Sub-6GHz和毫米波频段的宽带共口径偶极子阵列的制作方法

sub-6ghz和毫米波频段的宽带共口径偶极子阵列
技术领域
1.本发明属于天线技术领域，具体涉及一种工作于sub-6ghz/毫米波频段的宽带共口径偶极子阵列。


背景技术：

2.随着5g通信系统的发展，共口径天线因其高的孔径利用率而备受关注，sub-6ghz和毫米波技术的应用和协作已成为未来网络的关键特征。目前，分配给5g通信的频谱可分为6ghz以下(3gpp fr1:450mhz-6ghz)和毫米波频段(3gpp fr2:24.25-52.6ghz)。对于可用空间受限，又要同时工作在sub-6ghz和毫米波频段的通信系统，天线的设计是一个非常大的挑战。
3.大频率比双/多频天线被认为是解决这一问题的可行途径。通过将工作在不同频段的天线集成到同一拓扑中，可以显著减小天线子系统的整体尺寸。已经对这种类型的天线进行了一些研究，使用微带贴片天线设计了9ghz以下的双频/多频天线；采用非平面谐振器天线进行集成的2.4/24ghz天线；将s波段的线极化贴片和c波段的圆极化贴片叠加，实现了双频双极化特性。然而由于馈电网络的复杂性，这些共口径天线常常具有很高的剖面，在毫米波频段高剖面会引起表面波效应。除此之外，现有的微波毫米波双频共口径天线在两个频带内很难同时实现宽带特性。
4.本发明提出了一种共口径集成方法，以实现具有sub-6ghz和毫米波双频段的天线，一个毫米波的偶极子阵列被集成到sub-6ghz低频偶极子天线中，并共享相同的辐射口径。


技术实现要素：

5.本发明的目的是鉴于上述现有技术中的缺陷，在于提供一种sub-6ghz/毫米波双频段共口径天线，以在两个频带内实现宽带特性，同时实现高隔离度和低剖面特性。通过使用基片集成同轴线(sicl)馈电方式，可以将毫米波阵列直接集成在sub-6ghz偶极子天线臂上，sicl可以直接连接到阵列单元而不需要过渡，低频偶极子臂可以作为毫米波阵列的反射板，这种结构不会影响低频结构的性能，同时这种屏蔽结构可以使天线具有良好的隔离度。利用sicl结构和多层分布技术，可以有效抑制交叉极化，两种频段的偶极子天线都采用带有缝隙的弯折长臂偶极子，提出了一种具有交叉极化抑制功能的宽带低副瓣天线阵列，能够解决现有偶极子馈电技术中存在的交叉极化和带宽较窄等缺陷。这种将毫米波天线阵列嵌入sub-6ghz低频天线中，实现了端射的sub-6ghz/毫米波共口径天线，天线整体可通过pcb工艺加工实现，易于与有源电路系统集成。
6.本发明的一种工作于sub-6ghz/毫米波频段的宽带共口径偶极子阵列为多层垂直排布结构，包括毫米波偶极子天线、sub-6ghz低频天线、多层介质基板；其中多层介质基板从上至下依次包括第一介质基板s1、第三介质基板s3、第二介质基板s2；所述的第三介质基板位于第一介质基板下表面，用来粘合第一介质基板和第二介质基板；
7.其中：所述sub-6ghz低频天线包括低频天线反射板、低频偶极子、双面平行微带线、接地共面波导(gcpw)转双面平行微带线(dpspl)结构、低频接地支节；
8.所述低频天线反射板包括低频天线h面反射板、低频天线e面反射板；所述第一介质基板s1的上表面一侧和第二介质基板s2的下表面一侧均设有一低频天线e面反射板，另一侧留白；低频天线e面反射板与留白区域间设有低频天线h面反射板，即低频天线h面反射板、低频天线e面反射板无缝连接；第一介质基板s1处的低频天线e面反射板和第二介质基板s2处的低频天线e面反射板位置重叠；第一介质基板s1处的低频天线h面反射板和第二介质基板s2处的低频天线h面反射板位置重叠；
9.所述第一介质基板s1上表面的低频天线h面反射板中心开有第二缝隙，所述第二介质基板s2下表面的低频天线h面反射板开有第三缝隙；
10.所述第一介质基板s1上表面的低频天线e面反射板内开有类u型缝隙，该类u型缝隙位于第二缝隙内；
11.所述低频偶极子包括位于第一介质基板s1上表面的顶层低频偶极子臂、位于第二介质基板s2下表面的底层低频偶极子臂；顶层低频偶极子臂和底层低频偶极子臂结构相同，均各自包括左臂和右臂，其中左臂和右臂均开有第一缝隙；所述左臂和右臂间留有一定距离；
12.所述双面平行微带线作为馈电结构，其包括位于第一介质基板s1上表面的第一微带线、位于第二介质基板s2下表面的第二微带线；
13.所述第一微带线位于类u型缝隙内，其与顶层低频偶极子臂中左臂的一端连接；顶层低频偶极子臂中左臂的另一端悬空；
14.所述第二微带线的一端接第二介质基板s2下表面的低频天线e面反射板，另一端与底层低频偶极子臂中右臂的一端连接；底层低频偶极子臂中右臂的另一端悬空；
15.所述低频接地支节包括第一低频接地支节微带线、第二低频接地支节微带线、第三低频接地支节微带线、第四低频接地支节微带线；第一低频接地支节微带线、第二低频接地支节微带线位于第一介质基板s1的上表面，其均与低频天线e面反射板连接，且分别位于顶层低频偶极子臂的两侧；第三低频接地支节微带线、第四低频接地支节微带线位于第二介质基板s2的下表面，其均与低频天线e面反射板连接，且分别位于底层低频偶极子臂的两侧；
16.其中：所述毫米波偶极子天线包括高频偶极子天线阵列、高频接地支节、高频馈电网络、高频反射板；所述高频反射板采用sub-6ghz低频天线中低频偶极子；
17.所述高频馈电网络拥有一个信号输入端，4个信号输出端；其包括位于第三介质基板s3、第二介质基板s2间的信号导带，多个周期性分布的第一金属化通孔，分别位于第一介质基板s1上表面和第二介质基板s2下表面的金属地；
18.所述第一金属化通孔分布在信号导带两侧，且位于金属地的两侧边沿；
19.所述高频偶极子天线阵列包括4个高频偶极子天线单元；每个高频偶极子天线单元包括位于第一介质基板s1上表面的顶层偶极子，位于第三介质基板s3、第二介质基板s2间的中间层偶极子，以及位于第二介质基板s1下表面的底层偶极子；位于第一介质基本s1上表面的高频反射板(即顶层低频偶极子臂)的上端与各高频偶极子天线单元的顶层偶极子的一端连接，各高频偶极子天线单元的顶层偶极子的另一端悬空；位于第二介质基本s2
下表面的高频反射板(即底层低频偶极子臂)的上端与各高频偶极子天线单元的底层偶极子的一端连接，各高频偶极子天线单元的底层偶极子的另一端悬空；所述信号导带的4个信号输出端处直接与各偶极子天线单元的信号输入端连接；各偶极子天线单元的信号输入端为中间层偶极子的一端；各偶极子天线单元的中间层偶极子的另一端悬空；
20.所述高频接地支节包括第一高频接地支节微带线、第二高频接地支节微带线、第三高频接地支节微带线、第四高频接地支节微带线；第一高频接地支节微带线、第二高频接地支节微带线位于第一介质基板s1的上表面，其均与高频反射板连接，且分别位于高频偶极子天线阵列的两侧；第三高频接地支节微带线、第四高频接地支节微带线位于第二介质基板s2的下表面，其均与高频反射板连接，且分别位于高频偶极子天线阵列的两侧；
21.所述高频馈电网络的输入端采用gcpw转sicl结构。
22.作为优选，位于第二介质基板s2下表面的低频天线e面反射板中馈电网络输入端部分内开有u型缝隙，该u型缝隙的开口朝外设置。
23.作为优选，所述高频馈电网络中金属地的左边2个信号输出端接低频偶极子的左臂，右边2个信号输出端接低频偶极子的右臂；
24.作为优选，所述类u型缝隙的封闭端为低频天线同轴线馈电位置，位于第二缝隙内的开口端为gcpw转dpspl结构；
25.作为优选，所述第二缝隙与第三缝隙的位置相对重叠；第一微带线与第二微带线的位置相对重叠；第一低频接地支节微带线与第三低频接地支节微带线的位置相对重叠，第二低频接地支节微带线与第四低频接地支节微带线的位置相对重叠；
26.作为优选，所述第一微带线与顶层低频偶极子臂的连接处开有切角；所述第二微带线与底层低频偶极子臂的连接处开有切角；
27.作为优选，顶层低频偶极子臂和底层低频偶极子臂中左臂和右臂的朝外侧均向内弯折；
28.作为优选，类u型缝隙的封闭端采用圆弧形；
29.作为优选，所述高频偶极子天线阵列中各高频偶极子天线单元等间距设置；
30.作为优选，高频偶极子天线阵列顶部离介质基板边界存在一定的距离；
31.作为优选，高频偶极子天线阵列中顶层偶极子、底层偶极子的朝向相同，中间层偶极子与顶层偶极子臂、底层偶极子的朝向相反；
32.更为优选，高频偶极子天线阵列中顶层偶极子、中间层偶极子、底层偶极子结构尺寸相同，顶层偶极子与高频反射板的连接臂、中间层偶极子与信号导带连接臂、底层偶极子与高频反射板的连接臂相对重叠。
33.作为优选，高频偶极子天线阵列中顶层偶极子、中间层偶极子、底层偶极子均刻蚀有第四缝隙；
34.作为优选，高频偶极子天线阵列中顶层偶极子与高频反射板的连接处、中间层偶极子与信号导带连接处、底层偶极子与高频反射板的连接处均设有切角；
35.作为优选，第一微带线和第二微带线采用50ω微带线；在反射板上，sub-6ghz低频天线通过同轴线馈电给第一微带线和第二微带线激励低频偶极子；
36.作为优选，所述低频天线h面反射板采用l形金属块。
37.作为优选，低频偶极子到低频天线h面反射板的距离l
st1
满足l
st1
≤λ
01
/4；λ
01
为
sub-6ghz低频天线的中心工作频率所对应的波长。
38.作为优选，低频偶极子中第一缝隙的缝宽w
g1
满足w
g1
＝0.035λ
01
。
39.作为优选，高频偶极子天线阵列到高频反射板的距离l
st2
满足l
st2
≤λ
02
/4；λ
02
为毫米波偶极子天线的中心工作频率所对应的波长。
40.作为优选，高频馈电网络为t形节功分器馈网，采用并馈的方式实现t形节馈网，其中馈电网络每个端口直接与偶极子天线单元相连。
41.作为优选，sicl结构的两排金属通孔间距w
out
应满足fm为毫米波频段内最大的频率。
42.作为优选，信号导带的信号输入端侧接矩形金属面。
43.作为优选，信号导带的信号输入端侧通过贯穿第二介质基板s2的第二金属化盲孔接u型缝隙内微带线。
44.具体工作原理：当天线工作在sub-6ghz频段时，信号由gcpw转dspsl传输到低频偶极子天线；当天线工作在毫米波频段时，信号由独立的sicl馈电网络结构传输给毫米波偶极子天线阵列。两个频段的偶极子天线都在偶极子臂上恰当位置刻蚀缝隙，使偶极子天线同时工作在半波长模式和1.5倍波长模式，引入了新的谐振点，低频部分阻抗匹配得到明显改善，从而使工作带宽明显加宽。通过使用sicl结构将毫米波阵列直接在低频偶极子天线内，实现紧凑的结构，而且由于sicl这种封闭的结构，可以使天线具有良好的隔离度。利用sicl结构和多层技术，垂直于偶极子臂的横向电场分量有望被抵消，从而可以有效的抑制交叉极化。
45.本发明具有以下优点：
46.(1)该天线两个频段的天线都采用偶极子的结构，在恰当位置刻蚀一对缝隙，使天线同时工作在半波长模式和1.5倍波长模式，大幅提高了天线的阻抗带宽。
47.(2)该天线通过使用sicl结构给毫米波阵列馈电，不仅使天线结构紧凑，还使天线具有良好的隔离度，同时可以有效抑制偶极子天线的交叉极化。
48.(3)该天线同时覆盖5g的sub-6ghz和毫米波频段，而且都是平面偶极子结构，具有较低的剖面高度和易于与平面电路集成。
附图说明
49.图1是本发明的三维结构示意图；
50.图2是本发明的侧视图；
51.图3是本发明的正面俯视图；
52.图4是本发明的背面俯视图；
53.图5是本发明的毫米波天线阵列馈电网络(即第二金属面m2和第三金属面m3的俯视图)示意图；
54.图6是本发明的毫米波频段反射系数和增益仿真图；
55.图7是本发明的sub-6ghz频段反射系数和增益仿真图；
56.图8是本发明在24ghz的归一化e面和h面的主极化与交叉极化仿真结果对比；
57.图9是本发明在35ghz的归一化e面和h面的主极化与交叉极化仿真结果对比；
58.图10是本发明在46ghz的归一化e面和h面的主极化与交叉极化仿真结果对比；
59.图11是本发明在3.3ghz的归一化e面和h面的主极化与交叉极化仿真结果对比；
60.图12是本发明在4.3ghz的归一化e面和h面的主极化与交叉极化仿真结果对比；
61.图13是本发明在5.3ghz的归一化e面和h面的主极化与交叉极化仿真结果对比；
62.图中标记：第一金属面m1、第一介质基板s1、第三介质基板s3、第二金属面m2、第二介质基板s2、第三金属面m3、gcpw转sicl结构1、低频天线h面反射板2、第一金属化通孔3、gcpw转sicl的第二金属化盲孔4、高频偶极子天线阵列5、高频接地支节6、低频偶极子7、第一缝隙8、低频接地支节9、低频天线h面反射板安装孔10、低频天线同轴线馈电位置11、gcpw转dpspl结构12、高频偶极子臂13、第四缝隙14、sicl结构15、信号导带16、t形节等功分功分器17。
具体实施方式
63.下面结合具体实施例对本发明做进一步的分析。
64.如图1所示，工作于sub-6ghz/毫米波频段的宽带共口径偶极子阵列为多层垂直排布结构，从上至下依次包括低频天线h面反射板2、第一金属面m1、第一介质基板s1、第三介质基板s3、第二金属面m2、第二介质基板s2、第三金属面m3；其中第一介质基板s1和第二介质基板s2均采用taconic tly-5，介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，厚度均为0.254mm，第三介质基板s3采用rogers 4450f，介电常数为3.52，损耗角正切为0.004，厚度为0.1mm。
65.如图2、3、4、5所示，所述sub-6ghz低频天线包括低频天线反射板、低频偶极子7、双面平行微带线、接地共面波导(gcpw)转双面平行微带线(dpspl)结构12、低频接地支节9；所述低频天线反射板包括低频天线h面反射板2、低频天线e面反射板，且低频天线h面反射板2设有低频天线h面反射板安装孔10，可通过金属螺钉穿过低频天线h面反射板安装孔10将低频天线h面反射板2安装在第一介质基板s1；所述第一介质基板s1上表面的低频天线h面反射板2中心开有第二缝隙，所述第二介质基板s2下表面的低频天线h面反射板开有第三缝隙；所述低频偶极子包括位于第一介质基板s1上表面的顶层低频偶极子臂、位于第二介质基板s2下表面的底层低频偶极子臂；顶层低频偶极子臂和底层低频偶极子臂结构相同，均各自包括左臂和右臂，其中左臂和右臂均开有第一缝隙8；所述左臂和右臂间留有一定距离；所述类u型缝隙的封闭端为低频天线同轴线馈电位置11，位于第二缝隙内的开口端为gcpw转dpspl结构12；所述第一介质基板s1上表面的低频天线e面反射板内开有类u型缝隙，该类u型缝隙位于第二缝隙内；所述的sub-6ghz低频天线通过低频天线同轴线馈电位置11馈电给50ω的双面平行微带线激励偶极子天线。
66.所述毫米波偶极子天线包括高频偶极子天线阵列5、高频接地支节6、高频馈电网络、高频反射板；所述高频反射板采用sub-6ghz低频天线中低频偶极子；所述高频馈电网络采用sicl结构15，拥有一个信号输入端，4个信号输出端；其包括位于第三介质基板s3、第二介质基板s2间的信号导带16，多个周期性分布的第一金属化通孔3，分别位于第一介质基板s1上表面和第二介质基板s2下表面的金属地；所述第一金属化通孔3分布在信号导带两侧，且位于金属地两侧边沿；所述高频偶极子天线阵列5包括4个高频偶极子天线单元；每个高频偶极子天线单元由三层构成，分别位于第一介质基板s1上表面的顶层偶极子，位于第三介质基板s3、第二介质基板s2间的中间层偶极子，以及位于第二介质基板s1下表面的底层偶极子；顶层偶极子、中间偶极子、底层偶极子均包括连接臂、高频偶极子臂13；其中连接臂
的一端与高频偶极子臂的一端连接，连接臂与高频偶极子臂垂直设置，高频偶极子臂的另一端向内弯折；高频偶极子臂刻蚀有第四缝隙14；高频馈电网络为t形节等功分功分器17。
67.所述低频馈电网络和高频馈电网络的输入端采用gcpw转sicl结构1。gcpw转sicl处设有贯穿第二介质基板s2的第二金属化盲孔4。
68.第一缝隙的缝隙宽度w
g1
为2.5mm，偶极子臂距离反射板间距l
st1
为16mm；第四缝隙14的缝隙宽度为0.3mm，偶极子臂距离反射板间距l
st2
为1.85mm；sicl两侧的金属化通孔2间距w
out
为2.1mm。
69.图6和图7分别为仿真的本发明设计毫米波频段和sub-6ghz频段的反射系数和增益仿真图，-10db频带分别在21.5-46.8ghz和3.4-5.5ghz左右，频带内增益分别为8dbi和5dbi以上，天线在毫米波频段和sub-6ghz频段的仿真隔离度大于15db和30db。图8，图9，图10分别为本发明毫米波阵列在中心频点(35ghz),低频(24ghz),高频(46ghz)的e面和h面归一化的主极化与交叉极化仿真结果对比，可以看出，毫米波阵列天线有较为对称的辐射方向图，且副瓣均低于-10db，阵列方向图交叉极化从中可以明显看出有很大的抑制功能，尤其是e面交叉极化，都处于-20db以下。图11，图12，图13分别为本发明sub-6ghz天线在中心频点(4.3ghz),低频(3.3ghz),高频(5.3ghz)的e面和h面归一化的主极化与交叉极化仿真结果对比，可以看出sub-6ghz天线的方向图对称，交叉极化优于20db。
70.以上所述仅是本发明的优选实施方式，而并非对本发明的实施方式做出限定。应当指出对于本技术领域的术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。