CN106816698A - 具有高极化隔离度的双极化阵列天线 - Google Patents

具有高极化隔离度的双极化阵列天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有高极化隔离度的双极化阵列天线，包括两辐射贴片、设置于两辐射贴片之间的π形互耦抑制结构、寄生耦合的地板和接地容性加载环，所述接地容性加载环垂直的设置于寄生耦合的地板上，所述π形互耦抑制结构与接地容性加载环相互垂直设置。该天线通过在阵列天线阵元间添加互耦抑制结构，有效的提升了天线的极化隔离度，并且天线的其它性能保持良好。

Description

具有高极化隔离度的双极化阵列天线
技术领域
本发明涉及一种天线结构，特别是一种可应用于5G通信系统的具有高极化隔离度的双极化阵列天线。
背景技术
多输入多输出技术可以通过增加信道数来增大数据的容量，提高系统的自适应性，相比于增大频段和功率的传统做法有着巨大的优势，成为即将到来的5G通信技术的重要组成部分。目前，随着多输入多输出技术的进一步发展，对于元器件的互耦抑制提出了越来越高的要求。
现在已经有很多有效提升互耦抑制(极化隔离度)的方法，然而大部分的方法只能应用于单极化阵列天线；对于互耦抑制网络，其所能提供的工作带宽很窄，无法应用于宽带的阵列天线。因此，设计一款可以应用于宽带、双极化紧凑阵列天线的互耦抑制结构显得十分的重要。
发明内容
鉴于此，本发明的目的是提供一种具有高极化隔离度的双极化阵列天线，该天线利用超材料结构，通过在阵列天线阵元间添加互耦抑制结构，有效的提升了天线的极化隔离度，并且天线的其它性能保持良好。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的，一种具有高极化隔离度的双极化阵列天线，包括两辐射贴片、设置于两辐射贴片之间的π形互耦抑制结构、寄生耦合的地板和接地容性加载环，所述接地容性加载环垂直的设置于寄生耦合的地板上，所述π形互耦抑制结构与接地容性加载环相互垂直设置。
进一步，该阵列天线还包括由上至下设置的上层介质基板、多层印刷电路板和下层金属载板，所述上层介质基板和多层印刷电路板间形成空气层，接地容性加载环位于空气层内；两辐射贴片设置于上层介质基板上，π形互耦抑制结构垂直的设置于上层介质基板上；所述寄生耦合的地板设置于多层印刷电路板的上层介质板上，寄生耦合的地板通过金属柱与多层印刷电路板的下层地板连接，下层地板位于多层印刷电路板的下层介质板的下表面；接地容性加载环垂直的设置于寄生耦合的地板上；所述寄生耦合的地板上还设置有位于接地容性加载环两侧的沟槽结构。
进一步，所述π形互耦抑制结构包括多个平行设置的π形互耦抑制单元，所述接地容性加载环包括多个平行设置的接地容性加载环单元，所述π形互耦抑制单元与接地容性加载环单元垂直放置。
进一步，所述π形互耦抑制单元包括第一介质基板和对称设置于第一介质基板两侧的第一枝节与第二枝节，所述第一枝节包括沿第一介质基板上边缘设置的枝节I、垂直于枝节I且由枝节I向第一介质基板下边缘延伸的枝节II、垂直于枝节II且由枝节II向第一介质基板左边缘延伸的枝节III、垂直于枝节I且由枝节I向第一介质基板上边缘延伸的枝节IV和垂直于枝节IV且由枝节IV向第一介质基板右边缘延伸的枝节V。
进一步，所述枝节II与所述枝节IV关于第一枝节的纵向中轴线对称，所述枝节III与枝节V关于第一枝节的纵向中轴线对称。
进一步，所述接地容性加载环单元包括第二介质基板和设置于第二介质基板上的呈长方形的第三枝节，所述第三枝节的左侧中部设置有裂口，所述第三枝节的上侧中部向下弯折形成第一弯折部，所述第三枝节的下侧中部向上弯折形成第二弯折部，所述第一弯折部与第二弯折部之间具有一定间隙；所述裂口的上端向右水平延伸形成枝节A，所述裂口的下端向右水平延伸形成枝节B。
进一步，所述裂口的宽度大于第一弯折部与第二弯折部之间的距离。
进一步，所述第一介质基板具有延伸部，所述延伸部由第一介质基板向下延伸至空气层；所述延伸部上设置有多个用于接合第二介质基板的第一沟槽，所述第一沟槽由延伸部下边缘向上边缘延伸。
进一步，：所述第二介质基板上设置有第二沟槽，所述第二沟槽由第二介质基板的上边沿向中间延伸。
进一步，所述多层印刷电路板上层介质板与下层介质板通过半固化片粘结组合而成；上下两介质板之间设置有微带馈线，所述微带馈线通过穿过下层金属载板的SMP连接器内芯进行馈电。
由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：
(1)天线为双极化阵列天线，可以有效的增大所应用系统的数据容量，提高系统的自适应性；
(2)天线具有良好的匹配，可以涵盖3.3-3.7GHz，百分比带宽为11.4％，良好的应用于下一代移动通信技术；
(3)利用超材料技术，通过在阵列天线阵元间添加互耦抑制结构，使得天线的极化隔离度得到了约6dB的提升，交叉极化比保持良好；
(4)天线阵列布局为三角阵，阵元中心间距仅为0.631倍的自由空间工作波长，结构紧凑。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1为本发明具有高极化隔离度的双极化阵列天线的整体结构三维视图；
图2为本发明具有高极化隔离度的双极化阵列天线互耦抑制结构整体三维视图；
图3为本发明具有高极化隔离度的双极化阵列天线单个π形互耦抑制结构的侧视图；
图4为本发明具有高极化隔离度的双极化阵列天线单个接地容性加载环的侧视图；
图5为图2的正视图；
图6为图2的侧视图；
图7为本发明具有高极化隔离度的双极化阵列天线的沟槽单元的俯视图；
图8为本发明具有高极化隔离度的双极化阵列天线阵元的各端口电压驻波系数比曲线和阵元内部异极化(S12,S34)隔离度曲线图；
图9为本发明具有高极化隔离度的双极化阵列天线两阵元间的同极化隔离度(S13,S24)和异极化隔离度(S14,S23)曲线图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
图1为本发明具有高极化隔离度的双极化阵列天线的整体结构三维视图，图2为本发明具有高极化隔离度的双极化阵列天线互耦抑制结构整体三维视图。如图1、2所示，该具有高极化隔离度的双极化阵列天线包括由上至下设置的上层介质基板、多层印刷电路板7和下层金属载板，所述上层介质基板和多层印刷电路板间形成空气层3；所述上层介质基板上设置有两辐射贴片1和垂直于上层介质基板设置的π形互耦抑制结构2，两辐射贴片分别位于π形互耦抑制结构2的两侧并关于π形互耦抑制结构对称；所述多层印刷电路板7的上层介质板上设置有寄生耦合的地板4，寄生耦合的地板通过金属柱与印刷电路板的下层地板连接，下层地板位于多层印刷电路板的下层介质板的下表面，所述地板4上设置有两个沟槽结构和垂直于地板设置的接地容性加载环5，两个沟槽结构分别位于接地容性加载环的两侧，接地容性加载环5位于空气层3内；所述π形互耦抑制结构2与接地容性加载环5相互垂直设置。
本发明通过在阵列天线阵元间添加互耦抑制结构，有效的提升了天线的极化隔离度，并且天线的其它性能保持良好。
其中，所述π形互耦抑制结构2包括多个平行设置的π形互耦抑制单元，所述接地容性加载环5包括多个平行设置的接地容性加载环，所述π形互耦抑制单元与接地容性加载环垂直放置。所述π形互耦抑制单元的方向平行于辐射贴片相邻的边所沿方向；接地容性加载环的方向垂直于辐射贴片相邻的边所朝方向。
在本实施例中，每组π形互耦抑制单元由蚀刻于介质基板两面的两个相同的π形结构组合而成，整体的π形互耦抑制结构由3组π形互耦抑制单元平行排列组成，相邻两组结构之间的距离为2.7-3.2mm。所述接地容性加载环由7个平行排列的接地容性加载环组成，相邻接地容性加载环之间的距离为4.2-4.7mm，金属柱的半径为0.3-0.7mm。
图3为本发明具有高极化隔离度的双极化阵列天线单个接地容性加载环的侧视图；图4为本发明具有高极化隔离度的双极化阵列天线单个π形互耦抑制结构的侧视图；图5为本发明具有高极化隔离度的双极化阵列天线互耦抑制结构整体的正视图；图6为本发明具有高极化隔离度的双极化阵列天线互耦抑制结构整体的侧视图。
如图3所示，所述π形互耦抑制单元包括第一介质基板21和对称设置于第一介质基板两侧的第一枝节与第二枝节，所述第一枝节包括沿第一介质基板上边缘设置的枝节I22、垂直于枝节I且由枝节I向第一介质基板下边缘延伸的枝节II23、垂直于枝节II且由枝节II向第一介质基板左边缘延伸的枝节III24、垂直于枝节I且由枝节I向第一介质基板上边缘延伸的枝节IV25和垂直于枝节IV且由枝节IV向第一介质基板右边缘延伸的枝节V26。
优选的，所述枝节II23与枝节IV25间有一定的距离，具体地，枝节II23位于第一介质基板的左侧，枝节IV25位于第一介质基板的右侧，且枝节II23与所述枝节IV25关于第一枝节的纵向中轴线对称，另一方面所述枝节III24与枝节V26关于第一枝节的纵向中轴线对称。枝节III24的末端与第一介质基板左侧边缘的距离和枝节V26的末端与第一介质基板右侧边缘的距离相等。在本实施例中，第一枝节、枝节I、枝节II、枝节III、枝节IV和枝节V的宽度为0.3-0.7mm。可选地，第一枝节、枝节I、枝节II、枝节III、枝节IV和枝节V的宽度相同，覆铜薄膜厚度相同。
如图4所示，所述加载环单元包括第二介质基板51和设置于第二介质基板上的呈长方形的第三枝节，所述第三枝节的左侧中部设置有裂口52，所述第三枝节的上侧中部向下弯折形成第一弯折部53，所述第三枝节的下侧中部向上弯折形成第二弯折部54，所述第一弯折部与第二弯折部之间具有一定间隙；所述裂口的上端向右水平延伸形成枝节A55，所述裂口的下端向右水平延伸形成枝节B56。
优选的，所述裂口的宽度大于第一弯折部与第二弯折部之间的距离。
优选的，所述第一介质基板和第二介质基板均为长方形，第一介质基板和第二介质基板的厚度为0.508mm，选用的材料为Arlon AD450，相对介电常数4.5，损耗角正切为0.0035。
如图5、6所示，作为对本发明的改进，所述第一介质基板具有延伸部28，所述延伸部由第一介质基板向下延伸至空气层；所述延伸部上设置有多个用于接合第二介质基板的第一沟槽27，所述第一沟槽由延伸部下边缘向上边缘延伸。
所述第二介质基板上设置有第二沟槽(图中未示出)，所述第二沟槽由第二介质基板的上边沿向中间延伸。需要注意的是，当第二介质基板上也设置有沟槽的时候，沟槽的深度不能过大，防止第二介质基板与第一介质基板在相接时，第一介质基板破坏第二介质基板上的枝节部分。
作为对本实施例的改进，所述沟槽结构包括两沟槽单元，所述沟槽单元包括两端部41以及连接两端部的连接部42，所述端部的端面到连接部逐渐减小，所述沟槽的边缘设置有若干金属柱；所述沟槽单元同时关于横向中轴线与纵向中轴线对称，沟槽结构的其中一沟槽单元的纵向中轴线与另一沟槽单元的纵向中轴线垂直。
作为对本实施例的改进，所述多层印刷电路板的上层介质板与下层介质板通过半固化片粘结组合而成；上下两介质板中间设置有微带馈线，所述微带馈线6通过穿过下层金属载板的SMP连接器内芯进行馈电。
作为对本实施例的改进，所述空气层的厚度为5.8-6.2mm。
在本发明中，所述辐射贴片、寄生耦合的地板、条形微带馈线均为厚度相同的覆铜薄膜。
为了对本发明所述的具有高极化隔离度的双极化阵列天线进行优化，使用高频电磁仿真软件HFSS15.0进行仿真分析，经过仿真优化之后得到各项参数尺寸如下表所示：
参照附图3、4，W1代表接地容性加载环的总宽度；L1代表接地容性加载环的高度；g1代表接地容性加载环裂口的宽度；W6代表π形互耦抑制单元上端第一枝节的长度；L4代表π形互耦抑制单元的枝节IV的长度。
表1本发明各参数最佳尺寸表
依照上述参数，使用HFSS对所设计的具有高极化隔离度的双极化阵列天线的电压驻波系数比(VSWR)和互耦抑制(同极化、异极化)特性参数进行仿真分析，其分析结果如下：
图8为本发明的仿真得到的VSWR和各阵元内部异极化特性(S12,S34)随频率变化的曲线图。如图所示，所设计的天线在满足VSWR<1.5的情况下，工作带宽可以涵盖3.3-3.7GHz，各个阵元内部的异极化隔离度达到31.74dB；图9为仿真的天线两个阵元间的同极化(S13,S24)、异极化特性(S14,S23)随频率变化的曲线图。如图所示，天线在3.3-3.7GHz工作频段同极化隔离度为25.02dB，两阵元间异极化隔离度为30.5dB。可见加入互耦抑制结构，在提升阵列天线极化隔离度的同时，本身的匹配等性能都保持良好。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种具有高极化隔离度的双极化阵列天线，其特征在于：包括两辐射贴片(1)、设置于两辐射贴片之间的π形互耦抑制结构(2)、寄生耦合的地板(4)和接地容性加载环(5)，所述接地容性加载环(5)垂直的设置于寄生耦合的地板(4)上，所述π形互耦抑制结构(2)与接地容性加载环(5)相互垂直设置。
2.根据权利要求1所述的具有高极化隔离度的双极化阵列天线，其特征在于：该阵列天线还包括由上至下设置的上层介质基板、多层印刷电路板(7)和下层金属载板，所述上层介质基板和多层印刷电路板间形成空气层(3)，接地容性加载环(5)位于空气层(3)内；两辐射贴片(1)设置于上层介质基板上，π形互耦抑制结构(2)垂直的设置于上层介质基板上；所述寄生耦合的地板(4)设置于多层印刷电路板的上层介质板上表面，寄生耦合的地板通过金属柱与多层印刷电路板的下层地板连接，下层地板位于多层印刷电路板的下层介质板的下表面；接地容性加载环(5)垂直的设置于寄生耦合的地板(4)上；所述寄生耦合的地板上还设置有位于接地容性加载环(5)两侧的沟槽结构。
3.根据权利要求1所述的具有高极化隔离度的双极化阵列天线，其特征在于：所述π形互耦抑制结构(2)包括多个平行设置的π形互耦抑制单元，所述接地容性加载环(5)包括多个平行设置的接地容性加载环单元，所述π形互耦抑制单元与接地容性加载环单元垂直放置。
4.根据权利要求3所述的具有高极化隔离度的双极化阵列天线，其特征在于：所述π形互耦抑制单元包括第一介质基板(21)和对称设置于第一介质基板两侧的第一枝节与第二枝节，所述第一枝节包括沿第一介质基板上边缘设置的枝节I(22)、垂直于枝节I且由枝节I向第一介质基板下边缘延伸的枝节II(23)、垂直于枝节II且由枝节II向第一介质基板左边缘延伸的枝节III(24)、垂直于枝节I且由枝节I向第一介质基板上边缘延伸的枝节IV(25)和垂直于枝节IV且由枝节IV向第一介质基板右边缘延伸的枝节V(26)。
5.根据权利要求4所述的具有高极化隔离度的双极化阵列天线，其特征在于：所述枝节II(23)与所述枝节IV(25)关于第一枝节的纵向中轴线对称，所述枝节III(24)与枝节V(26)关于第一枝节的纵向中轴线对称。
6.根据权利要求4所述的具有高极化隔离度的双极化阵列天线，其特征在于：所述接地容性加载环单元包括第二介质基板(51)和设置于第二介质基板上的呈长方形的第三枝节，所述第三枝节的左侧中部设置有裂口(52)，所述第三枝节的上侧中部向下弯折形成第一弯折部(53)，所述第三枝节的下侧中部向上弯折形成第二弯折部(54)，所述第一弯折部与第二弯折部之间具有一定间隙；所述裂口的上端向右水平延伸形成枝节A(55)，所述裂口的下端向右水平延伸形成枝节B(56)。
7.根据权利要求6所述的具有高极化隔离度的双极化阵列天线，其特征在于：所述裂口的宽度大于第一弯折部(53)与第二弯折部(54)之间的距离。
8.根据权利要求6所述的具有高极化隔离度的双极化阵列天线，其特征在于：所述第一介质基板具有延伸部，所述延伸部由第一介质基板向下延伸至空气层；所述延伸部上设置有多个用于接合第二介质基板的第一沟槽(27)，所述第一沟槽由延伸部下边缘向上边缘延伸。
9.根据权利要求8所述的具有高极化隔离度的双极化阵列天线，其特征在于：所述第二介质基板上设置有第二沟槽，所述第二沟槽由第二介质基板的上边沿向中间延伸。
10.根据权利要求2所述的具有高极化隔离度的双极化阵列天线，其特征在于：所述多层印刷电路板上层介质板与下层介质板通过半固化片粘结组合而成；上下两介质板之间设置有微带馈线(6)，所述微带馈线通过穿过下层金属载板的SMP连接器内芯进行馈电。
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