一种宽带圆极化天线阵列

摘要

本发明实施例提供了宽带圆极化天线阵列，涉及天线技术领域。宽带圆极化天线阵列包括馈电网络单元、天线单元和微带线馈电端口，微带线馈电端口与馈电网络单元通过微带线耦接；馈电网络单元包括馈电网络层，馈电网络层包括由渐变型微带线连接的多个微带线功分器；微带线馈电端口，用于接收待发送信号，并将待发送信号馈入馈电网络层；馈电网络层，用于接收微带线馈电端口馈入的待发送信号，并向天线单元发送待发送信号；天线单元，用于接收馈电网络层发送的待发送信号，并以圆极化毫米波的形式发送待发送信号，能够支持圆极化天线的宽频带传输特性，提高宽带圆极化天线阵列的带宽。

权利要求

1.一种宽带圆极化天线阵列，其特征在于，包括：馈电网络单元(1)、天线单元(2)和微带线馈电端口(3)，所述微带线馈电端口(3)与所述馈电网络单元(1)通过微带线耦接；

所述馈电网络单元(1)包括馈电网络层(11)，所述馈电网络层(11)包括由渐变型微带线连接的多个微带线功分器(111)；

所述微带线馈电端口(3)，用于接收待发送信号，并将所述待发送信号馈入所述馈电网络层(11)；

所述馈电网络层(11)，用于接收所述微带线馈电端口(3)馈入的所述待发送信号，并向所述天线单元(2)发送所述待发送信号；

所述天线单元(2)，用于接收所述馈电网络层(11)发送的所述待发送信号，并以圆极化毫米波的形式发送所述待发送信号；

其中，所述天线单元(2)包括依次设置的第一金属层(21)、第一介质层(22)以及第二金属层(23)，所述第一介质层(22)内开设有多个用于连接所述第一金属层(21)和所述第二金属层(23)的第一金属化孔洞(221)；

所述第一金属层(21)包括多个第一金属辐射单元，且所述第二金属层(23 )包括多个第二金属辐射单元，每个第一金属辐射单元通过一个第一金属化孔洞(221)与一个第二金属辐射单元连接，以构成一个双层辐射单元；所述第一金属辐射单元和所述第二金属辐射单元分别为由阿基米德曲线方程所定义的第一金属辐射带和第二金属辐射带；所述第一金属辐射带的宽度大于所述第二金属辐射带的宽度；

其中，所述馈电网络单元(1)还包括依次设置的第二介质层(12)、第三金属层(13)和第三介质层(14)，所述第二介质层(12)开设有多个第二金属化孔洞(121)，所述第三金属层(13)上开设有多个金属通道(131)，所述第三介质层(14)上开设有多个第三金属化孔洞(141)；

每个第三金属化孔洞(141)远离所述第二介质层(12)的一端分别与一个微带线功分器(111)的输出端耦接，用于传输微带线功分器(111)的输出端输出的待发送信号，使得所述待发送信号依次经由一个第三金属化孔洞(141)、一个金属通道(131)和一个第二金属化孔洞(121)，被传输至所述天线单元(2)。

2.根据权利要求1所述的宽带圆极化天线阵列，其特征在于，所述馈电网络层(11)设置在所述第三介质层(14)远离所述第三金属层(13)的一面。

3.根据权利要求1所述的宽带圆极化天线阵列，其特征在于，所述微带线功分器(111)为T型功分器。

4.根据权利要求1所述的宽带圆极化天线阵列，其特征在于，所述天线阵列包括8*8个所述天线单元(2)；

所述馈电网络层(11)中的多个微带线功分器(111)组成1分64的馈电网络。

说明书

一种宽带圆极化天线阵列

技术领域

[0001] 本申请涉及天线技术领域，特别是涉及一种宽带圆极化天线阵列。

背景技术

[0002] 天线在无线电通信系统有着极其重要的作用，负责将传输线上传输的导行波变换为可以在自由空间中传输的电磁波。利用电磁波来传递信息的系统，都依靠天线进行工作，
天线性能的好坏将直接影响整个移动通信系统的性能，因此随着移动数据传输技术的高速
发展，对宽带天线的要求也越来越高。

[0003] 现阶段，毫米波通信研发和产业化步入快速发展轨道，与中低段频谱(Sub‑6GHz)相比，毫米波(30‑300GHz)频段具有丰富的频谱资源，其在热点通信方面在具有超高速率和
超大带宽的优势，可有效解决目前6GHz以下低频无线通信中信号频谱资源紧张的问题，在
对抗多径效应上的优越性的圆极化天线阵列具有相当广阔的应用前景。

[0004] 但是目前可用于毫米波的圆极化天线阵列的带宽较窄，宽带性能较低，函待提升。

发明内容

[0005] 本发明实施例的目的在于提供一种宽带圆极化天线阵列，以提高圆极化天线阵列的带宽，提高宽带性能。具体技术方案如下：

[0006] 第一方面，本发明实施例提供一种宽带圆极化天线阵列，包括：馈电网络单元1、天线单元2和微带线馈电端口3，所述微带线馈电端口3与所述馈电网络单元1通过微带线耦
接；

[0007] 所述馈电网络单元1包括馈电网络层11，所述馈电网络层11包括由渐变型微带线连接的多个微带线功分器111；

[0008] 所述微带线馈电端口3，用于接收待发送信号，并将所述待发送信号馈入所述馈电网络层11；

[0009] 所述馈电网络层11，用于接收所述微带线馈电端口3馈入的所述待发送信号，并向所述天线单元2发送所述待发送信号；

[0010] 所述天线单元2，用于接收所述馈电网络层11发送的所述待发送信号，并以圆极化毫米波的形式发送所述待发送信号。

[0011] 在一种可能的实现方式中，所述天线单元2包括依次设置的第一金属层21、第一介质层22以及第二金属层23，所述第一介质层22内开设有多个用于连接所述第一金属层21和
所述第二金属层23的第一金属化孔洞221；

[0012] 所述第一金属层21包括多个第一金属辐射单元，且所述第二金属层22包括多个第二金属辐射单元，每个第一金属辐射单元通过一个第一金属化孔洞221与一个第二金属辐
射单元连接，以构成一个双层辐射单元。

[0013] 在一种可能的实现方式中，所述馈电网络单元1还包括依次设置的第二介质层12、第三金属层13和第三介质层14，所述第二介质层12开设有多个第二金属化孔洞121，所述第
三金属层13上开设有多个金属通道131，所述第三介质层14上开设有多个第三金属化孔洞
141；

[0014] 每个第三金属化孔洞141远离所述第二介质层12的一端分别与一个微带线功分器111的输出端耦接，用于传输微带线功分器111的输出端输出的待发送信号，使得所述待发
送信号依次经由一个第三金属化孔洞141、一个金属通道131和一个第二金属化孔洞121，被
传输至所述天线单元2。

[0015] 在一种可能的实现方式中，所述馈电网络层11设置在所述第三介质层14远离所述第三金属层13的一面。

[0016] 在一种可能的实现方式中，所述微带线功分器111为T型功分器。

[0017] 在一种可能的实现方式中，所述第一金属辐射单元和所述第二金属辐射单元分别为由阿基米德曲线方程所定义的第一金属辐射带和第二金属辐射带。

[0018] 在一种可能的实现方式中，所述第一金属辐射带的宽度大于所述第二金属辐射带的宽度。

[0019] 在一种可能的实现方式中，所述天线阵列包括8*8个所述天线单元2；

[0020] 所述馈电网络层11中的多个微带线功分器111组成1分64的馈电网络。

[0021] 本发明实施例有益效果：

[0022] 本发明实施例提供的宽带圆极化天线阵列，可以通过微带线端口接收待发送信号，并将所述待发送信号通过微带线馈入到天线阵列中的每个微带线功分器，由微带线功
分器向天线单元馈电并由天线单元向外发送待发送信号；由于本发明采用了渐变型微带
线，所以可以使得馈电网络层在传输信号时，能够给更宽频谱的信号提供谐振点，改善馈电
网络单元和天线单元之间的阻抗匹配，减小信号传输过程中因传输线阻抗的突变引起的信
号反射，使得待发送信号在较宽的频带范围进行稳定高效的传输，进而能够支持圆极化天
线的宽频带传输特性，提高宽带圆极化天线阵列的带宽。

[0023] 当然，实施本申请的任一产品或方法并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

[0024] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本
发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以
根据这些附图获得其他的实施例。

[0025] 图1为本申请实施例的一种宽带圆极化天线阵列的爆炸视图；

[0026] 图2为本申请实施例的一种宽带圆极化天线阵列的部分结构剖视图；

[0027] 图3为本申请实施例的一种宽带圆极化天线阵列的局部侧视图；

[0028] 图4为本申请实施例的一种宽带圆极化天线阵列的局部俯视图；

[0029] 图5为本申请实施例的一种宽带圆极化天线阵列的馈电网络层的结构示意图；

[0030] 图6为本申请实施例的一种宽带圆极化天线阵列的功分器的S参数图；

[0031] 图7为本申请实施例的一种宽带圆极化天线阵列的馈电时的S11图；

[0032] 图8为本申请实施例的一种宽带圆极化天线阵列的馈电时的轴比图；

[0033] 图9为本申请实施例的一种宽带圆极化天线阵列进行25GHz馈电时E面和H面的归一化辐射方向图；

[0034] 图10为本申请实施例的一种宽带圆极化天线阵列进行33GHz馈电时E面和H面的归一化辐射方向图；

[0035] 图11为本申请实施例的一种宽带圆极化天线阵列阵列进行41GHz馈电时E面和H面的归一化辐射方向图。

具体实施方式

[0036] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于
本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

[0037] 为能够处理发射频谱范围更广的毫米波资源，本发明实施例提供了一种宽带圆极化天线阵列，如图1和图2所示，该天线阵列包括：馈电网络单元1、天线单元2和微带线馈电
端口3；

[0038] 馈电网络单元1包括馈电网络层11，馈电网络层11包括由渐变型微带线连接的多个微带线功分器111；

[0039] 微带线馈电端口3，用于接收待发送信号，并将待发送信号馈入馈电网络层11；

[0040] 馈电网络层11，用于接收微带线馈电端口3馈入的待发送信号，并向天线单元2发送待发送信号；

[0041] 天线单元2，用于接收馈电网络层11发送的待发送信号，并以圆极化毫米波的形式发送待发送信号。

[0042] 其中，渐变型微带线是指宽度渐变的微带线。微带线功分器111的数量，可以根据天线阵列的规模以及单个微带线功分器111的功率分配情况进行调整。

[0043] 本发明实施例中的宽带圆极化天线阵列，可以通过微带线端口接收待发送信号，并将所述待发送信号通过微带线馈入到天线阵列中的每个微带线功分器，由微带线功分器
向天线单元馈电并由天线单元向外发送待发送信号；由于本发明采用了渐变型微带线，所
以可以使得馈电网络层在传输信号时，能够给更宽频谱的信号提供谐振点，改善馈电网络
单元和天线单元之间的阻抗匹配，减小信号传输过程中因传输线阻抗的突变引起的信号反
射，使得待发送信号在较宽的频带范围进行稳定高效的传输，进而能够支持圆极化天线的
宽频带传输特性，提高宽带圆极化天线阵列的带宽。

[0044] 在本发明实施例中，参见图2，天线单元2包括依次设置的第一金属层21、第一介质层22以及第二金属层23，第一介质层22内开设有多个用于连接第一金属层21和第二金属层
23的第一金属化孔洞221；可选的，第一金属化孔洞211的半径为0.25毫米(millimeter，
mm)；

[0045] 第一金属层21包括多个第一金属辐射单元M1，且第二金属层22包括多个第二金属辐射单元M2，每个第一金属辐射单元M1通过一个第一金属化孔洞221与一个第二金属辐射
单元M2连接，以构成一个双层辐射单元。第一金属化孔洞221的直径能够对馈电网络单元和
天线单元之间的阻抗匹配产生影响，从而影响宽带圆极化天线阵列的阻抗带宽。

[0046] 可选地，第一金属层21和第二金属层22均可采用PCB工艺制作。

[0047] 在本发明实施例中，第一金属辐射单元M1和第二金属辐射单元M2分别为由阿基米德曲线方程所定义的第一金属辐射带和第二金属辐射带。

[0048] 其中，阿基米德曲线方程为 其中r为半径，k为固定常数，为角度。可将第一金属辐射带和第二金属辐射带按照角度分别划分为 段和 段，第
一金属辐射带由始末位置分别为 和 的阿基米德螺旋线确定，第二金属辐射带由始
末位置分别为 和 的阿基米德螺旋线确定。

[0049] 示例性的，k设定为0.2，确定第一金属辐射带和第二金属辐射带的阿基米德螺旋线的长度为0.78λ，λ为圆极化毫米波形式的待发送信号的波长。如此设置，可以控制天线单
元2的圆极化特性，提升宽带圆极化天线阵列的轴比带宽。

[0050] 在本发明实施例中，第一金属辐射带的宽度大于第二金属辐射带的宽度，可进一步提升提升宽带圆极化天线阵列的轴比带宽。

[0051] 在本发明实施例中，参见图2，馈电网络单元1还包括依次设置的第二介质层12、第三金属层13和第三介质层14，第二介质层12开设有多个第二金属化孔洞121，第三金属层13
上开设有多个金属通道131，第三介质层14上开设有多个第三金属化孔洞141；

[0052] 每个第三金属化孔洞141远离第二介质层12的一端分别与一个微带线功分器111的输出端耦接，用于传输微带线功分器111的输出端输出的待发送信号，使得待发送信号依
次经由一个第三金属化孔洞141、一个金属通道131和一个第二金属化孔洞121，被传输至天
线单元2。

[0053] 其中，第三金属层13，具体用于刻蚀金属通道131从而提供馈电网络单元1与天线单元2之间的馈电路径。馈电网络层11也是一个金属层，用于调整馈电网络的形状尺寸。在
本申请实施例中，通过控制馈电网络的形状尺寸与各金属化孔洞的直径大小，可以控制馈
电网络的宽带馈电特性。

[0054] 本申请实施例不限制各介质层的材质，例如，第一介质层22、第二介质层12、第三介质层14均可以采用罗杰斯介质板。其中，第一介质层22采用厚度为1.016mm的
Rogers5880，第二介质层12采用厚度为0.254mm的Rogers5880，第三介质层14采用厚度为
1.016mm的Rogers3006。

[0055] 在本发明实施例中，天线单元2可选以为8*8的规模，即需要8*8个双层辐射单元，相应的，馈电网络层11包括1分64的馈电网络。当然本申请实施例中天线阵列的规模不限于
此，本申请实施例中的天线阵列可以为任意尺寸的方形阵列组成的宽带圆极化毫米波天线
阵列。例如，天线单元2还可以为2*2、16*16等规模。

[0056] 微带线功分器111的每个输出端所发出的待发送信号都依次经过一个第三金属化孔洞141、一个金属通道131和一个第二金属化孔洞121，被传输至一个双层辐射单元中的第
二金属辐射单元M2后，由第一金属辐射单元M1以圆极化毫米波的形式向外发送待发送信
号。

[0057] 可选的，第二金属化孔洞121和第三金属化孔洞141的半径均为0.25mm，金属通道131的半径为0.9mm。第三金属化孔洞141、金属通道131和第二金属化孔洞121的直径的大小
能够对馈电网络单元和天线单元之间的阻抗匹配产生影响，从而影响宽带圆极化天线阵列
的阻抗带宽。

[0058] 在本发明实施例中，馈电网络层11设置在第三介质层14远离第三金属层13的一面。

[0059] 如图3所示，图3为本发明实施例提供的圆极化天线阵列的局部侧视图，图3中示出了天线单元2包括的第一金属辐射单元M1、第二金属辐射单元M2以及连接第一金属辐射单
元M1和第二金属辐射单元M2的第一金属化孔洞221。

[0060] 第二金属辐射单元M2通过第二金属化孔洞121、一个金属通道131和第三金属化孔洞141连接于馈电网络层11中的一个微带线功分器111的输出端，微带线功分器111的输出
端为微带线。

[0061] 如图4所示，图4示出了图3中各部件的尺寸，各部件的尺寸可参见表1:

[0062] 表1

[0063]

[0064] 如表1所示，若将一个双层辐射单元、以及该双层辐射单元连接的馈电网络层的部分作为组成圆极化天线阵列的一个单元，则w1为在俯视视角下该单元包括的第一介质层22
的一边长，l1为在俯视视角下该单元包括的第一介质层22的另一边长，w2为在俯视视角下微
带线的宽度，l2为在俯视视角下微带线的长度，w3为在俯视视角下第二金属辐射单元M2的宽
度，w4为在俯视视角下第一金属辐射单元M1的宽度，r1、r2、r3分别为第二金属化孔洞121、一
个金属通道131和第三金属化孔洞141的直径，h1为第一介质层22的厚度，h2为第二介质层12
的厚度，h3为馈电网络层11的厚度。

[0065] 如图5所示，本发明实施例提供了一种馈电网络层11的俯视图，该馈电网络层包括1分64的馈电网络，该馈电网络层通过微带馈电线端口3接收待发送信号，然后经由1分64的
馈电网络传输待发送信号。图5中示出了微带线功分器111之间的宽带渐变型H型连接和宽
带渐变型T型连接，图5中H型连接对应的实线框内示出了待发送信号由1号引脚一分为2，最
终分别通过引脚2、3、4、5输出待发送信号。

[0066] 其中，微带线功分器111之间采用宽度渐变的微带线连接，馈电网络层通过PCB工艺固定在第三介质层14上，可以保证整个馈电网络单元1的宽带性能，实现天线的宽带特
性。

[0067] 采用本发明实施例提供的宽带圆极化天线阵列，可以通过调整微带馈电线尺寸和各金属化孔洞的直径，控制天线单元的宽带特性。通过调整由阿基米德曲线方程定义的双
层辐射单元的辐射形状，可以控制天线的圆极化特性。并且通过调整馈电网络层中T型和H
型微带线功分器的连接方式，可以控制馈电网络的馈电特性，进而为天线单元提供宽带的
馈电方式，保证天线阵列的宽带圆极化特性。

[0068] 需要说明的是，上述实施例中描述的宽带圆极化天线阵列均适用于5G毫米波通信系统。

[0069] 以下通过对本发明实施例提供的宽带圆极化天线阵列的仿真结果，对该宽带圆极化天线阵列的性能进行说明。

[0070] 如图6所示，图6为本发明实施例提供的一种适用于5G毫米波通信系统的宽带圆极化天线阵列T型功分和H型功分的S参数图。如图7所示，图7为本发明实施例的一种适用于5G
毫米波通信系统的宽带圆极化天线阵列对微带线馈电端口进行馈电时的S11图。通过图6和
图7可以看出该天线阵列的工作频段实现了毫米波频在谱24.25GHz‑27.5GHz和37GHz‑
43.5GHz的连续覆盖，整个阻抗带宽超过两个倍频程。

[0071] 如图8所示，图8为本申请实施例的宽带圆极化天线阵列对微带线馈电端口进行馈电时的轴比图。

[0072] 如图9、图10和图11所示，图9、图10和图11分别为本申请实施例的一种宽带圆极化天线阵列进行25GHz、33GHz、41GHz馈电时E面和H面的归一化辐射方向图。天线阵列的辐射
方向图实现了良好的对称性，并且在整个工作频带内保持了方向图的稳定。

[0073] 本申请实施例实现了利用宽带天线的宽频带传输特性，和有效抑制多径干扰的圆极化优势，从而保证毫米波天线阵宽带、圆极化以及高增益特性，从而实现毫米波通信的高
速率传输、高连接可靠性和大范围覆盖。

[0074] 需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存
在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖
非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要
素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备
所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在
包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

[0075] 本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实
施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例
的部分说明即可。

[0076] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。