CN108847532A - 一种天线阵列及其垂直隔离篱笆结构 - Google Patents

一种天线阵列及其垂直隔离篱笆结构 Download PDF

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Abstract

本发明属于电磁兼容领域，具体涉及一种带有垂直篱笆结构的天线阵列，本发明还涉及一种垂直隔离篱笆结构，G形缺陷地结构在金属板上呈周期性排列，形成具有带阻滤波特性的结构，可通过调节边的尺寸以及该G型缺陷地结构底边与金属板底边之间的距离调整所要抑制的工作频率，达到去耦的目的。通过在微带天线和微带传输线之间安装超薄垂直隔离篱笆结构，能有效降低微带天线对微带传输线的干扰，实现高速信号传输；本发明所设计的一种垂直隔离篱笆结构，结构简单，可移植性较强，可以和系统实现共形，也可以在屏蔽壳体上实现，能够有效降低集成无线通信系统的电磁干扰。

Description

一种天线阵列及其垂直隔离篱笆结构
技术领域
本发明属于电磁兼容领域，具体涉及一种带有垂直篱笆结构的天线阵列，本发明还涉及一种垂直隔离篱笆结构。
背景技术
随着无线通信技术在各行各业的应用，各种各样的需求随之增加，输入多输出(MIMO)天线系统由于具有更高的传输速率和更大的容量空间而被广泛应用在新一代的无线通信系统中。对于空间不受限制的固定终端而言，安装多个天线很容易实现，但是，通信设备在提高性能的同时朝着高集成度和小型化的方向发展，单位设备空间内所要容纳的元件数量日益增多。因此，无论是PCB板上元件密度增大带来的元件之间串扰增加，还是阵列天线间因阵元间距变小产生的阵列单元间互耦增强等现代通信系统里难以避免的问题变得日益突出。在微带天线阵列中，天线阵元间相互耦合会增加单元间相关性，影响天线的输入阻抗，从而造成阻抗失配，引起天线的辐射效率降低、辐射方向图变化等。在小型化无线通信系统中，当微带天线与微带传输线集成在一起时，由于空间紧凑产生的近场耦合和相互串扰不仅会对天线自身的电气性能造成影响，还会影响微带传输线的工作性能，引起信号完整性等相关问题。以上这些系统内部不需要的耦合通常都被看作电磁干扰，严重时将会导致通信系统的整体性能降低，甚至系统无法正常工作。因此，去耦技术是近年来的研究热点，利用去耦技术可以消除部分不必要的干扰，提高天线和微带传输线的各自工作性能。
为了消除天线阵列互耦效应的影响，研究者们提出了许多去耦的方法。G.Dadashzadeh等人于2009年提出缺陷地结构进行耦合降低的方法，应用于紧凑型微带天线阵列单元间去耦，通过在阵元间地面上刻蚀两个矩形条带，增加结构的有效电容和电感，显著降低了阵列单元间的相关性，提高了阵元间隔离度。但是该结构的不足在在地面上刻蚀矩形条带增加有效电感和电容，造成整体结构过于复杂，占据空间过大且缺陷地改变地面电流分布容易造成电磁泄漏，产生其它干扰。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构相对简单，且能有效消除互耦的垂直隔离篱笆结构。
本发明的目的是这样实现的：包括金属板，G形缺陷地结构，金属板厚度等于贴片天线厚度，G形缺陷地结构刻蚀在金属板上。在需要隔离的微带天线和微带传输线之间垂直放置一层周期性加载G形缺陷地结构的金属板，该金属板具有带阻滤波特性，由此可构成垂直篱笆隔离结构。
本发明还包括这样一些特征：
1.所述G形缺陷地结构尺寸一致，在金属板上呈周期排列，每个G形缺陷地结构包括三条长度一致的长边，两条短边。
本发明的目的还在于提供一种能有效消除互耦的天线阵列及其垂直隔离篱笆结构。
本发明的目的是这样实现的：包括介质基板，微带天线，微带传输线，SMA连接器的内导体探针，接地板，SMA连接器的外导体，垂直隔离篱笆结构竖直放置于微带天线与微带传输线之间。
本发明还包括这样一些特征：
1.同轴馈电端口通过SMA连接器的内导体探针与微带天线连接，SMA连接器的外导体与接地板相连接，微带传输线的两个端口分别与SMA连接器相连接。
2.介质基板204采用FR4介质板，垂直篱笆结构底边附着于介质基板的上表面，长度与介质基板长度一致。
3.天线阵列及其垂直隔离篱笆结构可根据需要调整G形缺陷地结构的尺寸，G形缺陷地结构底边到金属板底边的距离，使其阻带工作频率与需要进行消除的工作频段一致。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明的一种垂直隔离篱笆结构通过在极薄的金属板上周期性的加载G形缺陷地结构形成具有带阻滤波特性的结构，具有结构简单，频率可调，可移植性较强的优势。将其放置于耦合严重的微带天线与微带传输线之间，有效消除不需要的辐射干扰，提高系统性能。此外，该垂直隔离篱笆具有极薄的厚度，占据空间相对较小，在部件之间的距离很近时也可以使用。本发明还可以应用于微带天线阵列间的去耦合，降低阵元间的耦合，提高天线阵列的性能，提高天线单元间的隔离度，满足微带天线阵低耦合、高隔离度的要求。由此可见，所提出的一种垂直隔离篱笆结构有很好的应用前景。
附图说明
图1是本发明所设计的垂直隔离篱笆结构的正视图；
图2是本发明实施实例1的俯视图；
图3是本发明实施实例1的侧视图；
图4是本发明实施实例1的去耦结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
结合图1，本发明设计了一种垂直隔离篱笆结构，通过在极薄金属板上周期性地刻蚀G形结构，形成在特定频段内具有阻带特性的缺陷壁结构。整体结构所呈现的阻带滤波特性所在工作频段可通过调节G形缺陷结构长边1021，短边1022以及1023的尺寸，以及G形缺陷结构底边与金属板底边的间距，调整垂直隔离篱笆结构的工作频段。将所设计的垂直隔离篱笆结构安装在微带天线和微带传输线之间，提高二者之间的隔离度，抑制二者的互扰。
实施实例：结合图1、图2和图3，将所设计的垂直隔离篱笆结构安装在微带天线与微带传输线之间抑制二者之间的互扰。本发明包括印刷于介质基板204上表面的微带天线201和50欧姆微带传输线202，同轴馈电端口通过SMA连接器的内导体探针203与微带天线201连接，SMA连接器的外导体207与接地板206相连接，微带传输线202的两个端口分别与SMA连接器相连接。垂直隔离篱笆结构205竖直放置于微带天线201与微带传输线202中间。介质基板204采用广泛应用的FR4介质板，垂直隔离篱笆结构205的工作频率和微带天线201的工作频段一致。通过调节垂直隔离篱笆结构205的尺寸使其工作于天线工作频段，可有效滤除微带天线耦合到微带传输线上的电磁能量，抑制微带传输线的边缘场对微带天线造成的电磁干扰。
实施实例1的结果如图4所示。结合图2与图4进行分析，图2中的端口1为天线的馈电端口，端口2为传输线的信号输入端口，端口3为信号输出端口。S11表示天线的反射系数，S32表示传输线的插入损耗，S31和S21分别表征端口3、端口2与端口1的耦合程度的多少，一般情况下要求小于-20dB。从图4中可以看到，在未加载垂直隔离篱笆结构前，天线工作在5.75-5.85GHz，带内耦合很强，S31最大值达到-15dB，S21最大值在-16dB左右。在加载垂直隔离篱笆结构后，在天线工作频段内S21降低了20dB左右，S31降低了17dB左右，实现了较好的去耦。另外，从S11参数曲线可以看到去耦后天线带宽稍有变窄，但是仍然满足工作于WLAN的5.7-5.825GHz频段的要求。从S32参数曲线上可以看到加载垂直隔离篱笆结构之后S32在整个工作频段内仍然大于-3dB，接近0dB，即微带传输线保持了较好的传输性能。以上结果表明，加载垂直隔离篱笆结构可以实现微带天线与微带传输线间的耦合降低，减小微带天线对微带传输线的干扰，且对微带天线和微带传输线各自的性能影响不大。
本发明提出了一种垂直隔离篱笆结构，通过将其放置于微带天线和微带传输线中间，通过对垂直隔离篱笆结构的关键尺寸进行合理设计，可有效降低微带天线与微带传输线之间的耦合，降低二者之间的干扰，提高系统的工作性能。
本发明的目的在于提供一种结构相对简单，且能有效消除耦合的垂直隔离篱笆结构，可应用于微带天线与微带传输线之间，多输入多输出天线阵列单元间的耦合消除。本发明采用在需要隔离的微带天线和微带传输线之间垂直放置一层周期性加载G形缺陷结构的金属板，该金属板具有带阻滤波特性，由此可构成垂直篱笆隔离设计，实现耦合部件之间的电磁隔离，结构简单，易于实现。
本发明的一种垂直隔离篱笆结构是这样实现的：包括厚度近似于贴片天线厚度的金属板，刻蚀在金属板上的G形缺陷结构，每个G形缺陷结构尺寸一致，在金属板上呈周期排列。每个G形缺陷结构包括三条长度一致的长边，两条短边，可通过调节边的尺寸以及该G形缺陷结构底边与金属板底边之间的距离调整所要抑制的工作频率。通过在微带天线和微带传输线之间安装超薄垂直隔离篱笆结构，有效降低微带天线对微带传输线的干扰，有利于实现高速和超高速信号传输。
通过在薄金属板上周期性地刻蚀尺寸一致，间距离相等的G形结构形成具有带阻滤波特性的隔离篱笆设计，并将所设计的隔离篱笆安装在微带天线与微带传输线中间，有效消减微带天线辐射到邻近微带传输线上的电磁能量，从而降低二者之间的耦合。
所述垂直隔离篱笆结构包括厚度近似于贴片天线厚度的金属板，刻蚀在金属板上的G形缺陷结构，每个G形缺陷结构尺寸一致，在金属板上呈周期排列。每个G形缺陷结构包括三条长度一致的长边，两条短边，可通过调节边的尺寸以及该G形缺陷结构底边与金属板底边之间的距离调整所要抑制的工作频率。
所述刻蚀在金属板上的G形缺陷结构通过周期排列，实现阻带滤波特性。可以通过多个隔离篱笆结构设计，实现宽带隔离和耦合消除。
所述垂直隔离篱笆设计可根据需要调整G形缺陷结构的尺寸，G形缺陷结构底边到金属板底边的距离，使其阻带工作频率与需要进行消除的工作频段一致，达到耦合消除的目的。
所述垂直隔离篱笆结构在微带天线阵列中使用时，垂直隔离篱笆结构竖直放置于阵列天线单元间。底边附着于介质基板的上表面，长度与介质基板长度一致，所加载的G形缺陷结构尺寸可根据天线工作频段进行调整，也可以采用其它结构，如M形，F形，弯折形等。
所述垂直隔离篱笆结构用于天线与平面微波传输线间时，根据天线工作频率确定G形结构的尺寸，并将设计的垂直隔离篱笆结构安装在微带天线与微带传输线之间。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的一种垂直隔离篱笆结构通过在极薄的金属板上周期性的加载G形缺陷结构形成具有带阻滤波特性的结构，将其放置于耦合严重的微带天线与微带传输线之间，有效消除不需要的辐射干扰，提高系统性能。此外，该垂直隔离篱笆具有极薄的厚度，占据空间相对较小，在部件之间的距离很近时也可以使用，还具有结构简单，频率可调，可移植性较强的优势。
本发明还可以应用于微带天线阵列间的去耦合，降低阵元间的耦合，提高天线阵列的性能，有效提高天线单元间的隔离度，满足微带天线阵低耦合，高隔离度的要求。由此可见，所提出的一种垂直隔离篱笆结构有很好的应用前景。
结合图1，本发明设计了一种垂直隔离篱笆结构，通过在极薄金属板上周期性地刻蚀G形结构，形成在特定频段内具有阻带特性的缺陷壁结构。整体结构所呈现的阻带滤波特性所在工作频段可通过调节G形缺陷结构长边1021，短边1022以及1023的尺寸，以及G形缺陷结构底边与金属板底边的间距，调整垂直隔离篱笆结构的工作频段。将所设计的垂直隔离篱笆结构安装在微带天线和微带传输线之间，提高二者之间的隔离度，抑制二者的互扰。
实施实例：结合图1、图2和图3，将所设计的垂直隔离篱笆结构安装在微带天线与微带传输线之间抑制二者之间的互扰。本发明包括印刷于介质基板204上表面的微带天线201和50欧姆微带传输线202，同轴馈电端口通过SMA连接器的内导体探针203与微带天线201连接，SMA连接器的外导体与接地板206相连接，微带传输线202的两个端口分别与SMA连接器相连接。垂直隔离篱笆结构205竖直放置于微带天线201与微带传输线202中间。介质基板204采用广泛应用的FR4介质板，垂直隔离篱笆结构205的工作频率和微带天线201的工作频段一致。通过调节垂直隔离篱笆结构205的尺寸使其工作于天线工作频段，可有效滤除微带天线耦合到微带传输线上的电磁能量，抑制微带传输线的边缘场对微带天线造成的电磁干扰。
实施实例1的结果如图4所示。结合图2与图4进行分析，图2中的端口1为天线的馈电端口，端口2为传输线的信号输入端口，端口3为信号输出端口。S11表示天线的反射系数，S32表示传输线的插入损耗，S31和S21分别表征端口3、端口2与端口1的耦合程度的多少，一般情况下要求小于-20dB。从图4中可以看到，在未加载垂直隔离篱笆结构前，天线工作在5.75-5.85GHz，带内耦合很强，S31最大值达到-15dB，S21最大值在-16dB左右。在加载垂直隔离篱笆结构后，在天线工作频段内S21降低了20dB左右，S31降低了17dB左右，实现了较好的去耦。另外，从S11参数曲线可以看到去耦后天线带宽稍有变窄，但是仍然满足工作于WLAN的5.7-5.825GHz频段的要求。从S32参数曲线上可以看到加载垂直隔离篱笆结构之后S32在整个工作频段内仍然大于-3dB，接近0dB，即微带传输线保持了较好的传输性能。以上结果表明，加载垂直隔离篱笆结构可以实现微带天线与微带传输线间的耦合降低，减小微带天线对微带传输线的干扰，且对微带天线和微带传输线各自的性能影响不大。
本发明提出了一种垂直隔离篱笆结构，通过将其放置于微带天线和微带传输线中间，通过对垂直隔离篱笆结构的关键尺寸进行合理设计，可有效降低微带天线与微带传输线之间的耦合，降低二者之间的干扰，提高系统工作性能。

Claims (2)

1.一种垂直隔离篱笆结构，包括金属板(101)，G形缺陷地结构(102)，其特征在于：金属板(101)厚度与贴片天线厚度相等，G形缺陷地结构(102)刻蚀在金属板上，在金属板上呈周期性排列，每个G型缺陷地结构尺寸一致，包括三条长度一致的长边(1021)，短边(1022)，短边(1023)。
2.一种带有垂直篱笆结构的天线阵列，其特征在于：包括垂直篱笆结构，介质基板(204)，微带天线(201)，微带传输线(202)，SMA连接器的内导体探针(203)，接地板(206)，SMA连接器的外导体(207)，其特征在于：同轴馈电端口通过SMA连接器的内导体探针(203)与微带天线201连接，SMA连接器的外导体(207)与接地板(206)相连接，微带传输线(202)的两个端口分别与SMA连接器相连接。垂直隔离篱笆结构(205)竖直放置于微带天线(201)与微带传输线(202)中间，介质基板204采用FR4介质板。
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