CN109494460B - 一种具有高隔离度的双极化/圆极化宽带高密度天线阵列 - Google Patents

一种具有高隔离度的双极化/圆极化宽带高密度天线阵列 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有高隔离度的双极化/圆极化宽带高密度阵列天线。该阵列天线包括两辐射贴片、设置于两辐射贴片之间正上方的悬置混合型互耦抑制结构和寄生耦合地板。所述悬置混合型互耦抑制结构由两层不同的结构构成，位于两辐射贴片之间正上方。本发明为多层PCB结构，易加工集成，尺寸小，剖面低，且在宽频带内具有高隔离特性，并且天线的其它性能保持良好。

Description

一种具有高隔离度的双极化/圆极化宽带高密度天线阵列
技术领域
本发明涉及一种天线结构，特别是一种可应用于移动通信系统的具有高隔离度的双极化/圆极化宽带高密度阵列天线。
背景技术
无线通信技术快速发展，并不断地出现新的应用形式，然而频谱资源是有限的。因此，需要在不增加通信频段的情况下，实现高速率和大容量传输。MIMO技术已经成为无线通信领域的关键技术之一，但是天线阵元之间的互耦成为MIMO通信中的一大瓶颈。阵列间的耦合随着阵元间距的缩小而增大。耦合会影响天线的性能，例如辐射效率改变、极化特性改变、方向图畸变、阻抗不匹配和工作频段偏移等。
由于上诉原因，研究人员已经提出了一些较好的方法来减小天线之间的互耦，这些方法包括：去耦网络、寄生元件、缺陷地结构、隔离墙/板结构、馈线处去耦等，所有的这些方法都可以将天线之间的互耦有效地降低，然而大部分的方法只能应用于单极化阵列天线；而对于互耦抑制网络，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/圆极化高密度阵列天线的互耦抑制结构显得十分的重要。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种具有高隔离度的双极化/圆极化宽带高密度阵列天线，该天线为双极化天线阵列天线，通过在阵列天线阵元间上方添加悬置混合型互耦抑制结构，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。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种具有高隔离度的双极化/圆极化宽带高密度阵列天线，包括两辐射贴片、设置于两辐射贴片之间正上方的悬置混合型互耦抑制结构和寄生耦合地板。所述悬置混合型互耦抑制结构由两层不同的结构构成，位于两辐射贴片之间正上方。
进一步，该阵列天线还包括悬置混合型互耦抑制结构所在的介质基板、两辐射贴片所在的介质基板、多层印刷电路板(9)/(9’)和下层金属载板，所述悬置混合型互耦抑制结构所在的两层介质基板之间形成空气层(5)/(5’)；两辐射贴片(1)/(1’)与悬置混合型互耦抑制结构(3)/(3’)所在的介质基板之间形成空气层(6)/(6’)；两辐射贴片(1)/(1’)所在的介质基板下表面与多层印刷电路板间形成空气层(7)/(7’)；所述寄生耦合的地板(4)/(4’)设置于多层印刷电路板的上层介质板上表面，寄生耦合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；所述寄生耦合地板上还设置有位于辐射贴片下方的沟槽结构。
进一步，所述悬置混合型互耦抑制结构由曲折型条带(2)/(2’)和H型条带(3)/(3’)构成，所述曲折型条带(2)/(2’)和H型条带(3)/(3’)位于不同的竖直高度，曲折型条带(2)/(2’)所在的介质基板下表面与H型条带(3)/(3’)之间形成空气层(5)/(5’)，两个结构之间相互垂直设置，均位于两辐射贴片(1)/(1’)之间正上方。
其中，所述具有高隔离度的双极化宽带高密度阵列天线中的互耦抑制结构和沟槽单元与具有高隔离度的圆极化宽带高密度阵列天线中的互耦抑制结构和沟槽单元的工作原理与形状完全相同，故在后文只对具有高隔离度的双极化宽带高密度阵列天线中的互耦抑制结构和沟槽单元进行描述，不再对具有高隔离度的圆极化宽带高密度阵列天线中的互耦抑制结构和沟槽单元进行赘述。
进一步，所述悬置混合型互耦抑制结构中的曲折型条带(2)抑制单元包括介质基板I(10)和设置于介质基板I两侧的枝节I(11)和枝节II(12)，枝节I和枝节II之间具有一定的间距，所述枝节I的头部垂直向下弯折形成第一弯折部(13)，所述枝节I的中部垂直向下弯折形成第二弯折部(14)/，所述枝节I的尾部垂直向下弯折形成第三弯折部(15)，所述枝节II与枝节I镜像对称。
进一步，所述悬置混合型互耦抑制结构中的H型条带(3)抑制单元包括介质基板II(16)和对称设置于介质基板II两侧的枝节III(17)和枝节IV(18)，所述枝节I枝节II平行设置且由枝节V(19)将枝节III和枝节IV中心横向连接起来，最终形成H型字样的互耦抑制结构。
进一步，所述多层印刷电路板(9)上层介质基板与下层介质基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(8)，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2.4-2.7GHz，百分比带宽为11.8％，良好的应用于下一代移动通信技术；
(3)本发明可以应用于单元间距小于0.5λ0(λ0对应低频1.7GHz的自由空间波长)的高密度双极化天线阵列，且在二元双极化阵列的两个极化方向上都可以达到10dB以上的去耦效果；
(4)本发明可应用于单极化、双极化、圆极化以及极化可重构天线单元之间进行宽带互耦抑制。具有良好的宽带极化不敏感性。
(5)相对于传统的EBG、DGS、超材料等去耦结构，本发明中所设计的去耦单元结构简单、为平面化结构、易集成、对辐射方向图及辐射效率影响较弱等。
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为本发明具有高隔离度的双极化宽带高密度阵列天线的整体结构三维视图；
图2为本发明具有高隔离度的圆极化宽带高密度阵列天线的整体结构三维视图；
图3为本发明具有高隔离度的双极化宽带高密度阵列天线的单个曲折型互耦抑制结构的俯视图；
图4为本发明具有高隔离度的双极化宽带高密度阵列天线的单个H型互耦抑制结构的俯视图；
图5为本发明具有高隔离度的双极化宽带高密度阵列天线的沟槽单元的俯视图；
图6为本发明具有高隔离度的双极化宽带高密度阵列天线的各端口电压驻波系数比曲线和阵元内部及阵元内部异极化(S12,S34)隔离度曲线图；
图7为本发明具有高隔离度的双极化宽带高密度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为本发明具有高隔离度的双极化宽带高密度阵列天线的整体结构三维视图，如图所示：该具有高隔离度的双极化宽带高密度阵列天线包括两方形辐射贴片(1)，置混合型互耦抑制结构(2,3)，寄生耦合的地板(4)，置混合型互耦抑制结构所在的介质基板(10,16)、两方形辐射贴片所在的介质基板、多层印刷电路板(9)和下层金属载板，所述悬置混合型互耦抑制结构所在的两层介质基板之间形成空气层(5)；两方形辐射贴片(1)与悬置混合型互耦抑制结构(3)所在的介质基板之间形成空气层(6)；两方形辐射贴片(1)所在的介质基板下表面与多层印刷电路板间形成空气层(7)；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；所述寄生耦合地板(4)上还设置有位于辐射贴片下方的沟槽结构。
图2为本发明具有高隔离度的圆极化宽带高密度阵列天线的整体结构三维视图，如图所示：该具有高隔离度的双极化宽带高密度阵列天线包括两圆形辐射贴片(1’)，置混合型互耦抑制结构(2’,3’)，寄生耦合的地板(4’)，置混合型互耦抑制结构所在的介质基板(10’,16’)、两圆形辐射贴片所在的介质基板、多层印刷电路板(9’)和下层金属载板，所述悬置混合型互耦抑制结构所在的两层介质基板之间形成空气层(5’)；两圆形辐射贴片(1’)与悬置混合型互耦抑制结构(3’)所在的介质基板之间形成空气层(6’)；两圆形辐射贴片(1’)所在的介质基板下表面与多层印刷电路板间形成空气层(7’)；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；所述寄生耦合地板(4’)上还设置有位于辐射贴片下方的沟槽结构。
本发明通过在阵列天线阵元间上方加载悬置混合型互耦抑制结构，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，悬置混合型互耦抑制结构由曲折型条带(2)和H型条带(3)构成，所述曲折型条带(2)和H型条带(3)位于不同的竖直高度，曲折型条带(2)所在的介质基板下表面与H型条带(3)之间形成空气层(5)，两个结构之间相互垂直设置，均位于两辐射贴片(1)之间正上方。
图3为本发明具有高隔离度的双极化宽带高密度阵列天线的单个曲折型互耦抑制结构的俯视图；图4为本发明具有高隔离度的双极化宽带高密度阵列天线的单个H型互耦抑制结构的俯视图；图5为本发明具有高隔离度的双极化宽带高密度阵列天线的沟槽单元的俯视图。
如图3所示，所述悬置混合型互耦抑制结构中的曲折型条带(2)抑制单元包括介质基板I(10)和设置于介质基板I两侧的枝节I和枝节II，枝节I和枝节II之间具有一定的间距，所述枝节I的头部垂直向下弯折形成第一弯折部13，所述枝节I的中部垂直向下弯折形成第二弯折部14，所述枝节I的尾部垂直向下弯折形成第三弯折部15，所述枝节II与枝节I关于介质基板I镜像对称。在本实施例中，枝节I与枝节II的宽度W2为0.3-0.7mm。可选地，枝节I与枝节II的宽度相同，覆铜薄膜厚度相同。
如图4所示，悬置混合型互耦抑制结构中的H型条带(3)抑制单元包括介质基板II(16)和对称设置于介质基板II两侧的枝节III和枝节IV，所述枝节I枝节II平行设置且由枝节V将枝节III和枝节IV中心横向连接起来，最终形成H型字样的互耦抑制结构。在本实施例中，枝节III、枝节IV和枝节V的宽度W2为0.3-0.7mm。可选地，枝节I、枝节II和枝节V的宽度相同，覆铜薄膜厚度相同。
其中，所述曲折型条带(2)总的电尺寸在半个波长到一个波长之间，在所述阵列天线中抑制水平方向上的极化,而在竖直方向上曲折型条带不工作；所述H型条带(3)总的电尺寸约为半个波长，在所述阵列天线中抑制竖直方向上的极化，而在水平方向上不工作。因此，两互耦抑制单元能够独立工作，互不影响。此外，本发明中悬置混合型互耦抑制结构能够将耦合的能量二次辐射出去，避免了对天线辐射效率的影响。
优选的，所述介质基板I(10)和介质基板II(16)均为长方形，介质基板I和介质基板II的厚度为1mm，选用的材料为Taconic CER-10,相对介电常数为10，损损耗角正切为0.0035。
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(20)以及连接两端部的连接部(21)，所述两端部与连接两端部的连接部垂直放置，呈“工”形。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(9)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(8)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，所述所有空气层的厚度为5-10mm。
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隔离度的双极化/圆极化宽带高密度阵列天线进行优化，使用高频电磁仿真软件HFSS17.0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代表曲折型互耦抑制结构的总宽度；L1代表曲折型互耦抑制结构的总长度；g代表曲折型互耦抑制结构中枝节I和枝节II之间的间距；W5代表H形互耦抑制结构的总宽度；L4代表H形互耦抑制结构的总长度。
表1本发明各参数最佳尺寸表
Figure GDA0002426815700000051
Figure GDA0002426815700000061
依照上述参数，使用HFSS17.0对所设计的高隔离度的双极化/圆极化宽带高密度阵列天线的电压驻波系数比(VSWR)、反射系数(|S11|)和互耦抑制(同极化、异极化)特性等参数进行仿真分析，其分析结果如下：
图6为本发明中双极化宽带高密度天线阵列的仿真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，所设计的双极化宽带高密度天线阵列在满足VSWR<1.7的情况下，工作带宽可以涵盖2.4-2.7GHz，各个阵元内部的异极化隔离度达到35dB；图7为双极化宽带高密度天线阵列中两阵元间的仿真同极化(|S13|，|S24|)、异极化特性(|S14|，|S23|)随频率变化的曲线图。如图所示，天线阵列在2.4-2.7GHz工作频段同极化隔离度为25dB，两阵元间异极化隔离度为35dB。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 (6)

1.一种具有高隔离度的双极化/圆极化宽带高密度阵列天线，其特征在于：包括两方形辐射贴片(1)/圆形辐射贴片(1’)，置于两辐射贴片之间正上方的悬置混合型互耦抑制结构(2)(3)/(2’)(3’)以及寄生耦合的地板(4)/(4’)，所述悬置混合型互耦抑制结构由位于不同竖直高度的曲折型条带和H型条带构成，曲折型条带(2)/(2’)所在的介质基板下表面与H型条带(3)/(3’)之间形成空气层(5)/(5’)，两个结构之间相互垂直，设置位于两辐射贴片之间正上方。所述悬置混合型互耦抑制结构中的曲折型条带(2)/(2’)由枝节I(11)/(11’)和枝节II(12)/(12’)构成，枝节I和枝节II之间具有一定的间距，所述枝节I的头部垂直向下弯折形成第一弯折部(13)/(13’)，所述枝节I的中部垂直向下弯折形成第二弯折部(14)/(14’)，所述枝节I的尾部垂直向下弯折形成第三弯折部(15)/(15’)，所述枝节II与枝节I呈镜像对称。
2.根据权利要求1所述的具有高隔离度的双极化/圆极化宽带高密度阵列天线，其特征在于：该阵列天线还包括悬置混合型互耦抑制结构所在的两层介质基板、两辐射贴片所在的一层介质基板、多层印刷电路板(9)/(9’)和下层金属载板，所述悬置混合型互耦抑制结构所在的两层介质基板之间形成空气层(5)；两辐射贴片(1)/(1’)与悬置混合型互耦抑制结构(3)/(3’)所在的介质基板之间形成空气层(6)/(6’)；两辐射贴片(1)/(1’)所在的介质基板下表面与多层印刷电路板间形成空气层(7)/(7’)；所述寄生耦合的地板(4)/(4’)设置于多层印刷电路板的上层介质板上表面，寄生耦合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；所述寄生耦合地板上还设置有位于辐射贴片下方的沟槽结构。
3.根据权利要求1所述的具有高隔离度的双极化/圆极化宽带高密度阵列天线，其特征在于：所述悬置混合型互耦抑制结构由曲折型条带(2)/(2’)和H型条带(3)/(3’)构成，所述曲折型条带(2)/(2’)和H型条带(3)/(3’)位于不同的竖直高度，曲折型条带(2)/(2’)所在的介质基板下表面与H型条带(3)/(3’)之间形成空气层(5)/(5’)，两个结构之间相互垂直设置，均位于两辐射贴片(1)/(1’)之间正上方。
4.根据权利要求3所述的具有高隔离度的双极化/圆极化宽带高密度阵列天线，其特征在于：所述悬置混合型互耦抑制结构中的曲折型条带(2)/(2’)耦合抑制单元包括介质基板I(10)/(10’)和设置于介质基板I两侧的枝节I(11)/(11’)和枝节II(12)/(12’)，枝节I和枝节II之间具有一定的间距，所述枝节I的头部垂直向下弯折形成第一弯折部(13)/(13’)，所述枝节I的中部垂直向下弯折形成第二弯折部(14)/(14’)，所述枝节I的尾部垂直向下弯折形成第三弯折部(15)/(15’)，所述枝节II与枝节I呈镜像对称。
5.根据权利要求3所述的具有高隔离度的双极化/圆极化宽带高密度阵列天线，其特征在于：所述悬置混合型互耦抑制结构中的H型条带(3)/(3’)耦合抑制单元包括介质基板II(16)/(16’)和对称设置于介质基板II两侧的枝节III(17)/(17’)和枝节IV(18)/(18’)，所述枝节I枝节II平行设置且由枝节V(19)/(19’)将枝节III和枝节IV中心横向连接起来，最终形成H型字样的互耦抑制结构。
6.根据权利要求2所述的具有高隔离度的双极化/圆极化宽带高密度阵列天线，其特征在于：所述多层印刷电路板(9)/(9’)上层介质基板与下层介质基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(8)/相位相差90°的微带馈线(8’)，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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