一种用于5G的可组阵小型化天线

一种用于5g的可组阵小型化天线
技术领域
1.本技术涉及天线技术领域，特别是涉及一种用于5g的可组阵小型化天线。


背景技术：

2.在信息高速发展的数据时代，人们对通信速度提出了更高的要求，5g应运而生。同时，相比4g网络的100万用户访问量，5g可以提供多达10亿台设备。近些年5g迈入了快速发展的时期，相比于4g，5g开始关注超大带宽，频谱干净，干扰较小的高频段。全球最有可能优先部署的5g频段为n77、n78、n79、n257、n258和n260，也就是3.3ghz-4.2ghz、4.4ghz-5.0ghz和毫米波频段26ghz/28ghz/39ghz，fr2作为5g后续的扩展频率最大支持400mbps的带宽，不难预料fr2范围内的应用频段在未来高速应用上的巨大发展空间。同时，天线性能的不断发展优化，使得基于5g应用的天线得到了广泛的发展，为5g的迅速发展打下坚实基础。天线作为5g发展中的重要一环，也应与时俱进。
3.现有技术中，用于5g的天线主要面临着两个方面的问题：1）天线的实际尺寸不够小，在很多场合无法满足应用需求；2）为有更高的增益，阵列天线广泛发展，而单元天线用于组阵时，隔离度较差，产生互耦现象。


技术实现要素：

4.基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种用于5g的可组阵小型化天线，能够减小天线的尺寸实现小型化天线，并在构成阵列天线时提高隔离度。
5.一种用于5g的可组阵小型化天线，包括：介质组件；所述介质组件包括介质基板以及多个介质基柱；多个介质基柱沿同一方向在所述介质基板的正面间隔阵列分布；多个介质基柱的一个对应端设在所述介质基板的一边，另一个对应端设在所述介质基板的另一边；所述介质组件的上表面设有辐射贴片。
6.在一个实施例中，多个介质基柱分为两组，并对称设在所述介质基板的正面；多个介质基柱的长度方向均与所述介质基板的长度方向一致，且多个介质基柱在所述介质基板的宽度方向上间隔阵列分布。
7.在一个实施例中，所有介质基柱的横截面为相同的正方形。
8.在一个实施例中，天线为vivaldi天线。
9.在一个实施例中，所述辐射贴片上对称设有两个第一槽组，每个第一槽组均包括多个第一槽缝；同一第一槽组内的所有第一槽缝的长度呈指数函数分布，一个对应端设在所述介质基板的同一侧边，另一个对应端向所述介质基板的中心方向垂直延伸。
10.在一个实施例中，所述第一槽缝的指数函数与所述辐射贴片辐射臂的指数函数相同。
11.在一个实施例中，所述辐射贴片上对称设有两个第二槽组，每个第二槽组均包括
多个第二槽缝；同一第二槽组内的所有第二槽缝的长度呈等差数列分布，一个对应端设在所述介质基板的底边，另一个对应端向所述介质基板的中心方向垂直延伸。
12.在一个实施例中，同一第二槽组内的所有第二槽缝的宽度和间距均等于所述介质基柱的正方形横截面的边长。
13.在一个实施例中，所述介质组件的下表面设有扇形枝节以及馈电微带线；所述扇形枝节的尖端通过连接线与所述馈电微带线的一端相连，以形成巴伦结构；所述馈电微带线的另一端与所述辐射贴片相连。
14.在一个实施例中，所述馈电微带线的长度方向与所述介质基板的长度方向一致，所述连接线的长度方向与所述介质基板的宽度方向一致。
15.上述用于5g的可组阵小型化天线，在介质基板上设置了多个间隔阵列分布的介质基柱，同时将辐射贴片依次弯折贴合在介质组件的上表面，以便在不影响天线性能的前提下，减小天线的尺寸，实现了小型化天线，可以将天线拓展到更多的应用场合和领域；同时，减小了组阵时的阵列间距，降低了天线的组阵隔离度，可以作为阵列天线的单元进行组阵构成阵列天线，提高阵列天线的增益，减小增益波动，并减少互耦现象的发生，具有良好的隔离特性。
附图说明
16.图1为一个实施例中一种用于5g的可组阵小型化天线的立体示意图；图2为一个实施例中一种用于5g的可组阵小型化天线的立体爆炸示意图；图3为一个实施例中一种用于5g的可组阵小型化天线的上表面和下表面组合图；图4为一个实施例中一种用于5g的可组阵小型化天线的s
11
曲线对比图；图5为一个实施例中一种用于5g的可组阵小型化天线的s
21
曲线图；图6为一个实施例中一种用于5g的可组阵小型化天线的增益曲线对比图；图7为一个实施例中一种用于5g的可组阵小型化天线在25ghz的辐射方向图，其中，(a)为e面辐射方向图，(b)为h面辐射方向图；图8为一个实施例中一种用于5g的可组阵小型化天线在28ghz的辐射方向图，其中，(a)为e面辐射方向图，(b)为h面辐射方向图；图9为一个实施例中一种用于5g的可组阵小型化天线在33ghz的辐射方向图，其中，(a)为e面辐射方向图，(b)为h面辐射方向图；图10为一个实施例中一种用于5g的可组阵小型化天线在38ghz的辐射方向图，其中，(a)为e面辐射方向图，(b)为h面辐射方向图。
17.附图标记：天线上表面a，天线下表面b；介质组件1，介质基板11，介质基柱12；辐射贴片2，第一槽缝21，第二槽缝22，空气槽23，空腔24；扇形枝节31，连接线32，馈电微带线33。
具体实施方式
18.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。基于本技术中的实施例，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，都属于本技术保护的范围。
19.需要说明，本技术实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后
……
）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
20.另外，在本技术中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本技术的描述中，“多组”的含义是至少两组，例如两组，三组等，除非另有明确具体的限定。
21.在本技术中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；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中的具体含义。
22.另外，本技术各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本技术要求的保护范围之内。
23.本技术提供了一种用于5g的可组阵小型化天线，如图1至图3所示，在一个实施例中，包括：介质组件1以及设在介质组件1上的辐射贴片2。
24.介质组件1包括介质基板11以及设在介质基板11上的多个介质基柱12；介质基板11一般设为矩形的板状结构，介质基柱12一般设为条状结构；多个介质基柱12沿同一方向在介质基板11的正面间隔阵列分布，至于具体的方向不做限制，可以沿着介质基板11的横向也就是宽度方向，也可以沿着介质基板11的纵向也就是长度方向；优选地，多个介质基柱12沿同一方向在介质基板11的正面均匀间隔阵列分布；多个介质基柱12的一个对应端设在所述介质基板11的一边，另一个对应端设在所述介质基板11的另一边，也就是说，介质基柱12的长度与介质基板11的长度相同，或介质基柱12的长度与介质基板11的宽度相同；因此，由于在介质基板11上设置了介质基柱12，介质组件1形成间隔起伏的天线上表面a和平整的天线下表面b。
25.本技术不限制介质基板的形状、尺寸以及材料，也不限制介质基柱的横截面形状、数量、尺寸、位置以及材料，可以根据实际需求进行具体设置。例如，介质基板采用的材料为rogers5880，其介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009。优选地，所有介质基柱的长度相等且横截面为相同的正方形，也就是说，所有的介质基柱完全相同且均为正四棱柱结构，以实现对天线的宽度、长度以及体积的最大程度削减。
26.辐射贴片2设在介质组件1的上表面，以用于辐射电磁波。
27.需要说明：以x方向为介质基板的长度方向，以y方向为介质基板的宽度方向，以z方向为介质基板的高度方向，以沿长度方向的两条边为介质基板的侧边，以沿宽度方向且
远离馈电端口的边为介质基板的顶边，以沿宽度方向且连接馈电端口的边为介质基板的底边；天线关于介质基板长度方向的中心线呈轴对称结构。
28.上述用于5g的可组阵小型化天线，在介质基板上设置了多个间隔阵列分布的介质基柱，同时将辐射贴片依次弯折贴合在介质组件的上表面，以便在不影响天线性能的前提下，减小天线的长度（或宽度）和体积，从而减小了天线的尺寸，实现了小型化天线，可以将天线拓展到更多的应用场合和领域；同时，减小了组阵时的阵列间距，降低了天线的组阵隔离度，明显改善了天线的s
11
，因此更适合作为阵列天线的单元进行组阵以构成阵列天线，提高阵列天线的增益，减小增益波动，并减少互耦现象的发生，具有良好的隔离特性。
29.优选地，多个介质基柱12分为两组，并对称设在介质基板11的正面；多个介质基柱12的长度方向均与介质基板11的长度方向一致，且多个介质基柱12在介质基板11的宽度方向上均匀间隔阵列分布。
30.进一步优选地，介质基柱12的数量为四个，且介质基柱12的长度与介质基板11的长度相等，以避免介质基柱的增加对天线整体辐射性能特别是天线方向图的影响。
31.上述用于5g的可组阵小型化天线，介质基柱对称且间隔阵列分布，可以减小天线的宽度和体积，从而进一步减少天线尺寸；同时可以改善定向辐射性能，以使天线的方向图波束指向更加集中；而且，能够优化辐射臂的结构，使表面电流分布更加集中，能量可以更加集中的向端射方向辐射，使天线的增益得到提高，尤其在低频段，效果显著。
32.更进一步优选地，天线为vivaldi天线。
33.也就是说，天线的辐射贴片2采用现有技术中vivaldi天线的辐射贴片，辐射贴片的两条对称的边分别与介质基板的两个侧边重合并相等，辐射贴片的底边与介质组件的底边重合并相等，辐射贴片的两个辐射臂为弧形结构且符合指数函数分布（即辐射臂具有指数槽线），两个辐射臂的一组对应端设在介质基板的边缘，另一组对应端通过空气槽23与圆形的空腔24相连。该辐射贴片的结构均属于现有技术。
34.vivaldi天线作为端射行波天线，电磁波沿着指数槽线传输同时耦合辐射至自由空间。vivaldi天线的最大开口宽度对应于最小工作频率，最大开槽尺寸大于λmax/ 2，也就是槽线末端开口的宽度要大于低频二分之一波长，才能满足辐射条件。但同时，vivaldi天线作为天线单元时，单元间距应小于λ/2，否则会激励出高次模，造成阻抗畸变，因为对于二维锥削缝隙阵列，由于周期波纹结构激励出“表面波”，单元间距必须小于λ/2，否则即使在边射情况下，也会出现不可抑制的盲区。
35.而本技术的天线，设计了紧凑的阶梯弯折结构，使得天线在辐射臂的指数槽线的长度不变的情况下，天线的宽度减少至0.4λmax；在组阵时，对于vivaldi天线，其单元间距受到天线宽度的制约，这种紧凑型结构，使得单元间距同天线宽度一致，即为0.4λmax小于0.5λmax，在降低隔离度的同时，满足了辐射条件，也避免了阻抗畸变的产生；同时，阶梯弯折结构的表面电流分布更加集中，使能量更加集中的向端射方向辐射，从而提高天线的增益；同时延长了辐射臂长度，增加低频电流的流经长度和辐射波的辐射路径长度，在带宽范围的中低频段，增益提升效果显著，且增益稳定，进一步提高天线在整个频段的增益稳定性和方向性。
36.上述用于5g的可组阵小型化vivaldi天线，工作频带为20ghz-45ghz，能够覆盖5g的整个fr2领域范围内主要应用频段，具有超宽带的优势；同时，在fr2的频段内具有较高的
增益，最高增益达到10.9dbi，从而能够克服4g通信的高传播损耗和较小容量的问题；此外，天线还拥有定向辐射能力，且结构简单、加工方便、成本较低。
37.在一个实施例中，辐射贴片2上对称设有两个第一槽组，每个第一槽组均包括多个第一槽缝21；同一第一槽组内的所有第一槽缝21的长度呈指数函数分布，一个对应端设在介质基板11的同一侧边，另一个对应端向介质基板11的中心方向垂直延伸。优选地，第一槽缝为矩形结构。
38.上述天线在辐射臂上设置了矩形的第一槽缝，并设置在起伏的介质组件上表面，形成了波纹结构，可以改变表面电流路径，将能量约束在第一槽缝附近，从而改善天线的阻抗匹配特性，显著拓展天线的工作带宽，特别是在低频处的带宽。
39.优选地，第一槽缝21的指数函数与辐射贴片2辐射臂的指数函数相同，以构成指数型渐变槽缝波纹边缘结构，且第一槽缝21的长度沿远离空气槽23的方向逐渐递减，各第一槽缝的宽度均相等，能够进一步改善阻抗匹配，特别是在低频处的辐射特性。
40.在一个实施例中，辐射贴片上对称设有两个第二槽组，每个第二槽组均包括多个第二槽缝22；同一第二槽组内的所有第二槽缝22的长度呈等差数列分布，一个对应端设在介质基板11的底边，另一个对应端向介质基板11的中心方向垂直延伸。优选地，第二槽缝为矩形结构。
41.上述天线设置了矩形的第二槽缝，并设置在起伏的介质组件上表面，形成了参差结构，可以将电流集中，减弱天线的后向辐射特性，从而进一步改善阻抗匹配，进一步拓展带宽，并进一步降低天线的工作带宽下限。
42.优选地，同一第二槽组内的所有第二槽缝22的宽度和间距均等于介质基柱12的正方形横截面的边长，以构成等差型渐变槽缝结构，且第二槽缝22的长度沿远离空气槽23的方向逐渐递增，各第二槽缝22的宽度均相等，以沿天线x向中轴构成对称结构，使天线的辐射性能不受影响，波束指向集中在x向中轴处。
43.在一个实施例中，介质组件1的下表面（即介质基板的反面）设有扇形枝节31以及馈电微带线33；扇形枝节31的尖端通过连接线32与馈电微带线33的一端相连，以形成巴伦结构，可以改善天线阻抗匹配；馈电微带线33的另一端与辐射贴片2相连。
44.天线采用微带线馈电，馈电端口的阻抗为50欧姆，可以很好地与sma接口匹配。扇形枝节31、连接线32以及馈电微带线33均由金属材料制成。
45.优选地，馈电微带线33的长度方向与介质基板11的长度方向一致，连接线32的长度方向与介质基板11的宽度方向一致，以形成阶梯状转折结构。
46.具体地：馈电微带线33包括第一部分与第二部分；第一部分为等腰梯形，第二部分为直角梯形；等腰梯形的下底与介质基板的底边重合以连接馈电端口，等腰梯形的上底与直角梯形的下底重合且相等；直角梯形的一个腰与等腰梯形的一个腰相连且平行（即共线），直角梯形的另一个腰与连接线的一边相连且相等。连接线为矩形结构，一端与第二部分相连，另一端与扇形枝节相连。扇形枝节包括第三部分与第四部分；第三部分为钝角三角形，第四部分为扇形；钝角三角形的一条边与连接线的一边相连且相等，另一条边与扇形的一条直边重合且相等；扇形的另一条直边与连接线沿长度方向的边共线。
47.相比现有技术中的馈电结构，本实施例的阻抗匹配更有优势。
48.本技术的工作过程是：天线由50欧姆的sma头接入，电流通过介质组件下表面的馈
电微带线流入连接线与扇形枝节形成的巴伦结构；同时，连接线上的电流与介质组件上表面的空气槽耦合，将电流耦合至辐射臂结构上；在电流传播时，电流流经附着在介质基板和介质基柱上的辐射贴片，并流经第一槽组和第二槽组，通过延长的电流路径明显改善天线性能。
49.上述用于5g的可组阵小型化vivaldi单元天线，天线的尺寸较小，可以很好的实现小型化，特别是天线的宽度，仅为6mm，在不考虑综合性能仅关注s参数的情况下，天线的宽度可以达到0.366λmax。相比弯折前减少了40%的天线宽度，同时减少了20.3%的天线体积，使体积小巧、便于携带，适用于多种应用场合；在应用的频段范围内，天线的隔离度在22.5ghz-45ghz范围内都低于-20db，隔离度小，隔离性佳，适合组阵构成阵列天线；能够覆盖5g的整个fr2领域范围内主要应用频段，实现了超宽带，可以广泛应用在5g高频段的各种应用场合；在fr2的n257、2n58、n260这三个应用频段内，不仅具有良好的辐射特性，而且具有较高的增益，最高增益达到10.9dbi，同时在应用频段内增益稳定，波动范围小，传播损耗低，在整个5g fr2范围的应用频段内，增益波动在2.5dbi范围内，辐射性能稳定且佳；也就是说，本技术的天线，在实现小型化以及低隔离度的同时，兼顾了天线的超宽带、高增益以及增益稳定性，在覆盖整个fr2应用频段的同时在全频段提供稳定的高增益，并实现小型化，同等尺寸的条件下可以拓展天线的带宽，还进一步实现可组阵，是一种稳定的小型化超宽带高增益天线，既可以独立应用也可以组成阵列天线应用，可以应用于通信、雷达、制导、遥感技术、射电天文学、临床医学和波谱学等方向，特别适用于高增益阵列天线等5g的各个领域，对于5g天线的发展和应用有重要的意义，应用前景广阔。
50.在一个具体的实施例中，介质基板的尺寸为10mm
×
15mm
×
0.508mm，介质基板上设有十个长度沿介质基板宽度方向的介质基柱，介质基柱的尺寸为10mm
×
0.5mm
×
0.5mm，天线的整体尺寸为10
×
15
×
1.008mm3，体积为101.2mm3；而平面结构的介质基板，天线的整体尺寸为10
×
25
×
0.508mm3，体积为127mm3；相比之下，本实施例中的天线长度减少了40%，体积减少了20.3%；每个第一槽组均包括7个第一槽缝，第一槽缝的长度符合指数函数且与辐射臂的指数函数一致，第一槽缝的宽度和间距均为0.5mm；每个第二槽组均包括4个第二槽缝，第二槽缝的长度符合等差数列分布且以2mm为基础以0.5mm的幅度递增，第二槽缝的宽度和间距均为0.5mm；天线的带宽为15-40ghz，最大增益为10dbi。
51.在一个具体的实施例中，介质基板的尺寸为25mm
×
6mm
×
0.508mm，介质基板上设有四个长度沿介质基板长度方向的介质基柱，介质基柱的尺寸为25mm
×
0.5mm
×
0.5mm，天线的整体尺寸为25
×6×
1.008mm3；每个第一槽组均包括7个第一槽缝，第一槽缝的长度符合指数函数且与辐射臂的指数函数一致，第一槽缝的宽度和间距均为0.5mm；每个第二槽组均包括4个第二槽缝，第二槽缝的长度符合等差数列分布且以2mm为基础以0.5mm的幅度递增，第二槽缝的宽度和间距均为0.5mm。
52.本实施例使用电磁全波仿真软件cst对天线进行仿真分析和优化，对其结构参数、s
11
参数、s
21
参数、天线的增益以及辐射方向图进行了研究。
53.如图4所示给出了天线s参数中s
11
参数的对比图。常规的平面结构的尺寸是长25*宽6*高0.508，而本技术中阶梯弯折结构的尺寸是长25*宽6*高1.008，由对比图可见，阶梯弯折结构对天线的s
11
参数有着明显改善，将带宽范围由21.8ghz-37.8ghz扩大到了20ghz-45ghz。阶梯弯折结构天线的s
11
参数在20ghz-45ghz范围内均小于-10db，相对带宽达到77%
以上，具有超宽带特性。天线在5g领域的n257频段即26.5ghz-29.5ghz处的s
11
参数小于-20db，在n258频段即24.25ghz-27.5ghz处的s
11
参数小于-20db，在n260频段即37ghz-40ghz处的s
11
参数小于-13db，证明该天线在5g的几个关键频段的辐射性能良好。
54.图5给出了天线s参数中的s
21
参数。将上述天线作为vivaldi天线单元沿e面组成1x2阵列，此时阵列间距即为天线宽度6mm，仿真该阵列天线，得到阵列天线的s
21
参数。由图5可以看出，阵列天线在22.4ghz-46ghz范围内的s
21
参数都小于-20db，且天线的隔离度良好，证明本技术的vivaldi天线单元更适合组成阵列天线，有更广阔的应用场景。
55.图6给出了天线的增益对比曲线图。常规的平面结构的尺寸是长25*宽6*高0.508，而本技术中阶梯弯折结构的尺寸是长25*宽6*高1.008，由对比图可见，阶梯弯折结构对天线的增益，尤其是低频处的增益有着明显提升作用，特比是在25ghz时，增益提升最明显，达到了3.1dbi。而且阶梯弯折结构天线的增益在24ghz-42ghz（包含n257、n258、n260频段）范围内稳定，最低增益为8.5dbi左右，最高增益为10.9dbi。整个带宽范围内天线的增益波动范围不超过2.5dbi，提供了稳定的辐射模式和良好的增益。
56.图7至图10给出了本技术的天线在工作频带内不同频点的e面辐射方向图和h面辐射方向图。具体的，图7为25ghz的e面和h面辐射方向图，在n258频段范围内；图8为28 ghz的e面和h面辐射方向图，在n257频段范围内；图9为33 ghz的e面和h面辐射方向图；图10为38 ghz的e面和h面辐射方向图，在n260频段范围内。从方向图中可以看出，天线在e面和h面的辐射方向图都呈定向辐射特性，证明天线的辐射性能良好。
57.以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
58.以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本技术专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。