基于天線-濾波器-天線陣列的超寬帶移動通信天線罩的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于天線?濾波器?天線陣列的超寬帶移動通信天線罩。所述天線罩為主要由多個相同周期單元結構陣列組成的周期性頻率選擇表面，每個周期單元主要由上下兩層的介質層，上下兩層的圓環形金屬貼片層和兩層介質層之間的金屬縫隙層組成，空間內的電磁場打向所述天線罩，依次經過上層金屬層、金屬縫隙層和下層金屬層的三層選擇性濾波后，從下層金屬層輸出所需頻段的電磁場，并能大幅度抑制雜波的能量。本發明適用于超寬帶移動通信天線罩的設計，通帶帶寬大，帶內插入損耗極小且穩定，頻率選擇性能佳。在移動通信，雷達等領域都具有巨大的應用價值。
【專利說明】
基于天線-濾波器-天線陣列的超寬帶移動通信天線罩
技術領域
[0001] 本發明涉及了一種天線器件，尤其是涉及了 一種基于天線-濾波器-天線陣列 (Antenna-Fi Iter-Antenna)的超寬帶移動通信天線罩，可用于超寬帶(5G)移動通信，
【背景技術】
[0002] 目前，國際上對于5G移動通信的需求已經迫在眉睫，歐盟的5G網絡將在2020年~ 2025年之間投入運營。美國移動運營商Verizon無線公司宣布，將從2016年開始試用5G網 絡，2017年在美國部分城市全面商用在未來的日子里。我國工信部副部長陳肇雄表示:5G是 新一代移動通信技術發展的主要方向，是未來新一代信息基礎設施的重要組成部分。
[0003] 與4G相比，5G不僅將進一步提升用戶的網絡體驗，同時還將滿足未來萬物互聯的 應用需求。5G具有更高的速率、更寬的帶寬。因此，對5G實際應用的硬件設備提出了更高的 要求，尤其是天線罩這一模塊。針對5G通信如此大的帶寬，要滿足大于2GHz帶寬的通帶，并 且為了不使信號失真，需要滿足如此寬帶內的插入損耗至少小于〇.6dB。這無疑是一個新的 挑戰。
[0004] 現有天線罩的實現方式，一般采用的是周期性頻率選擇表面結構。對于這種結構 的研究，國內外已經經歷了許多年。常見的單層或者雙層金屬頻率選擇表面結構可以實現 窄帶的空間濾波，或者選擇性較差的寬通帶的空間濾波。這里的選擇性較差指的是通帶內 的插入損耗不平穩，通帶內的插入損耗較大以及通帶到阻帶的過度較慢，無法保證阻帶的 抑制性能。
【發明內容】
[0005] 針對如何提高天線罩的通帶特性，阻帶特性以及頻率的選擇性，從而滿足5G移動 通信要求這一問題，提出了一種基于天線-濾波器 -天線陣列(Antenna-Fi Iter-Antenna)的 超寬帶移動通信天線罩，通過三層金屬層的巧妙設計，對于空間的電磁波具有高度的選擇 透過性。本發明在空間電磁波正入射的情況下，在26.1~28.9GHz的寬通帶范圍內實現小于 0.1dB的插入損耗，在滿足通帶要求的同時，對于帶外31.4~34.3GHz范圍內的阻帶抑制超 過20dB。并且通帶到阻帶的下降速度快，具有良好的頻率選擇性。
[0006] 本發明解決其技術問題所采用的技術方案：
[0007] 所述天線罩為主要由多個相同周期單元結構陣列組成的周期性頻率選擇表面，每 個周期單元主要由上下兩層的介質層、上下兩層的圓環形金屬貼片層和兩層介質層之間的 金屬縫隙層組成，空間內的電磁場打向所述天線罩，依次經過上層金屬層、金屬縫隙層和下 層金屬層的三層選擇性濾波后，從下層金屬層輸出所需頻段的電磁場，并能大幅度抑制雜 波的能量。本發明周期單元結構的個數可依據實際用途選擇20 X 20至40 X 40之間。
[0008] 所述的周期單元包括上層金屬貼片、上層介質板、中間層金屬板、下層介質板和下 層金屬貼片，中間層金屬板位于上層介質板和下層介質板之間，上層金屬貼片貼于上層介 質板上表面，下層金屬貼片貼于下層介質板下表面，上層金屬貼片和下層金屬貼片結構尺 寸相同。
[0009] 所述的中間層金屬板設有中間層金屬縫隙，中間層金屬縫隙包括方環形縫隙和位 于方環形縫隙內中心的四個Z字形縫隙，四個Z字形縫隙以螺旋中心對稱方式沿圓周間隔均 布，Z字形縫隙由中間層金屬板中心向外依次分為內段縫隙、中段縫隙和外段縫隙，內段縫 隙和外段縫隙均平行于中間層金屬板其中一條邊，中段縫隙平行于中間層金屬板另一條 邊，內段縫隙的長度大于外段縫隙的長度。
[0010] 所述的四個Z字形縫隙形成的對稱中心和方環形縫隙的中心均位于中間層金屬板 的中心。
[0011 ]所述的上層金屬貼片和下層金屬貼片均為置于介質板中心的圓環形金屬貼片。 [0012]所述介質層的介電常數為2.2，介電損耗角正切為0.0009。
[0013]所述的介質層采用Rogers RT5880板材，通過設計中間層金屬縫隙的大小和形狀 改變上下圓環形金屬層之間的耦合，使得空間電磁波在正入射的情況下，在26.1~28.9GHz 的通帶范圍內的插入損耗小于0.1 dB。
[0014]二、所述天線罩在5G移動通信的應用。
[0015]本發明具有的有益的效果是：
[0016] 本發明天線罩結構，適合于傳統PCB工藝進行加工實現。
[0017] 本發明的金屬縫隙層中間的Z字形縫隙與上下兩個相同的圓環形貼片為天線罩提 供一個插入損耗穩定極小并且帶寬非常大的通帶，電磁波在正入射的情況下，在26.1~ 28.9GHz的通帶范圍內，插入損耗小于0.1 dB; 25.7~29.2GHz的通帶范圍內，插入損耗小于 0.3dB；
[0018] 本發明中間金屬縫隙層的方形縫隙為天線罩提供一個帶外抑制較大且范圍較廣 的阻帶。電磁波在正入射的情況下，在31.4~34.3GHz的阻帶范圍內，阻帶抑制大于20dB。
[0019] 本發明同時支持TE，TM兩種電磁波的極化模式，在正負30度的角度變化范圍內性 能非常穩定。
[0020] 本發明在超寬帶移動通信以及雷達等領域具有重要的應用價值。
【附圖說明】
[0021 ]圖1是本發明實施例的天線罩三維結構圖。
[0022]圖2是本發明中周期單元結構的三維結構圖。
[0023]圖3是本發明中周期單元結構的正視圖。
[0024] 圖4是中間層中間板的結構視圖。
[0025] 圖5是電磁波入射角度對于本發明中的天線罩性能的影響曲線。
[0026] 圖6是本發明中天線罩的傳輸特性曲線。
[0027] 圖中：1、上層金屬貼片，2、上層介質板，3、中間層金屬縫隙，4、下層介質板，5、下層 金屬貼片，3a、Z字形縫隙，3b、方環形縫隙。
【具體實施方式】
[0028] 下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。
[0029] 如圖1和圖2所示，本發明的天線罩為主要由多個相同周期單元結構陣列組成的周 期性頻率選擇表面，每個周期單元主要由上下兩層的介質層，上下兩層的圓環形金屬貼片 層和兩層介質層之間的金屬縫隙層組成，空間內的電磁場打向所述天線罩，依次經過上層 金屬層、金屬縫隙層和下層金屬層的三層選擇性濾波后，從下層金屬層輸出所需頻段的電 磁場，并能大幅度抑制雜波的能量。
[0030]如圖2和圖3所示，周期單元包括上層金屬貼片1、上層介質板2、中間層金屬板、下 層介質板4和下層金屬貼片5，中間層金屬板位于上層介質板2和下層介質板4之間，上層金 屬貼片1貼于上層介質板2上表面，下層金屬貼片5貼于下層介質板4上表面，上層金屬貼片1 和下層金屬貼片5均為圓環形金屬貼片，結構尺寸相同。
[0031 ]如圖4所示，中間層金屬板設有中間層金屬縫隙3，中間層金屬縫隙3包括方環形縫 隙3b和位于方環形縫隙3b內中心的四個Z字形縫隙3a，四個Z字形縫隙3a以螺旋中心對稱方 式沿圓周間隔均布，Z字形縫隙3a由中間層金屬板中心向外依次分為內段縫隙、中段縫隙和 外段縫隙，內段縫隙和外段縫隙均平行于中間層金屬板其中一條邊，中段縫隙平行于中間 層金屬板另一條邊，中段縫隙銜接于內段縫隙和外段縫隙之間，中段縫隙分別與內段縫隙、 外段縫隙相垂直，內段縫隙的長度大于外段縫隙的長度，四個Z字形縫隙3a形成的對稱中心 和方環形縫隙3b的中心均位于中間層金屬板的中心。
[0032] 整個天線罩的工作原理如下：
[0033] (a)基板上的兩層圓形貼片層可分別視為外層的發射與接收天線，并且本身已經 為兩個諧振的單元，可分別等效為串聯諧振回路。
[0034] (b)嵌入在兩側基板之間的金屬縫隙層本身為一個帶通結構。而這里我們將縫隙 設計成諧振單元，與金屬貼片一起形成一個高階的濾波。
[0035] (C)為了使天線罩具有更好地選擇透過性，在金屬縫隙層中，巧妙加入了一個方環 形的縫隙，使得該結構的傳輸響應具有通帶往阻帶陡峭的特性。
[0036] 本發明實施例以工作在5G移動通信頻段的天線罩為例，具體闡述各個部分的實施 方式以及各部分的結構參數對于整體的影響：
[0037] 5G移動通信現在最有可能被國際采用的頻段在27.5GHz左右，覆蓋的帶寬大于 2GHz，同時帶內的插損越小對于實際通信的效果來說越好。針對此種實際應用，傳統的單層 或者雙層頻率選擇性表面結構所制成的天線罩已經很難滿足需求。而本發明提出的三階濾 波的頻率選擇性表面結構不僅滿足帶寬范圍，而且帶內的插損做到了小于O.ldB，帶外抑制 大，并且通帶往阻帶具有陡峭的特性。
[0038]如圖1所示，實施例采用20X20個周期單元，每個周期單元結構的上層金屬貼片1 和下層金屬貼片5均為外徑1.35mm，內徑1.05mm的金屬圓環。它的尺寸決定于目標通帶的頻 率。單獨增加金屬圓環的外徑，通帶的諧振頻率會隨之降低，且傳輸通帶的帶寬減小，帶內 起伏減小。這是因為單獨增加金屬圓環的外徑會使得上下金屬圓環的電尺寸增加，導致諧 振頻率向低處移動。而此時Z字形縫隙3a中的耦合縫隙的長度無法提供足夠的耦合強度，導 致通帶的帶寬隨之減小。單獨增加金屬圓環的外徑，通帶的諧振頻率會隨之降低，且傳輸通 帶的帶寬減小，通帶插入損耗增加。其中，導致諧振頻率向低處移動的原因仍是金屬圓環的 電尺寸得以增加。而導致傳輸通帶的帶寬減小和插入損耗增加的原因則是隨著金屬圓環寬 度的減小，上下金屬圓環所提供的耦合隨之減小，不足以提供一個較大的帶寬。下表1具體 闡述了金屬貼片外徑和內徑尺寸對于通帶效果的影響。
[0039]表1金屬貼片外徑和內徑尺寸對于通帶效果的影響
[0041 ]上層介質板2和下層介質板4采用周期單元厚度0.7mm、正方形長寬6.2mm的Rogers RT5880板材，選擇這種介質的原因是它的材料損耗較小，可在一定程度上減小材料本身對 于通帶插入損耗的影響。考慮到大規模使用的成本問題，也可以選擇材料損耗相對較小，介 電常數相近的其它低成本材料。陣列的周期長度對于結構的通帶也有一定的影響，周期長 度越大則帶寬越小，這也是由于相鄰單元間的耦合隨之減小。同樣，增加介質層的厚度也會 減小耦合強度從而減小結構的帶寬。
[0042] 中間層金屬板中的Z字形縫隙3a結構的大小相同。這一層也是本結構設計的核心， 縫隙的長度可以控制結構傳輸系數曲線的形狀。縫隙長度過大會引起帶內的起伏過大影響 結構的性能，但是在一定范圍內可以起到調節通帶寬度的作用。這里Z字形縫隙的中段和內 段選取的尺寸大小相同，為長度1.5mm，寬度0.5mm。外段縫隙的長度為0.8mm，寬度為0.5mm， 長度上小于內段縫隙的長度。Z字形三段縫隙的長度和寬度均為優化后的最佳值(保證通帶 內插入損耗均穩定小于0.1 dB)。如果再增加這三段縫隙的長度或者寬度，會導致通帶插入 損耗的波動，導致傳輸極點間的通帶出現大于0.1 dB甚至更多的損耗，影響結構的性能。
[0043] 方環形縫隙3b的縫隙長度為5mm，寬度為0.3mm。主要作用是用來為結構的傳輸系 數曲線增加一個傳輸零點，使得通帶到阻帶具有陡峭的特點，而由之帶來的好處是阻帶的 抑制幅度增大以及頻率的選擇性能增加。增大縫隙的寬度可以改變傳輸系數的阻帶，使得〉 20dB抑制阻帶在一定程度內變寬。然而，當縫隙寬度達到0.38mm的時候，阻帶的最小抑制深 度將不能滿足20dB的抑制。下表2具體闡述了方環形縫隙寬度對于阻帶效果的影響。
[0044] 表2方環形縫隙寬度對于阻帶效果的影響
[0046]同時，電磁波的入射角度變化對于天線罩的性能而言影響也非常大。本結構考慮 到盡可能滿足較大的通帶，阻帶和穩定極小的插入損耗，在正負30度的角度變化范圍內性 能非常穩定。下圖5說明了電磁波入射角度對于天線罩性能的影響，可看到在該范頻率圍 內，角度的變化對天線罩的性能影響非常小，尤其是通帶性能，僅有很小的波動。
[0047]實施例的整體結構的傳輸特性曲線如圖6所示，考慮電磁波正入射的情況下，在 26.1~28.9GHz的通帶范圍內，插入損耗小于0.1 dB;在考慮介質材料損耗的情況下，0.1 dB 的通帶插入損耗也是迄今發表的文章中提到的最小的，并且帶寬也做不到本結構中的將近 2.7GHz之寬。在25.7~29.2GHz的通帶范圍內，插入損耗小于0.3dB;同時，金屬縫隙層的方 形縫隙為天線罩提供一個帶外抑制較大且范圍較廣的阻帶。31.4~34.3GHz的阻帶范圍內， 阻帶抑制大于20dB。同時支持TE，TM兩種極化模式，在正負30度的角度變化性能非常穩定。 因此，在超寬帶移動通信以及雷達等領域具有重要的應用價值。
[0048]由此，本發明具有突出顯著的技術效果，實現了電磁波正入射情況下近2.7GHz帶 寬的通帶損耗穩定小于0. ldB，3.5GHz帶寬的通帶損耗穩定小于0.3dB，2.9GHz帶寬的阻帶 抑制大于20dB。同時支持TE，TM兩種極化模式，在正負30度的角度變化性能非常穩定，頻率 選擇性能佳。
【主權項】
1. 一種基于天線-濾波器-天線陣列的超寬帶移動通信天線罩，其特征在于:所述天線 罩為主要由多個相同周期單元結構陣列組成的周期性頻率選擇表面，每個周期單元主要由 上下兩層的介質層、上下兩層的圓環形金屬貼片層和兩層介質層之間的金屬縫隙層組成， 空間內的電磁場打向所述天線罩，依次經過上層金屬層、金屬縫隙層和下層金屬層的三層 選擇性濾波后，從下層金屬層輸出所需頻段的電磁場，并能大幅度抑制雜波的能量。2. 根據權利要求1所述的一種基于天線-濾波器-天線陣列的超寬帶移動通信天線罩， 其特征在于:所述的周期單元包括上層金屬貼片（1)、上層介質板(2)、中間層金屬板、下層 介質板(4)和下層金屬貼片（5)，中間層金屬板位于上層介質板(2)和下層介質板(4)之間， 上層金屬貼片（1)貼于上層介質板（2)上表面，下層金屬貼片（5)貼于下層介質板(4)下表 面，上層金屬貼片（1)和下層金屬貼片(5)結構尺寸相同。3. 根據權利要求2所述的一種基于天線-濾波器-天線陣列的超寬帶移動通信天線罩， 其特征在于:所述的中間層金屬板設有中間層金屬縫隙（3)，中間層金屬縫隙（3)包括方環 形縫隙（3b)和位于方環形縫隙（3b)內中心的四個Z字形縫隙（3a)，四個Z字形縫隙（3a)以螺 旋中心對稱方式沿圓周間隔均布，Z字形縫隙（3a)由中間層金屬板中心向外依次分為內段 縫隙、中段縫隙和外段縫隙，內段縫隙和外段縫隙均平行于中間層金屬板其中一條邊，中段 縫隙平行于中間層金屬板另一條邊，內段縫隙的長度大于外段縫隙的長度。4. 根據權利要求3所述的一種基于天線-濾波器-天線陣列的超寬帶移動通信天線罩， 其特征在于:所述的四個Z字形縫隙（3a)形成的對稱中心和方環形縫隙（3b)的中心均位于 中間層金屬板的中心。5. 根據權利要求1所述的一種基于天線-濾波器-天線陣列的超寬帶移動通信天線罩， 其特征在于:所述的上層金屬貼片（1)和下層金屬貼片(5)均為置于介質板中心的圓環形金 屬貼片。6. 根據權利要求1所述的一種基于天線-濾波器-天線陣列的超寬帶移動通信天線罩， 其特征在于:所述介質層的介電常數為2.2，介電損耗角正切為0.0009。7. 根據權利要求3所述的一種基于天線-濾波器-天線陣列的超寬帶移動通信天線罩， 其特征在于:所述的介質層采用Rogers RT5880板材，使得通過上下圓環形金屬層之間的耦 合在空間電磁波在正入射的情況下，在26.1~28.9GHz的通帶范圍內的插入損耗小于 0.1dB〇8. 根據權利要求1~7任一所述的一種基于天線-濾波器-天線陣列的超寬帶移動通信 天線罩在5G移動通信的應用。
【文檔編號】H01Q15/00GK105914462SQ201610398763
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年6月6日
【發明人】李達, 李爾平, 俞恢春, 項方品
【申請人】浙江大學