[发明专利]宽频带毫米波介质谐振器天线单元及由其组成的阵列结构

说明书

一种宽频带毫米波介质谐振器天线单元及由其组成的阵列结构，天线单元层叠结构由上到下依次为顶层高介电常数的矩形介质块、顶层低介电常数的介质基板及底层低介电常数的介质基板。介质块四周引入多个空气孔使天线的四个模式分布在工作频段21‑43.65GHz的毫米波频率范围内，在自由空间内实现更好的阻抗匹配。顶层介质基板下表面设置有金属地板，金属地板上刻蚀有馈电缝隙；金属地板与底层低介电常数通过粘合层粘接，底层介质基板下表面设置有微带线。由多个结构相同的宽带介质谐振器天线单元组成1×N天线阵列。本发明介质谐振器天线阵列可以在24‑40GHz的频率范围内工作，相对带宽为50％；同时天线阵列可实现14.75dBi的峰值增益；此外，该介质谐振器天线阵列具有宽角扫描特性，最大扫描角度为±56°。

技术领域

本发明可应用于无线天线领域，提出一种工作在毫米波频段的宽频带的介质谐振器天线单元及阵列结构。

背景技术

在第五代移动通信系统出现之前，通信系统大多围绕Sub6GHz开展，而过度的占用使得低频处的频谱趋饱和，为了解决上述问题，人们将目光投向高频处，高频处的频谱资源丰富，且还没有被大规模使用，可利用性极高。毫米波技术为高数据速率和带宽提供了解决方案，有助于推动第五代(5G)通信及后续的发展。工作在毫米波频段的天线应考虑两个方面：一方面，毫米波天线应具有宽的阻抗带宽，可同时对5G毫米波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)进行全覆盖。另一方面，毫米波天线应具有波束扫描特性且能够扫描到较宽角度以确保终端和基站间的连接。

在当前的毫米波天线设计中，大部分宽带天线均无法对5G毫米波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)进行全覆盖。而部分天线方案例如电磁偶极子天线以及层叠贴片天线等能够实现目标频段的全覆盖，但是这类天线的辐射主体均为金属结构，在毫米波频段金属的欧姆损耗会显著增加，将导致辐射效率迅速降低。介质谐振器天线相比于传统的金属天线在毫米波频段的损耗低，辐射效率高，具有广泛的应用前景。目前已提出的介质谐振器天线仍存在一些缺点，如体积较大，无法实现宽波束扫描特性；小体积的介质谐振器频段较窄，无法对目标频段进行全覆盖。因此如何在毫米波频段设计一款既可对FR2(24.25GHz-40 GHz)频段进行全覆盖的同时又可以实现宽波束扫描特性的介质谐振器天线是当前亟待解决的难题。

发明内容

基于上述问题，本发明提供了一种宽带介质谐振器天线单元和介质谐振器天线阵列。在介质谐振器天线单元中，利用多层结构激发高阶模式与基模相结合，实现了较宽的带宽。在顶层高介电常数的矩形介质块四周引入多个空气孔，其目的是使天线单元的四个谐振模式分布在目标频率范围内，同时空气孔也可使天线在自由空间更好地进行阻抗匹配，使天线实现宽带特性。在单元件设计的基础上，本发明提供了一种具有波束扫描能力的宽带1×4介质谐振器天线阵列。顶部矩形的介质块结构使天线组阵后单元间距尽可能小，从而具备宽角度波束扫描特性。天线阵列顶部采用与介质块相同材料的介质臂将四个单元连接起来，以形成一体化设计。为了提高单元与单元之间的隔离度，使天线在整个频率区域上宽波束扫描特性，采用了金属柱与金属孔相结合的方法。该介质谐振器天线方案效率高，结构紧凑，具有较小的单元间距可满足阵列的宽角波束扫描要求，支持毫米波目标频段的全覆盖。本发明解决了当前介质谐振器天线不能在毫米波频段同时实现宽带宽及宽角度波束扫描的问题，所提出的宽带毫米波介质谐振器天线具有在5G应用终端中实现的潜力，有利于市场推广。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：