一种宽角度扫描毫米波阵列天线结构

1.本发明涉及天线设计技术领域，尤其是涉及一种宽角度扫描毫米波阵列天线结构。


背景技术：

2.近年来，具有波束扫描特性的毫米波天线受到了广泛的研究与关注。其中，对于手机等移动终端设备，大部分空间被预留给电池、摄像头和屏幕等，天线设计空间十分有限，且终端设备使用中的姿态具有任意性，为避免天线被阻挡而无法有效向外辐射，小尺寸、宽角度扫描的毫米波阵列天线是当前终端天线设计面临的一大难题。
3.根据相控阵原理，单元数越少、单元间隔越大、波束扫描范围越小。常见的毫米波阵列天线(如高通qtm547毫米波天线模组等多为4单元阵列)，其中天线单元需基于0.5波长谐振，取单元间距0.5波长组阵，从而导致较大的阵列尺寸和有限的波束扫面范围。在不增加单元数量的前提下，若要扩展波束扫面范围，就需要降低单元间距，而对于小间距的阵列天线，其难点在于：如何在实现小型化天线单元的基础上，能够提升宽波束扫描能力、同时有效降低天线单元间的耦合。
4.为此，现有技术针对0.5波长谐振的微带贴片天线，在它中心电场为0处附加短路壁到地，由此既不会影响其模式分布，同时贴片尺寸可以缩小为原来的一半，从而实现基于0.25波长谐振的直接短路微带贴片天线，但由于短路柱会引入较大的垂直电流分量，导致产生较高的h面交叉极化分量，将影响到天线单元的辐射特性。


技术实现要素：

5.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种宽角度扫描毫米波阵列天线结构，能够优化阵列天线的尺寸，同时有效提升天线单元的辐射特性、降低天线单元间的耦合。
6.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种宽角度扫描毫米波阵列天线结构，包括多个相间隔排布连接的天线单元，所述天线单元包括自上而下依次设置的第一介质层、粘和层和第二介质层，所述第一介质层的顶面设置有辐射贴片层，所述第二介质层设置有关于中心对称的耦合短路结构和耦合馈电结构。
7.进一步地，所述第二介质层的顶面分别设置有耦合短路贴片层、耦合馈电贴片层，所述第二介质层的底面为金属地面层。
8.进一步地，所述耦合短路贴片层、耦合馈电贴片层分别与金属地面层相连接，以分别组成耦合短路结构、耦合馈电结构。
9.进一步地，所述耦合短路贴片层通过短路柱连接至金属地面层。
10.进一步地，所述耦合馈电贴片层通过探针连接至金属地面层。
11.进一步地，所述探针的顶端和底端分别贯通于耦合馈电贴片层、金属地面层。
12.进一步地，所述天线单元之间依次通过反对称的中和线相连接。
13.进一步地，所述中和线的两端分别与相邻两个天线单元的辐射贴片层连接。
14.进一步地，所述天线单元之间的中心间距≥0.3波长。
15.进一步地，所述天线单元的数量≥4。
16.与现有技术相比，本发明通过在天线单元的第二介质层设置耦合短路结构和耦合馈电结构，一方面利用耦合短路结构替代传统的直接短路结构，能够有效减少垂直电流分量，从而降低h面的高交叉极化分量、提升天线单元的辐射特性，另一方面利用耦合馈电结构在实现耦合馈电的同时进一步缩小天线单元尺寸。
17.本发明在相邻天线单元单元之间依次连接设置反对称的中和线，以引入新的耦合，利用新引入的耦合与原始耦合相互抵消，能够有效降低天线单元之间的耦合相互影响、提升紧密排列的天线单元间的隔离度。
18.本发明将天线单元之间的中心间距设置为≥0.3波长，最小设置为0.3波长，以组成紧凑的阵列天线结构，通过缩小天线单元间的间距，能够有效降低波束扫描到大角度时的旁瓣电平，从而扩展阵列天线的宽波束扫描能力。
附图说明
19.图1为本发明中天线单元设计过程的示意图；
20.图2为本发明中天线单元设计过程中相应的反射系数仿真结果；
21.图3为本发明中天线单元设计过程相应的h面方向图；
22.图4a和图4b为实施例中基于0.25波长谐振的天线单元的顶面结构示意图；
23.图5为实施例中基于0.25波长谐振的天线单元的侧面结构示意图；
24.图6为实施例中宽角度扫描毫米波阵列天线的顶面结构示意图；
25.图7为实施例中宽角度扫描毫米波阵列天线的侧面结构示意图；
26.图8a、8b和8c为实施例中宽角度扫描毫米波阵列天线的中和线设计过程示意图；
27.图9a、9b和9c为实施例中宽角度扫描毫米波阵列天线的中和线设计过程中相应的隔离度仿真结果；
28.图10a和图10b为实施例中宽角度扫描毫米波阵列天线在不同波束下辐射方向图的仿真结果。
具体实施方式
29.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
30.实施例
31.如图5、6、7所示，一种宽角度扫描毫米波阵列天线结构，包括多个相间隔排布连接的天线单元，天线单元包括自上而下依次设置的第一介质层、粘和层和第二介质层，第一介质层的顶面设置有辐射贴片层(如图5中天线贴片所示)，第二介质层设置有关于中心对称的耦合短路结构和耦合馈电结构。
32.具体的，第二介质层的顶面分别设置有耦合短路贴片层、耦合馈电贴片层，第二介质层的底面为金属地面层，耦合短路贴片层、耦合馈电贴片层分别与金属地面层相连接，以分别组成耦合短路结构、耦合馈电结构。
33.其中，耦合短路贴片层通过短路柱连接至金属地面层，耦合馈电贴片层则通过探
针连接至金属地面层，探针的顶端和底端分别贯通于耦合馈电贴片层、金属地面层。
34.此外，天线单元之间依次通过反对称的中和线相连接(如图6所示)，中和线的两端分别与相邻两个天线单元的辐射贴片层连接。
35.在实际应用中，天线单元之间的中心间距≥0.3波长，天线单元的数量≥4。本实施例设计天线单元之间的中心间距为0.3波长，并采用4个天线单元排布线性连接组成阵列天线结构，能够覆盖25.5-27.5ghz毫米波频段。
36.图1所示为本发明中天线单元设计过程的示意图，其中，天线单元从基于0.5波长谐振的普通贴片天线演化而来。现有技术中，对于工作在tm01模的普通贴片天线，对称中心电场为0，在此附加短路壁到地将不影响贴片天线的模式分布，同时可以将贴片天线尺寸缩小为原来的一半。但由于直接短路结构将引入较大的垂直电流分量，导致基于0.25波长谐振的直接短路贴片天线在h面产生较高的交叉极化分量。故本技术方案设计使用耦合短路结构代替直接短路结构，能够有效降低垂直电流分量，从而降低h面交叉极化分量。
37.图2所示为本发明中天线单元设计过程中相应的反射系数仿真结构，其中，基于0.5波长谐振的普通贴片天线、基于0.25波长谐振的直接短路贴片天线和基于0.25波长谐振的耦合短路贴片天线(即采用本技术案)被均被调谐到25.5-27.5ghz频段，从图2可知，本技术方案能够有效降低h面高交叉极化分量。
38.图3所示为本发明中天线单元设计过程相应的h面方向图。其中，普通贴片天线的h面峰值增益和交叉极化电平分别为7.7dbi和-17db；直接短路贴片天线，由于不对称性升高导致方向图偏转，h面峰值增益只有2.7dbi，同时由于短路柱引入的垂直电流分量，h面交叉极化电平高达-2.2db；而本技术方案设计的耦合短路贴片天线，能够明显减弱短路贴片的不对称性，同时减小垂直电流分量，h面的峰值增益和交叉极化电平分别为6.3dbi和-12.4db，明显得到了改善。
39.图4a、4b和图5分别为本实施例中基于0.25波长谐振的耦合短路贴片天线的顶面和侧面结构示意图，图中各部分尺寸分别为：lg＝12，wg＝12，lp＝2.5，wp＝2.7，ls＝0.6，ws＝2.7，lf＝1.6，wf＝1，h1＝0.254，h2＝0.101，h3＝0.381，单位均为mm。
40.图6和图7分别为本实施例中宽角度扫描毫米波阵列天线的顶面和侧面结构示意图，图中各部分尺寸分别为：d＝3.4，la＝12.9，wa＝5，单位均为mm。
41.由此，本实施例设计的阵列天线由四个贴片天线单元组成，取单元中心间距0.3波长线性排列，构成阵列天线。其中，每个天线单元由3层介质基板构成，自上而下分别为天线介质层1、粘和层和天线介质层2，辐射贴片层位于天线介质层1的顶面，耦合短路贴片层和耦合馈电贴片层均位于天线介质层2的顶面，天线介质层2的底面为金属地面层，通过粘和层将天线介质层1、天线介质层2粘和起来。每个天线单元由探针贯通金属地面和天线介质层2，结合在天线介质层2表面设置的耦合馈电贴片，实现探针耦合馈电。耦合短路结构则由短路柱连接位于天线介质层2表面的耦合短路贴片和金属地面构成。在辐射贴片层，相邻辐射贴片间由反对称中和线连接，以提升紧密排列的天线单元之间的隔离度。
42.图8a、8b和8c为本实施例中宽角度扫描毫米波阵列天线的中和线设计过程示意图。由于阵列的不对称性，通常的同侧顺序连接中和线的解耦效果有限，基于此，本技术方案采用反对称中和线结构提升天线间的隔离度。
43.图9a、9b、9c所示为本实施例中宽角度扫描毫米波阵列天线的中和线设计过程中
相应的隔离度仿真结果。在无中和线解耦时，相邻天线单元间耦合高达-8.9db，天线间相互影响大，从而造成阵列天线的方向图、谐振等特性恶化；使用同侧中和线解耦时，天线隔离度有所改善，但中间天线单元间互耦仍高达-10.2db；考虑到阵列的不对称性，本技术方案采用的反对称中和线结构可以有效降低天线单元间互耦，使阵列中相邻天线单元间隔离度优于14.5db。也就是说，本技术方案在紧密放置的相邻天线单元间使用不对称中和线引入新的耦合，通过控制贴片天线尺寸改变原始耦合，调整二者的尺寸使新引入的耦合与原始耦合相互抵消(在实际设计应用时，中和线可以直接调节长度和高度，天线辐射贴片尺寸的调节则是结合耦合短路结构的位置移动一起调整，以保证天线单元的工作频带不变)，即可将天线单元间互耦从无中和线解耦时的-8.9db提升到-15db以下。
44.图10a、10b所示为本实施例中宽角度扫描毫米波阵列天线在不同波束指向下的辐射方向仿真图，可知在-60
°
到60
°
的波束扫描范围内，峰值增益波动仅1.6db，旁瓣电平均优于-7.7db，交叉极化隔离度均大于12db，阵列具有良好的增益，较低的旁瓣电平和较低的交叉极化电平。
45.综上可知，本实施例中宽角度扫描毫米波阵列天线基于小型化的0.25波长谐振的耦合短路贴片天线设计实现。首先，使用耦合短路结构代替直接短路，降低基于0.25波长谐振的贴片天线h面高交叉极化分量；
46.其次，为减小阵列尺寸，扩展波束扫描范围，阵列天线取单元间距0.3波长组阵，能够有效降低波束扫描到大角度时的旁瓣电平，实现宽角度扫描，但由于天线单元间的紧密排列，相互间影响增大，将导致天线单元的谐振和辐射特性恶化，因此设计反对称中和线结构来降低天线单元间的互耦，提升天线单元间的隔离度，保证阵列特性，由此本技术方案提出的毫米波阵列天线在天线尺寸、波束扫描范围和解耦性能上均有较大提升。
47.需要说明的是，本实施例中天线单元之间的中心间距取0.3波长，是一个很小的值，在这样小的单元间距下解耦非常困难，本技术方案设计反对称中和线进行天线单元之间的连接，能够有效解耦，而对于单元间距大于0.3波长的情况，其解耦难度随之下降，本技术方案提出的反对称中和线解耦同样更加适用；此外，本实施例为了适应移动终端对毫米波天线小尺寸的应用需求，因而只取了4个天线单元，但本技术方案的应用能够推广到天线单元数量大于4的情况。
48.本发明的技术方案不限于上述具体事实例的限制，本发明能够为工作在毫米波频段的小型化、宽波束扫描阵列天线提供优化方案，不限于本实施例单元间距、单元数目的限制，调整耦合短路贴片天线单元的馈电方式，或调整阵列配置、极化特性，均能实现本发明的技术效果。凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。