CN205680787U - 一种基于天线‑滤波器‑天线阵列的超宽带移动通信天线罩 - Google Patents
一种基于天线‑滤波器‑天线阵列的超宽带移动通信天线罩 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型公开了一种基于天线‑滤波器‑天线阵列的超宽带移动通信天线罩。所述天线罩为主要由多个相同周期单元结构阵列组成的周期性频率选择表面，每个周期单元主要由上下两层的介质层，上下两层的圆环形金属贴片层和两层介质层之间的金属缝隙层组成，空间内的电磁场打向所述天线罩，依次经过上层金属层、金属缝隙层和下层金属层的三层选择性滤波后，从下层金属层输出所需频段的电磁场，并能大幅度抑制杂波的能量。本实用新型适用于超宽带移动通信天线罩的设计，通带带宽大，带内插入损耗极小且稳定，频率选择性能佳。在移动通信，雷达等领域都具有巨大的应用价值。
Description
技术领域
本实用新型涉及了一种天线器件，尤其是涉及了一种基于天线-滤波器-天线阵列(Antenna-Filter-Antenna)的超宽带移动通信天线罩，可用于超宽带(5G)移动通信，
背景技术
目前，国际上对于5G移动通信的需求已经迫在眉睫，欧盟的5G网络将在2020年～2025年之间投入运营。美国移动运营商Verizon无线公司宣布，将从2016年开始试用5G网络，2017年在美国部分城市全面商用在未来的日子里。我国工信部副部长陈肇雄表示：5G是新一代移动通信技术发展的主要方向，是未来新一代信息基础设施的重要组成部分。
与4G相比，5G不仅将进一步提升用户的网络体验，同时还将满足未来万物互联的应用需求。5G具有更高的速率、更宽的带宽。因此，对5G实际应用的硬件设备提出了更高的要求，尤其是天线罩这一模块。针对5G通信如此大的带宽，要满足大于2GHz带宽的通带，并且为了不使信号失真，需要满足如此宽带内的插入损耗至少小于0.6dB。这无疑是一个新的挑战。
现有天线罩的实现方式，一般采用的是周期性频率选择表面结构。对于这种结构的研究，国内外已经经历了许多年。常见的单层或者双层金属频率选择表面结构可以实现窄带的空间滤波，或者选择性较差的宽通带的空间滤波。这里的选择性较差指的是通带内的插入损耗不平稳，通带内的插入损耗较大以及通带到阻带的过度较慢，无法保证阻带的抑制性能。
实用新型内容
针对如何提高天线罩的通带特性，阻带特性以及频率的选择性，从而满足5G移动通信要求这一问题，提出了一种基于天线-滤波器-天线阵列(Antenna-Filter-Antenna)的超宽带移动通信天线罩，通过三层金属层的巧妙设计，对于空间的电磁波具有高度的选择透过性。本实用新型在空间电磁波正入射的情况下，在26.1～28.9GHz的宽通带范围内实现小于0.1dB的插入损耗，在满足通带要求的同时，对于带外31.4～34.3GHz范围内的阻带抑制超过20dB。并且通带到阻带的下降速度快，具有良好的频率选择性。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案：
所述天线罩为主要由多个相同周期单元结构阵列组成的周期性频率选择表面，每个周期单元主要由上下两层的介质层、上下两层的圆环形金属贴片层和两层介质层之间的金属缝隙层组成，空间内的电磁场打向所述天线罩，依次经过上层金属层、金属缝隙层和下层金属层的三层选择性滤波后，从下层金属层输出所需频段的电磁场，并能大幅度抑制杂波的能量。本实用新型周期单元结构的个数可依据实际用途选择20×20至40×40之间。
所述的周期单元包括上层金属贴片、上层介质板、中间层金属板、下层介质板和下层金属贴片，中间层金属板位于上层介质板和下层介质板之间，上层金属贴片贴于上层介质板上表面，下层金属贴片贴于下层介质板下表面，上层金属贴片和下层金属贴片结构尺寸相同。
所述的中间层金属板设有中间层金属缝隙，中间层金属缝隙包括方环形缝隙和位于方环形缝隙内中心的四个Z字形缝隙，四个Z字形缝隙以螺旋中心对称方式沿圆周间隔均布，Z字形缝隙由中间层金属板中心向外依次分为内段缝隙、中段缝隙和外段缝隙，内段缝隙和外段缝隙均平行于中间层金属板其中一条边，中段缝隙平行于中间层金属板另一条边，内段缝隙的长度大于外段缝隙的长度。
所述的四个Z字形缝隙形成的对称中心和方环形缝隙的中心均位于中间层金属板的中心。
所述的上层金属贴片和下层金属贴片均为置于介质板中心的圆环形金属贴片。
所述介质层的介电常数为2.2，介电损耗角正切为0.0009。
所述的介质层采用Rogers RT5880板材，通过设计中间层金属缝隙的大小和形状改变上下圆环形金属层之间的耦合，使得空间电磁波在正入射的情况下，在26.1～28.9GHz的通带范围内的插入损耗小于0.1dB。
本实用新型具有的有益的效果是：
本实用新型天线罩结构，适合于传统PCB工艺进行加工实现。
本实用新型的金属缝隙层中间的Z字形缝隙与上下两个相同的圆环形贴片为天线罩提供一个插入损耗稳定极小并且带宽非常大的通带，电磁波在正入射的情况下，在26.1～28.9GHz的通带范围内，插入损耗小于0.1dB；25.7～29.2GHz的通带范围内，插入损耗小于0.3dB；
本实用新型中间金属缝隙层的方形缝隙为天线罩提供一个带外抑制较大且范围较广的阻带。电磁波在正入射的情况下，在31.4～34.3GHz的阻带范围内，阻带抑制大于20dB。
本实用新型同时支持TE，TM两种电磁波的极化模式，在正负30度的角度变化范围内性能非常稳定。
本实用新型在超宽带移动通信以及雷达等领域具有重要的应用价值。
附图说明
图1是本实用新型实施例的天线罩三维结构图。
图2是本实用新型中周期单元结构的三维结构图。
图3是本实用新型中周期单元结构的正视图。
图4是中间层中间板的结构视图。
图5是电磁波入射角度对于本实用新型中的天线罩性能的影响曲线。
图6是本实用新型中天线罩的传输特性曲线。
图中：1、上层金属贴片，2、上层介质板，3、中间层金属缝隙，4、下层介质板，5、下层金属贴片，3a、Z字形缝隙，3b、方环形缝隙。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
如图1和图2所示，本实用新型的天线罩为主要由多个相同周期单元结构阵列组成的周期性频率选择表面，每个周期单元主要由上下两层的介质层，上下两层的圆环形金属贴片层和两层介质层之间的金属缝隙层组成，空间内的电磁场打向所述天线罩，依次经过上层金属层、金属缝隙层和下层金属层的三层选择性滤波后，从下层金属层输出所需频段的电磁场，并能大幅度抑制杂波的能量。
如图2和图3所示，周期单元包括上层金属贴片1、上层介质板2、中间层金属板、下层介质板4和下层金属贴片5，中间层金属板位于上层介质板2和下层介质板4之间，上层金属贴片1贴于上层介质板2上表面，下层金属贴片5贴于下层介质板4上表面，上层金属贴片1和下层金属贴片5均为圆环形金属贴片，结构尺寸相同。
如图4所示，中间层金属板设有中间层金属缝隙3，中间层金属缝隙3包括方环形缝隙3b和位于方环形缝隙3b内中心的四个Z字形缝隙3a，四个Z字形缝隙3a以螺旋中心对称方式沿圆周间隔均布，Z字形缝隙3a由中间层金属板中心向外依次分为内段缝隙、中段缝隙和外段缝隙，内段缝隙和外段缝隙均平行于中间层金属板其中一条边，中段缝隙平行于中间层金属板另一条边，中段缝隙衔接于内段缝隙和外段缝隙之间，中段缝隙分别与内段缝隙、外段缝隙相垂直，内段缝隙的长度大于外段缝隙的长度，四个Z字形缝隙3a形成的对称中心和方环形缝隙3b的中心均位于中间层金属板的中心。
整个天线罩的工作原理如下：
(a)基板上的两层圆形贴片层可分别视为外层的发射与接收天线，并且本身已经为两个谐振的单元，可分别等效为串联谐振回路。
(b)嵌入在两侧基板之间的金属缝隙层本身为一个带通结构。而这里我们将缝隙设计成谐振单元，与金属贴片一起形成一个高阶的滤波。
(c)为了使天线罩具有更好地选择透过性，在金属缝隙层中，巧妙加入了一个方环形的缝隙，使得该结构的传输响应具有通带往阻带陡峭的特性。
本实用新型实施例以工作在5G移动通信频段的天线罩为例，具体阐述各个部分的实施方式以及各部分的结构参数对于整体的影响：
5G移动通信现在最有可能被国际采用的频段在27.5GHz左右，覆盖的带宽大于2GHz，同时带内的插损越小对于实际通信的效果来说越好。针对此种实际应用，传统的单层或者双层频率选择性表面结构所制成的天线罩已经很难满足需求。而本实用新型提出的三阶滤波的频率选择性表面结构不仅满足带宽范围，而且带内的插损做到了小于0.1dB，带外抑制大，并且通带往阻带具有陡峭的特性。
如图1所示，实施例采用20×20个周期单元，每个周期单元结构的上层金属贴片1和下层金属贴片5均为外径1.35mm，内径1.05mm的金属圆环。它的尺寸决定于目标通带的频率。单独增加金属圆环的外径，通带的谐振频率会随之降低，且传输通带的带宽减小，带内起伏减小。这是因为单独增加金属圆环的外径会使得上下金属圆环的电尺寸增加，导致谐振频率向低处移动。而此时Z字形缝隙3a中的耦合缝隙的长度无法提供足够的耦合强度，导致通带的带宽随之减小。单独增加金属圆环的外径，通带的谐振频率会随之降低，且传输通带的带宽减小，通带插入损耗增加。其中，导致谐振频率向低处移动的原因仍是金属圆环的电尺寸得以增加。而导致传输通带的带宽减小和插入损耗增加的原因则是随着金属圆环宽度的减小，上下金属圆环所提供的耦合随之减小，不足以提供一个较大的带宽。下表1具体阐述了金属贴片外径和内径尺寸对于通带效果的影响。
表1金属贴片外径和内径尺寸对于通带效果的影响
上层介质板2和下层介质板4采用周期单元厚度0.7mm、正方形长宽6.2mm的RogersRT5880板材，选择这种介质的原因是它的材料损耗较小，可在一定程度上减小材料本身对于通带插入损耗的影响。考虑到大规模使用的成本问题，也可以选择材料损耗相对较小，介电常数相近的其它低成本材料。阵列的周期长度对于结构的通带也有一定的影响，周期长度越大则带宽越小，这也是由于相邻单元间的耦合随之减小。同样，增加介质层的厚度也会减小耦合强度从而减小结构的带宽。
中间层金属板中的Z字形缝隙3a结构的大小相同。这一层也是本结构设计的核心，缝隙的长度可以控制结构传输系数曲线的形状。缝隙长度过大会引起带内的起伏过大影响结构的性能，但是在一定范围内可以起到调节通带宽度的作用。这里Z字形缝隙的中段和内段选取的尺寸大小相同，为长度1.5mm，宽度0.5mm。外段缝隙的长度为0.8mm，宽度为0.5mm，长度上小于内段缝隙的长度。Z字形三段缝隙的长度和宽度均为优化后的最佳值(保证通带内插入损耗均稳定小于0.1dB)。如果再增加这三段缝隙的长度或者宽度，会导致通带插入损耗的波动，导致传输极点间的通带出现大于0.1dB甚至更多的损耗，影响结构的性能。
方环形缝隙3b的缝隙长度为5mm，宽度为0.3mm。主要作用是用来为结构的传输系数曲线增加一个传输零点，使得通带到阻带具有陡峭的特点，而由之带来的好处是阻带的抑制幅度增大以及频率的选择性能增加。增大缝隙的宽度可以改变传输系数的阻带，使得>20dB抑制阻带在一定程度内变宽。然而，当缝隙宽度达到0.38mm的时候，阻带的最小抑制深度将不能满足20dB的抑制。下表2具体阐述了方环形缝隙宽度对于阻带效果的影响。
表2方环形缝隙宽度对于阻带效果的影响
同时，电磁波的入射角度变化对于天线罩的性能而言影响也非常大。本结构考虑到尽可能满足较大的通带，阻带和稳定极小的插入损耗，在正负30度的角度变化范围内性能非常稳定。下图5说明了电磁波入射角度对于天线罩性能的影响，可看到在该范频率围内，角度的变化对天线罩的性能影响非常小，尤其是通带性能，仅有很小的波动。
实施例的整体结构的传输特性曲线如图6所示，考虑电磁波正入射的情况下，在26.1～28.9GHz的通带范围内，插入损耗小于0.1dB；在考虑介质材料损耗的情况下，0.1dB的通带插入损耗也是迄今发表的文章中提到的最小的，并且带宽也做不到本结构中的将近2.7GHz之宽。在25.7～29.2GHz的通带范围内，插入损耗小于0.3dB；同时，金属缝隙层的方形缝隙为天线罩提供一个带外抑制较大且范围较广的阻带。31.4～34.3GHz的阻带范围内，阻带抑制大于20dB。同时支持TE，TM两种极化模式，在正负30度的角度变化性能非常稳定。因此，在超宽带移动通信以及雷达等领域具有重要的应用价值。
由此，本实用新型具有突出显著的技术效果，实现了电磁波正入射情况下近2.7GHz带宽的通带损耗稳定小于0.1dB，3.5GHz带宽的通带损耗稳定小于0.3dB，2.9GHz带宽的阻带抑制大于20dB。同时支持TE，TM两种极化模式，在正负30度的角度变化性能非常稳定，频率选择性能佳。
Claims (6)
1.一种基于天线-滤波器-天线阵列的超宽带移动通信天线罩，其特征在于：所述天线罩为主要由多个相同周期单元结构阵列组成的周期性频率选择表面，每个周期单元主要由上下两层的介质层、上下两层的圆环形金属贴片层和两层介质层之间的金属缝隙层组成，空间内的电磁场打向所述天线罩，依次经过上层金属层、金属缝隙层和下层金属层的三层选择性滤波后，从下层金属层输出所需频段的电磁场，并能大幅度抑制杂波的能量。
2.根据权利要求1所述的一种基于天线-滤波器-天线阵列的超宽带移动通信天线罩，其特征在于：所述的周期单元包括上层金属贴片(1)、上层介质板(2)、中间层金属板、下层介质板(4)和下层金属贴片(5)，中间层金属板位于上层介质板(2)和下层介质板(4)之间，上层金属贴片(1)贴于上层介质板(2)上表面，下层金属贴片(5)贴于下层介质板(4)下表面，上层金属贴片(1)和下层金属贴片(5)结构尺寸相同。
3.根据权利要求2所述的一种基于天线-滤波器-天线阵列的超宽带移动通信天线罩，其特征在于：所述的中间层金属板设有中间层金属缝隙(3)，中间层金属缝隙(3)包括方环形缝隙(3b)和位于方环形缝隙(3b)内中心的四个Z字形缝隙(3a)，四个Z字形缝隙(3a)以螺旋中心对称方式沿圆周间隔均布，Z字形缝隙(3a)由中间层金属板中心向外依次分为内段缝隙、中段缝隙和外段缝隙，内段缝隙和外段缝隙均平行于中间层金属板其中一条边，中段缝隙平行于中间层金属板另一条边，内段缝隙的长度大于外段缝隙的长度。
4.根据权利要求3所述的一种基于天线-滤波器-天线阵列的超宽带移动通信天线罩，其特征在于：所述的四个Z字形缝隙(3a)形成的对称中心和方环形缝隙(3b)的中心均位于中间层金属板的中心。
5.根据权利要求1所述的一种基于天线-滤波器-天线阵列的超宽带移动通信天线罩，其特征在于：所述的上层金属贴片(1)和下层金属贴片(5)均为置于介质板中心的圆环形金属贴片。
6.根据权利要求1所述的一种基于天线-滤波器-天线阵列的超宽带移动通信天线罩，其特征在于：所述介质层的介电常数为2.2，介电损耗角正切为0.0009。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| AV01 | Patent right actively abandoned | ||
| AV01 | Patent right actively abandoned |
Granted publication date: 20161109 Effective date of abandoning: 20190222 |