CN110504542A - 加载复合隔离器的宽带双极化高密度高隔离度阵列天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种加载复合隔离器的宽带双极化高密度高隔离度阵列天线，属于基站阵列天线领域，包括金属地板，所述金属地板上并列设置有两个±45°宽带双极化交叉偶极子天线，所述±45°宽带双极化交叉偶极子天线包括四个辐射贴片和两个交叉偶极子Γ型微带馈线以及分别与Г型微带馈线相连的两个SMP连接器；所述两个±45°宽带双极化交叉偶极子天线四周均设置有复合隔离器，所述复合隔离器包括分别设置在±45°宽带双极化交叉偶极子天线四周，围绕成正方形的四块介质基板，每块介质基板上远离±45°宽带双极化交叉偶极子天线的一面上设置有金属壁，靠近±45°宽带双极化交叉偶极子天线的一面上设置有金属条带。

Description

加载复合隔离器的宽带双极化高密度高隔离度阵列天线
技术领域
本发明属于基站阵列天线领域，涉及一种加载复合隔离器的宽带双极化高密度高隔离度阵列天线。
背景技术
基站天线作为通信网络的感知器官其在网络中的地位显得越来越重要，是基站建设的关键所在。近年来，宽带双极化天线以及其阵列被广泛的作为基站天线。一方面是由于较宽的阻抗带宽可以满足多个移动通信技术标准长期共存的现实情况；另一方面，良好的双极化特性可以有效地对抗多径衰落，提高信道容量。然而，对于MIMO大规模阵列天线，要求在有限空间资源下，布局众多天线单元，使得单元间距变得很近，造成阵元间强烈的互耦。如何降低高密度双极化阵元间的互耦并且不额外增加天线系统空间尺寸，成为设计者面临的巨大挑战。
在降低双极化天线间互耦的研究方面，科研人员已经提出了这些方法包括：金属背腔结构、超材料背腔结构，以及由许多导电小块组成的去耦表面等，所有的这些方法都可以将天线之间的互耦有效地降低，很好的满足了移动通信系统对天线之间互耦的要求。在这些方法中，金属背腔与超材料背腔的尺寸过大，不适用于阵元间距很近的高密度阵列，而去耦表面需要放置于天线单元的正上方，提高了系统整体的剖面高度。因此，为了实现宽带的去耦效果，同时不增加天线系统整体的剖面高度，本发明提出了一种复合隔离器，该隔离器能在宽带天线单元工作的整个带宽内有效降低耦合，并且天线系统整体的剖面高度保持不变，其他的性能保持良好。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种适用于双极化宽带高密度阵列天线的复合隔离器，该复合隔离器由位于同一块介质基板正反两面的金属壁与周期性的金属条带构成。通过在天线单元周围添加该复合隔离器，有效地提升了天线的端口隔离度，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：
一种加载复合隔离器的宽带双极化高密度高隔离度阵列天线，包括金属地板，所述金属地板上并列设置有两个±45°宽带双极化交叉偶极子天线，所述±45°宽带双极化交叉偶极子天线包括四个辐射贴片、两个交叉偶极子Γ型微带馈线以及分别与两个交叉偶极子Γ型微带馈线相连的两个SMP连接器；所述两交叉偶极子Γ型微带馈线通过穿过下层金属地板SMP连接器内芯进行馈电；所述两个±45°宽带双极化交叉偶极子天线四周均设置有复合隔离器，所述复合隔离器包括分别设置在±45°宽带双极化交叉偶极子天线四周，围绕成正方形的四块介质基板，每块介质基板上远离±45°宽带双极化交叉偶极子天线的一面上设置有金属壁，靠近±45°宽带双极化交叉偶极子天线的一面上设置有金属条带。
进一步，所述复合隔离器的每块介质基板上分别设置20个高度相同、宽度相等的金属条带，每10个一组均匀排布，组与组相隔的间距大于每组金属条带之间的间距。
进一步，所述金属条带高度为四分之一介质波长。
进一步，所述金属壁的高度低于金属条带的高度。
进一步，金属条带与金属壁与地板直接接触相连，每个复合隔离器单元不相连。
进一步，所述辐射贴片、交叉偶极子Γ型微带馈线、金属条带以及金属壁均为厚度相同的覆铜薄膜。
进一步，所述辐射贴片和交叉偶极子Γ型微带馈线均设置在介质基板上。
进一步，所述交叉偶极子Γ型微带馈线包括传输线和利用空隙耦合馈电的微带线，从而构成宽频带巴伦器，所述两个交叉偶极子Γ型微带馈线为正交耦合馈电结构，且在中间交叠部分上下错开，以减小耦合效应，分别激励两个辐射贴片。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明可以在宽频带内(1.7GHz-2.7GHz)实现双极化天线阵列的高隔离特性，且在通带内去耦能力无较大浮动；
(2)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，且在阵列中对于单元间的同极化与异极化端口隔离以及单元内的异极化端口隔离都可以达到5dB以上的提升；
(3)相对于传统的EBG、DGS、超材料等去耦结构，本发明中所设计的复合隔离器具有简单、易集成、对辐射方向图及辐射效率影响较弱以及不增加天线剖面高度等优势。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
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优选的详细描述，其中：
图1为本发明加载复合隔离器的宽带双极化高密度高隔离度阵列天线的整体结构三维视图；
图2为本发明加载复合隔离器的宽带双极化高密度高隔离度阵列天线的俯视图；
图3为本发明加载复合隔离器的宽带双极化高密度高隔离度阵列天线的侧视图；
图4为本发明所述复合隔离器介质基板的正反两面结构示意图；
图5为本发明具有高隔离度的双极化宽带高密度基站阵列天线的端口S参数随频率变化曲线图。
附图标记：辐射贴片1、交叉偶极子Γ型微带馈线2、SMP连接器3、复合隔离器4、金属地板5。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
图1为本发明加载复合隔离器的宽带双极化高密度高隔离度阵列天线的整体结构三维视图，如图所示：该阵列天线包含两个±45°宽带双极化交叉偶极子天线，包括四个辐射贴片1、两个交叉偶极子Γ型微带馈线2以及分别与两个交叉偶极子Γ型微带馈线2相连的两个SMP连接器3；所述两交叉偶极子Γ型微带馈线2通过穿过下层金属地板5的SMP连接器3内芯进行馈电；所述两个±45°宽带双极化交叉偶极子天线四周均设置有复合隔离器4，所述的复合隔离器4单元由金属壁以及金属条带两种结构构成，四个单元组成“围框”式的结构，围在天线单元周围。
本发明通过在高密度宽带双极化交叉偶极子天线阵元周围添加复合隔离器4，有效的提升了阵元各个端口隔离度，并且天线的其它性能保持良好。
其中，该阵列天线还包括复合隔离器4所在的共7个介质基板、两个±45°交叉偶极子天线辐射贴片1所在的介质基板、两交叉偶极子Γ型微带馈线2所在的介质基板和下层金属地板，所述的复合隔离器4单元由金属壁以及金属条带两种结构构成，四个单元组成“围框”式的结构，围在天线单元周围。
图2为本发明加载复合隔离器4的宽带双极化高密度高隔离度阵列天线的整体结构俯视图，如图所示：述两天线单元之间的间距D为80mm(0.45λ0,其中λ0对应于1.7GHz的自由空间波长)。
图3为本发明加载复合隔离器4的宽带双极化高密度高隔离度阵列天线的整体结构侧视图，如图所示：所述复合隔离器4的剖面高度要低于天线单元剖面高度，加载复合隔离:4后的天线系统不增加额外的剖面高度。
图4为本发明所述复合隔离器4结构示意图，如图所示：介质基板一面为金属条带，一面为金属壁。可选地，所述金属条带与金属壁的覆铜薄膜厚度相同。复合隔离器4单个单元包含20个，但不限于20个，高度相同、宽度相等的金属条带，这些金属条带被分为两组，每组10个，均匀排布，组与组相隔的间距大于每组金属条带之间的间距。金属条带高度h-s为26mm，约为四分之一介质波长，金属壁的高度低于金属条带的高度。复合隔离器4四个单元为一组，组成一个矩形“围框”，围绕在天线单元周围并垂直放置，金属条带与金属壁与金属地板5直接接触相连，每个复合隔离器单元不相连。
当天线工作时，金属条带被激励起四分之一波长谐振的单极子谐振模式，抑制了低频的耦合波传播，同时在竖直方向的电流会在激励起金属壁上形成半圆形的电流，形成第二个谐振模式，抑制高频的耦合波传播，从而形成一个宽带的去耦效果。
优选的，所述复合隔离器4采用的介质基板为长方体，厚度为0.787mm，选用的材料为Rogers 5880，相对介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009。
作为对本实施例的改进，交叉偶极子Γ型微带正交耦合馈电结构包括两个部分：一部分是传输线，另一部分是利用空隙耦合馈电的微带线。这样就相当于构成了一个个宽频带巴伦器，同时还可以优化微带馈电线的尺寸，以达到阻抗匹配的效果。与此同时，为了加强端口之间的隔离度，两个交叉偶极子Γ型微带馈线2在中间交叠部分上下错开，以减小耦合效应。
优选的，所述辐射贴片1介质基板和所述交叉偶极子Γ型微带馈线2为正方形和长方形，厚度均为0.8mm，选用的材料为F4B，相对介电常数为4.4，损损耗角正切为0.0025。
在本发明中，所述辐射贴1片、交叉偶极子Γ型微带馈线2、金属条带以及金属壁均为厚度相同的覆铜薄膜。
为了对本发明所述的加载复合隔离器的双极化宽带高密度交叉偶极子二元阵进行优化，使用高频电磁仿真软件HFSS18.0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：
表1本发明各参数最佳尺寸表
依照上述参数，使对所设计的阵列天线模型进行加工测试验证。得到的仿真与测试结果如下：
图5为本发明仿真与测试得到的S参数随频率变化的曲线图。如果所示，加载所述复合隔离器在|S11|<-10dB的情况下，工作带宽可以涵盖1.7-2.7GHz；相较于加载任何结构的天线阵列来说，单元间的同极化端口隔离|S13|由14.5dB提升至22dB，在整个频段内有最高10dB、最低4dB的隔离度提升；单元间的异极化端口隔离|S14|与单元内的异化端口隔离|S12|分别由15dB与22dB提升至20.5dB与27dB。可见加入所述复合隔离器，在提升阵列天线极化隔离度的同时，天线本身的匹配等性能都保持良好。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种加载复合隔离器的宽带双极化高密度高隔离度阵列天线，其特征在于：包括金属地板，所述金属地板上并列设置有两个±45°宽带双极化交叉偶极子天线，所述±45°宽带双极化交叉偶极子天线包括四个辐射贴片、两个交叉偶极子Γ型微带馈线以及分别与两个交叉偶极子Γ型微带馈线相连的两个SMP连接器；所述两交叉偶极子Γ型微带馈线通过穿过下层金属地板SMP连接器内芯进行馈电；所述两个±45°宽带双极化交叉偶极子天线四周均设置有复合隔离器，所述复合隔离器包括分别设置在±45°宽带双极化交叉偶极子天线四周，围绕成正方形的四块介质基板，每块介质基板上远离±45°宽带双极化交叉偶极子天线的一面上设置有金属壁，靠近±45°宽带双极化交叉偶极子天线的一面上设置有金属条带。
2.根据权利要求1所述的加载复合隔离器的宽带双极化高密度高隔离度阵列天线，其特征在于：所述复合隔离器的每块介质基板上分别设置20个高度相同、宽度相等的金属条带，每10个一组均匀排布，组与组相隔的间距大于每组金属条带之间的间距。
3.根据权利要求1所述的加载复合隔离器的宽带双极化高密度高隔离度阵列天线，其特征在于：所述金属条带高度为四分之一介质波长。
4.根据权利要求1所述的加载复合隔离器的宽带双极化高密度高隔离度阵列天线，其特征在于：所述金属壁的高度低于金属条带的高度。
5.根据权利要求1所述的加载复合隔离器的宽带双极化高密度高隔离度阵列天线，其特征在于：金属条带与金属壁与地板直接接触相连，每个复合隔离器单元不相连。
6.根据权利要求1所述的加载复合隔离器的宽带双极化高密度高隔离度阵列天线，其特征在于：所述辐射贴片、交叉偶极子Γ型微带馈线、金属条带以及金属壁均为厚度相同的覆铜薄膜。
7.根据权利要求1所述的加载复合隔离器的宽带双极化高密度高隔离度阵列天线，其特征在于：所述辐射贴片和交叉偶极子Γ型微带馈线均设置在介质基板上。
8.根据权利要求1所述的加载复合隔离器的宽带双极化高密度高隔离度阵列天线，其特征在于：所述交叉偶极子Γ型微带馈线包括传输线和利用空隙耦合馈电的微带线，从而构成宽频带巴伦器，所述两个交叉偶极子Γ型微带馈线为正交耦合馈电结构，且在中间交叠部分上下错开，以减小耦合效应，分别激励两个辐射贴片。
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