容性、感性表面耦合機制小型化高性能高頻段通信天線罩的製作方法

2023-08-10 06:42:41

本發明涉及天線技術領域，特別是涉及了一種容性、感性表面耦合機制小型化高性能高頻段通信天線罩，可應用於高頻段5G通信及雷達方面。

背景技術：

隨著4G通信技術的成熟上市，超高速5G通信技術為滿足更高移動通信性能要求的新一代通信技術，並成為如今移動通信行業研究的熱點，2020年5G移動通信的上市目標也極大地推動5G通信技術的研究。

5G通信將更加注重用戶體驗，提高通信網絡的傳輸速率、降低能耗，充分利用高頻段頻譜資源，實現5G普遍廣泛應用。因此，要求5G通信需要具有更高傳輸速率和更寬帶寬。按照10Gbit/s的傳輸速率要求，實際中需要有2GHz的通帶帶寬，並且為了保證通信質量需要在如此寬通帶內的插入損耗小於0.8dB，此外，實際通信中電磁波信號來自四面八方，需要設備具有很好的角度穩定性才能保證通信質量，對天線罩的設計提出了更高的要求。

如今，天線罩的設計通常採用頻率選擇表面技術來實現，國內外對於這種技術也有了數年的研究。傳統的頻率選擇表面結構可以實現較窄的通帶或者阻帶，現在也有人設計出不少新型的頻率選擇表面，可以實現較寬的通帶，但是多數還是局限於10GHz甚至更低的低頻段，另外，如今的結構選擇性能還有待改進，主要表現在通帶插入損耗過大，造成通信質量下降，另一方面主要是通帶邊沿下降速度緩慢，從通帶到阻帶的轉換速度不夠快，造成選擇性變差。更重要的一個問題是，角度穩定性是如今面臨的一大難題，當電磁波入射角度發生改變時，造成很大的偏移，對傳輸性能影響很大。

技術實現要素：

為了克服上述現有技術的不足，本發明提供了一種容性、感性表面耦合機制小型化高性能高頻段通信天線罩，通過4層金屬層的巧妙耦合設計，對於空間多個方向入射的電磁波有著穩定、高效的選擇透過性。

本發明解決上述技術問題所採用的技術方案是：

一、一種容性、感性表面耦合機制小型化高性能高頻段通信天線罩：

所述天線罩是主要由周期單元陣列組成的頻率選擇表面，每一周期單元分為介質層和金屬層，介質層包括上下兩層介質層及其中間的一層介質層，金屬層包括上下兩層介質層外表面的完整金屬貼片和相鄰介質層之間的金屬縫隙貼片；自由空間的電磁波經過所述天線罩選擇性濾波後，濾除其餘雜波，輸出所需工作頻段的電磁波。

本發明為高頻段通信中角度、極化穩定性要求高的超寬帶天線罩設計，通帶內插入損耗小且穩定，通帶後擁有高抑制的寬阻帶，帶通到帶阻工作狀態轉化速度快，角度、極化穩定性及頻率選擇性能極佳。

所述周期單元包括上層金屬貼片P1、上層薄介質D1、上層金屬縫隙片P2、中間層厚介質D2、下層金屬縫隙片P3、下層薄介質D3和下層金屬貼片P4；上層金屬貼片P1貼於上層薄介質D1上表面，上層金屬縫隙片P2位於上層薄介質D1與中間層厚介質D2之間，下層金屬縫隙片P3位於下層薄介質D3與中間層厚介質D2之間，下層金屬貼片P4貼於下層薄介質D3下表面；其中上層金屬貼片P1與下層金屬貼片P4結構尺寸相同，上層金屬縫隙片P2與下層金屬縫隙片P3結構尺寸相同，上層薄介質D1與下層薄介質D3結構尺寸相同。

所述上層金屬縫隙片P2和下層金屬縫隙片P3主要由雙工字形金屬貼片結構和外圍方環金屬貼片以及兩者之間的縫隙組成：所述的雙工字形金屬貼片呈耶魯撒冷十字架形，位於外圍方環金屬貼片的中心；所述的外圍方環金屬貼片位於雙工字形金屬貼片的外圈，外邊長與周期單元邊長相同。

所述的上層金屬貼片P1和下層金屬貼片P4分別置於上層金屬貼片P1與下層金屬貼片P4的中心。

優選地，具體實施的上層薄介質D1、中間層厚介質D2和下層薄介質D3的介電常數為3.5，介質損耗角正切值為0.0015。

本發明在空間電磁波垂直入射的情況下，在27.15GHz-29.65GHz的通帶範圍內插入損耗小於0.4dB，在31.15GHz-33.52GHz的阻帶範圍內抑制大於20dB；空間電磁波在±45°的入射時，在27.08GHz-29.80GHz的通帶範圍內插入損耗小於1.5dB；並且入射電磁波在±85°入射角度範圍內變化時，其傳輸極點與零點基本不發生改變，角度、極化穩定性極高，實現了帶通到帶阻工作狀態的快速轉換，頻率選擇性能極佳。

二、所述天線罩應用於5G的現代通信、雷達及軍事通信中。

本發明天線罩設計採用了小型化設計，單元尺寸較傳統方案所設計結構尺寸縮小了三倍，但仍適用於傳統PCB工藝進行加工生產。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：

本發明的上下兩層的方形金屬貼片天線與中間兩層縫隙層外圍金屬方環為天線罩提供一個帶寬非常大且插入損耗極小的通帶，對於垂直入射到所述天線罩的電磁波，依次經過天線罩的各層結構後，其在27.15GHz-29.65GHz頻段範圍內通帶插入損耗小於0.4dB。

本發明的中間兩層金屬縫隙層為天線罩提供了帶寬範圍廣抑制高的阻帶，兩層金屬縫隙的設計思想進一步提高了通帶到阻帶的轉換速度。對於垂直入射到所述天線罩的電磁波，在31.15GHz-33.52GHz頻段範圍內阻帶抑制大於20dB。

本發明獨特的結構設計，使得本發明具有極高的角度穩定性能，空間中電磁波在±60°的入射角度範圍內各項性能非常穩定，在±85°的入射角度範圍內，其傳輸極點傳輸零點相當穩定，基本不發生偏移。此外，本發明的電磁雙極化性能穩定，同時支持TE、TM兩種極化模式。

本發明在天線器件小型化、5G等現代通信、雷達及軍事通信中具有極高的應用價值。

附圖說明

圖1是本發明實施例的天線罩三維結構圖。

圖2是本發明單元結構的三維結構圖。

圖3是本發明單元結構的主視圖。

圖4是本發明單元結構的俯視圖。

圖5是本發明單元結構的中間金屬縫隙層視圖。

圖6是方形金屬貼片尺寸改變時對本發明中天線罩傳輸性能影響曲線圖。

圖7是對於垂直入射TE、TM極化模式下的本發明天線罩傳輸性能曲線圖。

圖8是TE極化模式電磁波入射角度對於本發明中天線罩性能影響曲線圖。

圖9是TM極化模式電磁波入射角度對於本發明中天線罩性能影響曲線圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明進一步說明。

如圖1所示，天線罩是主要由周期單元陣列組成的頻率選擇表面。每一周期單元分為介質層和金屬層，介質層包括上下兩層介質層及其中間的一層介質層，金屬層包括上下兩層介質層外表面的完整金屬貼片和相鄰介質層之間的金屬縫隙貼片。

如圖2和圖3所示，周期單元包括上層金屬貼片P1、上層薄介質D1、上層金屬縫隙片P2、中間層厚介質D2、下層金屬縫隙片P3、下層薄介質D3和下層金屬貼片P4；上層金屬貼片P1貼於上層薄介質D1上表面，上層金屬縫隙片P2位於上層薄介質D1與中間層厚介質D2之間，下層金屬縫隙片P3位於下層薄介質D3與中間層厚介質D2之間，下層金屬貼片P4貼於下層薄介質D3下表面；其中上層金屬貼片P1與下層金屬貼片P4結構尺寸相同並且布置在表面的位置也相同，上層金屬縫隙片P2與下層金屬縫隙片P3結構尺寸相同，上層薄介質D1與下層薄介質D3結構尺寸相同。

天線罩中間層厚介質D2上下表面分別貼有上層金屬縫隙片P2和下層金屬縫隙片P3，其中上層金屬縫隙片P2和下層金屬縫隙片P3主要由雙工字形金屬貼片結構a和外圍方環金屬貼片b以及兩者之間的縫隙組成。如圖5所示，雙工字形金屬貼片a呈耶魯撒冷十字架形，位於外圍方環金屬貼片b的中心，具體是由四個T字形單元以螺旋中心對稱方式沿周向間隔均布而成。外圍方環金屬貼片b位於雙工字形金屬貼片a的外圈，外邊長與周期單元邊長相同，是一個標準的金屬方環。

如圖4所示，上層金屬貼片P1和下層金屬貼片P4均為位於單元結構中心的方形金屬貼片，分別置於上層金屬貼片P1與下層金屬貼片P4的中心。

本發明天線罩工作原理如下：

當空間中電磁波的入射角度為θ時，天線罩單元周期尺寸決定了到達各個單元表面的電磁波之間的相位差，該相位差越大造成與電磁波垂直入射時的傳輸性能偏差就越大，為了克服電磁波在多角度入射情況下對天線罩傳輸性能的影響，本發明中的天線罩採用了容性、感性表面耦合技術來實現單元結構的小型化，進而提高本發明中天線罩的角度穩定性。

其中天線罩最外面兩側方形金屬貼片層周期性排布後形成一個容性表面，儲存電場能；而中間兩層金屬縫隙層中的外圍方環金屬可等效為電感，形成一個感性表面，儲存磁場能。這種容性與感性表面的耦合機制抑制了電磁波的波動性，打破了單元尺寸與諧振波長一致的限制，從而實現了結構單元的小型化設計。

最外面兩側方形金屬貼片層可分別看作發射與接收天線，其本身可等效為串聯諧振迴路。中間兩金屬縫隙層的外圍方環金屬是一感性結構，與最外面兩側方形金屬貼片形成LC並聯諧振迴路，形成帶通效果。中間兩金屬縫隙層的外圍方環金屬與中間金屬縫隙層的雙工字形的結構之間縫隙形成容性結構，在加上「雙工字」形結構本身為感性，故看作是一個LC串聯諧振迴路，進而在通帶的下降處產生一個傳輸零點，實現了通帶邊沿的快速下降。

本發明的天線罩一方面採用了雙金屬縫隙層的設計，形成高階濾波效果，展寬了帶寬，增加了工作頻帶內的平坦度，提高了天線罩的選擇性；另一方面採用了完全對稱的設計思想，實現了電磁波的TE、TM模式下的雙極化穩定性設計。

本發明的實施例以應用於5G通信工頻段天線罩為例，具體闡述本發明各個部分的實施方式及各個結構參數對於天線罩傳輸性能的影響：

隨著對5G通信技術的飛速發展，其相關標準也逐漸成型，現在看來28.5GHz前後2GHz頻段最有可能成為5G通信的工作頻段，同時該頻段內的通帶插入損耗需要小於0.8dB，此外還要具有很好的角度、極化穩定性。本發明採用了容性、感性表面耦合與AFFA技術實現了5G通信高頻段天線罩的小型化高性能設計，本發明中的天線罩，電磁波在±60°入射角度範圍內，有穩定的傳輸性能，實現了帶通到帶阻工作狀態的快速轉化，具有很好的頻率選擇性能。

如圖1所示，實施例採用了32*32的周期單元陣列，周期單元結構的最外面兩側的方形金屬貼片P1和P2，均為邊長為1.73mm的正方形。實際應用中可根據具體的設計通帶目標進行該尺寸的選擇。它的尺寸變化影響著通帶兩個傳輸極點的變化。當方形金屬貼片的尺寸增加時，會使整個通帶想低頻方向移動，並且通帶帶寬減小，但是通帶插入損耗有所減小。這主要是由於隨著方形金屬貼片尺寸的增大，其諧振頻率會減小，因而通帶向低頻方向偏移；在不改變其他部分結構尺寸的情況下，由於方形貼片尺寸的增大，使得其與金屬縫隙層的耦合強度增大，進而實現了通帶插入損耗減小，而這種通帶內穩定性的提高是以犧牲通帶帶寬為代價的。但是方形金屬貼片的尺寸變化對天線罩傳輸零點沒有影響，這主要是因為傳輸零點主要由中間金屬縫隙層控制的。圖6具體描述了方形金屬貼片尺寸變化對於通帶效果的影響。

上層薄介質D1、中間層厚介質D2及下層薄介質D3都是採用的Rogers RO3035板材，其周期單元尺寸為2.53mm。該板材的特點是其介質損耗較小，因此對通帶的插入損耗影響更小一些。但是該板材的價格比較高，在實際的應用中也可以選擇與該材料介電常數類似的板材來進行設計加工，從而減小投產成本。

如圖2、3、4所示，天線罩中間層厚介質D2兩側表面分別貼有上層金屬縫隙片P2和下層金屬縫隙片P3，這兩層金屬縫隙層是本發明的設計核心。首先對於最外圍的方環形金屬貼片結構b，它的外邊長為2.53mm，也即周期單元結構尺寸的大小。結構b的尺寸與最外兩層方形金屬貼片P1和P4尺寸決定了天線罩的工作頻帶，周期單元結構尺寸的增加會使得通帶向低頻方向移動，通帶內插入損耗增大，通帶帶寬展寬。這主要是單元周期的增加，使得單元間的耦合強度降低，進而通帶插入損耗增大；結構b外邊長的增加，造成諧振頻率降低，通帶向低頻方向移動。同理，最外圍的方環形金屬貼片的內邊長的變化，也會對通帶產生影響。

中間兩金屬縫隙層P1和P2除了對通帶的影響，還會對通帶後的阻帶有決定性的意義。如圖5所示，中間雙工字形金屬結構a，它的尺寸決定了阻帶的變化。當結構a的主體結構長度L增大時，阻帶會向低頻方向移動。這主要是由於在其他部分結構不發生改變而L增大時，結構a和結構b之間的縫隙減小，相當於電容的兩個極板距離減小，進而使得容性增強，使得LC串聯諧振迴路產生的諧振頻率減小，使得阻帶向低頻方向偏移。當雙工字形金屬結構a的臂長J增加時，相應的阻帶也會向低頻方向移動。這主要是由於結構a中J的增加，相當於電容的極板面積增大，從而使得容性增強，導致諧振頻率降低。表1具體描述了「雙工字」形金屬結構a尺寸變化對於阻帶效果的影響。

表1「雙工字」形金屬結構a尺寸變化對於阻帶效果的影響

本實施例在電磁波垂直入射時的傳輸特性曲線如圖7所示，在27.45GHz～29.52GHz帶寬的通帶內插入損耗小於0.4dB，在27.19GHz～29.64GHz帶寬內的插入損耗小於5G通信插入損耗0.8dB的要求；此外，本實例有極好的頻率選擇性，具體表現在其通帶下降沿下降速度非常快，實現了從通帶到阻帶的快速轉換；在31.18GHz～33.53GHz帶寬的阻帶抑制大於20dB，同時，可以發現TE、TM兩種極化模式下的傳輸效果完全吻合，很好的滿足了5G通信天線罩設計要求。

如圖8、9所示，描述了實施例的天線罩在電磁波入射角度發生變化時，對天線罩傳輸性能的影響。圖中能夠發現在±45°的入射角度範圍內，傳輸特性曲線基本上與垂直入射下的傳輸特性曲線基本吻合，擁有相當穩定的傳輸性能。此外，隨著入射角度的進一步增加，由於入射角度增加時致使波阻抗發生改變，產生了TE模式下的通帶插入損耗有所增加，TM模式下的通帶帶寬有所減小等不可避免的問題，但是，可以看到角度的增加，無論TE模式還是TM模式下，其傳輸極點、零點基本上都沒有發生偏移。

因此，通過上述實施可見本發明實現了高頻段通信中寬通帶帶插損、寬阻帶高抑制、通帶陡峭下降邊沿以及角度與雙極化性能相當穩定的高性能小型化天線罩設計。