一种应用于5G毫米波移动终端的双极化端射相控阵天线

一种应用于5g毫米波移动终端的双极化端射相控阵天线
技术领域
1.本发明属于无线通信技术的天线设计领域，特别涉及一种应用于5g毫米波移动终端的双极化端射相控阵天线。


背景技术：

2.在5g移动通信系统中，人们对于更快的数据传输速率、更低的网络时延以及更高的信道稳定性的迫切需求已然使得毫米波成为该领域的研究热点。3gpp国际标准化组织将5g频段划分为fr1频段和fr2频段，其中24.25-29.5ghz频段是主流的毫米波商用频段。对于以智能手机为代表的移动终端设备而言，为了与毫米波的特性及相应的5g关键技术相适应，移动终端天线需要兼顾信号的传播距离与覆盖范围。具备高增益和灵活波束控制能力的相控阵天线是当前普遍采用的实现方案。为了进一步扩展链路容量、抵抗多径衰落，支持极化分集的双极化天线具有更加突出的优势。考虑到手持式移动终端使用中用户对于天线辐射的不利遮挡，需要一种具有端射辐射特性的双极化相控阵天线。
3.经过对现有技术的文献和专利检索发现，当前双极化端射相控阵天线的实现方案可按照是否共用辐射口径划分为两种。两种方案都需要紧凑的天线结构来适应移动终端有限的尺寸空间。然而，在已公开的文献中，双极化端射天线往往需要以较高的剖面和较大的净空实现宽带高增益的设计需求，且难以同时保证两种极化的优良性能。


技术实现要素：

4.为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种应用于5g毫米波移动终端的双极化端射相控阵天线，两种极化在统一的辐射口径下提供端射辐射，具有低剖面、小净空、结构紧凑的优势，且能够实现较宽的工作带宽与波束覆盖范围。
5.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
6.一种应用于5g毫米波移动终端的双极化端射相控阵天线，包括顶部金属层、中间金属层和底部金属层，顶部金属层印刷于上层介质板的上表面，中间金属层印刷于下层介质板的上表面，底部金属层印刷于下层介质板的下表面，上层介质板和下层介质板通过中间的半固化片沿竖直方向紧密压合在一起，其中：
7.所述顶部金属层包括垂直极化接地共面波导馈线、垂直极化阻抗变换段、顶层双极化辐射结构和顶层双极化解耦结构；所述中间金属层包括垂直极化容性加载结构和弯折带状线；所述底部金属层包括水平极化接地共面波导馈线、水平极化阻抗变换段、底层双极化辐射结构和底层双极化解耦结构；所述上层介质板和中间的半固化片设有垂直极化转换结构金属盲孔；所述下层介质板设有水平极化转换结构金属盲孔；所述上层介质板、半固化片和下层介质板上均设有辐射金属过孔；
8.所述垂直极化接地共面波导馈线、垂直极化阻抗变换段、垂直极化转换结构金属盲孔和垂直极化容性加载结构依次相连，形成用于激励垂直极化的信号通路；所述水平极化接地共面波导馈线、水平极化阻抗变换段、水平极化转换结构金属盲孔和弯折带状线依
次相连，形成用于激励水平极化的信号通路；所述顶层双极化辐射结构和底层双极化辐射结构通过辐射金属过孔竖直相连，形成能够支持两种正交极化的端射辐射体；所述顶层双极化解耦结构和底层双极化解耦结构电性相连，形成双极化阵元的解耦单元。
9.在一个实施例中，所述垂直极化接地共面波导馈线、垂直极化阻抗变换段、顶层双极化辐射结构、垂直极化容性加载结构、弯折带状线、水平极化接地共面波导馈线、水平极化阻抗变换段、底层双极化辐射结构、垂直极化转换结构金属盲孔和水平极化转换结构金属盲孔分别有n个单元，顶层双极化解耦结构和底层双极化解耦结构分别有n+1个单元，每一部件的各个单元均在其金属层或介质板上沿水平方向等间距排布；所述顶层双极化解耦结构的每两个单元均匀排布于顶层双极化辐射结构的一个单元的两侧；所述底层双极化解耦结构的每两个单元均匀排布于底层双极化辐射结构的一个单元的两侧。
10.示例地，n＝4，所述双极化端射相控阵天线为等间距排布的一维四元线阵，各部分结构中，其单元间距为λ0/2，λ0为自由空间中的波长，垂直极化工作于0.5波长模式，由两层辐射结构的纵向长度和辐射金属过孔的高度决定；水平极化工作于0.25波长模式，由两层辐射结构的横向宽度和所刻蚀的凹槽长度决定。
11.在一个实施例中，所述上层介质板、半固化片和下层介质板上均设有解耦金属过孔，所述顶层双极化解耦结构和底层双极化解耦结构通过解耦金属过孔竖直相连。
12.在一个实施例中，所述上层介质板、半固化片和下层介质板上均设有匹配金属过孔，所述匹配金属过孔作为感性加载，用以扩展垂直极化的工作带宽。
13.在一个实施例中，所述垂直极化接地共面波导馈线可以是由中心导带和两侧接地线构成的平面传输线；所述垂直极化阻抗变换段可以是中心导带宽度小于垂直极化接地共面波导馈线的共面传输线；所述顶层双极化辐射结构可以是关于垂直极化接地共面波导馈线的中心对称的矩形贴片，矩形贴片上刻有沿天线端射辐射方向的纵向矩形凹槽；所述顶层双极化解耦结构可以是关于水平极化接地共面波导馈线的中心对称的矩形横槽，并与顶层双极化辐射结构靠近馈线的一端相接；所述垂直极化接地共面波导馈线和垂直极化阻抗变换段依次分布于顶部金属层的馈电端，所述顶层双极化辐射结构和顶层双极化解耦结构交替分布于顶部金属层的天线辐射端。
14.在一个实施例中，所述垂直极化容性加载结构可以是直径大于金属过孔的金属圆盘；所述弯折带状线可以是沿金属层或介质板的横纵向依次弯折的五级金属带；所述垂直极化容性加载结构靠近于中间金属层的馈电端，且与中间金属层边缘的距离等同于垂直极化接地共面波导馈线和垂直极化阻抗变换段的纵向长度之和；所述弯折带状线从中间金属层的馈电端弯折延伸至辐射前端，且弯折带状线的起点与中间金属层边缘的距离等同于水平极化接地共面波导馈线和水平极化阻抗变化段的纵向长度之和，弯折带状线的第四级横跨于顶层双极化辐射结构和底层双极化辐射结构的矩形凹槽；
15.在一个实施例中，所述水平极化接地共面波导馈线可以是由中心导带和两侧接地线构成的平面传输线；所述水平极化阻抗变换段可以是中心导带宽度小于水平极化接地共面波导馈线的共面传输线；所述底层双极化辐射结构可以是关于垂直极化接地共面波导馈线的中心对称的矩形贴片，矩形贴片上刻有沿天线端射辐射方向的纵向矩形凹槽；所述底层双极化解耦结构可以是关于水平极化接地共面波导馈线的中心对称的矩形横槽，并与底层双极化辐射结构靠近馈线的一端相接；所述水平极化接地共面波导馈线和水平极化阻抗
变换段依次分布于底部金属层的馈电端，所述底层双极化辐射结构和底层双极化解耦结构交替分布于底部金属层的天线辐射端。
16.在一个实施例中，所述顶层双极化辐射结构和底层双极化辐射结构的形状相同；所述顶层双极化解耦结构和底层双极化解耦结构的形状相同。
17.在一个实施例中，所述垂直极化接地共面波导馈线和水平极化接地共面波导馈线的特性阻抗均为50欧姆。
18.在一个实施例中，所述双极化端射相控阵天线的工作带宽大于20％，剖面高度为0.16λ0。
19.在一个实施例中，所述顶层双极化辐射结构、底层双极化辐射结构和辐射金属过孔等效为弯折偶极子和开路槽结构的组合；当能量由垂直极化接地共面波导馈线馈入后，通过垂直极化阻抗变换段及垂直极化转换结构金属盲孔传递至垂直极化容性加载结构，由此实现接地共面波导至基片集成波导te
10
模式的转换，从而激励双极化天线中的弯折偶极子，产生垂直极化；当能量由水平极化接地共面波导馈线馈入后，通过水平极化阻抗变换段及水平极化转换结构金属盲孔传递至弯折带状线，由此实现接地共面波导至带状线模式的转换，从而激励双极化天线中的开路槽，产生水平极化。
20.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
21.1)天线可实现两种极化的端射辐射，且两种极化共用统一的辐射口径。
22.2)天线能够建立在较低的剖面高度和较小的净空下，有助于集成于紧凑的移动终端。
23.3)天线具有良好的工作带宽与波束扫描效果，可满足5g毫米波频段的覆盖与对波束赋形能力的需求。
附图说明
24.图1为本发明优选实施例的三维结构分解图。
25.图2为具体实施方式中双极化端射相控阵天线的顶层结构图。
26.图3为具体实施方式中双极化端射相控阵天线的中层结构图。
27.图4为具体实施方式中双极化端射相控阵天线的底层结构图。
28.图5为具体实施方式中双极化端射相控阵天线各垂直极化端口的反射系数曲线。
29.图6为具体实施方式中双极化端射相控阵天线各水平极化端口的反射系数曲线。
30.图7为具体实施方式中双极化端射相控阵天线不同端口间的互耦曲线。
31.图8为具体实施方式中双极化端射相控阵天线产生垂直极化的辐射方向图。
32.图9为具体实施方式中双极化端射相控阵天线产生水平极化的辐射方向图。
具体实施方式
33.下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
34.本发明提供了一种应用于5g毫米波移动终端的双极化端射相控阵天线，工作频段为5g毫米波移动通信的典型工作频段，涉及n257、n258、n261等。如图1所示，其包括自上而下布设的顶部金属层1、中间金属层2和底部金属层3，其中，顶部金属层1印刷于上层介质板4的上表面，中间金属层2印刷于下层介质板6的上表面，底部金属层3印刷于下层介质板6的
下表面，上层介质板4和下层介质板6通过中间的半固化片5沿竖直方向紧密压合在一起。示例地，上层介质板4、中间的半固化片5和下层介质板6的面积相等。
35.本发明顶部金属层包括垂直极化接地共面波导馈线、垂直极化阻抗变换段、顶层双极化辐射结构和顶层双极化解耦结构。参考图1和图2，在本发明的一个实施例中，垂直极化接地共面波导馈线、垂直极化阻抗变换段和顶层双极化辐射结构分别均有四个相同单元，即：垂直极化接地共面波导馈线单元一7-1、垂直极化接地共面波导馈线单元二7-2、垂直极化接地共面波导馈线单元三7-3、垂直极化接地共面波导馈线单元四7-4；垂直极化阻抗变换段单元一9-1、垂直极化阻抗变换段单元二9-2、垂直极化阻抗变换段单元三9-3、垂直极化阻抗变换段单元四9-4；顶层双极化辐射结构单元一11-1、顶层双极化辐射结构单元二11-2、顶层双极化辐射结构单元三11-3、顶层双极化辐射结构单元四11-4。顶层双极化解耦结构有五个相同单元，即：顶层双极化解耦结构单元一13-1、顶层双极化解耦结构单元二13-2、顶层双极化解耦结构单元三13-3、顶层双极化解耦结构单元四13-4、顶层双极化解耦结构单元五13-5。顶层双极化解耦结构的每两个单元均匀地排布于顶层双极化辐射结构的一个单元的两侧。每一部分中，其各单元均沿顶部金属层的长度方向水平地等间距排布。
36.在本发明的实施例中，垂直极化接地共面波导馈线的各个单元是由中心导带和两侧接地线构成的平面传输线；垂直极化阻抗变换段的各个单元是中心导带宽度小于垂直极化接地共面波导馈线相应单元的共面传输线；顶层双极化辐射结构的各个单元是关于垂直极化接地共面波导馈线相应单元的中心对称的矩形贴片，矩形贴片上刻有沿天线端射辐射方向的纵向矩形凹槽；顶层双极化解耦结构的各个单元是关于水平极化接地共面波导馈线相应单元的中心对称的矩形横槽，并与顶层双极化辐射结构相应单元靠近馈线的一端相接。其中，垂直极化接地共面波导馈线各个单元和垂直极化阻抗变换段各个单元依次分布于顶部金属层的馈电端，顶层双极化辐射结构各个单元和顶层双极化解耦结构各个单元则交替分布于顶部金属层的天线辐射端。
37.本发明中间金属层包括垂直极化容性加载结构和弯折带状线。参考图1和图3，在本发明的一个实施例中，垂直极化容性加载结构和弯折带状线分别均有四个相同单元，即：垂直极化容性加载结构单元一15-1、垂直极化容性加载结构单元二15-2、垂直极化容性加载结构单元三15-3、垂直极化容性加载结构单元四15-4；弯折带状线单元一16-1、弯折带状线单元二16-2、弯折带状线单元一16-3、弯折带状线单元四16-4。每一部分中，其各单元均沿中间金属层的长度方向水平地等间距排布。
38.在本发明的实施例中，垂直极化容性加载结构的各个单元是直径大于金属过孔的金属圆盘；弯折带状线的各个单元是沿金属层或介质板的横纵向依次弯折的五级金属带。其中，垂直极化容性加载结构的各个单元靠近于中间金属层的馈电端，且与中间金属层边缘的距离等同于垂直极化接地共面波导馈线相应单元和垂直极化阻抗变换段相应单元的纵向长度之和。弯折带状线的各个单元从中间金属层的馈电端弯折延伸至辐射前端，且弯折带状线各个单元的起点与中间金属层边缘的距离等同于水平极化接地共面波导馈线相应单元和水平极化阻抗变化段相应单元的纵向长度之和，弯折带状线各个单元的第四级横跨于顶层双极化辐射结构相应单元和底层双极化辐射结构相应单元的矩形凹槽。
39.本发明底部金属层包括水平极化接地共面波导馈线、水平极化阻抗变换段、底层双极化辐射结构和底层双极化解耦结构。参考图1和图4，在本发明的一个实施例中，水平极
化接地共面波导馈线、水平极化阻抗变换段和底层双极化辐射结构分别均有四个相同单元，即：水平极化接地共面波导馈线单元一8-1、水平极化接地共面波导馈线单元二8-2、水平极化接地共面波导馈线单元三8-3、水平极化接地共面波导馈线单元四8-4；水平极化阻抗变换段单元一10-1、水平极化阻抗变换段单元二10-2、水平极化阻抗变换段单元三10-3、水平极化阻抗变换段单元四10-4；底层双极化辐射结构单元一12-1、底层双极化辐射结构单元二12-2、底层双极化辐射结构单元三12-3、底层双极化辐射结构单元四12-4。底层双极化解耦结构有五个相同单元，即：底层双极化解耦结构单元一14-1、底层双极化解耦结构单元二14-2、底层双极化解耦结构单元三14-3、底层双极化解耦结构单元四14-4、底层双极化解耦结构单元五14-5。底层双极化解耦结构的每两个单元均匀排布于底层双极化辐射结构的一个单元的两侧。每一部分中，其各单元均沿底部金属层的长度方向水平地等间距排布。
40.在本发明的实施例中，水平极化接地共面波导馈线的各个单元是由中心导带和两侧接地线构成的平面传输线；水平极化阻抗变换段的各个单元是中心导带宽度小于水平极化接地共面波导馈线相应单元的共面传输线；底层双极化辐射结构的各个单元是关于垂直极化接地共面波导馈线相应单元的中心对称的矩形贴片，矩形贴片上刻有沿天线端射辐射方向的纵向矩形凹槽；底层双极化解耦结构的各个单元是关于水平极化接地共面波导馈线相应单元的中心对称的矩形横槽，并与底层双极化辐射结构相应单元靠近馈线的一端相接。其中，水平极化接地共面波导馈线各个单元和水平极化阻抗变换段各个单元依次分布于底部金属层的馈电端，底层双极化辐射结构各个单元和底层双极化解耦结构各个单元则交替分布于底部金属层的天线辐射端。
41.示例地，顶层双极化辐射结构和底层双极化辐射结构的形状相同；而顶层双极化解耦结构和底层双极化解耦结构的形状也相同。
42.上层介质板4和中间的半固化片5设有垂直极化转换结构金属盲孔；下层介质板6则设有水平极化转换结构金属盲孔。参考图1至图4，在本发明的一个实施例中，垂直极化转换结构金属盲孔和水平极化转换结构金属盲孔均分别有四个相同单元，即：垂直极化转换结构金属盲孔单元一20-1、垂直极化转换结构金属盲孔单元二20-2、垂直极化转换结构金属盲孔单元三20-3、垂直极化转换结构金属盲孔单元四20-4；水平极化转换结构金属盲孔单元一21-1、水平极化转换结构金属盲孔单元二21-2、水平极化转换结构金属盲孔单元三21-3、水平极化转换结构金属盲孔单元四21-4。每一部分中，其各单元均沿长度方向水平地等间距排布。
43.本发明中，垂直极化接地共面波导馈线、垂直极化阻抗变换段、垂直极化转换结构金属盲孔和垂直极化容性加载结构依次相连，形成用于激励垂直极化的信号通路。示例地，各部分的相应单元进行连接，例如，垂直极化接地共面波导馈线单元一7-1、垂直极化阻抗变换段单元一9-1、垂直极化转换结构金属盲孔单元一20-1和垂直极化容性加载结构单元一15-1依次相连，形成用于激励垂直极化的信号通路一。其余单元的连接方式与之相同。
44.水平极化接地共面波导馈线、水平极化阻抗变换段、水平极化转换结构金属盲孔和弯折带状线依次相连，形成用于激励水平极化的信号通路。示例地，各部分的相应单元进行连接，例如，水平极化接地共面波导馈线单元一8-1、水平极化阻抗变换段单元一10-1、水平极化转换结构金属盲孔单元一21-1和弯折带状线单元一16-1依次相连，形成用于激励水平极化的信号通路一。其余单元的连接方式与之相同。
45.顶层双极化辐射结构和底层双极化辐射结构电性相连，形成能够支持两种正交极化的端射辐射体。示例地，各部分的相应单元进行连接，例如，顶层双极化辐射结构单元一11-1和底层双极化辐射结构单元一12-1相连，形成能够支持两种正交极化的端射辐射体一。其余单元的连接方式与之相同。为实现该连接，在本发明的实施例中，还在上层介质板4、中间的半固化片5和下层介质板6均设置辐射金属过孔，辐射金属过孔也具有四个相同单元，分别为辐射金属过孔单元一17-1、辐射金属过孔单元二17-2、辐射金属过孔单元三17-3和辐射金属过孔单元四17-4，示例地，顶层双极化辐射结构单元一11-1和底层双极化辐射结构单元一12-1通过辐射金属过孔单元一17-1竖直相连。
46.顶层双极化解耦结构和底层双极化解耦结构电性相连，形成双极化阵元的解耦单元。示例地，各部分的相应单元进行连接，例如，顶层双极化解耦结构单元一13-1和底层双极化解耦结构单元一14-1相连，形成双极化阵元的解耦单元一。其余单元的连接方式与之相同。在本发明的实施例中，还在上层介质板4、中间的半固化片5和下层介质板6均设置解耦金属过孔，解耦金属过孔也具有四个相同单元，分别为解耦金属过孔单元一19-1、解耦金属过孔单元二19-2、解耦金属过孔单元三19-3和解耦金属过孔单元四19-4，示例地，顶层双极化解耦结构单元一13-1和底层双极化解耦结构单元一14-1通过解耦金属过孔单元一19-1竖直相连。
47.在本发明的实施例中，为了进一步扩展垂直极化的工作带宽，还在上层介质板4、中间的半固化片5和下层介质板6均设置匹配金属过孔，匹配金属过孔作为感性加载，可起到扩展垂直极化工作带宽的作用。匹配金属过孔也具有四个相同单元，分别为匹配金属过孔单元一18-1、匹配金属过孔单元二18-2、匹配金属过孔单元三18-3和匹配金属过孔单元四18-4。
48.示例地，上述的金属过孔均为圆柱形状。
49.根据以上所描述的单元形式，本实施例的双极化端射相控阵天线为等间距排布的一维四元线阵，各结构单元的间距约为λ0/2，λ0为自由空间中的波长。顶层双极化辐射结构、底层双极化辐射结构和辐射金属过孔构成了能够支持两种正交极化的端射辐射体。垂直极化工作于0.5波长模式，主要由两层辐射结构的纵向长度和辐射金属过孔的高度决定。水平极化工作于0.25波长模式，主要由两层辐射结构的横向宽度和所刻蚀的凹槽长度决定。垂直极化接地共面波导馈线和水平极化接地共面波导馈线均为50欧姆的传输线。垂直极化接地共面波导馈线通过与其相连的垂直极化阻抗变换段、垂直极化转换结构金属盲孔和垂直极化容性加载结构实现对于垂直极化的激励。水平极化接地共面波导馈线通过与其相连的水平极化阻抗变换段、水平极化转换结构金属盲孔和弯折带状线实现对于水平极化的激励。上层介质板4和下层介质板6所用板材为罗杰斯ro4003c，中间的半固化片5采用ro4450f。
50.本发明原理为：顶层双极化辐射结构、底层双极化辐射结构和辐射金属过孔可视为弯折偶极子和开路槽结构的组合。当能量由垂直极化接地共面波导馈线馈入后，通过垂直极化阻抗变换段及垂直极化转换结构金属盲孔传递至垂直极化容性加载结构，由此实现接地共面波导至基片集成波导te
10
模式的转换，从而激励双极化天线中的弯折偶极子，产生垂直极化。当能量由水平极化接地共面波导馈线馈入后，通过水平极化阻抗变换段及水平极化转换结构金属盲孔传递至弯折带状线，由此实现接地共面波导至带状线模式的转换，
从而激励双极化天线中的开路槽，产生水平极化。水平极化具有较宽的匹配带宽，匹配金属过孔作为感性加载，用以扩展垂直极化的工作带宽。顶层双极化解耦结构、底层双极化解耦结构和解耦金属过孔均匀排布于天线阵元的两侧。解耦金属过孔主要用于垂直极化的解耦，顶层双极化解耦结构和底层双极化解耦结构利用扼流槽结构能够提高两种极化的隔离度，从而实现双极化的良好工作。
51.图5和图6分别为垂直极化和水平极化各端口的反射系数曲线。两种极化都能够获得20％以上较宽的阻抗带宽。
52.图7为天线不同端口间的互耦曲线。垂直极化隔离度、水平极化隔离度及交叉极化隔离度均优于18db。
53.图8和图9分别为同相激励和120
°
相差下垂直极化和水平极化的辐射方向图。可见阵列能够提供良好的端射辐射增益和较宽的波束覆盖。
54.综上，本发明同一个天线结构(辐射体)同时支持两种正交的极化，从而利用统一的辐射口径实现了宽带低剖面的双极化端射辐射，其中天线的工作带宽大于20％，天线的剖面高度约为0.16λ0，结构紧凑，净空较小，易于集成于5g毫米波移动终端。
55.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限定，凡是在本发明权利要求范围内所作的均等变化与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。