CN109713448A - 一种用于改善双极化阵列天线隔离度的解耦结构及带有该结构的天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于改善双极化阵列天线隔离度的解耦结构，双极化天线阵列位于金属地板与天线罩之间，所述解耦结构为固定在天线罩内表面的C型解耦结构，C型解耦结构位于双极化天线阵列的上方且与双极化天线阵列有一定间距，包含若干完全相同的交叉C型解耦单元，每个交叉C型解耦单元的投影分别在双极化天线阵列中相邻两个天线单元的中央位置，保持天线阵列的尺寸和位置不变，通过调整C型解耦结构的尺寸和高度，可以有效地改善双极化天线阵列各端口之间的隔离度，同时保持阵列天线的其他性能基本不变。该解耦结构为全金属结构，设计简单，易于加工，尺寸小，并且在尺寸和位置确定后可以用螺丝或者胶粘的方式固定在天线罩上。

Description

一种用于改善双极化阵列天线隔离度的解耦结构及带有该结 构的天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，涉及阵列天线隔离度的改善，特别涉及一种用于改善双极化阵列天线隔离度的解耦结构及带有该结构的天线。

背景技术

随着无线通信技术的发展，对信道容量和频谱的利用效率的需求也越来越高，因此多输入多输出(MIMO)技术得到了越来越多的重视。MIMO技术利用在发射端和接收端的多个天线，通过多条不同的空间信道，来传输多路互相正交的信号，可以有效地提升系统的信道容量，提高通信的稳定性。但是在现有的通信设备中(基站天线、移动终端天线中)，由于所提供的空间有限，要求MIMO系统中各天线单元之间的距离也相对较小，这样就会导致相邻的天线单元之间存在比较强的耦合，天线各端口之间的隔离度降低，进而使得系统有效辐射的能量减少，降低能量的利用效率，影响系统的工作性能。因此如何在天线单元间距比较小的情况下改善隔离度，成为了亟待解决的问题。

针对上述问题，已有研究者提出一些方法，能够有效的提升单元间的隔离度。比如说在天线单元之间的地板上添加地缝结构改变地板上的表面电流进行解耦；或者是在采用地枝和中和线人为制造耦合路径，与原有耦合能量相抵消；同时也可以采用谐振单元或者周期性结构，产生阻带特性，抑制表面电流。虽然上述方法都能够实现天线单元间隔离度的提升，但是大多只能应用于单极化天线阵列，很难拓展至双极化天线阵列。此外，上述解耦结构的尺寸通常比较大，且必须放置在地板上，有可能会对原有天线的布阵方式产生影响，不能有效地利用空间。因此，如何设计一款结构简单、尺寸小，可以应用于提升双极化紧凑阵列天线隔离度的解耦结构是一个非常值得研究的问题。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于改善双极化阵列天线隔离度的解耦结构及带有该结构的天线，该结构尺寸较小，可固定在天线罩上，不会影响原有阵列天线布阵方式，在对天线原有性能影响较小的前提下，可显著提升双极化阵列天线相邻单元的隔离度。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种用于改善双极化阵列天线隔离度的解耦结构，双极化天线阵列3位于金属地板4与天线罩1之间，其特征在于，所述解耦结构为固定在天线罩1内表面的C型解耦结构2，C型解耦结构2位于双极化天线阵列3的上方且与双极化天线阵列3有一定间距，包含若干完全相同的交叉C型解耦单元，每个交叉C型解耦单元的投影分别在双极化天线阵列3中相邻两个天线单元的中央位置。

优选地，所述C型解耦结构2并通过螺丝或者胶粘的方式固定在天线罩1的内表面。

优选地，所述双极化天线阵列3为2×2的双极化交叉偶极子阵列天线，包含四个完全相同的天线单元，以2×2的排布方式组阵，沿x轴和y轴均保持对称，天线单元的形式为±45°极化的交叉偶极子天线

优选地，所述C型解耦结构2包含4个完全相同的交叉C型解耦单元，其投影分别在相邻两个天线单元的中央位置。

优选地，所述交叉C型解耦单元是由两个尺寸及形状完全相同的C型解耦枝节一211和C型解耦枝节二212组成，且两个C型解耦枝节所处平面均垂直于x-y平面，并分别沿45°方向和-45°方向垂直放置，与双极化天线阵列3的两个极化方向平行。

优选地，所述C型解耦枝节均为U形结构，且其底部平直，拐角为直角，C型解耦枝节一211和C型解耦枝节二212开口向上，在底边中央处垂直相交。

优选地，所述C型解耦枝节为全金属结构，由金属片(如铜片或者铝片)剪裁、弯折、焊接而成。

优选地，所述C型解耦枝节的尺寸接近二分之一波长，通过在两个天线单元之间引入新的谐振结构来改善隔离度。

本发明的一种优选方案，所述双极化天线阵列3中偶极子单元的长度d1为49mm，相邻两个交叉偶极子天线单元的中心距离d2为65mm，双极化天线阵列3与金属地板4之间的距离h1为25mm，C型解耦结构2的底部与金属地板4之间的距离h2为33mm，C型解耦结构2的顶部与金属地板4之间的距离h3为58.5mm，C型解耦枝节下臂的长度L1为28mm，C型解耦枝节下臂的宽度L2为5mm，C型解耦枝节左臂和右臂的长度L3为20.5mm，C型解耦枝节左臂和右臂的宽度L4为5mm。

本发明还要求保护一种带有所述用于改善双极化阵列天线隔离度的解耦结构的天线。

与现有技术相比，由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：

1、所提出的C型解耦结构可以在天线阵元间距比较小的情况下，实现对双极化阵列天线的解耦，提升各天线单元之间的隔离度；

2、所提出的C型解耦结构尺寸较小，可以放在相邻两个天线中间。

3、所提出的C型解耦结构结构不需要改变天线阵列的原有结构。其位于天线阵列的上方，在保持天线阵列不变的前提下，可以仅通过调整C型解耦结构的尺寸和高度，就能有效提升各单元之间的隔离度，并且对各单元的反射系数，辐射方向图影响很小。

4、所提出的C型解耦结构为全金属结构，完全对称，结构简单，易于加工，能够固定在天线罩的内表面，有效利用空间。

附图说明

图1为本发明一种用于改善双极化阵列天线隔离度的解耦结构的整体结构三维视图。

图2为图1的俯视图。

图3为图1的侧视图。

图4为图1中交叉C型解耦单元的三维视图。

图5为图4中交叉C型解耦单元中单个解耦枝节的主视图。

图6为图1中双极化天线阵列中八个天线单元的编号分布示意图。

图7为本发明实施例中有无解耦结构时同单元两个极化端口S参数曲线图(|S11|，|S22|)。

图8为本发明实施例中有无解耦结构时相邻单元同极化端口S参数曲线图(|S12|，|S34|)。

图9为本发明实施例中有无解耦结构时同单元异极化端口S参数曲线图(|S13|)。

图10为本发明实施例中有无解耦结构时相邻单元异极化端口S参数曲线图(|S35|，|S17|)。

图11为本发明实施例中有无解耦结构时相对单元同极化端口S参数曲线图(|S38|，|S16|)。

图12为本发明实施例中有无解耦结构时天线阵列在2.5GHz时的E面和H面方向图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰，明白，下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围。

参阅图1，本发明中，双极化天线阵列3位于金属地板4与天线罩1之间。解耦结构为位于双极化天线阵列3的上方且与双极化天线阵列3有一定间距的C型解耦结构2，C型解耦结构2通过螺丝或者胶粘等方式固定在天线罩1内表面。

参阅图2，双极化天线阵列3为2×2的双极化交叉偶极子阵列天线，包含四个完全相同的天线单元：天线单元一31、天线单元二32、天线单元三33和天线单元四34，以2×2的排布方式组阵，沿x轴和y轴均保持对称，天线单元的形式为±45°极化的交叉偶极子天线。

参阅图1和图2，C型解耦结构2包含4个完全相同的交叉C型解耦单元：交叉C型解耦单元一21、交叉C型解耦单元二22、交叉C型解耦单元三23和交叉C型解耦单元四24，每个交叉C型解耦单元的投影分别在双极化天线阵列3中相邻两个天线单元的中央位置。

参阅图4，交叉C型解耦单元是由两个尺寸完全相同的C型解耦枝节一211和C型解耦枝节二212组成，二者均为由左臂、下臂和右臂顺次连接构成的U形结构，且其底部平直，拐角为直角，C型解耦枝节C型解耦枝节一211和C型解耦枝节二212开口向上，在底边中央处垂直相交。C型解耦枝节211和C型解耦枝节二212均垂直于x-y平面，并分别沿45°方向和-45°方向垂直放置，与双极化天线阵列3的两个极化方向平行。

参阅图4，C型解耦枝节一211和C型解耦枝节二212为全金属结构，可由金属片(如铜片或者铝片)剪裁、弯折、焊接而成。且C型解耦枝节的尺寸接近二分之一波长，通过在两个天线单元之间引入新的谐振来改善隔离度。

在本发明实施例中，参阅图2，天线阵列3中，d1代表偶极子单元的长度，d2代表相邻两个交叉偶极子天线单元的中心距离，交叉C型解耦单元分别投影在两个相邻天线单元的中间。

参阅图3，h1代表双极化天线阵列3与金属地板4之间的距离，h2代表C型解耦结构2的底部与金属地板4之间的距离，h3代表C型解耦结构2的顶部与金属地板4之间的距离。

参阅图5，L1代表C型解耦枝节下臂的长度，L2代表C型解耦枝节下臂的宽度，L3代表C型解耦枝节左臂和右臂的长度，L4代表C型解耦直接左臂和右臂的宽度。

参阅图6，给出了双极化天线阵列3中八个天线单元的编号分布示意图下表将图2、图3、图5中所标注的本发明实施例中各尺寸参数的具体数值进行了整理，参数数值的单位均为mm，天线的工作频段为2.5-2.6GHz。

依照上述参数，使用HFSS对所设计的实施例的S参数、辐射方向图进行仿真分析，其分析结果如下：

图7中给出了有无解耦结构时同单元两个极化端口的反射系数曲线，以1,2端口为例，添加C型解耦结构2对双极化天线阵列3的反射系数影响很小，两个极化均可以覆盖2.5-2.6GHz的工作带宽(反射系数小于-10dB)，有良好的匹配性能。

图8中给出了有无解耦结构时相邻单元同极化端口的传输系数曲线，以|S12|，|S34|为例，在2.5-2.6GHz的工作带宽之内，添加C型解耦结构2之后，相邻单元同极化端口的隔离度可以由15.6dB提升至25.7dB，改善10.1dB。

图9中给出了有无解耦结构时同单元异极化端口的传输系数曲线，以|S13|为例，在2.5-2.6GHz的工作带宽之内，添加C型解耦结构2之后，相邻单元同极化端口的隔离度受到的影响很小，仍然在-60dB以下。

图10中给出了有无解耦结构时相邻单元异极化端口的传输系数曲线，以|S35|，|S17|为例，在2.5-2.6GHz的工作带宽之内，添加C型解耦结构2之后，|S35|可以由18.7dB提升至32.7dB,改善14dB；|S17|可以由21.2dB提升至29.3dB，改善8.1dB。

图11中给出了有无解耦结构时相对单元同极化端口的传输系数曲线，以|S38|，|S16|为例，在2.5-2.6GHz的工作带宽之内，添加C型解耦结构2之后，|S16|可以由18dB提升至32dB,改善14dB；|S38|基本没有变化，为-25dB。

图12给出了有无解耦结构时天线阵列在2.5GHz时E面和H面的方向图，可以看到添加C型解耦结构2之后，天线阵列的辐射方向图依然为比较好的宽边辐射方向图，增益也基本没有变化，对天线阵列的辐射性能影响较小。

综上所述，在所给出的实施例中，加入C型解耦结构可以在2.5-2.6GHz的频率范围内将阵列天线各端口的隔离度均改善至25dB以上，同时不影响天线阵列在该频段内的匹配性能和辐射性能。

以上所述仅为本发明的较优实施例，不用以限制本发明，凡是在本发明的精神和原理范围之内，所做的任何修改、替换、改进等，都应当包含在本发明保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种用于改善双极化阵列天线隔离度的解耦结构，双极化天线阵列(3)位于金属地板(4)与天线罩(1)之间，其特征在于，所述解耦结构为固定在天线罩(1)内表面的C型解耦结构(2)，C型解耦结构(2)位于双极化天线阵列(3)的上方且与双极化天线阵列(3)有一定间距，包含若干完全相同的交叉C型解耦单元，每个交叉C型解耦单元的投影分别在双极化天线阵列(3)中相邻两个天线单元的中央位置。

2.根据权利要求1所述用于改善双极化阵列天线隔离度的解耦结构，其特征在于，所述双极化天线阵列(3)为2×2的双极化交叉偶极子阵列天线，包含四个完全相同的天线单元，以2×2的排布方式组阵，沿x轴和y轴均保持对称，天线单元的形式为±45°极化的交叉偶极子天线。

3.根据权利要求2所述用于改善双极化阵列天线隔离度的解耦结构，其特征在于，所述C型解耦结构(2)包含4个完全相同的交叉C型解耦单元，其投影分别在相邻两个天线单元的中央位置。

4.根据权利要求1或3所述用于改善双极化阵列天线隔离度的解耦结构，其特征在于，所述交叉C型解耦单元是由两个尺寸及形状完全相同的C型解耦枝节一(211)和C型解耦枝节二(212)组成，且两个C型解耦枝节所处平面均垂直于x-y平面，并分别沿45°方向和-45°方向垂直放置，与双极化天线阵列(3)的两个极化方向平行。

5.根据权利要求4所述用于改善双极化阵列天线隔离度的解耦结构，其特征在于，所述C型解耦枝节均为U形结构，且其底部平直，拐角为直角，C型解耦枝节一(211)和C型解耦枝节二(212)开口向上，在底边中央处垂直相交。

6.根据权利要求4或5所述用于改善双极化阵列天线隔离度的解耦结构，其特征在于，所述C型解耦枝节为全金属结构，由金属片剪裁、弯折、焊接而成。

7.根据权利要求4或5所述用于改善双极化阵列天线隔离度的解耦结构，其特征在于，所述C型解耦枝节的尺寸接近二分之一波长，通过在两个天线单元之间引入新的谐振结构来改善隔离度。

8.根据权利要求4或5所述用于改善双极化阵列天线隔离度的解耦结构，其特征在于，所述双极化天线阵列(3)中偶极子单元的长度d1为49mm，相邻两个交叉偶极子天线单元的中心距离d2为65mm，双极化天线阵列(3)与金属地板4之间的距离h1为25mm，C型解耦结构(2)的底部与金属地板4之间的距离h2为33mm，C型解耦结构(2)的顶部与金属地板4之间的距离h3为58.5mm，C型解耦枝节下臂的长度L1为28mm，C型解耦枝节下臂的宽度L2为5mm，C型解耦枝节左臂和右臂的长度L3为20.5mm，C型解耦枝节左臂和右臂的宽度L4为5mm。

9.根据权利要求1所述用于改善双极化阵列天线隔离度的解耦结构，其特征在于，所述C型解耦结构(2)并通过螺丝或者胶粘的方式固定在天线罩(1)的内表面。

10.一种带有权利要求1所述用于改善双极化阵列天线隔离度的解耦结构的天线。