CN121011821A - 一种类闵可夫斯基分形的双极化电小天线及其阵列 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种类闵可夫斯基分形的双极化电小天线及其阵列，其中该双极化电小天线从上到下顺序为覆盖介质基板(1‑1)、粘结片(1‑2)、天线介质基板(1‑3)和金属地(1‑4)；第一辐射贴片(2‑1)位于天线介质基板和覆盖介质基板之间嵌入在粘结片中；金属通孔(3‑1)分布在该双极化电小天线周边，两个金属馈电通孔(4‑1)对称分布在天线介质基板平面中轴线的两侧。天线阵列采用左右镜像对称排布的两个天线单元构成，在接地金属板中引入中和线和缺陷地结构抑制阵元间耦合。天线工作频段覆盖12.7‑13.25GHz，平面尺寸为0.16×0.16λ²，增益大于2dBi，为5G无线通信提供了一种高性能、低成本、易集成的小型化移动终端天线方案。

Description

一种类闵可夫斯基分形的双极化电小天线及其阵列

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，特别涉及一种应用于5G&5G-Advanced FR3频段(12.7-13.25GHz)类闵可夫斯基分形的双极化电小天线及其阵列。

背景技术

无线通信系统的快速发展，尤其是5G网络和物联网(IoT)的应用，对天线设计提出了严格要求，包括紧凑的尺寸、多功能性以及在多输入多输出(MIMO)系统中的高性能表现。智能手机、可穿戴设备等移动终端对天线尺寸的严苛要求，促使双极化电小天线成为实现5G、5G Advanced乃至未来6G多频段覆盖的核心方案。

双极化技术通过正交极化方向实现信号的独立传输，使单一天线能够同时承载两路互不干扰的数据流，频谱效率提升近100％。电小天线的核心价值在于突破传统天线尺寸与波长强相关的物理限制，其电长度通常小于λ/2π，可嵌入智能手机、物联网终端、车载设备等对空间敏感的场景。双极化技术和电小天线的结合不仅解决了5G FR3频段天线尺寸与性能的矛盾，更通过极化分集、MIMO复用等技术，为5G网络的高密度连接和低延迟传输提供了关键支撑。

电小天线的设计和实现方式有很多，但应用在下一代移动通信的高频段频谱上，仍然存在着相关设计难点，例如：

1.电小天线的核心特征是电长度极短，这导致其输入阻抗呈现强电抗特性，辐射电阻极低，而寄生电抗高达数十至数百欧姆。这种阻抗失衡使得能量难以从馈电端口有效辐射至自由空间，反而在天线内部形成强储能效应，导致天线的辐射效率极低。

2.电小天线的固有带宽受限于其电尺寸与谐振模式的单一性。根据天线理论，其相对带宽与电长度成反比。尽管可通过多模激励、分形设计或材料创新拓展带宽，但这些方法均需付出代价：多模结构导致电流分布耦合增强，引发模式简并或相互干扰；分形设计增加加工复杂度与空间占用；超材料的电磁响应依赖亚波长单元，与电小天线的“小尺寸”约束形成尺寸适配矛盾。此外，电小天线的输入阻抗对频率变化高度敏感，微小的频率偏移即导致驻波比剧烈恶化，使得其在宽温、振动等动态环境下的稳定性难以保障。

3.小型化要求天线与其他功能模块如射频前端、传感器的间距压缩至λ/20以内，近场电磁耦合引发互调干扰与模式杂化，使得天线的辐射特性不再是独立设计问题，而需与整个系统的电磁兼容性(EMC)协同优化。这种天线与环境、系统的强关联性，导致传统基于自由空间的设计方法失效，必须依赖全波仿真与实测修正的迭代优化，显著增加设计周期与成本。

本发明针对上述问题，在5G FR3(12.7-13.25GHz)频段上，设计了一种类闵可夫斯基分形的双极化电小天线及其阵列，对5G移动终端通信系统和卫星通信系统具有重要的价值。

发明内容

技术问题：本发明提供一种基于闵可夫斯基分形和介质加载技术的双极化电小天线及其阵列。针对传统电小天线因电长度不足导致的辐射效率与阻抗匹配强耦合、带宽窄且频率敏感性高、极化分集与方向图稳定性差等问题，旨在解决现有电小天线在紧凑尺寸下难以兼顾辐射效率、阻抗带宽与极化性能的技术难题。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明一种类闵可夫斯基分形的双极化电小天线，采用如下技术方案：该双极化电小天线从上到下顺序为覆盖介质基板、粘结片、天线介质基板和金属地；第一辐射贴片位于天线介质基板和覆盖介质基板之间嵌入在粘结片中；金属通孔分布在该双极化电小天线周边，两个金属馈电通孔对称分布在天线介质基板平面中轴线的两侧。

所述的第一辐射贴片为方形贴片进行闵可夫斯基分形后旋转45度得到，在贴片中心开有圆形孔，贴片四条边的中心处为半圆拱形结构，半圆形结构的两侧开有短槽缝隙，形成类闵可夫斯基分形式的结构，延长了电流路径，显著缩小了辐射贴片的尺寸；增大或减小分形出的第一辐射贴片的尺寸、短槽缝隙的长度和半圆拱形结构的半径，能改变辐射贴片中心频率的降低或提高。

所述的第一辐射贴片，中心的圆形孔孔径在0.3-0.5mm之间。

所述的双极化电小天线的金属地上分别开有两个大圆形孔作为同轴馈电线的外导体，金属馈电通孔作为同轴馈电的内导体，构成了两个特征阻抗为50欧姆的同轴探针馈电；两个金属馈电通孔对称分布在天线介质基板平面中轴线的两侧，分别激励±45度的电场极化；金属馈电通孔的位置影响了天线的阻抗匹配，金属馈电通孔距离第一辐射贴片中心的距离越小，阻抗匹配效果越好。

所述的金属通孔与天线介质基板的边相内切并沿着天线介质基板的边排列，环绕成一个笼形结构。

所述的覆盖介质基板材料为Rogers 4350B，厚度为0.76mm；粘结片材料为Rogers4450F，厚度为0.204mm；天线介质基板材料为Rogers RT/duroid 5880，厚度为1.575mm；金属地材料为铜，厚度为0.035mm。

所述的类闵可夫斯基分形的双极化电小天线尺寸为3.7mm×3.7mm×2.574mm，电小天线的ka＝0.79，k为波数，a为能够包裹天线的最小球的半径。

本发明的一种类闵可夫斯基分形的双极化电小天线阵列为1×2阵列，由两个所述双极化电小天线并列构成，第一个双极化电小天线中的第一辐射贴片与第二个双极化电小天线中的第二辐射贴片关于双极化电小天线阵列的天线介质基板的中心镜像对称；小天线阵列的金属地上设有两个对称的缺陷地缝隙且位于第一辐射贴片与第二辐射贴片之间；中和线与第一辐射贴片位于同一层且位于第一辐射贴片与第二辐射贴片之间。

所述两个双极化电小天线的间距为10mm，所述缺陷地缝隙为周期性梳齿状结构，其总长度为3.4mm，宽度为1mm，周期性矩形槽长度为0.8mm，宽度为0.2mm，改善地板的电流分布和阵列间的隔离度。

所述中和线其长度为4.2mm，宽度为0.2mm，其中心位于两个双极化电小天线的中心；通过PCB压合工艺嵌入在粘结片中。

工作原理：本发明提出的天线结构具有尺寸紧凑(电小)、双极化辐射的特性，其工作原理主要分为三个部分：(1)通过设计类闵可夫斯基分形结构和辐射贴片上加载半圆拱形结构、短槽缝隙，延长电流路径，达到小型化的目的，辐射贴片尺寸仅为0.098λ(2)本发明通过在贴片天线上加载微波介质基板来降低天线的谐振频率，材料为常用的Rogers4350B，所加载的覆盖介质基板在天线电路中等效为一个串联电阻和一个并联电容，电容和电阻值的大小与覆盖介质基板材料的介电常数和厚度有关，导致谐振频率的降低并带来一定的介质损耗(3)天线的工作模式为贴片天线的主模，两个极化端口所激励的模式相互正交，实现了两端口间较好的极化隔离，同时抑制了交叉极化。

有益效果：本发明通过闵可夫斯基分形技术、介质加载设计及正交双极化技术，显著提升电小天线在紧凑尺寸下的综合性能：在辐射效率方面，通过应用低损耗天线介质基板以及低介电常数介质覆盖板，天线的带宽内总体效率达到83％以上，有效解决小尺寸带来的能量辐射不足问题；在谐振频率上，利用，利用闵可夫斯基分形技术和加载短槽线缝隙，延长了电流路径，有效缩小了天线的尺寸，辐射贴片仅为0.098λ，天线总体尺寸为0.16×0.16×0.11λ³，λ为13GHz频率所对应的波长，满足5G FR3频段的小型化通信要求，在极化性能上，正交双极化单元结构实现≥10dB的交叉极化隔离度，使MIMO系统信道容量提升40％以上，确保车载、手持终端等复杂场景中的稳定通信。整体而言，本发明突破了传统电小天线性能与尺寸的互斥瓶颈，为5G及6G终端、物联网设备、车载通信等领域提供了高效率、宽波束、高可靠性的小型化天线方案，有力推动无线通信设备向轻量化、多功能化演进。

附图说明

图1为本发明天线单元的结构示意图；

图2为本发明天线阵列的结构示意图；

图3为本发明的实施例1的天线单元的S参数和增益仿真图；

图4为实施例1的天线单元在13GHz时，Phi＝-45°和phi＝45°平面内的方向图的仿真结果；

图5为本发明的实施例1的双极化电小天线阵列的S参数和增益仿真图；

图6为实施例1的天线阵列在13GHz时，Phi＝-45°和phi＝45°平面内的方向图的仿真结果；

图7为实施例2的天线单元的结构示意图；

图8为实施例2的天线阵列的结构示意图；

图9为实施例2的天线单元的S参数与增益仿真图；

图10为实施例2的天线单元在13GHz时，Phi＝-45°和phi＝45°平面内的方向图的仿真结果；

图11为实施例2的天线阵列的反射系数和增益仿真图；

图12为实施例2的天线阵列的隔离度和增益仿真图；

图13为实施例2的天线阵列在13GHz时，Phi＝-45°和phi＝45°平面内的方向图的仿真结果。

图中有盖介质基板1-1、粘结片1-2、天线介质基板1-3、金属地1-4；第一辐射贴片2-1、第二辐射贴片2-2；金属通孔3-1；金属馈电通孔4-1、两个大圆形孔1-41；中和线5-1；缺陷地缝隙6-1；双极化电小天线单元7-1天线单元BGA锡球阵列8-1、底板的微波介质层9-1、下层金属层10-1、天线单元金属接地孔11-1、底板金属馈电通孔12-1、接地共面波导馈电线13-1、上层金属层14-1。

具体实施方式

实施例1：如图1所示，双极化电小天线单元包括覆盖介质基板1-1、粘结片1-2、天线介质基板1-3和金属地1-4。辐射贴片2-1位于天线介质基板1-3和覆盖介质基板1-1之间，通过PCB压合工艺嵌入在粘结片1-2中。20个金属通孔3-1分布在天线的介质层边缘，两个金属馈电通孔4-1对称分布在天线介质基板1-3平面中轴线的两侧。天线阵列为1×2阵列，包括介质基板1-1、粘结片1-2、天线介质基板1-3、金属地1-4、金属通孔3-1。第一辐射贴片2-1、第二辐射贴片2-2和中和线5-1位于天线介质基板1-3和覆盖介质基板1-1之间，通过PCB压合工艺嵌入在粘结片1-2中。缺陷地缝隙6-1位于金属地1-4上。

所述的第一辐射贴片2-1为方形贴片进行闵可夫斯基分形后旋转45度得到，在贴片中心开有圆形孔，贴片四条边的中心处为半圆拱形结构，半圆形结构的两侧开有短槽缝隙，形成类闵可夫斯基分形式的结构，延长了电流路径，显著缩小了辐射贴片的尺寸。第一辐射贴片2-1中心圆孔孔径0.4mm。增大或减小分形出的小贴片的尺寸、短槽缝隙的长度和圆拱形结构的半径，影响辐射贴片中心频率的降低或提高。

所述的金属地1-4上开有圆形孔作为同轴馈电线的外导体，金属馈电通孔4-1作为同轴馈电的内导体，构成了特征阻抗为50欧姆的同轴探针馈电。两个同轴探针馈电对称分布在天线介质基板1-3平面中轴线的两侧，分别激励±45度的电场极化。同轴探针馈电在第一辐射贴片2-1上馈电点的位置影响了天线的阻抗匹配，馈电点距离第一辐射贴片2-1中心的距离越小，阻抗匹配效果越好。

如图2所示，天线阵列的叠层及通孔结构与单元完全一致。天线阵列由两个完全相同的电小天线单元镜像对称组成，阵元间间距为10mm，第一辐射贴片2-1、第二辐射贴片2-2关于MIMO阵列的天线介质基板1-3的中心镜像对称。天线阵列的金属地1-4开有对称的缺陷地缝隙6-1，缺陷地缝隙6-1为周期性梳齿状结构，其总长度为3.4mm，宽度为1mm，周期性矩形槽长度为0.8mm，宽度为0.2mm，改善地板的电流分布和阵列间的隔离度。中和线5-1与第一辐射贴片2-1位于同一层，其长度为4.2mm，宽度为0.2mm，其中心位于天线阵列的中心。

所述的覆盖介质基板1-1材料为Rogers 4350B，厚度为0.76mm；粘结片1-2材料为Rogers 4450F，厚度为0.204mm；天线介质基板1-3材料为Rogers RT/duroid 5880，厚度为1.575mm；金属地1-4材料为铜，厚度为0.035mm。所述的覆盖介质基板1-1材料的介电常数和介质厚度影响了天线小型化之后的谐振频率，天线介质基板1-3材料的介电常数和介质厚度影响了天线的带宽。

所述的类闵可夫斯基分形的双极化电小天线单元尺寸为3.7mm×3.7mm×2.574mm，电小天线单元的ka＝0.79(k为波数，a为能够包裹天线的最小球的半径)。阵列尺寸为13.7mm×3.7mm×2.574mm，阵元间距为10mm。

如图3所示，所设计类闵可夫斯基分形的双极化电小天线单元的阻抗带宽为6.6％，覆盖12.56GHz到13.42GHz，最大增益为2dBi，工作频带内增益波动小于0.5dB。

图4给出了在13GHz频点所设计天线在phi＝45°和phi＝–45°两个面的方向图仿真结果，所设计天线在-45°面上近似全向辐射，在+45°面上3dB波束宽度可达132°，主极化交叉极化比高于15dB。

图5给出了所设计天线阵列的阻抗带宽和增益，天线阵列的阻抗带宽为12.60-13.29GHz，各端口间隔离度大于10dB，最大增益为3.83dBi，其阵元间距为0.43λ(λ为13GHz频率的波长)。

图6给出了在13GHz频点所设计天线阵列在phi＝45°和phi＝–45°两个面的方向图仿真结果，所设计天线阵列在-45°面上波束较宽，3dB波束宽度为91°；在+45°面上波束相对较窄为75°，阵列方向图主极化交叉极化比可以达到11dB。

图3-6的结果表明，实施例1所设计的天线单元及其阵列具有小型化、双极化、宽波束宽度、高效率和高增益等特性，适用于5G及6G终端、物联网设备、车载通信等对尺寸敏感的应用场景。

实施例2：如图7，本实施例的一种类闵可夫斯基分形的双极化电小天线包括：双极化电小天线单元7-1，双极化电小天线单元7-1的天线单元BGA锡球阵列8-1通过BGA封装的方式将双极化电小天线单元7-1集成到底板上，所述的底板在双极化电小天线单元中包括上层金属层14-1，底板的微波介质层9-1，下层金属层10-1，天线单元BGA锡球阵列8-1分别位于底板的上层金属层14-1，底板的天线单元微波介质层9-1中有天线单元金属接地孔11-1，底板金属馈电通孔12-1，底板金属馈电通孔12-1向下连接到底板下层金属层10-1上的接地共面波导馈电线13-1，向上连接到天线单元BGA锡球阵列8-1中与双极化电小天线单元7-1中金属馈电通孔4-1相对应连接的锡球。接地共面波导馈电线13-1与Withwave公司的SMPM射频接头连接实现馈电，金属接地孔11-1为接地共面波导和射频接头共同的接地通孔。底板下层金属层10-1上的缝隙为防止SMPM接头中探针短路所设计的必要的接地避让。天线单元微波介质层9-1为0.51mm厚度的Rogers 4350B。图6中标注了端口位置，单元和阵列中的各个端口馈电方式与实施例1中相同。

如图8所示，是本实施例的一种类闵可夫斯基分形的双极化电小天线阵列，所述小天线阵列为1×2阵列，由两个所述双极化电小天线并列构成，第一个双极化电小天线中的第一辐射贴片2-1与第二个双极化电小天线中的第二辐射贴片2-2关于双极化电小天线阵列的天线介质基板1-3的中心镜像对称；小天线阵列的金属地1-4上设有两个对称的缺陷地缝隙6-1且位于第一辐射贴片2-1与第二辐射贴片2-2之间；中和线5-1与第一辐射贴片2-1位于同一层且位于第一辐射贴片2-1与第二辐射贴片2-2之间。天线阵列采用左右镜像对称排布的两个天线单元构成，在接地金属板中引入中和线和缺陷地结构抑制阵元间耦合。天线工作频段覆盖12.7-13.25GHz，平面尺寸为0.16×0.16λ²，增益大于2dBi，为5G无线通信提供了一种高性能、低成本、易集成的小型化移动终端天线方案。

如图9所示，S11与S22曲线重合，S21与S12曲线重合，所设计类闵可夫斯基分形的双极化电小天线单元的阻抗带宽为5.43％，覆盖12.7GHz到13.41GHz，隔离度大于15dB，最大增益为2.5dBi，带内增益波动小于0.37dB。

图10给出了在13GHz频点所设计天线在phi＝45°和phi＝–45°两个面的方向图仿真结果，所设计在+45°面上3dB波束较宽，主极化交叉极化比高于12dB。

图11和图12给出了所设计天线阵列的阻抗带宽和增益，天线阵列的阻抗带宽为12.75-13.2GHz，各端口间隔离度大于10dB，最大增益为3.28dBi。

图12给出了在13GHz频点所设计天线阵列在phi＝45°和phi＝–45°两个面的方向图仿真结果，所设计天线阵列在45°面上波束较宽，3dB波束宽度为90°；在-45°面上波束相对较窄为70°，阵列方向图主极化交叉极化比可以达到14dB。

图9-13的结果表明，实施例2所设计的天线单元及其阵列在在带宽上较实施例1有所恶化，但为该天线单元及其阵列嵌入到其他射频电路中提供了解决方案，其接地共面波导线均为50欧姆传输线，可以与其他射频模块连接，扩大了本发明在微波通信领域的适应范围。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种类闵可夫斯基分形的双极化电小天线，其特征在于：该双极化电小天线从上到下顺序为覆盖介质基板(1-1)、粘结片(1-2)、天线介质基板(1-3)和金属地(1-4)；第一辐射贴片(2-1)位于天线介质基板(1-3)和覆盖介质基板(1-1)之间嵌入在粘结片(1-2)中；金属通孔(3-1)分布在该双极化电小天线周边，两个金属馈电通孔(4-1)对称分布在天线介质基板(1-3)平面中轴线的两侧。

2.根据权利要求1所述的一种类闵可夫斯基分形的双极化电小天线，其特征在于：所述的第一辐射贴片(2-1)为方形贴片进行闵可夫斯基分形后旋转45度得到，在贴片中心开有圆形孔，贴片四条边的中心处为半圆拱形结构，半圆形结构的两侧开有短槽缝隙，形成类闵可夫斯基分形式的结构，延长了电流路径，显著缩小了辐射贴片的尺寸；增大或减小分形出的第一辐射贴片(2-1)的尺寸、短槽缝隙的长度和半圆拱形结构的半径，能改变辐射贴片中心频率的降低或提高。

3.根据权利要求1所述的一种类闵可夫斯基分形的双极化电小天线，其特征在于：所述的第一辐射贴片(2-1)，中心的圆形孔孔径在0.3-0.5mm之间。

4.根据权利要求1所述的一种类闵可夫斯基分形的双极化电小天线，其特征在于：所述的双极化电小天线的金属地(1-4)上分别开有两个大圆形孔(1-41)作为同轴馈电线的外导体，金属馈电通孔(4-1)作为同轴馈电的内导体，构成了两个特征阻抗为50欧姆的同轴探针馈电；两个金属馈电通孔(4-1)对称分布在天线介质基板(1-3)平面中轴线的两侧，分别激励±45度的电场极化；金属馈电通孔(4-1)的位置影响了天线的阻抗匹配，金属馈电通孔距离第一辐射贴片(2-1)中心的距离越小，阻抗匹配效果越好。

5.根据权利要求1所述的一种类闵可夫斯基分形的双极化电小天线，其特征在于：所述的金属通孔(3-1)与天线介质基板(1-2)的边相内切并沿着天线介质基板(1-2)的边排列，环绕成一个笼形结构。

6.根据权利要求1所述的一种类闵可夫斯基分形的双极化电小天线，其特征在于：所述的覆盖介质基板(1-1)材料为Rogers 4350B，厚度为0.76mm；粘结片(1-2)材料为Rogers4450F，厚度为0.204mm；天线介质基板(1-3)材料为Rogers RT/duroid 5880，厚度为1.575mm；金属地(1-4)材料为铜，厚度为0.035mm。

7.根据权利要求1所述的一种类闵可夫斯基分形的双极化电小天线，其特征在于：所述的类闵可夫斯基分形的双极化电小天线尺寸为3.7mm×3.7mm×2.574mm，电小天线的ka＝0.79，k为波数，a为能够包裹天线的最小球的半径。

8.一种如权利要求1所述的一种类闵可夫斯基分形的双极化电小天线阵列，其特征在于：所述小天线阵列为1×2阵列，由两个所述双极化电小天线并列构成，第一个双极化电小天线中的第一辐射贴片(2-1)与第二个双极化电小天线中的第二辐射贴片(2-2)关于双极化电小天线阵列的天线介质基板(1-3)的中心镜像对称；小天线阵列的金属地(1-4)上设有两个对称的缺陷地缝隙(6-1)且位于第一辐射贴片(2-1)与第二辐射贴片(2-2)之间；中和线(5-1)与第一辐射贴片(2-1)位于同一层且位于第一辐射贴片(2-1)与第二辐射贴片(2-2)之间。

9.根据权利要求8所述的一种类闵可夫斯基分形的双极化电小天线阵列，其特征在于：所述两个双极化电小天线的间距为10mm，所述缺陷地缝隙(6-1)为周期性梳齿状结构，其总长度为3.4mm，宽度为1mm，周期性矩形槽长度为0.8mm，宽度为0.2mm，改善地板的电流分布和阵列间的隔离度。

10.根据权利要求8所述的一种类闵可夫斯基分形的双极化电小天线阵列，其特征在于：所述中和线(5-1)其长度为4.2mm，宽度为0.2mm，其中心位于两个双极化电小天线的中心；通过PCB压合工艺嵌入在粘结片(1-2)中。