波阵列天线的S参数响应示意图。

其中：1、高频天线单元；2、低频天线单元；3、馈电柱与天线单元的连接位置；4、介质板；5、金属化通孔；6、馈电柱；7、第一金属地层；8、第二金属地层；9、第一介质基板；10、第二介质基板。

具体实施方式

实施例：毫米波阵列天线系统中多频带覆盖及提升天线单元之间隔离度，需要考虑：（1）如何设计天线单元的结构能使得其覆盖多频带的工作；（2）由于现阶段天线阵列设计的复杂性，如何在不加入其它去耦结构的情况下，提升天线阵列之间的隔离度。

基于上述问题，本申请提供了一种异频自解耦毫米波阵列天线，结合参考图1至图5，该异频自解耦毫米波阵列天线包括：按照预定排布方式排列的辐射天线阵列。

辐射天线阵列包括至少两个高频辐射天线单元1和至少一个低频辐射天线单元2；预定排布方式为在相邻两个高频辐射天线单元1之间放置一个低频辐射天线单元2。

在实际应用中，对于按照预定排布方式排布的高低频辐射天线单元，通过调节低频辐射天线单元2距离高频辐射天线单元1的距离以及调节低频辐射天线单元2的尺寸，可以使得在保持辐射天线阵列间隔一定的情况下，两个高频辐射天线单元1之间的耦合可以明显降低。

放置的低频辐射天线单元2可以正常工作，增加整个阵列的覆盖频段。

对于这种自解耦的排布方式，不需要额外的电路和结构就实现了高频辐射天线单元1之间隔离度的提升，通过高低频辐射天线单元的紧凑排布可以扩展整个毫米波阵列的工作频段。

如图1所示，在实际应用中，辐射天线阵列排布在介质板4上。

结合参考图2，辐射天线阵列的下部依次包括第一介质基板9、第一金属地层7、第二介质基板10、第二金属地层8。

第二介质基板10上开设有金属化通孔5。

第二金属地层8用于焊接接头，接头用于连接测试设备或毫米波前端。

该异频自解耦毫米波阵列天线还包括：馈电柱6；馈电柱6的一端与辐射天线阵列连接，依次穿过第一介质基板9、第一金属地层7、第二介质基板10，另一端与第二金属地层8上接头的焊接处连接。

示例性的，为了便于加工，馈电柱6（馈电探针）的直径设计为0.15mm。从工业加工和实际成本两方面考虑，第一介质基板9和第二介质基板10均采用工业标准厚度下罗杰斯RT4350，同时使用罗杰斯RO4450F作为上下介质基板的粘合层，第一介质基板9、第一金属地7、第二介质基板10、第二金属地层8的尺寸一致。

由于需要在金属地上连接毫米波测试接头，为了避免对辐射天线阵列所接金属地进行破坏，因此在第一金属地层7的底部增加第二金属地层，上层金属地是完好的，下层金属地用来连接测试用的接头。

馈电柱6与高频辐射天线单元1和低频辐射天线单元2连接，示例性的，图1中的圆圈部分表示馈电柱与天线单元的连接位置3。可选的，每个高频辐射天线单元1和每个低频辐射天线单元2分别连接一个馈电柱6，馈电柱6的一端与高频辐射天线单元1或低频辐射天线单元2连接，另一端接到第二金属地层8。

如图4所示，高频辐射天线单元1的原始耦合为第一耦合A，通过加入低频辐射天线单元2来吸收掉一部分的原始耦合，将一部分的第一耦合A转移到高低频天线单元之间的第二耦合B，总体的耦合能量基本保持不变，由于高低频天线单元的工作频率差距较远，新引入的第二耦合B依然处在一个接受的范围，同时保证了新加入低频辐射天线单元2的良好工作状态.

本申请提供的异频自解耦毫米波阵列天线的S参数响应示意如图5所示，在高频f2处，使用本申请提供的预定排布方式，即在两个高频辐射天线单元1之间放置一个低频辐射天线单元2的方式能够有效提升隔离度，同时低频辐射天线单元2也具有良好的辐射性能。

本申请提供的异频自解耦毫米波阵列天线，可适用于终端设备的毫米波频段通信，用来制备智能移动终端智能移动终端、无线路由器等产品和系统上。

综上所述，本申请提供的异频自解耦毫米波阵列天线，通过在两个高频天线单元之间放置一个低频天线单元的排布方式，通过调节低频辐射天线单元距离高频辐射天线单元的距离以及低频辐射天线单元的尺寸，使得在保持辐射天线阵列间隔一定的情况下，两个高频辐射天线单元之间的耦合可以明显降低；同时放置的低频辐射天线单元也可以正常工作，增加整个阵列的覆盖频段；这种自解耦的方法，不需要额外的电路和结构就实现了高频辐射天线单元之间隔离度的提升，通过高低频辐射天线单元的紧凑排布可以扩展整个毫米波阵列的工作频段；这种排布方式的毫米波阵列天线的设计工艺简单，成本较低，结构稳定，加工技术成熟，良品率高，适合大规模生产。

另外，通过设置双层金属地，使得辐射天线阵列连接测试设备时不会影响第一金属地层的结构，在第二介质基板上设置金属化通孔，使得第一金属地层与第二金属地层的结构有良好的接触，可以保证辐射天线阵列具有完整的辐射接地板。

另外，通过馈电柱连接辐射天线阵列和第二金属地层上测试接头的焊接处，可以使得辐射天线阵列穿过介质基板和金属底层与接头连接。

另外，通过对每个天线单元分别连接一个馈电柱，可以保证各个天线单元之间的馈电柱保持独立。

另外，由于高低频天线单元的工作频率差距较远，新引入的第二耦合依然处于一个可接受的范围，同时保证了新加入的低频辐射天线单元的良好工作状态。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含所指示的技术特征的数量。由此，限定的“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或者两个以上。

上述本申请实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本申请的较佳实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims

1.一种异频自解耦毫米波阵列天线，其特征在于，包括：按照预定排布方式排列的辐射天线阵列；

所述辐射天线阵列包括至少两个高频辐射天线单元和至少一个低频辐射天线单元；

所述预定排布方式为在相邻两个所述高频辐射天线单元之间放置一个所述低频辐射天线单元。

2.根据权利要求1所述的异频自解耦毫米波阵列天线，其特征在于，所述辐射天线阵列的下部依次包括第一介质基板、第一金属地层、第二介质基板、第二金属地层；

所述第二介质基板上开设有金属化通孔；

所述第二金属地层用于焊接接头，所述接头用于连接测试设备或毫米波前端。

3.根据权利要求2所述的异频自解耦毫米波阵列天线，其特征在于，还包括：馈电柱；

所述馈电柱的一端与所述辐射天线阵列连接，依次穿过所述第一介质基板、所述第一金属地层、所述第二介质基板，另一端与所述第二金属地层上接头的焊接处连接。

4.根据权利要求3所述的异频自解耦毫米波阵列天线，其特征在于，每个所述高频辐射天线单元和每个所述低频辐射天线单元分别连接一个所述馈电柱。

5.根据权利要求1至4任一所述的异频自解耦毫米波阵列天线，其特征在于，所述高频辐射天线单元的原始耦合为第一耦合，加入的所述低频辐射天线单元吸收部分第一耦合，将部分第一耦合转移到高低频天线单元之间的第二耦合，总体的耦合能量基本保持不变。