一种适用于波束扫描的毫米波双频段多谐振器混合天线

1.本发明属于微波通信技术领域，具体涉及一种适用于波束扫描的毫米波双频段多谐振器混合天线。


背景技术：

2.毫米波技术是第五代移动通信技术实现高数据速率无线通信的关键因素。目前世界范围内授权的5g毫米波频段为n257(26.5-29.5ghz)、n258(24.25-27.5ghz)、n260(37.0-40.0ghz)和n261(27.5-28.35ghz)，一般来说，n257、n258和n261频段被划分为28ghz频段，而n260频段被划分为39ghz频段。双频段天线可以减少系统中天线的数目，简化硬件结构，降低系统的成本，是覆盖上述28/39ghz毫米波频段的理想方案。根据频谱划分，要求所设计的毫米波天线在28ghz和39ghz这两个频段内都必须具备较宽的带宽。此外，为了应对毫米波范围内产生的路径损耗，在实际应用中毫米波天线通常以阵列形式出现。为了提高天线的空间覆盖率，天线阵列必须具有宽的波束扫描角度，这就要求毫米波天线阵列间距保持在约半个波长，从而进一步要求天线单元的平面尺寸须远小于半个波长。在此背景下，就天线技术领域而言，设计一款覆盖毫米波28/39ghz的双频双宽带、小型化的天线具有重要的研究意义。
3.目前所提出的毫米波双频段天线主要分为三类且存在局限性：第一种是通过在单个谐振器中激发双/多个工作模式的方式实现双频段覆盖，但是由于单辐射体天线模式数量有限(≦3个模式)，故往往导致每个频段的带宽过窄(～5％)；第二种方法是通过使用多种谐振器结构，实现毫米波的双频段覆盖，但是现有的设计仍然只局限在两到三个谐振器，因此提供的模式仍然数量有限(≦3个模式)，无法实现两个频段的宽频带覆盖；第三种方法是将前两种方法综合使用，虽然可以实现双频段的宽带覆盖，但往往导致天线尺寸过大，无法实现宽角度波束扫描的问题。


技术实现要素：

4.本发明针对上述现有技术所存在的问题，提出了一种适用于波束扫描的毫米波双频段多谐振器混合天线，解决了现有的毫米波双频段天线设计中存在的天线带宽较窄、平面尺寸大、各频段不易单独调节等问题。
5.本发明为实现上述发明目的，采取的技术方案如下：
6.一种适用于波束扫描的毫米波双频段多谐振器混合天线，包括有自上而下依次叠置的第一基板、第二基板及第三基板，第一基板与第二基板之间为粘合板，第三基板与第四基板之间为粘合板；所述第一基板的上表面印刷第一矩形金属贴片和环绕第一矩形金属贴片的n
×
n个金属带条；所述第二基板的上表面印刷第二矩形金属贴片；所述第三基板的上表面设置金属地；所述金属地蚀刻有一条矩形缝隙；所述第三基板的下表面设置用于馈电的微带线；所述天线的四周设置有内层金属化通孔与外层金属化通孔；所述内层金属化通孔贯穿第二基板向下延伸至第三基板形成基片集成波导背腔；所述外层金属化通孔贯穿第
一基板和第二基板向下延伸至金属地；射频激励信号由微带线馈入，通过矩形缝隙耦合对位于其上的天线进行馈电。
7.进一步的作为本发明的优选技术方案，所述n
×
n个金属带条为2
×
2个金属带条。
8.进一步的作为本发明的优选技术方案，所述外层金属化通孔以外的第一基板的上表面部分作印刷金属处理。
9.进一步的作为本发明的优选技术方案，所述矩形缝隙作为一个辐射单元提供一个谐振模式工作于28ghz频段；第一基板上表面的金属带条产生另一个谐振点工作于28ghz频段；位于第一基板和第二基板上表面的两个层叠型的第一矩形金属贴片与第二矩形金属贴片分别产生贴片基模tm
01
两个谐振模式，产生的两个谐振点工作于39ghz频段。
10.进一步的作为本发明的优选技术方案，所述微带线连接匹配枝节改善混合天线的整体阻抗匹配。
11.进一步的作为本发明的优选技术方案，所述天线拓展为1
×
n波束扫描天线阵列。
12.本发明所述的一种适用于波束扫描的毫米波双频段多谐振器混合天线，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
13.1、本发明采用矩形缝隙可以很好的激励起整个天线辐射单元。
14.2、本发明在28ghz和39ghz频段处均获得了两个谐振模式，实现了28gh和39ghz这两个5g毫米波热点频段覆盖；引入层叠矩形贴片和金属带条寄生结构使得整体设计实现低剖面，本发明天线整体剖面高度仅为1.2mm(～0.11λ0@28ghz)。
15.3、本发明采用混合天线方案，在同一结构下混合多种辐射单元，结构紧凑，因此只需较小的辐射单元平面尺寸便可实现，辐射单元平面尺寸为0.345λ1×
0.345λ1(～λ1@28ghz)。
16.4、本发明在天线周围采用内外两层金属化通孔，抑制表面波，提高天线增益。
17.5、本发明的天线具有良好的辐射性能，方向图对称，交叉极化较小。
18.6、本发明使用多谐振器混合天线设计方案，结构紧凑具有较小的辐射单元平面尺寸，辐射单元平面尺寸为0.345λ1×
0.345λ1(λ1@28ghz)，因此可以方便地拓展为波束扫描天线阵列。
附图说明
19.图1是本发明实施例的结构示意图一；
20.图2是本发明实施例的结构示意图二；
21.图3是本发明实施例的结构示意图三；；
22.图4是本发明实施例的天线阵列示意图；
23.图5是本发明实施例的天线单元的|s
11
|和增益仿真结果图；
24.图6是本发明实施例在24.4ghz处与28.8ghz处谐振点的仿真方向图；
25.图7是本发明实施例在37.6ghz处与39.2ghz处谐振点的仿真方向图；
26.图8是本发明实施例的天线阵列的s参数仿真结果图；
27.图9是本发明实施例的天线阵列的增益仿真结果图；
28.图10是本发明实施例的天线阵列在28ghz时波束扫描范围仿真结果图；
29.图11是本发明实施例的天线阵列在39ghz时波束扫描范围仿真结果图；
30.附图中，1、金属带条；2、第一矩形金属贴片；3、外层金属化通孔；4、第一基板；5、第二矩形金属贴片；6、内层金属化通孔；7、第二基板；8、矩形缝隙；9、金属地；10、第三基板；11、微带线。
具体实施方式
31.下面结合附图详细的描述本发明的作进一步的解释说明，以使本领域的技术人员可以更深入地理解本发明并能够实施，但下面通过参考实例仅用于解释本发明，不作为本发明的限定。
32.如图1至图3所示，一种适用于波束扫描的毫米波双频段多谐振器混合天线，包括有自上而下依次叠置的第一基板4、第二基板7及第三基板10，第一基板4与第二基板7之间为粘合板，第三基板7与第四基板10之间为粘合板；第一基板4的上表面印刷第一矩形金属贴片2和环绕第一矩形金属贴片2的2
×
2个金属带条1；第二基板7的上表面印刷第二矩形金属贴片5；第三基板10的上表面设置金属地9；金属地9蚀刻有一条矩形缝隙8；第三基板10的下表面设置用于馈电的微带线11；天线的四周设置有内层金属化通孔6与外层金属化通孔3；内层金属化通孔6贯穿第二基板7向下延伸至第三基板10形成基片集成波导背腔；外层金属化通孔3贯穿第一基板4和第二基板7向下延伸至金属地9；射频激励信号由微带线11馈入，通过矩形缝隙8耦合对位于其上的天线进行馈电。
33.外层金属化通孔3以外的第一基板4的上表面部分作印刷金属处理。矩形缝隙8作为一个辐射单元提供一个谐振模式工作于28ghz频段；第一基板4上表面的金属带条1产生另一个谐振点工作于28ghz频段；位于第一基板4和第二基板7上表面的两个层叠型的第一矩形金属贴片2与第二矩形金属贴片5分别产生贴片基模tm
01
两个谐振模式，产生的两个谐振点工作于39ghz频段。由此，每个频段均存在两个谐振点从而实现毫米波双频段宽频的工作效果；在此基础上，在微带线11上进一步引入匹配枝节改善混合天线的整体阻抗匹配。
34.本发明在实现毫米波双频带宽频覆盖的同时能兼顾较小平面尺寸和低剖面的优异特性，可以方便地拓展为波束扫描天线阵列，极具实用价值。如图4所示，本发明因此适用于波束扫描天线阵列，基于该天线构建的1
×
4阵列具有良好的波束扫描能力。
35.本发明采用金属带条-缝隙-层叠矩形贴片混合天线方案。其中矩形缝隙8和金属带条1提供28ghz频段的第一、第二个谐振点；第二矩形金属贴片5的基模tm
01
模式提供39ghz频段的第一个谐振点、第一矩形金属贴片2的基模tm
01
模式提供39ghz频段的第二个谐振点，因此，在28ghz频段和39ghz频段均存在两个谐振点。然后，用长度大约为四分之一波长的匹配枝节进行阻抗匹配，以获得较好阻抗带宽。最终，本发明实现了毫米波双频段宽频设计，成功覆盖n257、n258、n260频段和n261频段这几个毫米波频段。
36.本天线设计主要解决了现有的毫米波双频段天线设计中存在的天线带宽较窄、平面尺寸大、各频段不易单独调节等问题。首先，本发明在金属地9上蚀刻有一条矩形缝隙8，与第三基板10下方的微带线11构成缝隙耦合结构，该结构可以很好的激励整个天线单元；其次，在天线单元外围设置两层金属化通孔用来抑制表面波，提高天线增益。
37.具体实施时，本发明是一种毫米波双频段金属带条-缝隙-层叠矩形贴片混合天线，仿真软件使用hfss，其天线单元和阵列的结构如图1至图4所示。第一基板4、第二基板7及第三基板10采用的低介电常数介质基板的介电常数为3.55，损耗角为0.0027；第一基板
4、第二基板7及第三基板10之间的粘合板介电常数为3.66，损耗角为0.004。整体剖面高度1.2mm(～0.11λ0@28ghz)，平面尺寸0.345λ1×
0.345λ1(～λ1@28ghz)。
38.具体天线结构的参数如表1所示：
39.表1
40.名称h1h2h3hl1l2l3l4尺寸(mm)0.5080.3050.2030.110.24.83.71.75名称l5wkd1d2rlsws尺寸(mm)1.6250.40.6250.60.80.11.80.2名称l
m1wm1
l
m2wm2
gd
ꢀꢀ
尺寸(mm)1.630.86.480.45154.8
ꢀꢀ
41.天线单元的传输响应如图5所示，以|s
11
|≤-10db为标准，阻抗带宽范围为23.9-29.7ghz(相对带宽为21.75％)，36.2-40.6ghz(相对带宽为～11.59％)，可见很好的覆盖了n257、n258、n261以及n260的这四个5g毫米波热点频段，实现了毫米波双频段的宽频覆盖。由辐射响应图5可知本天线所产生的频带内平均增益均为7dbi以上。图6为24.4ghz处即缝隙谐振点与28.8ghz处即2
×
2金属带条谐振点的仿真方向图；图7为37.6ghz处即第二矩形金属贴片5谐振点与39.2ghz处即第一矩形金属贴片2谐振点的仿真方向图；由图可知天线两个毫米波频段的所有方向图对称、交叉极化在3db波束范围内优于30db。
42.天线阵列的传输响应如图8所示，以|s
11
|≤-10db为标准，阻抗带宽范围为24.1-30.4ghz(相对带宽为23.12％)，36.52-40.75ghz(相对带宽为～11％)，可见该天线单元构建的1
×
4阵列仍然能够很好的覆盖n257、n258、n261以及n260的这四个5g毫米波热点频段，实现了毫米波双频段的宽频覆盖。由辐射响应图9可知本天线阵列在28ghz频段内的增益大于9.6dbi，在39ghz频段内的增益大于13dbi。图10中，本天线阵列在28ghz时可实现阵列辐射扫描角度为θ＝0
°
、25
°
、50
°
；图11中，本天线阵列在39ghz时可实现阵列辐射扫描角度为θ＝0
°
、15
°
、30
°
。由此可见，本文所提出的天线适用于波束扫描阵列，基于该天线构建的1
×
4阵列在28ghz和39ghz处分别具有
±
50
°
和
±
30
°
波束扫描性能。
43.本发明采用在金属地9上蚀刻有一条矩形缝隙8同时激励金属带条-缝隙-层叠矩形贴片四个辐射结构，在每个频段均可以存在两个谐振点，实现了28gh和39ghz这两个5g毫米波热点频段的宽频的工作效果。本发明采用层叠矩形贴片结构，因此具有低的剖面高度的特性，天线整体高度仅为1.2mm(～0.11λ1@28ghz)；在同一天线结构下混合多种辐射单元，结构紧凑，只需较小的单元平面尺寸便可实现，单元平面尺寸为0.345λ1×
0.345λ1(～λ1@28ghz)，本发明因此适用于波束扫描天线阵列，基于该天线构建的1
×
4阵列具有良好的波束扫描能力。
44.本发明使用多谐振器混合天线设计方案，结构紧凑具有较小的辐射单元平面尺寸，辐射单元平面尺寸为0.345λ1×
0.345λ1(λ1@28ghz)，因此可以方便地拓展为波束扫描天线阵列。基于该天线构建的1
×
4阵列具有良好的波束扫描能力，在28ghz和39ghz处分别具有
±
50
°
和
±
30
°
波束扫描性能。相对于毫米波天线其他方案，本发明提出的天线设计具有结构紧凑、宽频的双频段、尺寸小、剖面低，每个谐振点可以进行单独调节等优点。
45.以上所述的具体实施方案，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方案而已，并非用以限定本发
明的范围，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所做出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

技术特征：
1.一种适用于波束扫描的毫米波双频段多谐振器混合天线，包括有自上而下依次叠置的第一基板(4)、第二基板(7)及第三基板(10)，第一基板(4)与第二基板(7)之间为粘合板，第三基板(7)与第四基板(10)之间为粘合板；其特征在于，所述第一基板(4)的上表面印刷第一矩形金属贴片(2)和环绕第一矩形金属贴片(2)的n
×
n个金属带条(1)；所述第二基板(7)的上表面印刷第二矩形金属贴片(5)；所述第三基板(10)的上表面设置金属地(9)；所述金属地(9)蚀刻有一条矩形缝隙(8)；所述第三基板(10)的下表面设置用于馈电的微带线(11)；所述天线的四周设置有内层金属化通孔(6)与外层金属化通孔(3)；所述内层金属化通孔(6)贯穿第二基板(7)向下延伸至第三基板(10)形成基片集成波导背腔；所述外层金属化通孔(3)贯穿第一基板(4)和第二基板(7)向下延伸至金属地(9)；射频激励信号由微带线(11)馈入，通过矩形缝隙(8)耦合对位于其上的天线进行馈电。2.根据权利要求1所述的一种适用于波束扫描的毫米波双频段多谐振器混合天线，其特征在于，所述n
×
n个金属带条(1)为2
×
2个金属带条(1)。3.根据权利要求1所述的一种适用于波束扫描的毫米波双频段多谐振器混合天线，其特征在于，所述外层金属化通孔(3)以外的第一基板(4)的上表面部分作印刷金属处理。4.根据权利要求1所述的一种适用于波束扫描的毫米波双频段多谐振器混合天线，其特征在于，所述矩形缝隙(8)作为一个辐射单元提供一个谐振模式工作于28ghz频段；第一基板(4)上表面的金属带条(1)产生另一个谐振点工作于28ghz频段；位于第一基板(4)和第二基板(7)上表面的两个层叠型的第一矩形金属贴片(2)与第二矩形金属贴片(5)分别产生贴片基模tm
01
两个谐振模式，产生的两个谐振点工作于39ghz频段。5.根据权利要求1所述的一种适用于波束扫描的毫米波双频段多谐振器混合天线，其特征在于，所述微带线(11)连接匹配枝节改善混合天线的整体阻抗匹配。6.根据权利要求1至5任意一项所述的一种适用于波束扫描的毫米波双频段多谐振器混合天线，其特征在于，所述天线拓展为1
×
n波束扫描天线阵列。

技术总结
本发明属于微波通信技术领域，具体涉及一种适用于波束扫描的毫米波双频段多谐振器混合天线。包括有自上而下依次叠置的第一基板、第二基板及第三基板；第一基板的上表面印刷第一矩形金属贴片和环绕第一矩形金属贴片的n


技术研发人员：杨汶汶 陈天文 陈建新
受保护的技术使用者：南通大学
技术研发日：2023.03.07
技术公布日：2023/7/19