一种双馈式的圆极化毫米波阵列天线系统的制作方法

文档序号:11203831
一种双馈式的圆极化毫米波阵列天线系统的制造方法与工艺

本发明属于通信技术领域,特别是涉及一种双馈式的圆极化毫米波阵列天线系统。



背景技术:

波长为1~10毫米的电磁波称毫米波,它位于微波与远红外波相交叠的波长范围,因而兼有两种波谱的特点,为下一代通信的主要频段。毫米波阵列天线是通过等幅同相等方式实现的平面或者立体的天线阵列。

第五代移动通信(5G)系统作为移动通信领域的下一个技术和标准发展的阶段,逐渐走入人们视野。近年来,5G技术被注以极高的关注度,并进入实质性研究阶段。而毫米波通信技术是5G通信中的关键技术,能够大幅提升通信速率、减少延时并提升系统容量。

毫米波通信中很重要的研究停留在毫米波天线的研究中,目前毫米波天线体积小,易于组阵的特点被广泛的研究和应用。毫米波天线阵列应用于手机终端时,能够实现很好的波束赋形(波束赋形是一种基于天线阵列的信号预处理技术,波束赋形通过调整天线阵列中每个阵元的加权系数产生具有指向性的波束,从而能够获得明显的阵列增益)。目前很少有通信终端涉及到毫米波天线阵列系统。现有技术中苹果公司申请的专利号为CN201621122875.X公开了一种电子设备,重点描述了一种毫米波和非毫米波移动终端天线的方案,该方案中描述的毫米波阵列都是最基本的线极化天线,在特定情况下的发射接收信号时,不可避免的产生了一定的极化损失。在最新的3GPP(3GPP成立于1998年12月,多个电信标准组织伙伴签署了《第三代伙伴计划协议》,是国际通信协议的主要讨论和制定组织,现在3GPP正在加快讨论毫米波相关协议,为5G的到来做好准备)会议中,有关组织在考虑是否将毫米波的极化特性考虑进去,是否要在设计毫米波终端和基站阵列的时候,保证同时产生水平极化和垂直极化的电磁波,在此背景下,具有圆极化特性的毫米波终端阵列就显的尤为具有优势。



技术实现要素:

本发明的主要目的在于提供一种双馈式的圆极化毫米波阵列天线系统,能够辐射圆极化波电磁波,在能够产生很好的波束赋形的基础之上,能够更好的提高收发效率,达到减小极化损失的目的。

本发明通过如下技术方案实现上述目的:一种双馈式的圆极化毫米波阵列天线系统,其包括基板、设置在所述基板上的毫米波阵列天线、与所述毫米波阵列天线连通的第一馈电单元与第二馈电单元,所述毫米波阵列天线包括若干呈正方形阵列分布的矩形金属贴片,所述矩形金属贴片之间通过带状的金属条连通,所述第一馈电单元与所述第二馈电单元分别位于所述毫米波阵列天线的相邻的两边且相互垂直设置。

进一步的,所述矩形金属贴片的边长为1-4mm。

进一步的,所述毫米波阵列天线的谐振频点在28-60GHZ时,所述矩形金属贴片的边长为3-4 mm。

进一步的,所述毫米波阵列天线的谐振频点在60GHZ以上时,所述矩形金属贴片的边长为1-2mm。

进一步的,相邻两个所述矩形金属贴片之间的纵向或横向距离为4-6mm。

进一步的,所述毫米波阵列天线为为n*n 阵列,其中 15。

进一步的,所述第一馈电单元与所述第二馈电单元均包含有两个馈电点。

进一步的,所述馈电点通过微带线和连接单元与所述毫米波阵列天线连通。

进一步的,所述微带线上设置有两段不同的宽度,靠近所述馈电点一端的宽度小。

与现有技术相比,本发明一种双馈式的圆极化毫米波阵列天线系统的有益效果在于:能够辐射圆极化波电磁波,在能够产生很好的波束赋形的基础之上,能够更好的提高收发效率,达到减小极化损失的目的。具体的,在不增加阵列数量的基础之上,设计圆极化特性的毫米波阵列天线,能够同时产生水平极化和垂直极化的电磁波,保证了天线系统在收发信号的同时,最大程度上的减少天线的极化损失,本方案中设计的圆极化形式的毫米波阵列不仅能够完美的解决3GPP组织对未来毫米波双极化特性的构想,同时也填补了终端天线一直没有真正意义上的圆极化天线的空白。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图;

图2为本发明实施例在水平极化方式下仿真的辐射方向图;

图3为本发明实施例在垂直极化方式下仿真的辐射方向图;

图4为本发明实施例在通信终端中应用时的最佳设置位置示意图;

图5为本发明实施例中连接单元的结构示意图;

图中数字表示:

100双馈式的圆极化毫米波阵列天线系统;

1基板;2毫米波阵列天线,21矩形金属贴片,22金属条;3第一馈电单元;4第二馈电单元,41微带线,42连接单元;P1、P2、P3、P4馈电点。

具体实施方式

实施例:

请参照图1,本实施例为双馈式的圆极化毫米波阵列天线系统100,其包括基板1、设置在基板1上的毫米波阵列天线2、与毫米波阵列天线2连通的第一馈电单元3与第二馈电单元4。

毫米波阵列天线2包括若干呈正方形阵列分布的若干矩形金属贴片21,所述矩形金属贴片21之间通过带状的金属条22连通。

矩形金属贴片21的边长为1-4mm,具体的,当需要设计28-60GHZ的毫米波波段天线时,矩形金属贴片21的边长最优的选择为3-4 mm,这样能够保证单元的矩形金属贴片21产生的辐射谐振频率在对应的毫米波波段;当需要设计60GHZ以上的毫米波波段天线系统时,矩形金属贴片21的边长最优的取值为1-2mm。

相邻两个矩形金属贴片21之间的距离会显着影响各个单元之间的耦合特性,对最后阵列的整体方向图和波束赋形(波束赋形是一种基于天线阵列的信号预处理技术,波束赋形通过调整天线阵列中每个阵元的加权系数产生具有指向性的波束,从而能够获得明显的阵列增益)效果产生影响。因此,本实施例中,相邻两个矩形金属贴片21之间的纵向或横向距离为4-6mm,具体的,在28GHz频段设计时,以6mm为较好的间隔,在设计60GHz阵列时,单元的间隔要相应的等比例缩小,此时,选择4mm为最佳。

本实施例中,毫米波阵列天线2是一个3乘3的矩形金属贴片21阵列,矩形金属贴片21的两个边长可以相等也可以不相等,且矩形金属贴片21之间的纵向距离和横向距离也可以相等也可以不相等。在其他实施例中,毫米波阵列天线2可设计为n*n 阵列,其中15,若单排矩形金属贴片21的数量过多,使得天线整体尺寸较大,不便集成。将矩形金属贴片21用金属条22连通,其作用是能够保证各个单元之间的联合馈电。

第一馈电单元3与第二馈电单元4结构相同,分别位于毫米波阵列天线2的相邻的两边且相互垂直设置。第一馈电单元3与第二馈电单元4均包含有两个馈电点,分别为P1和P2、P3和P4,此双馈系统能够更好的调节输入阻抗,保证整个天线系统的匹配特性;且通过第一馈电单元3与第二馈电单元4的联合工作,天线能够产生圆极化(当无线电波的极化面与大地法线面之间的夹角从0~360°周期的变化,即电场大小不变,方向随时间变化,电场矢量末端的轨迹在垂直于传播方向的平面上投影是一个圆时,称为圆极化,在电场的水平分量和垂直分量振幅相等,相位相差90°或270°时,便可以得到圆极化。)特征,此时圆极化特性的产生机理为:当调整两组馈电单元中馈电点的相位差时,能够保证馈入天线系统的能量为90度相位差,另外,两组馈电点的位置决定了馈入的能量在空间上是正交的,以上所述两点满足了圆极化产生的条件,所以整个天线系统能够实现圆极化。所述馈电点通过微带线41和连接单元42与毫米波阵列天线2连通。微带线41上设置有两段不同的宽度,靠近所述馈电点一端的宽度小。通过设置宽度不同的微带线41结构,能够实现馈电点的阻抗变化,保证馈电点阻抗和天线阻抗匹配,保证馈入能量尽量多的传到天线端并辐射出去,减少了损耗。

第一馈电单元3中的微带线41与第二馈电单元4中的微带线41相互垂直设置,且各自垂直于毫米波阵列天线2中的对应边,以保证两组馈电点的位置上馈入的能量在空间上是正交的。

请参照图5,连接单元42为一个“回”字型金属片结构。连接单元42是一个呈回字形的微带型式四端口网络结构,所述端口依次定义为A、B、C、D端口,其中C、D端口馈入能量,A、B端口将能量直接传输给毫米波阵列天线2,但是因为毫米波阵列天线2中的金属贴片组阵的间隔较近,A、B端口之间会存严重的互耦,并且C端口除了向A端口馈电,不可避免的向B端口耦合,同样,D端口希望向B端口馈电,但是也不可避免的耦合到A端口上,通过以上的四端口匹配网络的设计,能够保证C端口绝大部分能量馈入A、D端口绝大部份能量馈入B端口,能够消除互耦对组阵的影响。四个所述端口分为两组分别位于连接单元42的一组对边上,且其中一组端口通过微带线41与所述馈电点连通,另外一组端口与矩形金属贴片21连通。

图2与图3分别为本实施例在水平、垂直极化方式下的辐射方向图,从图2与图3中可以看出水平和垂直两个极化方式的辐射方向图的定向性都非常好,最大辐射方向一致,都在0度方向,这表明整个天线系统实际上是实现了很好的圆极化辐射特性。且本实施例双馈式的圆极化毫米波阵列天线系统100的整体增益能够达到20DBI以上,实现了高增益特性。

请参照图4,本实施例双馈式的圆极化毫米波阵列天线系统100在通信终端中使用时,最佳的集成在通信终端的上下左右四个边边缘位置,由于本实施例所述的毫米波阵列尺寸足够小,易于集成,所以可以很方便的放置在手机的边缘,可以通过LDS技术雕刻在终端壳体之上。LDS-Laser Direct Structuring 激光直接成型技术是一种专业镭射加工、射出与电镀制程的3D-MID“Three –dimensional Molded Interconnect Device”生产技术,其原理是将普通的塑胶组件/电路板赋予电气互连功能、支撑元器件功能和塑料壳体的支撑、防护等功能,以及由机械实体与导电图形结合而产生的屏蔽、天线等功能结合于一体,形成所谓3D-MID,适用于IC Substrate、HDIPCB、Lead Frame局部细线路制作。此技术可应用在手机天线、汽车用电子电路、提款机外壳及医疗级助听器。目前最常见的在于手机天线,一般常见手机天线内建方法,大多采用将金属片以塑胶热融方式固定在手机背壳或是将金属片直接贴在手机背壳上,LDS可将天线直接雷射在手机外壳上,不仅避免内部手机金属干扰,更缩小手机体积。

本实施例双馈式的圆极化毫米波阵列天线系统100的有益效果在于:能够辐射圆极化波电磁波,在能够产生很好的波束赋形的基础之上,能够更好的提高收发效率,达到减小极化损失的目的。具体的,在不增加阵列数量的基础之上,设计圆极化特性的毫米波阵列天线,能够同时产生水平极化和垂直极化的电磁波,保证了天线系统在收发信号的同时,最大程度上的减少天线的极化损失,本方案中设计的圆极化形式的毫米波阵列不仅能够完美的解决3GPP组织对未来毫米波双极化特性的构想,同时也填补了终端天线一直没有真正意义上的圆极化天线的空白。

以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明创造构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。

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