本實用新型涉及了一種天線器件，尤其是涉及了一種網(wǎng)格方環(huán)加載過孔結(jié)構(gòu)的2.5維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(shù)：

目前，全球各大通信制備公司開始未雨綢繆，積極研發(fā)5G移動通信網(wǎng)絡(luò)。我國也在2013年和2014年啟動5G移動網(wǎng)絡(luò)一期、二期研究項目，并將其納入到十二五和十三五計劃當(dāng)中。5G移動網(wǎng)絡(luò)作為全球移動通信領(lǐng)域新一輪競爭的開始，已成為我國信息技術(shù)發(fā)展的首要任務(wù)。

與4G相比，5G不僅將進一步提升用戶的網(wǎng)絡(luò)體驗，同時還將滿足未來萬物互聯(lián)的應(yīng)用需求。相比于4G/LTE的峰值速率(100Mbit/s)，5G的峰值速率期望達到10Gbit/s，而根據(jù)香濃公式，我們可以知道，在保證信噪比一定的情況下，加快傳輸速率需要增加通帶帶寬。因此，對5G實際應(yīng)用的硬件設(shè)備提出了更高的要求，尤其是天線罩這一模塊。針對5G通信，需要設(shè)計滿足大于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(nèi)的插入損耗至少小于0.6dB。此外，在實際通信環(huán)境下，所設(shè)計的天線罩需要滿足入射電磁波大角度變化時，如此寬帶的選擇透過性仍可以達到指標(biāo)，這無疑是一個新的挑戰(zhàn)。

現(xiàn)有天線罩的實現(xiàn)方式，一般采用的是周期性頻率選擇表面結(jié)構(gòu)。常見的單層或者雙層金屬頻率選擇表面結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)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(nèi)的插入損耗不平穩(wěn)，通帶內(nèi)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。此外，為了保證天線罩的角度穩(wěn)定性，更多研究者旨在設(shè)計更加小型化的天線罩，而他們的研究點多數(shù)集中在將結(jié)構(gòu)設(shè)計的曲折復(fù)雜化，從而引入分立的電容和電感。然而，隨著5G工作頻段的升高，對應(yīng)天線罩的周期結(jié)構(gòu)變得很小，因此可以用來曲折設(shè)計的空間也變得非常有限，所以類似方法的局限性油然而生。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對如何提高天線罩的通帶特性，阻帶特性，頻率的選擇性，尤其是電磁波大角度入射時的穩(wěn)定性能，從而滿足5G移動通信的硬件指標(biāo)要求，本實用新型提出了一種網(wǎng)格方環(huán)加載過孔結(jié)構(gòu)的2.5維超寬帶移動通信天線罩。

本實用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案：

所述天線罩是主要由多個相同周期單元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介質(zhì)層、設(shè)置在介質(zhì)層上的金屬貼片和金屬過孔以及兩層介質(zhì)層之間的空氣縫隙層組成；空間內(nèi)的電磁場入射于所述天線罩，依次經(jīng)過上層介質(zhì)層、空氣縫隙層和下層介質(zhì)層的選擇性濾波后，從下層介質(zhì)層輸出所需頻段的電磁場，并能在電磁波入射角度變化的情況下抑制雜波的能量。

本實用新型周期單元結(jié)構(gòu)的個數(shù)可依據(jù)實際用途選擇20×20至40×40之間。

所述的周期單元包括上層金屬貼片、上層介質(zhì)板、空氣縫隙層、下層介質(zhì)板和下層金屬貼片，上層介質(zhì)板和下層介質(zhì)板之間布置有作為空氣縫隙層的間隙，上層金屬貼片貼于上層介質(zhì)板上表面，下層金屬貼片貼于下層介質(zhì)板下表面，上層金屬貼片和下層金屬貼片結(jié)構(gòu)尺寸相同，上層介質(zhì)板和下層介質(zhì)板中分別開有貫穿板上下表面的上層金屬過孔和下層金屬過孔；空間內(nèi)的電磁場從上層介質(zhì)板上方入射，所述天線罩，依次經(jīng)過上層金屬貼片、上層金屬過孔、空氣縫隙層、下層金屬過孔和下層金屬貼片的選擇性濾波后，從下層金屬貼片輸出所需頻段的電磁場，能在入射大角度變化范圍內(nèi)大帶寬幅度抑制雜波的能量。

所述的上層金屬貼片包括方環(huán)形并且分別布置于上層介質(zhì)板上表面中心內(nèi)外的上層金屬貼片內(nèi)方環(huán)和上層金屬貼片外方環(huán)，上層金屬貼片外方環(huán)和上層介質(zhì)板的外邊長均為周期單元邊長，上層金屬貼片內(nèi)方環(huán)和上層金屬貼片外方環(huán)同心布置；所述的下層金屬貼片包括方環(huán)形并且分別布置于下層介質(zhì)板下表面中心內(nèi)外的下層金屬貼片內(nèi)方環(huán)和下層金屬貼片外方環(huán)，下層金屬貼片外方環(huán)和下層介質(zhì)板的外邊長均為周期單元邊長，下層金屬貼片內(nèi)方環(huán)和下層金屬貼片外方環(huán)同心布置。

所述的上層金屬過孔和下層金屬過孔布置結(jié)構(gòu)和尺寸相同，即下層金屬過孔的分布方式在Z方向上與上層金屬過孔對稱分布并且尺寸相同。

所述的上層金屬過孔包括分別布置在上層金屬貼片內(nèi)方環(huán)四角的四個內(nèi)側(cè)金屬過孔和分別布置在上層金屬貼片外方環(huán)四角的八個外側(cè)金屬過孔，八個外側(cè)金屬過孔以兩個為一對形成四對，四對外側(cè)金屬過孔分別位于上層金屬貼片外方環(huán)四角附近，每對外側(cè)金屬過孔分別位于對應(yīng)的上層金屬貼片內(nèi)方環(huán)角的兩條邊的延長線上。

所述的下層金屬過孔包括分別布置在下層金屬貼片內(nèi)方環(huán)四角的四個內(nèi)側(cè)金屬過孔和分別布置在下層金屬貼片外方環(huán)四角的八個外側(cè)金屬過孔，八個外側(cè)金屬過孔以兩個為一對形成四對，四對外側(cè)金屬過孔分別位于下層金屬貼片外方環(huán)四角附近，每對外側(cè)金屬過孔分別位于對應(yīng)的下層金屬貼片內(nèi)方環(huán)角的兩條邊的延長線上。

優(yōu)選地，具體實施的上層介質(zhì)板和下層介質(zhì)板的介電常數(shù)為2.2，介電損耗角正切為0.0009。損耗相對于其它介質(zhì)較小。

沿介質(zhì)板法向(Z坐標(biāo)方向)貫穿布置在上下表面的所述金屬過孔會增加金屬貼片的有效電感和電容，在周期單元自身有限的空間內(nèi)通過介質(zhì)板法向另一維度的金屬過孔大大減小周期單元尺寸，使入射電磁波在沿介質(zhì)板法向的60°角度范圍內(nèi)變化，所述天線罩仍保持帶寬的選擇透過性。

本實用新型網(wǎng)格方環(huán)加載過孔結(jié)構(gòu)的2.5維超寬帶移動通信天線罩能夠在 5G移動通信的應(yīng)用。

本實用新型通過Z坐標(biāo)方向上金屬過孔的巧妙插入，結(jié)合網(wǎng)格方環(huán)型金屬貼片結(jié)構(gòu)，對空間內(nèi)的電磁波實現(xiàn)具有高度且穩(wěn)定的選擇透過性，入射電磁波在-60°至+60°大角度變化時，天線罩仍保持帶寬的選擇透過性。

本實用新型在空間電磁波正入射的情況下，在26.9GHz～29.5GHz的寬通帶范圍內(nèi)實現(xiàn)小于0.6dB的插入損耗，在滿足通帶要求的同時，對于帶外30.5 GHz～43.0GHz范圍內(nèi)的阻帶抑制超過20dB。并且通帶到阻帶的下降速度非?？?，具有良好的頻率選擇性。最終使得其能廣泛應(yīng)用于5G移動通信中。

本實用新型天線罩結(jié)構(gòu)，適合于傳統(tǒng)PCB工藝進行加工實現(xiàn)。

本實用新型具有的有益的效果是：

本實用新型設(shè)計的外方環(huán)結(jié)合金屬過孔的兩層級聯(lián)方式為天線罩提供一個插入損耗穩(wěn)定極小并且?guī)捄艽蟮耐◣В姶挪ㄔ谡肷涞那闆r下，在26.9 GHz～29.5GHz的通帶范圍內(nèi)，插入損耗小于0.6dB；26.0GHz～30.0GHz的通帶范圍內(nèi)，插入損耗極小，小于3dB，尤其是入射電磁波在大角度變化時寬帶性能穩(wěn)定，頻率選擇性能佳。。

本實用新型設(shè)計的內(nèi)方環(huán)結(jié)合金屬過孔的兩層級聯(lián)方式為天線罩提供一個帶外抑制大且范圍較廣的阻帶。電磁波在正入射的情況下，在30.5GHz～43.0 GHz的阻帶范圍內(nèi)，阻帶抑制大于20dB。

本實用新型設(shè)計的高度對稱結(jié)構(gòu)使天線罩同時支持TE，TM兩種電磁波的極化模式。

本實用新型由于在Z方位的維度上增加了多個金屬過孔，使得天線罩單元尺寸變得小型化，因此在入射電磁波正負60度的大角度變化范圍內(nèi)性能仍非常穩(wěn)定。

本實用新型在超寬帶移動通信，雷達以及電磁屏蔽等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。

附圖說明

圖1是本實用新型中天線罩三維結(jié)構(gòu)示意圖(圖中僅以4×4單元示意，不限于此)。

圖2是本實用新型中周期單元結(jié)構(gòu)的三維結(jié)構(gòu)圖。

圖3是本實用新型中周期單元結(jié)構(gòu)的正視圖。

圖4是本實用新型中周期單元結(jié)構(gòu)其中一層的三維結(jié)構(gòu)圖。

圖5是本實用新型中周期單元結(jié)構(gòu)的俯視圖。

圖6是電磁波在TM模式下，不同入射角度對于本實用新型中的天線罩性能的影響曲線。

圖7是電磁波在TE模式下，不同入射角度對于本實用新型中的天線罩性能的影響曲線。

圖中：1、上層金屬貼片外方環(huán)，2、上層金屬貼片內(nèi)方環(huán)，3、上層金屬過孔，4、上層介質(zhì)板，5、空氣縫隙層，6、下層介質(zhì)板，7、下層金屬過孔，8、下層金屬貼片內(nèi)方環(huán)，9、下層金屬貼片外方環(huán)。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本實用新型作進一步說明。

如圖1所示，具體實施的天線罩是主要由多個相同周期單元陣列組成的周期性頻率選擇表面。

如圖2所示，周期單元包括上層金屬貼片1、2、上層介質(zhì)板4、空氣縫隙層5、下層介質(zhì)板6和下層金屬貼片8、9，上層介質(zhì)板4和下層介質(zhì)板6之間布置有作為空氣縫隙層5的間隙，上層金屬貼片1、2貼于上層介質(zhì)板4上表面，下層金屬貼片8、9貼于下層介質(zhì)板6下表面，上層金屬貼片和下層金屬貼片結(jié)構(gòu)尺寸相同，上層介質(zhì)板4和下層介質(zhì)板6中分別開有貫穿板上下表面的上層金屬過孔3和下層金屬過孔7；空間內(nèi)的電磁場從上層介質(zhì)板4上方入射，所述天線罩，依次經(jīng)過上層金屬貼片1、2、上層金屬過孔3、空氣縫隙層5、下層金屬過孔7和下層金屬貼片8、9的選擇性濾波后，從下層金屬貼片8、9輸出所需頻段的電磁場，能在入射大角度變化范圍內(nèi)大帶寬幅度抑制雜波的能量。

如圖4和圖5所示，對于貼片布置，上層金屬貼片1、2包括方環(huán)形并且分別布置于上層介質(zhì)板4上表面中心內(nèi)外的上層金屬貼片內(nèi)方環(huán)2和上層金屬貼片外方環(huán)1，上層金屬貼片外方環(huán)1和上層介質(zhì)板4的外邊長均為周期單元邊長，上層金屬貼片內(nèi)方環(huán)2和上層金屬貼片外方環(huán)1同心布置。下層金屬貼片8、9 包括方環(huán)形并且分別布置于下層介質(zhì)板6下表面中心內(nèi)外的下層金屬貼片內(nèi)方環(huán)8和下層金屬貼片外方環(huán)9，下層金屬貼片外方環(huán)9和下層介質(zhì)板6的外邊長均為周期單元邊長，下層金屬貼片內(nèi)方環(huán)8和下層金屬貼片外方環(huán)9同心布置。上層金屬貼片內(nèi)方環(huán)2和下層金屬貼片內(nèi)方環(huán)8分別位于尺寸較大的上層金屬貼片外方環(huán)1和下層金屬貼片外方環(huán)9的內(nèi)部。

如圖3、圖4和圖5所示，對于過孔布置，上層金屬過孔3和下層金屬過孔 7布置結(jié)構(gòu)和尺寸相同，即下層金屬過孔7的分布方式在Z方向上與上層金屬過孔對稱分布并且尺寸相同。上層金屬過孔3包括分別布置在上層金屬貼片內(nèi)方環(huán)2四角的四個內(nèi)側(cè)金屬過孔和分別布置在上層金屬貼片外方環(huán)1四角的八個外側(cè)金屬過孔，八個外側(cè)金屬過孔以兩個為一對形成四對，四對外側(cè)金屬過孔分別位于上層金屬貼片外方環(huán)1四角附近，每對外側(cè)金屬過孔分別位于對應(yīng)的上層金屬貼片內(nèi)方環(huán)2角的兩條邊的延長線上，使得四對外側(cè)金屬過孔的八個外側(cè)金屬過孔以規(guī)則方式中心對稱布置。下層金屬過孔7包括分別布置在下層金屬貼片內(nèi)方環(huán)8四角的四個內(nèi)側(cè)金屬過孔和分別布置在下層金屬貼片外方環(huán)9 四角的八個外側(cè)金屬過孔，八個外側(cè)金屬過孔以兩個為一對形成四對，四對外側(cè)金屬過孔分別位于下層金屬貼片外方環(huán)9四角附近，每對外側(cè)金屬過孔分別位于對應(yīng)的下層金屬貼片內(nèi)方環(huán)8角的兩條邊的延長線上，使得四對外側(cè)金屬過孔的八個外側(cè)金屬過孔以規(guī)則方式中心對稱布置。

本實用新型整個天線罩的工作設(shè)計原理如下：

(a)基板上一個周期單元內(nèi)的金屬貼片外方環(huán)由于和相鄰的下一個周期單元的金屬貼片外方環(huán)直接連接，所以等效成一個電感。

(b)金屬貼片內(nèi)方環(huán)本身看做一個電感，而金屬內(nèi)外方環(huán)之間的縫隙等效成一個電容，因此整體來看是一個串聯(lián)諧振，提供了一個傳輸零點(阻帶上的一點)。而此串聯(lián)LC電路并聯(lián)上外方環(huán)金屬所等效出來的電感后，便提供了一個傳輸?shù)臉O點(通帶上的一點)。

(c)為了使天線罩對于角度更加穩(wěn)定，引入了Z坐標(biāo)方向上的過孔。過孔本身等效成一個電感，外方環(huán)下的過孔和內(nèi)方環(huán)下的過孔之間由于存在縫隙可以等效出一個電容。因此有效提升了LC諧振中的電感和電容，使得諧振頻率降低。換句話說，由于諧振頻率的降低，將周期結(jié)構(gòu)設(shè)計得更加小型化來抵消過孔引入的電特性，而小型化的結(jié)構(gòu)對于入射電磁波的角度變化將變得不那么敏感。

(d)經(jīng)過上下兩層結(jié)構(gòu)的級聯(lián)，原本單層的窄帶特性變成了寬帶特性。為了使兩層之間更好地得到匹配，以及讓上下兩層之間的金屬過孔不相互影響，在兩層之間設(shè)計了空氣的隔離層。由此實現(xiàn)能在入射大角度變化范圍內(nèi)大帶寬幅度抑制雜波。

本實用新型實施例以工作在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(jié)構(gòu)參數(shù)對于整體的影響：

5G移動通信現(xiàn)在最有可能被國際采納的是在27.5GHz～29.5GHz這個頻段，覆蓋的帶寬為2GHz，相比于之前4G等通信方式來說帶寬明顯增加。在滿足寬帶的同時，還需要讓天線系統(tǒng)穩(wěn)定工作在復(fù)雜的環(huán)境之中，即選擇透過各種角度入射過來的電磁波，這是之前通信系統(tǒng)所未曾面臨的挑戰(zhàn)。

針對此種實際應(yīng)用，傳統(tǒng)的單層或者雙層頻率選擇性表面結(jié)構(gòu)所制成的天線罩已經(jīng)很難滿足需求。而本實用新型創(chuàng)新性地利用過孔增加有效電長度的思想，減小了周期單元的尺寸，僅需要級聯(lián)兩層結(jié)構(gòu)便可以滿足帶寬要求，而且?guī)?nèi)的插損小，帶外抑制大，并且通帶往阻帶具有陡峭的特性。在沿垂直入射角度的60度范圍內(nèi)，性能均非常穩(wěn)定。

本實用新型的實施例如下：

如圖1，圖2所示，實施例采用20×20個相同的周期單元，每個周期單元結(jié)構(gòu)的上層外方環(huán)型金屬貼片1和下層外方環(huán)形金屬貼片9均為外邊長2.27mm，寬度0.20mm的金屬貼片。從等效電路的角度，我們可以清楚分析出外方環(huán)的邊長和寬度尺寸對于天線罩整體性能的影響。

首先，假如外方環(huán)的寬度變大，意味著外方環(huán)和內(nèi)方環(huán)的縫隙減小，也即產(chǎn)生阻帶的串聯(lián)電容變大，根據(jù)串聯(lián)諧振頻率等于來分析，那么天線罩的阻帶中心頻率會向低處移動。對于通帶而言，由于串聯(lián)電容的影響大于電感的影響，因此天線罩的通帶中心頻率也會和阻帶一樣向低處移動，且造成通帶寬度減小。

其次，在寬度一定的情況下，外方環(huán)的邊長尺寸變大相當(dāng)于減小了外方環(huán)的等效電感，因此對于天線罩的性能影響恰好和寬度尺寸變大的影響相反。此時，通帶和阻帶的中心頻率會向高處移動，通帶寬度隨之增大。表1具體闡述了外方環(huán)金屬貼片邊長和寬度尺寸對于性能的影響。

表1外方環(huán)金屬貼片邊長和寬度尺寸對于性能的影響

注：通帶中心頻率＝(傳輸極點1+傳輸極點2)/2；

阻帶中心頻率＝(傳輸零點1+傳輸零點2)/2。

上層介質(zhì)板4和下層介質(zhì)板6采用周期單元厚度0.38mm、正方形邊長 2.27mm的Rogers RT5880板材，選擇這種介質(zhì)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?？紤]到大規(guī)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(shù)相近的其它低成本材料。陣列的周期長度對于結(jié)構(gòu)的整體性能影響和外方環(huán)邊長尺寸的影響相同，變化趨勢見表1。

每個周期單元結(jié)構(gòu)上層內(nèi)方環(huán)型金屬貼片2和下層外方環(huán)形金屬貼片8均為邊長1.32mm，寬度0.02mm的金屬貼片。同樣從等效電路的角度分析，內(nèi)方環(huán)邊長尺寸的增加會使得內(nèi)方環(huán)金屬與外方環(huán)金屬的距離變小，意味著從兩者縫隙中等效出來的電容會變大，從而使得串聯(lián)諧振頻率向低處移動。從性能上即反映出通帶和阻帶的中心頻率向低處移動，且通帶帶寬變小。其次，在邊長一定的情況下，僅增加內(nèi)方環(huán)的寬度相當(dāng)于使得內(nèi)外方環(huán)的間隙相同，只改變了內(nèi)方環(huán)等效的電感，且寬度越大等效電感越小。因此，天線罩工作頻率會向高處移動，且通帶寬度隨之增大。表2具體闡述了內(nèi)方環(huán)金屬貼片邊長和寬度尺寸對于性能的影響。

表2內(nèi)方環(huán)金屬貼片邊長和寬度尺寸對于性能的影響

另外，本結(jié)構(gòu)設(shè)計的核心創(chuàng)新點是插入了多個一端連接于金屬方環(huán)的金屬過孔。從原理上來講，它在Z方向維度上增加了方環(huán)諧振的有效電長度。而傳統(tǒng)天線罩的設(shè)計，一般只在X-Y方向上進行優(yōu)化，隨著工作頻率的增加，光在X-Y方向上的設(shè)計將非常具有局限性。從另一方面來講，Z方向上電長度的增加可以很大程度上縮小X-Y方向上的尺寸，從而使得天線罩尺寸變得小型化，使得其尺寸對于電磁波的波長來說更加不敏感，因而在入射電磁波大角度變化時天線罩的寬帶性能依然非常穩(wěn)定和優(yōu)秀。圖6和圖7分別表示了天線罩在TM 和TE兩種不同模式的電磁波入射下的透射特性，可以發(fā)現(xiàn)，兩種模式的電磁波在正負60度的不同角度入射時，寬帶特性仍非常穩(wěn)定。在5G工作的頻段內(nèi)，性能依然非常優(yōu)秀，這在目前發(fā)表的國內(nèi)外論文里很難看到的。

對于過孔的直徑和數(shù)量，都會對于天線罩的具體性能有所影響。首先，考慮過孔的數(shù)量，自然是排列的數(shù)量越多，諧振的有效電長度越大。但是考慮到整個結(jié)構(gòu)本身的工作頻段較高，尺寸很小，所以沒有空間插入過多的過孔。此外，將金屬過孔擺放在金屬方環(huán)四個角落附近比擺放在金屬方環(huán)中間附近的效果要好，這是因為放在角落附近相當(dāng)于直接將過孔電感串聯(lián)到方環(huán)電感上，而放在方環(huán)中間附近則會有一部分電感效果被并聯(lián)出去。因此在本實用新型中，我們將過孔最高效地排列在了如圖2和圖5的位置。對于過孔直徑尺寸的影響，假如過孔直徑變大則意味著過孔的等效電感變小，但是同時影響更大的是內(nèi)方環(huán)下的過孔和外方環(huán)下的過孔的距離。過孔直徑的增大意味著內(nèi)方環(huán)和外方環(huán)下過孔的距離減小，那么等效的諧振電容增加地很快，導(dǎo)致諧振頻率整體向低處移動。表3具體闡述了過孔直徑尺寸對于性能的影響。

表3過孔直徑尺寸對于性能的影響

實施例的整體結(jié)構(gòu)的傳輸特性曲線如圖6，7所示，考慮電磁波正入射的情況下，在26.9GHz～29.5GHz的通帶范圍內(nèi)，插入損耗小于0.6dB；在26.0 GHz～30.0GHz的通帶范圍內(nèi)，插入損耗小于3dB；阻帶方面，30.5GHz～43.0GHz 的阻帶范圍內(nèi)，阻帶抑制大于20dB。同時支持TE，TM兩種極化模式，在正負 60度的大角度變化范圍內(nèi)性能仍非常穩(wěn)定，滿足實際的5G通信環(huán)境要求。因此，在超寬帶移動通信，雷達以及電磁屏蔽等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。

由此，本實用新型具有突出顯著的技術(shù)效果，實現(xiàn)了電磁波正入射情況下近2.6GHz帶寬的通帶損耗穩(wěn)定小于0.6dB，在12.5GHz大帶寬范圍內(nèi)的阻帶抑制均大于20dB。同時支持TE，TM兩種極化模式，在入射電磁波正負60度的大角度變化范圍內(nèi)，仍表現(xiàn)出非常且優(yōu)異的寬帶性能。