一种宽频带高增益波束可扫描的毫米波介质谐振器天线

1.本发明属于无线通信和天线技术领域，涉及一种宽频带高增益波束可扫描的介质谐振器天线。


背景技术：

2.随着用户各种应用及通信需求量的迅速增加，sub-6g频段的频谱资源难以满足人们的使用需求，并且不易支撑具有更高传输速率的无线通信。而毫米波可以为移动终端设备提供更宽的频段范围和更高的传输速率，具有明显的频谱资源优势。应用在移动终端设备的毫米波天线需同时具备多个特性：利用一套天线尽可能同时覆盖fr2中的多个频段，从而减少天线使用数量，降低成本；在工作频段内维持稳定的高增益特性，以提高终端接收的信噪比；具有宽波束扫描能力以实现大范围的空间辐射波束覆盖，保证终端与基站的连接。然而现有的终端毫米波天线设计中存在许多弊端，比如天线的尺寸较大，难以应用于小型终端设备；天线的带宽较窄，应用范围受限；天线的增益较低，难以保证终端接收信噪比；天线的波束覆盖范围有限，难以实现宽波束扫描特性。因此如何在毫米波频段内设计同时兼具宽频带、高增益且宽波束扫描特性的毫米波终端天线具有重要的研究意义。
3.传统金属天线在毫米波频段通常具有较高的损耗从而影响天线效率，而介质谐振器天线因其设计灵活、低损耗以及高辐射效率等优势在毫米波频段得到广泛关注。为了实现宽频特性，现有的毫米波介质谐振器天线通过采用多层结构、改变介质谐振器形状、混合其他天线等方式展宽带宽，但这些设计通常带宽不足以完全覆盖5g毫米波通信频段，并且天线尺寸通常较大或天线增益较低。为了提高天线的增益，频率选择表面(fss)、透镜技术以及天线阵列等方式被应用于介质谐振器天线，但这些研究通常带宽有限或不具备宽波束扫描能力。因此研究具有宽频带、高增益且宽波束扫描特性的终端毫米波介质谐振器天线将具有很强的市场竞争力。


技术实现要素：

4.本发明针对现有技术中存在的缺点和不足，提出一种宽频带高增益波束可扫描的毫米波介质谐振器天线阵列。通过将四个天线单元组成1
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4介质谐振器天线阵列，天线单元间距约为半波长，在四个矩形介质块的周围引入金属凹槽使得天线在整个工作频段内维持稳定的高增益特性。介质谐振器天线单元之间使用金属壁降低单元间的耦合，提高天线单元之间的隔离度实现天线的宽波束扫描特性。将四个矩形介质块与金属凹槽进行一体化设计方便后续实际加工时的制造与组装。该介质谐振器天线的阻抗带宽可覆盖23.81-40.52ghz(～52％)，在工作频段内保持稳定的高增益辐射特性，平均增益可达～13.2dbi，天线结构紧凑满足宽波束扫描要求，主波束在25ghz和40ghz时分别可以扫描到
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40
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和
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30
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。本发明提出的宽频带、高增益且具有波束扫描特性的毫米波介质谐振器天线具有广阔的市场前景和应用范围。
5.为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
6.一种宽频带高增益波束可扫描的毫米波介质谐振器天线，通过激励与合并介质谐振器天线的多种谐振模式实现天线的宽频带特性，由介质谐振器天线单元组成1
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4天线阵列以及在第一层介质基板外围引入金属凹槽14、15维持稳定的高增益特性。
7.所述的介质谐振器天线单元采用四层结构，通过激励与合并介质谐振器天线的多种谐振模式实现天线的宽频带特性，从上至下依次为第一层介质基板1、第二层介质基板2、第三层介质基板3、第四层介质基板4，是一种同时兼具宽频带、高增益、宽波束扫描特性的毫米波介质谐振器天线。
8.所述的第一层介质基板1为高介电常数，四个介质块13采用一体化设计集成在第一层介质基板1上。介质块13外围设有纵向金属凹槽14、横向金属凹槽15，相邻介质块13之间设有的纵向金属凹槽即为金属壁16，共同构成顶层天线辐射结构。介质块13外围的金属凹槽14和15作用为提升天线的增益确保辐射稳定性，其中横向金属凹槽留下连接矩形介质块的位置以便于后续加工制造。相邻介质块13之间的金属壁16作用为降低天线单元之间的耦合，提高天线隔离度。
9.所述的第二层介质基板2为低介电常数。
10.所述的第三层介质基板3和第四层介质基板4均为低介电常数，二者通过粘合层5粘接在一起形成基片集成同轴线(substrate integrated coaxial line,sicl)馈电网络结构，且对应位置设有多个金属孔10，第三层介质基板3和第四层介质基板4之间设有通过缝隙耦合结构8馈电的sicl内导体9，其中金属孔10均匀分布于sicl内导体9两侧。第三层介质基板3上面与第四层介质基板4的下面分别为第一层金属地板6和第二层金属地板7。第一层金属地板6中部横向并排且等间隔刻蚀四个相同的横向缝隙耦合结构8,，其并排放置方式与顶层四个介质块13的并排排列方式保持一致且中心位置对应。位于介质基板3和4之间的sicl内导体9用于引导电磁信号的能量传输，sicl内导体9顶部通过四个缝隙耦合结构8将信号耦合到顶层天线辐射结构中。均匀分布在sicl内导体9两侧的金属孔10并与金属地板6和7共同形成sicl结构的外导体，起到屏蔽的作用从而降低辐射损耗。在馈电网络底部引入接地共面波导(grounded co-planar wavoguide,gcpw)馈电结构，gcpw的上下平面与sicl的外导体的上下表面高度保持一致，gcpw中心导体11与金属地板6位于同一层。在gcpw中心导体11顶部与sicl内导体9底部的过渡部分引入金属盲孔12连接二者使得电磁信号能够从gcpw转接给sicl馈电网络。
11.将四个天线单元采用一体化设计能够解决实际加工时的制造与组装问题。采用基片集成同轴线(substrate integrated coaxial line,sicl)作为馈电网络对天线进行激励能够获得更小的辐射损耗。
12.进一步的，所述的第一层介质基板1选用的介电常数不小于10。
13.进一步的，所述的第二层介质基板2选用的介电常数不大于10。
14.进一步的，所述的第三层介质基板3和第四层介质基板4采用相同的介电常数，选用的介电常数不大于10。
15.进一步的，所述的粘合层5选用的介电常数不大于10。
16.进一步的，所述的四层介质基板上设有多个通孔用来放置塑料螺钉固定组装天线。
17.进一步的，所述的sicl内导体9两侧的多个金属孔10中，相邻两个金属孔10中心之
间的距离为0.6mm。
18.进一步的，所述的天线的单元之间的间距为0.5λ0，紧凑的天线结构使得天线具有宽波束扫描特性。其中λ0表示工作带宽中心频率对应的波长。
19.进一步的，相邻天线单元之间引入金属壁，但不限于金属壁形式，降低单元间的耦合，提高天线单元之间的隔离度实现天线宽波束扫描能力。
20.本发明的创新点分析如下：
21.(1)本发明提供一种同时兼具宽频带、高增益、宽波束扫描特性的毫米波介质谐振器天线方案。(2)通过激励与合并介质谐振器天线的基模与高次模拓展天线带宽实现超宽带设计。(3)在介质块四周引入金属凹槽使得天线在阻抗带宽内维持稳定的高增益辐射特性。(4)在天线单元之间引入金属壁降低介质谐振器天线单元之间的耦合，提高天线隔离度以实现宽波束扫描特性。(5)将介质块与金属凹槽进行一体化设计，方便后续天线实物的加工与组装。
22.本发明的保护点如下：
23.(1)多个矩形介质块形成阵列结构，但不限于矩形，通过激励与合并天线的基模与高次模实现宽带设计，且多个矩形介质块尺寸不限于相同尺寸，每个介质块均可具有不同尺寸。(2)在四个介质块四周引入金属凹槽，但不限于金属凹槽形式，使得介质谐振器天线具有稳定的高增益特性。(3)介质谐振器天线单元之间引入金属壁，但不限于金属壁形式，降低单元间的耦合，提高天线单元之间的隔离度实现天线宽波束扫描能力。(4)将四个介质块与金属凹槽进行一体化设计，但不限于此种一体化形式，方便后续天线实物的加工与组装。(5)所发明的天线不限于所给出的四个并行放置构成天线阵列的结构形式进行高增益辐射，也可以在此基础上增加辐射单元用于规模更大的天线阵列设计当中，实现更强的定向辐射的宽频带高增益天线或者波束扫描相控阵天线。(6)天线设计以毫米波频段为例，但不仅限于该频段，该设计技术可拓展到任意频段。
24.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
25.(1)本发明能够解决以往宽频带、高增益和宽波束扫描特性这些优良性能不能同时实现在一个天线上的问题。将天线的四个辐射单元进行一体化集成设计，解决每个小尺寸的天线单元需要单独制造并且难以与印刷电路板精确定位和组装的难题。
26.(2)本发明通过激励与合并介质谐振器的基模与高次模拓展天线的带宽，在23.81-40.52ghz的工作频段内实现52％的阻抗带宽，能够同时覆盖fr2的四个频段，分别为n257(26.5-29.5ghz)、n258(24.25-27.5ghz)、n260(37.0-40.0ghz)和n261(27.5-28.35ghz)。
27.(3)本发明在介质块四周引入金属凹槽使得天线在工作频段内具有稳定的高增益辐射特性，最高增益可达～15.73dbi，平均增益可达～13.2dbi。在天线单元之间引入金属壁降低单元间的耦合，提高天线单元之间的隔离度实现天线宽波束扫描特性，在25ghz和40ghz时天线主波束分别可以扫描到
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附图说明
28.图1是本发明提出的宽频带高增益波束可扫描的毫米波介质谐振器天线整体结构的剖视示意图；
29.图2(a)是本发明中第一层高介电常数介质层的剖视示意图；
30.图2(b)是本发明中第二层介质基板的剖视示意图；
31.图2(c)是本发明第一层金属地板层的剖视示意图；
32.图2(d)是本发明sicl以及gcpw-sicl转接结构部分的剖视示意图；
33.图3是本发明仿真的反射系数曲线图；
34.图4是本发明仿真的天线增益随频率变化图；
35.图中：1第一层介质基板；2第二层介质基板；3第三层介质基板；4第四层介质基板；5粘合层；6第一层金属地板层；7第二层金属地板层；8缝隙耦合结构；9sicl内导体；10金属孔；11gcpw中心导体；12gcpw和sicl的转接盲孔；13介质块；14纵向金属凹槽；15横向金属凹槽；16介质块之间的金属壁；17介质块之间间隔、耦合缝隙之间间隔。
具体实施方式
36.下面结合说明书附图和技术方案，对本发明的具体实施方案作详细说明。
37.参见图1宽频带高增益波束可扫描的毫米波介质谐振器天线阵列整体结构透视图，天线为四层结构，分别为第一层高介电常数介质基板1、第二层低介电常数介质基板2、第三层低介电常数介质基板3以及第四层低介电常数介质基板4。其中介质基板3和介质基板4通过粘合层5粘接起来。
38.参见图2(a)为顶层的高介电常数的介质基板1，采用rogers ro3010材料(εr＝11.2，tanδ＝0.0022)，长为24.8mm、宽为14.7mm、厚度为0.635mm。介质块13的长为5mm、宽为2.9mm，每个介质块之间的间隔17为5.2mm。为了实现稳定的高增益特性，在介质块13外围设有纵向金属凹槽14、横向金属凹槽15。其中纵向金属凹槽14的长为7.9mm、宽为0.7mm、厚度为0.635mm。横金属化凹槽15的长为17.6mm、宽为0.7mm、厚度为0.635mm。其中横向金属凹槽留下连接矩形介质块的位置以便于后续加工制造。在每相邻的两个介质块13之间引入纵向金属壁16降低天线单元之间的耦合，提高天线隔离度。金属壁16的长为9.2mm、宽为0.5mm、厚度为0.635mm。
39.参见图2(b)为第二层低介电常数的介质基板2；介质基板2采用rogers 5880材料(εr＝2.2，tanδ＝0.0009)，长为24.8mm、宽为14.7mm、厚度为0.254mm。
40.参见图2(c)为第一层金属地板层6，中部并排刻蚀四个相同的横向缝隙耦合结构8，,其并排放置方式与顶层四个介质块的并排排列方式保持一致且中心位置对应。缝隙长为2.5mm、宽为0.5mm。金属地板层6的长为24.8mm，宽为20.6mm。
41.参考图2(d)为sicl馈电网络结构及gcpw-sicl转接部分。第三层介质基板3和第四层介质基板4均采用rogers 5080材料(εr＝2.2，tanδ＝0.0009)。介质基板3和4的长为24.8mm、宽为20.6mm、厚度为0.254mm。厚度为0.1mm的粘合层,5(rogers 4450材料εr＝3.5，tanδ＝0.004)将介质基板3和4粘接起来，且对应位置设有多个金属孔10，第三层介质基板3和第四层介质基板4之间设有通过缝隙耦合结构8馈电的sicl内导体9，其中金属孔10均匀分布于sicl内导体9两侧。金属孔10的直径为0.4mm，高度为0.608mm，相邻两个金属孔中心之间的距离为0.6mm，sicl内导体两侧金属孔中心的距离为2.75mm。第二层金属地板层7的长为24.8mm，宽为20.6mm。本发明所述天线单元的数量为四个，sicl内导体9对四个辐射单元提供等幅同相的馈电，并与辐射结构通过塑料螺钉组装固定组成四单元阵列天线。
42.由于许多微波器件都是采用表面封装(surface mount technology,smt)方式，因此在实际应用中单独的sicl难以与各种实验设备连接，无法进行测试。因此，本发明在馈电网络底部设计一种接地共面波导(grounded co-planar wavoguide,gcpw)至sicl的转接过渡结构，使得它能够与实验环境相容。gcpw的上下平面与sicl的外导体的上下表面高度保持一致，其中gcpw中心导体11与金属地板6位于同一层，其长为3mm、宽为0.95mm，sicl内导体9与gcpw连接处的内导体宽度为0.4mm。由于gcpw中心导体11与sicl内导体9处于异面位置无法直接进行相连，因此在gcpw中心导体11顶部与sicl内导体9底部的过渡部分用一个贯穿第三层介质基板3的金属盲孔12连接gcpw中心导体11顶部与sicl内导体9底部来传导电磁信号，其中金属盲孔的直径为0.34mm，高度为0.254mm。为了尽可能的减少损耗，提高能量传输效率，在设计过渡部分时，将金属盲孔12、gcpw中心导体11、sicl内导体9三者的阻抗相匹配。
43.参考图3为本发明提出的宽频带高增益波束可扫描的毫米波介质谐振器天线阵列的仿真反射系数图，从图中可以看出，该天线阵列可以覆盖的频率范围23.81-40.52ghz，相对带宽为52％，能够完全对fr2频段的n257(26.5-29.5ghz)、n258(24.25-27.5ghz)、n260(37.0-40.0ghz)和n261(27.5-28.35ghz)实现全覆盖。
44.参考图4为天线增益随频率变化图，天线在36.5ghz实现最大增益15.73dbi，在整个阻抗带宽内平均增益为13.2dbi，具有稳定的高增益特性。
45.以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种宽频带高增益波束可扫描的毫米波介质谐振器天线，其特征在于，通过激励与合并介质谐振器天线的多种谐振模式实现天线的宽频带特性，由介质谐振器天线单元组成1
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4毫米波介质谐振器天线阵列以及在第一层介质基板外围引入金属凹槽(14)、(15)维持稳定的高增益特性；所述的介质谐振器天线单元采用四层结构，从上至下依次为第一层介质基板(1)、第二层介质基板(2)、第三层介质基板(3)、第四层介质基板(4)。2.根据权利要求1所述的一种宽频带高增益波束可扫描的毫米波介质谐振器天线，其特征在于，所述的介质谐振器天线单元的具体结构为：所述的第一层介质基板(1)为高介电常数，四个介质块(13)采用一体化设计集成在第一层介质基板(1)上；介质块(13)外围设有纵向金属凹槽(14)、横向金属凹槽(15)，相邻介质块(13)之间设有的纵向金属凹槽即为金属壁(16)，共同构成顶层天线辐射结构；所述的第二层介质基板(2)为低介电常数；所述的第三层介质基板(3)和第四层介质基板(4)均为低介电常数，二者通过粘合层5粘接在一起形成基片集成同轴线sicl馈电网络结构，且对应位置设有多个金属孔(10)，第三层介质基板(3)和第四层介质基板(4)之间设有通过缝隙耦合结构(8)馈电的sicl内导体(9)，其中金属孔(10)均匀分布于sicl内导体(9)两侧；第三层介质基板(3)上面与第四层介质基板(4)的下面分别为第一层金属地板(6)和第二层金属地板(7)；第一层金属地板(6)中部横向并排且等间隔刻蚀四个相同的横向缝隙耦合结构(8),，其并排放置方式与顶层四个介质块(13)的并排排列方式保持一致且中心位置对应；位于介质基板(3)和4之间的sicl内导体(9)用于引导电磁信号的能量传输，sicl内导体(9)顶部通过四个缝隙耦合结构(8)将信号耦合到顶层天线辐射结构中；sicl内导体(9)两侧的金属孔(10)与金属地板(6)和金属地板(7)共同形成sicl结构的外导体，起到屏蔽的作用从而降低辐射损耗；在馈电网络结构底部引入接地共面波导gcpw馈电结构，gcpw的上下平面与sicl的外导体(9)的上下表面高度保持一致，gcpw中心导体(11)与金属地板(6)位于同一层；在gcpw中心导体(11)顶部与sicl内导体(9)底部的过渡部分引入金属盲孔(12)连接二者使得电磁信号能够从gcpw转接给sicl馈电网络。3.根据权利要求2所述的一种宽频带高增益波束可扫描的毫米波介质谐振器天线，其特征在于，所述的第一层介质基板(1)选用的介电常数不小于10。4.根据权利要求2所述的一种宽频带高增益波束可扫描的毫米波介质谐振器天线，其特征在于，所述的第二层介质基板(2)选用的介电常数不大于10。5.根据权利要求2所述的一种宽频带高增益波束可扫描的毫米波介质谐振器天线，其特征在于，所述的第三层介质基板(3)和第四层介质基板(4)采用相同的介电常数，选用的介电常数不大于10。6.根据权利要求2所述的一种宽频带高增益波束可扫描的毫米波介质谐振器天线，其特征在于，所述的粘合层5选用的介电常数不大于10。7.根据权利要求2所述的一种宽频带高增益波束可扫描的毫米波介质谐振器天线，其特征在于，所述的四层介质基板上设有多个通孔用来放置塑料螺钉固定组装天线。8.根据权利要求2所述的一种宽频带高增益波束可扫描的毫米波介质谐振器天线，其特征在于，所述的sicl内导体(9)两侧的多个金属孔(10)中，相邻两个金属孔(10)中心之间的距离为0.6mm。
9.根据权利要求1所述的一种宽频带高增益波束可扫描的毫米波介质谐振器天线，其特征在于，所述的天线单元之间的间距为0.5λ0，紧凑的天线结构使得天线具有宽波束扫描特性；其中λ0表示工作带宽中心频率对应的波长。10.根据权利要求1所述的一种宽频带高增益波束可扫描的毫米波介质谐振器天线，其特征在于，相邻天线单元之间引入金属壁，用于降低单元间的耦合，提高天线单元之间的隔离度实现天线宽波束扫描能力。

技术总结
本发明提供一种宽频带高增益波束可扫描的毫米波介质谐振器天线，包括四层结构，其中顶层为高介电常数的介质层、第二层为低介电常数的介质基板、第三层为低介电常数的介质基板、底层为低介电常数的介质基板。将四个矩形介质块与金属凹槽形成一体化设计方便后续加工。通过激励与合并介质谐振器基膜与高次模拓展天线的带宽，在23.81-40.52GHz的工作频段内实现52％的阻抗带宽。在介质块四周引入金属凹槽使得天线在工作频段内具有稳定的高增益辐射特性，最高增益可达～15.73dBi，平均增益可达～13.2dBi。在天线单元之间引入金属壁降低单元间的耦合，提高天线单元之间的隔离度实现天线宽波束扫描特性，在25GHz和40GHz时天线主波束分别可以扫描到


技术研发人员：郭磊 杨照芳 杨汶汶
受保护的技术使用者：大连理工大学
技术研发日：2023.06.09
技术公布日：2023/8/1