5G毫米波端射及边射终端封装天线研究

作     者：柯李顺 

作者单位：华南理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：薛泉;廖绍伟;陈志兴

授予年度：2021年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 

主      题：毫米波 封装天线 边射 端射 宽带 

摘      要：作为5G移动通信系统的关键组件,天线具有十分重要的作用。在5G毫米波频段,终端设备对天线有着特殊的要求,如极化方式、辐射方向以及尺寸(剖面)等。但是,终端设备中天线数量增加与天线空间的减少,使得天线设计难度日益增加。另外,毫米波频段互连损耗大,封装天线是5G毫米波终端天线的有效解决方案,因此其研究具有重要的现实意义。本文主要开展5G毫米波终端封装天线的研究,主要内容如下:1、提出一种超低剖面宽带边射天线。该天线基于贴片天线进行设计,通过将多个贴片单元串联馈电,并运用对数周期天线的工作原理,对贴片的大小及间隔按照一定比例放大,从而达到低剖面宽带的效果。在单端馈电结构的基础上,为了优化不同频段的辐射方向图,又采用差分馈电方式使得结构对称,在保证带宽的前提下,提高了天线的增益,改善了方向图的稳定性。设计的天线样品采用厚度为0.254 mm(0.02λ)的微波基板,在完整地板的情况下覆盖整个5G毫米波频段(24.25-29.5 GHz,≈20%),加工样品的测试结果验证了提出的设计思路。2、提出一种宽带水平极化端射天线。该天线通过将螺旋天线进行两次演变,借用对数周期天线的设计思路拓展天线的带宽,最终获得一个基于渐变折叠偶极子的对数周期天线。采用一种基于微带转缝隙的平面结构巴伦将单端信号转换成差分信号,用来激励折叠偶极子。为了提高增益,基于天线单元设计了1×4阵列。设计的天线单元和阵列采用9层LTCC工艺,覆盖整个5G毫米波频段,加工样品的测试结果验证了提出的设计思路。3、提出一种低剖面宽带垂直极化端射天线。该天线基于具有端射垂直极化特性的辐射单元——准PIFA天线设计。第一款天线运用L型探针馈电、加载贴片以及蚀刻U型缝隙,展宽了天线带宽,覆盖n257频段。其中,加载的贴片既能作为谐振器展宽带宽,也能作为引向器提高增益。为了增加带宽和增益,将第一款天线的U型缝隙去除,增加一对贴片加载,设计了第二款双贴片加载天线。该天线能够覆盖5G毫米波频段且具有更高增益。基于上述两款天线的单元分别设计了1×4阵列。两款天线均采用9层LTCC工艺,厚度为0.846 mm,加工样品的测试结果验证了提出的设计思路。4、提出一种低剖面宽带双极化端射天线。该天线基于一对垂直极化端射天线,并将加载贴片用作水平极化的辐射器从而实现双极化。采用多重结构复用技术,既可以将水平极化和垂直极化在一个结构内实现,使体积缩小一半,也能提高两种极化的增益与带宽。另外,两种极化分别采用差模与共模信号馈电,得益于天线结构的对称性与馈电的对称性,该天线的两种极化天然隔离。天线采用9层LTCC工艺,覆盖n257频段,并对双极化天线及其1×4阵列进行了加工,测试结果验证了提出的设计思路。