一种双极化滤波天线、阵列天线及无线通信设备

1.本发明涉及通信领域，特别涉及一种双极化滤波天线、阵列天线及无线通信设备。


背景技术：

2.毫米波移动通信是我国重点发展的战略性领域。相比sub-6ghz频段，毫米波频段具备低时延的特性，频谱资源丰富，可以满足大带宽的热点区域等应用场景，不仅可以提升民用终端的通信体验，还可以助力工业互联网等战略场景实现技术升级。在应用中，常常将滤波器与天线集成在收发机前端以抑制镜像频率干扰、中频泄漏、高次谐波以及来自其他系统的干扰，而这种方案不但造成尺寸增大，也同时引入较大的插入损耗，恶化本身的性能，难以与芯片一体化集成到系统中。因此，将滤波功能直接集成到天线结构中，不引入额外的滤波电路，这种方案有利于天线与整体系统性能的进一步提升。
3.此外，相控阵技术是毫米波通信发展过程中的关键技术之一，利用相控阵天线的波束赋形、空间复用和空间分集等技术，从而显著提升频谱效率、系统容量、覆盖效果和抗干扰能力，以满足万物互联的大量用户需求，从而实现高速率、大容量等特性。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种双极化滤波天线、阵列天线及无线通信设备。
5.本发明在不影响通带内天线本身性能工作的同时，通带外实现了高滚降的增益抑制效果，同时拓展天线单元波束宽度，可在阵列天线中实现良好的扫描性能。
6.本发明的目的通过以下技术方案实现：
7.一种双极化滤波天线，由上至下包括寄生贴片层、辐射贴片层、寄生枝节匹配层、金属地层和馈电线层，上述各功能层之间通过介质基板连接；
8.所述寄生贴片层设置寄生贴片，所述辐射贴片层包括辐射贴片及寄生谐振器，所述寄生贴片与辐射贴片构成叠层贴片，在高频带外由于电耦合起主导作用导致寄生贴片与辐射贴片上产生反相电流，在远场辐射相消，产生第一辐射零点；所述辐射贴片开槽，所述槽将寄生贴片与辐射贴片电磁耦合的形式由电耦合改为磁耦合，调控第一辐射零点由高频向低频移动。
9.进一步，所述辐射贴片开槽，所述槽包括十字型槽和四个矩形槽。
10.进一步，所述四个矩形槽分别设置在十字型槽的末端，所述矩形槽通过短路柱将辐射贴片层与金属地层连接，所述短路柱等效为辐射贴片与金属地之间并联电感，在叠层贴片反相电流的基础上进一步减弱辐射贴片上的电流强度，增强第一辐射零点的滚降性能，同时引入垂直电流，拓展波宽，增强组阵后阵列天线的波束扫描性能。
11.进一步，所述寄生谐振器为半波长开路谐振器或四分之一波长短路谐振器，所述寄生谐振器与所述辐射贴片耦合，等效于一个串联谐振与所述辐射贴片耦合，所述寄生谐振器工作在谐振频率时吸收所有能量，导致所述辐射贴片的辐射受抑制，实现带阻性能，在
通带边缘产生第二辐射零点。
12.进一步，所述寄生枝节匹配层包括四个开路枝节，所述开路枝节加载在馈电金属柱上，用于调整匹配，控制谐振频率处的电流无法正常馈入辐射贴片，使得所述辐射贴片无法正常辐射，产生第三辐射零点。
13.进一步，在辐射贴片
±
45度的对角上设置差分对，由所述馈电线层的两个单极化差分馈电网络分别激励，实现双极化。
14.进一步，所述辐射贴片和寄生贴片为单一矩形、切角矩形或多个矩形排布。
15.进一步，所述金属地层设置圆形孔，与馈电线层形成隔离。
16.一种阵列天线，包括n
×
m个如所述双极化滤波天线，n，m为自然数。
17.一种无线通信设备，包括所述的阵列天线。
18.与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
19.1、本发明叠层结构简单，可选用多种加工工艺设计，带宽宽，滤波性能好，应用场景多，可通过调整馈电网络实现一芯片驱动多天线的工作模式，减少芯片数量，节约成本。
20.2、本发明通过蚀刻槽和加载短路柱，将叠层贴片本身的电耦合作用转变为磁耦合，实现高滚降辐射零点从高频移至低频，同时利用多种结构的谐振，在没引入额外滤波电路的前提下，实现良好的滤波性能。
21.3、本发明利用加载的短路柱引入垂直电流，拓展天线单元的波束宽度，基于此设计的大规模相控阵天线可实现宽角度波束扫描，满足毫米波通信的市场化需求。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1是本发明实施例1的结构示意图。
24.图2是本发明实施例1的双极化滤波天线的结构分解图。
25.图3是本发明实施例1的寄生贴片形状示意图。
26.图4是本发明实施例1的双极化滤波天线辐射贴片层结构优化图。
27.图5是本发明实施例1的双极化滤波天线寄生枝节匹配层结构图。
28.图6是本发明实施例1的双极化滤波天线金属地层结构图。
29.图7是本发明实施例1的双极化滤波天线的s参数仿真结果图。
30.图8是本发明实施例1的双极化滤波天线的增益仿真结果图。
31.图9是本发明实施例1的双极化滤波天线的方向图仿真结果图。
32.图10是本发明实施例2的双极化滤波天线2
×
2阵列结构图。
33.图11是本发明实施例2的双极化滤波天线2
×
2阵列的有源回损仿真结果图。
34.图12是本发明实施例2的双极化滤波天线2
×
2阵列的增益仿真结果图。
35.图13是本发明实施例2的双极化滤波天线2
×
2阵列不扫描时的方向图仿真结果图。
36.图14是本发明实施例2的双极化滤波天线2
×
2阵列扫描时的方向图仿真结果图。
37.其中，1-寄生贴片层，11-寄生贴片，2-辐射贴片层，21-辐射贴片，22-十字型槽，23-矩形槽，24-短路柱，25-c型枝节，26-w型枝节，3-寄生枝节匹配层，31-开路枝节，4-金属地层，41-隔离圆孔，5-馈电线层，61-第一介质基板，62-第二介质基板，63-第三介质基板，64-第四介质基板。
具体实施方式
38.为使本发明的目的更加清晰，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
39.在本技术实施例的描述中，需要理解的时是，术语“垂直”、“上”、“下”、“周围”、“高度”、“长”、“短”、“末端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅为了便于描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的位置、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术实施例的限制。
40.此外，除非另有明确的规定和限定，术语“加载”、“连接”、“引入”、”弯折”等应做广义理解，例如，可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术实施例中的具体含义。
41.在本技术实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
42.实施例1
43.如图1-图2所示，本实施例提供一种双极化滤波天线，包括从上至下分布的寄生贴片层1、辐射贴片层2、寄生枝节匹配层3，金属地层4和馈电线层5，各功能层之间通过pcb介质基板连接，所述介质基板包括第一介质基板61、第二介质基板62、第三介质基板63及第四介质基板64连接，形成稳固的可用于测试的封装架构。
44.进一步地，pcb介质基板均为高频板材，高度可调。
45.进一步地，所述各功能层可分别由多层介质基板和多层金属层组成。
46.本技术实施例提供的一种双极化滤波天线，如图2所示，其中，所述寄生贴片层设置在辐射贴片层的上一层，所述辐射贴片层包括辐射贴片21及寄生谐振器，所述寄生贴片层设置寄生贴片，所述辐射贴片上蚀刻十字形槽和四个矩形槽，所述矩形槽通过短路柱24将辐射贴片层2与金属地层4连接，短路柱可弯折。所述十字型槽和矩形槽将寄生贴片与辐射贴片电磁耦合的主要形式由电耦合改为磁耦合，调控第一辐射零点由高频向低频移动。
47.进一步，十字型槽的中心点与辐射贴片的中心点重合，四个矩形槽分别设置在十字形槽的末端位置，所述短路柱加载在十字形槽的延长线上，所述短路柱等效为辐射贴片
与金属地之间并联电感，在叠层贴片反相电流的基础上进一步减弱辐射贴片上的电流强度，增强第一辐射零点的滚降性能，同时引入垂直电流，拓展波宽，增强组阵后阵列天线的波束扫描性能。
48.可选的，如图3所示，所述寄生贴片具体为金属贴片，贴片形式多变，贴片形状可为单一矩形贴片11、单一切角矩形贴片或多个小矩形贴片排布等形式。
49.图4为辐射贴片层2的优化示意图，如图所示，连接辐射贴片21上的四个馈电金属柱port1+、port1-、port2+、port2-提供两对差分对，对应
±
45
°
极化，由所述馈电线层的两个单极化差分馈电网络分别激励，实现双极化。
50.所述差分对指同一极化方向上存在两个馈电端口，这两个端口存在180
°
的相位差，以实现好的极化隔离性能。
51.进一步地，所述辐射贴片21与寄生贴片11相互耦合作用，在工作频带内产生两个谐振点，拓展天线阻抗带宽，同时提高天线通带内增益，因耦合方式主要为电耦合，导致在高频通带外辐射贴片21与寄生贴片11产生反相电流，在远场辐射相消，产生第一辐射零点null#1。
52.进一步地，所述辐射贴片2上开十字型槽22和四个矩形槽23，将叠层贴片电磁耦合的主要方式由电耦合转变为磁耦合，通过调整槽的长度、宽度调控第一辐射零点向低频移动，同时加载矩形槽23可使槽的尺寸小型化。
53.进一步地，所述十字型槽22的延长线上加载四个短路柱24，可在叠层贴片反相电流的基础上进一步减弱辐射贴片21上的电流强度，增强第一辐射零点的滚降性能，另外引入垂直电流，拓展波宽，增强组阵后阵列天线的波束扫描性能。
54.进一步地，所述辐射贴片21周围加载寄生谐振器，所述寄生谐振器具体为半波长开路谐振器或四分之一波长短路谐振器，形状可为c型枝节25、w型枝节26等形式，该寄生谐振器谐振可等效于一个串联谐振与辐射贴片21耦合，谐振时寄生谐振器吸收所有能量，导致所述辐射贴片的辐射受抑制，实现带阻性能，在通带边缘产生第二辐射零点null#2，形成良好的带外抑制效果。
55.可选的，所述辐射贴片具体为金属贴片，其形式多变，贴片形状可为单一矩形贴片、单一切角矩形贴片等形式。
56.可选的，所述十字型槽22和矩形槽23可弯折。
57.如图5所示，所述寄生枝节匹配层3上设置四个开路枝节31，所述四个开路枝节加载在馈电金属柱上，优化天线匹配，同时在谐振频率处电流无法正常馈入辐射贴片21，使得所述辐射贴片21无法正常辐射，产生第三辐射零点null#3，，如图8所示，第三辐射零点在40ghz附近，实现良好的带通性能。
58.可选的，所述开路枝节31末端可弯折，本实施例中开路枝节为矩形条状，四个开路枝节关于天线中心点对称。
59.所述开路枝节的长度相等，且都等于半个波长。
60.如图6所示，所述金属地层4开圆形孔41与馈电结构形成隔离，本实施例中圆形孔为四个。
61.图7是本实施例的双极化滤波天线的s参数结果图，其中，|s
11
|、|s
22
|分别表示不同极化端口1、2的回波损耗，|s
12
|代表端口1、2之间的极化隔离度，从图中可知，天线端口1、
2的-10db阻抗带宽可覆盖24.25～29.5ghz，通带内极化隔离度大于32db。
62.图8是本实施例的双极化滤波天线的增益结果图，从图中可知，天线在通带内增益平稳，在通带外有三个辐射零点，通带外1～22.5ghz增益抑制水平大于21db，22.5～23ghz的增益滚降率达到64db/ghz，通带外37-41ghz增益抑制水平大于9db，能实现良好的滤波性能。
63.图9是本实施例的双极化滤波天线在27ghz处的方向图，从图中可知，天线的3db波束宽度为86
°
，在
±
45
°
内的交叉极化比有25db以上，方向图整体对称性高。
64.实施例2：
65.如图10所示，本实施例提供了一种双极化滤波阵列天线，包括n
×
m个双极化滤波天线，本实施例具体为2
×
2个双极化滤波天线，每个滤波天线单元的两个极化端口分别由单独的差分馈电网络连接。
66.图11是本实施例的双极化滤波阵列天线的有源回损仿真结果图，其中，active s(1:1)、active s(3:1)、active s(5:1)、active s(7:1)分别表示2
×
2阵列中同一极化四个天线单元各个端口1、3、5、7的有源s参数。从图中可知，阵列天线的-10db阻抗带宽覆盖24.25～29.5ghz，覆盖n257/n258/n261频段。
67.图12是本实施例的双极化滤波阵列天线的增益曲线图，从图中可知，阵列天线在通带内增益平稳，通带外1～22.25ghz增益抑制水平大于19db，通带外37-41ghz增益抑制水平大于12db。
68.图13和图14是本实施例的双极化滤波阵列天线在中心频率27ghz处不扫描和扫描时的方向图，从图中可知，在尺寸较大的限制下，阵列天线垂直面波束能扫描至
±
45度，增益下降不超过3db，不扫描与扫描时的交叉极化比大于18db，说明阵列天线具有良好的波束扫描性能。
69.实施例3：
70.一种无线通信设备，包括上述的双极化滤波阵列天线，所述阵列天线包括n
×
m个双极化滤波天线，n和m是自然数，根据馈电网络和芯片设计灵活调整，可实现一芯片驱动多天线的工作模式。
71.综上所述，本发明叠层结构简单，可选用多种加工工艺设计，可通过调整馈电网络实现一芯片驱动多天线的工作模式，减少芯片数量，节约成本；通过蚀刻槽和加载短路柱，将叠层贴片本身的电耦合主导作用转变为磁耦合主导，实现高滚降辐射零点从高频移至低频，加载的短路柱引入垂直电流，拓展天线波束宽度；利用多种结构的谐振，在没引入额外滤波电路的前提下，实现良好的滤波性能。基于此设计的大规模相控阵天线可实现宽角度波束扫描，满足毫米波通信的市场化需求。
72.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并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种双极化滤波天线，其特征在于，由上至下包括寄生贴片层、辐射贴片层、寄生枝节匹配层、金属地层和馈电线层，上述各功能层之间通过介质基板连接；所述寄生贴片层设置寄生贴片，所述辐射贴片层包括辐射贴片及寄生谐振器，所述寄生贴片与辐射贴片构成叠层贴片，在高频带外由于电耦合起主导作用导致寄生贴片与辐射贴片上产生反相电流，在远场辐射相消，产生第一辐射零点；所述辐射贴片开槽，所述槽将寄生贴片与辐射贴片电磁耦合的形式由电耦合改为磁耦合，调控第一辐射零点由高频向低频移动。2.根据权利要求1所述的双极化滤波天线，其特征在于，所述辐射贴片开槽，所述槽包括十字型槽和四个矩形槽。3.根据权利要求2所述的双极化滤波天线，其特征在于，所述四个矩形槽分别设置在十字型槽的末端，所述矩形槽通过短路柱将辐射贴片层与金属地层连接，所述短路柱等效为辐射贴片与金属地之间并联电感。4.根据权利要求1所述的双极化滤波天线，其特征在于，所述寄生谐振器为半波长开路谐振器或四分之一波长短路谐振器，所述寄生谐振器与所述辐射贴片耦合，等效于一个串联谐振与所述辐射贴片耦合，所述寄生谐振器工作在谐振频率时吸收所有能量，导致所述辐射贴片的辐射受抑制，实现带阻性能，在通带边缘产生第二辐射零点。5.根据权利要求1所述的双极化滤波天线，其特征在于，所述寄生枝节匹配层包括四个开路枝节，所述开路枝节加载在馈电金属柱上，用于调整匹配，控制谐振频率处的电流无法正常馈入辐射贴片，使得所述辐射贴片无法正常辐射，产生第三辐射零点。6.根据权利要求1所述的双极化滤波天线，其特征在于，在辐射贴片
±
45度的对角上设置差分对，由所述馈电线层的两个单极化差分馈电网络分别激励，实现双极化。7.根据权利要求2所述的双极化滤波天线，其特征在于，所述辐射贴片和寄生贴片为单一矩形、切角矩形或多个矩形排布。8.根据权利要求1所述的双极化滤波天线，其特征在于，所述金属地层设置圆形孔，与馈电线层形成隔离。9.一种阵列天线，其特征在于，包括n
×
m个如权利要求1-8任一项所述双极化滤波天线，n，m为自然数。10.一种无线通信设备，其特征在于，包括如权利要求9所述的阵列天线。

技术总结
本发明公开了一种双极化滤波天线、阵列天线及无线通信设备，所述辐射贴片层包括蚀刻槽和加载短路柱的辐射贴片，所述辐射贴片周围加载寄生谐振器，所述寄生枝节匹配层设置开路枝节，所述金属地层为双极化滤波天线的参考地平面，所述馈电线层设置双极化差分馈电网络。本发明具有体积小、加工工艺成熟、节约成本、带宽宽、滤波性能好的优势，组成阵列天线可实现宽角度的波束扫描，满足毫米波通信设备的应用需求。求。求。


技术研发人员：章秀银 杨梓熙 姚树锋 苏华峰
受保护的技术使用者：华南理工大学
技术研发日：2023.07.10
技术公布日：2023/9/9