CN111048893B - 一种低剖面宽带双极化介质填充微带天线 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种低剖面宽带双极化介质填充微带天线，微带天线由下至上依次为金属底板、馈电单元、介质框和寄生单元组成，寄生单元，包括：寄生元介质基板和寄生元贴片；寄生元贴片蚀刻在寄生元介质基板上方，寄生元贴片上方设置有匹配槽，匹配槽用于改变寄生元贴片上的电流分布；馈电单元上设置有馈电贴片，馈电贴片位于寄生元贴片的正下方，且馈电贴片的形状与寄生元贴片的形状相同。通过本申请中的技术方案，提供一种低剖面宽带双极化介质填充微带天线，它可以实现较大的相对带宽，良好的宽角扫描能力，同时，采用了优化的填充介质，实现了微带天线的低剖面需求，并且结构简单，成本低，装配效率高。
Description
技术领域
本申请涉及电流检测装置的技术领域，具体而言，涉及一种低剖面宽带双极化介质填充微带天线。
背景技术
随着5G时代到来，宏基站天线通道数增加、系统集成度提升、有源化等对天线设计提出了更高的要求，结合性能需求和系统指标分解，天线辐射单元小型化及轻量化成为关注的焦点。
常见的微带天线有边馈式微带天线、探针馈电式微带天线及缝隙耦合馈电微带天线等形式，其中，常规边馈式微带天线带宽相对较窄，约8％，在剖面降低到0.07λ0左右时，其带宽缩小到3％左右，适用范围较小，λ0为天线的中心频率。
并且现有技术中，探针馈电式微带天线结构复杂，加工装配难度大；缝隙耦合馈电微带天线，需有专门的馈电反射结构，层数多、剖面高，结构复杂，成本也显著高于其他类型。
特别是对于采用天线板卡形式的5G宏基站设备，64通道、192单元为主流天线类型，单元数多，结构尺寸及重量要求严格，迫切需要实现天线辐射单元的低剖面、宽带化、低成本化等目标，以克服上述弊端。
发明内容
本申请的目的在于：提供一种低剖面宽带双极化介质填充微带天线，它可以实现较大的相对带宽，良好的宽角扫描能力；同时剖面低，采用了优化的填充介质；结构简单，成本低，装配效率高。
本申请第一方面的技术方案是：提供了一种低剖面宽带双极化介质填充微带天线，微带天线由下至上依次为金属底板、馈电单元、介质框和寄生单元组成，寄生单元，包括：寄生元介质基板和寄生元贴片；寄生元贴片蚀刻在寄生元介质基板上方，寄生元贴片上方设置有匹配槽，匹配槽用于改变寄生元贴片上的电流分布；馈电单元上设置有馈电贴片，馈电贴片位于寄生元贴片的正下方，且馈电贴片的形状与寄生元贴片的形状相同。
上述任一项技术方案中，进一步地，馈电贴片为正方形，馈电单元还包括：馈电元介质基板和两个馈电点；馈电元介质基板设置于馈电单元的下方，连接于金属底板，馈电元介质基板的中心位置处蚀刻有馈电贴片，馈电元介质基板上还设置有安装孔，安装孔用于将介质框和寄生单元安装于金属底板上；两个馈电点之间的夹角为90度，两个馈电点分别位于馈电贴片相邻的两个顶点处，或者，两个馈电点分别位于馈电贴片相邻的两条边线上。
上述任一项技术方案中，进一步地，寄生元贴片的边长为0.32λ0，匹配槽的长度为0.28λ0，匹配槽的两端为1/2匹配槽的槽宽的45度倒角，匹配槽的外边线位于馈电贴片边线的正上方，其中，λ0为天线的中心频率，匹配槽的槽宽由馈电贴片的边长和介质框的边长之差确定。
上述任一项技术方案中，进一步地，金属底板的中心位置处设置有压铆螺柱，馈电单元和寄生单元的中心位置处设置有通孔，馈电单元和寄生单元通过螺钉连接于压铆螺柱。
上述任一项技术方案中，进一步地，微带天线采用下述方法进行频带展宽确定，具体包括：
步骤1，计算待优化辐射单元中的频带展宽系数，并根据频带展宽系数，将待优化辐射单元的展宽频带响应进行排序；
步骤2，计算相邻两个待优化辐射单元之间频带展宽系数的比值，当判定比值大于或等于约束阈值时，根据预设目标指标，在两个频带展宽系数之间，插值频带展宽优化系数，记作修订待优化展宽系数，其中，预设目标指标包括已优化辐射单元的天线频带和待优化辐射单元的天线频带之间的差异点、谐振点、天线单元方向图方向性系数中的至少一种；
步骤3，根据泰勒函数，计算修订待优化展宽系数对应的匹配措施的通用分布设置；
步骤4，采用分段式搜索算法，计算通用分布设置的分布性能，并根据分布性能之间的差异，确定对应的展宽频带响应，记作待优化辐射单元的频带展宽。
通过上述方法确定微带天线的频带展宽，将介质参数和微带天线中其他结构参数，如寄生元贴片边长、匹配槽槽宽等，进行网格化划分，对划分结果进行优化计算，进而确定微带天线中辐射单元的频带展宽和对应参数，实现微带天线结构参数的确定，实现了将原先带宽不足3％的边馈式微带天线带宽，拓展至12％左右，且宽角扫描能力达到±45°，使其满足5G频段天线使用要求。
本申请第二方面的技术方案三：提供了一种天线阵列，其由多个如第一方面技术方案中所述的低剖面宽带双极化介质填充微带天线构成，该天线阵列采用下述方法进行频带展宽确定，具体包括：
步骤1，计算待优化辐射单元中的频带展宽系数，并根据频带展宽系数，将待优化辐射单元的展宽频带响应进行排序；
步骤2，计算相邻两个待优化辐射单元之间频带展宽系数的比值，当判定比值大于或等于约束阈值时，根据预设目标指标，在两个频带展宽系数之间，插值频带展宽优化系数，记作修订待优化展宽系数，其中，预设目标指标包括已优化辐射单元的天线频带和待优化辐射单元的天线频带之间的差异点、谐振点、天线单元方向图方向性系数中的至少一种；
步骤3，根据泰勒函数，计算修订待优化展宽系数对应的匹配措施的通用分布设置；
步骤4，采用分段式搜索算法，计算通用分布设置的分布性能，并根据分布性能之间的差异，确定对应的展宽频带响应，记作待优化辐射单元的频带展宽。
本申请第三方面的技术方案是：提供了一种天线频带展宽计算方法，天线频带展宽计算方法适用于天线阵列的待优化辐射单元中频带展宽的确定，天线阵列由多个如第一方面技术方案中任一项的低剖面宽带双极化介质填充微带天线构成，天线频带展宽计算方法，包括：
步骤1，计算待优化辐射单元中的频带展宽系数，并根据频带展宽系数，将待优化辐射单元的展宽频带响应进行排序；
步骤2，计算相邻两个待优化辐射单元之间频带展宽系数的比值，当判定比值大于或等于约束阈值时，根据预设目标指标，在两个频带展宽系数之间，插值频带展宽优化系数，记作修订待优化展宽系数，其中，预设目标指标包括已优化辐射单元的天线频带和待优化辐射单元的天线频带之间的差异点、谐振点、天线单元方向图方向性系数中的至少一种；
步骤3，根据泰勒函数，计算修订待优化展宽系数对应的匹配措施的通用分布设置；
步骤4，采用分段式搜索算法，计算通用分布设置的分布性能，并根据分布性能之间的差异，确定对应的展宽频带响应，记作待优化辐射单元的频带展宽。
上述任一项技术方案中，进一步地，步骤2中，插值频带展宽优化系数，具体包括：
当判定相邻的第i个和第i+1个待优化辐射单元的频带展宽系数的响应频点为强响应频点时，根据第i+1个待优化辐射单元的频带展宽系数，生成频带展宽优化系数，将第i+1个待优化辐射单元的频带展宽系数记作第i+2个待优化辐射单元的频带展宽系数，将频带展宽优化系数记作第i+1个待优化辐射单元的频带展宽系数；
重新计算并判断第i个和第i+1个待优化辐射单元的频带展宽系数的响应频点是否为属实强响应频点，若是，重新执行步骤2，若否，执行步骤3。
本申请的有益效果是：
本申请中的技术方案，通过设置增加寄生元介质基板5和寄生元贴片6，以形成双谐振回路，解决了低剖面条件下，微带贴片天线带宽不足等一系列问题，实现了将原先带宽不足3％的边馈式微带天线带宽，拓展至12％左右，且宽角扫描能力达到±45°，使其满足5G频段天线使用要求。
本申请中微带天线的剖面高度小于0.072λ0量级，采用了优化的填充介质，结构简单，加工制造成本低，装配效率高。
并且在上述微带天线的基础上，本申请还提出了一种适用于由该微带天线组成的天线阵列的阵中单元频带展宽计算方法，通过计算相邻待优化展宽系数的频率响应差异，并在强响应分布的两个频率展宽系数之间插入虚拟待优化展宽系数，并通过迭代式的搜索算法，使得本申请中的频带展宽算法不依赖于随机量或伪随机量，在保证频带展宽计算精度的同时，能够保证计算结果的可重复性，适用于阵列天线中的辐射单元频带展宽设计。
附图说明
本申请的上述和/或附加方面的优点在结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本申请的一个实施例的低剖面宽带双极化介质填充微带天线的装配示意图；
图2是根据本申请的一个实施例的低剖面宽带双极化介质填充微带天线的主视图；
图3是根据本申请的一个实施例的低剖面宽带双极化介质填充微带天线的俯视图；
图4是根据本申请的一个实施例的频带展宽计算方法的示意流程图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本申请的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本申请进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互结合。
在下面的描述中，阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是，本申请还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本申请的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
如图1至图3所示，本实施例提供了一种低剖面宽带双极化介质填充微带天线，微带天线由下至上依次为金属底板1、馈电单元、介质框4和寄生单元组成，寄生单元，包括：寄生元介质基板5和寄生元贴片6；
寄生元贴片6蚀刻在寄生元介质基板5上方，寄生元贴片6上方设置有匹配槽9，匹配槽9通过铜箔开槽，切断/改变表面电流的传播路径，用于改变寄生元贴片6上的电流分布；
具体的，增加寄生元介质基板5和寄生元贴片6，通过非均匀介质的分布调节谐振点位置，形成双谐振回路，极大的增加了天线的带宽。寄生元贴片6的形状与馈电贴片3的形状相同，可以为正方形、圆形、菱形、多边形中的一种。
本实施例中，通过在馈电单元和寄生单元之间设置介质框4，以改变两者之间的等效介电常数，可以有效的降低天线剖面。
优选的，在介质围框4下方介质拐角位置的凸台穿过馈电贴片3、馈电元介质基板2及金属底板1(金属底板1上留了相应的孔位)；同理，介质围框4上方的凸台穿过寄生元介质基板5和寄生元贴片6，同时起到定位天线零部件的定位安装作用。
馈电单元上设置有馈电贴片3，馈电贴片3位于寄生元贴片6的正下方，且馈电贴片3的形状与寄生元贴片6的形状相同。
具体的，本实施例中的微带天线，通过在单层角馈式微带天线的上方增加寄生元，将普通低剖面微带天线的带宽扩展至12％左右，高度控制到0.07λ0范围内，使其能广泛运用于移动通信领域，其中，λ0为天线的中心频率。
通过设置填充介质(介质框4，可以使用PP、ABS或改性树脂等)，填充介质同时兼顾频带展宽和结构固定的功能，通过优化的介质参数，实现了微带贴片天线表面电流分布的优化，提高了微带天线的天线带宽，显著降低了天线辐射单元的高度。
需要说明的是，本实施例中的馈电贴片3可以为正方形，也可以为圆形、菱形、多边形等其他形状。
进一步的，在本实施例中，设定馈电贴片3为正方形，馈电单元还包括：馈电元介质基板2和两个馈电点10；馈电元介质基板2设置于馈电单元的下方，连接于金属底板1，馈电元介质基板2的中心位置处蚀刻有馈电贴片3，馈电元介质基板2上还设置有安装孔，安装孔用于将介质框4和寄生单元安装于金属底板1上；两个馈电点10之间的夹角为90度，两个馈电点10分别位于馈电贴片3相邻的两个顶点处，或者，两个馈电点10分别位于馈电贴片3相邻的两条边线上。
具体的，通过在馈电贴片3上设置夹角为90度的两个馈电点10，以形成双极化天线。馈电贴片3上的双极化天线两个馈电点10可以在馈电贴片3相邻的两个顶点处，也可以在馈电贴片3相邻的两条边线的中点处。
进一步的，寄生元贴片6的边长为0.32λ0，匹配槽9的长度为0.28λ0，匹配槽9的两端为1/2匹配槽9的槽宽的45度倒角，匹配槽9的外边线位于馈电贴片3边线的正上方，其中，λ0为天线的中心频率，匹配槽9的槽宽由馈电贴片3的边长和介质框4的边长之差确定。
优选的，金属底板1的中心位置处设置有压铆螺柱7，馈电单元和寄生单元的中心位置处设置有通孔，馈电单元和寄生单元通过螺钉8连接于压铆螺柱7。
具体的，本实施例中的微带天线，主要通过螺钉8与压铆螺柱7的配合，对各个单元进行紧固连接。
在固定馈电单元、介质框4和寄生单元时，同样是通过螺钉固定的方式，通过在介质框4的四个顶点处设置有通孔，并在寄生单元相应位置处设置同样的通孔，在馈电单元上设置相应的螺纹孔，即可实现三者之间的固定。
为了验证本实施例中微带天线的性能，通过试验测得，本实施例中的微带天线，可以实现在天线剖面高度小于0.072λ0(9mm)的前提下，在电压驻波比(VSWR)小于1.5时，工作带宽达到了13.5％，表明了该微带天线可广泛应用于移动通信天线以及天线阵列之中。
本实施例中，示出一种结合通用发展软件二次开发设计的频带展宽计算方法，如图4所示，该频带展宽计算方法适用于天线辐射单元频带展宽优化的确定，天线阵列由多个如上述实施例中的低剖面宽带双极化介质填充微带天线构成，通过该频带展宽算法，阵列天线可以实现辐射单元的频带展宽，优化计算效率大幅度提升。
该频带展宽计算方法，包括：
步骤1，计算待优化辐射单元中的频带展宽系数，并根据频带展宽系数，将待优化辐射单元的展宽频带响应进行排序；
具体地，所参与优化的匹配可实施措施进行网格化剖分，并按每一网格对应的频率响应进行标记排序，形成基因组序列。
步骤2，计算相邻两个待优化辐射单元之间频带展宽系数的比值，当判定比值大于或等于约束阈值时，根据预设目标指标，在两个频带展宽系数之间，插值频带展宽优化系数，记作修订待优化展宽系数，其中，预设目标指标包括已优化辐射单元的天线频带和待优化辐射单元的天线频带之间的差异点、谐振点、天线单元方向图方向性系数中的至少一种；
步骤3，根据泰勒函数，计算修订待优化展宽系数对应的匹配措施的通用分布设置；
步骤4，采用分段式搜索算法，计算通用分布设置的分布性能，并根据分布性能之间的差异，确定对应的展宽频带响应，记作待优化辐射单元的频带展宽。
采用以上的频带展宽计算方法，在步骤2中，插值频带展宽优化系数，具体包括：
当判定相邻的第i个和第i+1个待优化辐射单元的频带展宽系数的响应频点为强响应频点时，根据第i+1个待优化辐射单元的频带展宽系数，生成频带展宽优化系数，将第i+1个待优化辐射单元的频带展宽系数记作第i+2个待优化辐射单元的频带展宽系数，将频带展宽优化系数记作第i+1个待优化辐射单元的频带展宽系数；
重新计算并判断第i个和第i+1个待优化辐射单元的频带展宽系数的响应频点是否为属实强响应频点，若是，重新执行步骤2，若否，执行步骤3。
以上结合附图详细说明了本申请的技术方案，本申请提出了一种低剖面宽带双极化介质填充微带天线，微带天线由下至上依次为金属底板、馈电单元、介质框和寄生单元组成，寄生单元，包括：寄生元介质基板和寄生元贴片；寄生元贴片蚀刻在寄生元介质基板上方，寄生元贴片上方设置有匹配槽，匹配槽用于改变寄生元贴片上的电流分布；馈电单元上设置有馈电贴片，馈电贴片位于寄生元贴片的正下方，且馈电贴片的形状与寄生元贴片的形状相同。通过本申请中的技术方案，提供一种低剖面宽带双极化介质填充微带天线，它可以实现较大的相对带宽，良好的宽角扫描能力，同时，采用了优化的填充介质，实现了微带天线的低剖面需求，并且结构简单，成本低，装配效率高。
本申请中的步骤可根据实际需求进行顺序调整、合并和删减。
本申请装置中的单元可根据实际需求进行合并、划分和删减。
尽管参考附图详地公开了本申请，但应理解的是，这些描述仅仅是示例性的，并非用来限制本申请的应用。本申请的保护范围由附加权利要求限定，并可包括在不脱离本申请保护范围和精神的情况下针对发明所作的各种变型、改型及等效方案。
Claims (6)
1.一种低剖面宽带双极化介质填充微带天线，其特征在于，所述微带天线由下至上依次为金属底板、馈电单元、介质框和寄生单元组成，所述介质框由PP、ABS或改性树脂制成，所述寄生单元，包括：寄生元介质基板和寄生元贴片；
所述寄生元贴片蚀刻在所述寄生元介质基板上方，所述寄生元贴片上方设置有匹配槽，所述匹配槽用于改变所述寄生元贴片上的电流分布；
所述馈电单元上设置有馈电贴片，所述馈电贴片位于所述寄生元贴片的正下方，且所述馈电贴片的形状与所述寄生元贴片的形状相同；
其中，所述馈电贴片为正方形，所述馈电单元还包括：馈电元介质基板和两个馈电点；
所述馈电元介质基板设置于所述馈电单元的下方，连接于所述金属底板，所述馈电元介质基板的中心位置处蚀刻有所述馈电贴片，所述馈电元介质基板上还设置有安装孔，所述安装孔用于将所述介质框和所述寄生单元安装于所述金属底板上；
两个所述馈电点之间的夹角为90度，两个所述馈电点分别位于所述馈电贴片相邻的两个顶点处，或者，两个所述馈电点分别位于所述馈电贴片相邻的两条边线上。
2.如权利要求1所述的低剖面宽带双极化介质填充微带天线，其特征在于，所述寄生元贴片的边长为0.32 
，所述匹配槽的长度为0.28
，所述匹配槽的两端为1/2所述匹配槽的槽宽的45度倒角，
所述匹配槽的外边线位于所述馈电贴片边线的正上方，
其中，
为天线的中心频率，所述匹配槽的槽宽由所述馈电贴片的边长和所述介质框的边长之差确定。
3.如权利要求1至2中任一项所述的低剖面宽带双极化介质填充微带天线，其特征在于，所述金属底板的中心位置处设置有压铆螺柱，所述馈电单元和所述寄生单元的中心位置处设置有通孔，所述馈电单元和所述寄生单元通过螺钉连接于所述压铆螺柱。
4.一种天线阵列，其特征在于，其由多个如权利要求1至3中任一项所述的低剖面宽带双极化介质填充微带天线构成。
5.一种天线频带展宽计算方法，其特征在于，所述天线频带展宽计算方法适用于天线阵列的待优化辐射单元中频带展宽的确定，所述天线阵列由多个如权利要求1至3中任一项所述的低剖面宽带双极化介质填充微带天线构成，所述天线频带展宽计算方法，包括：
步骤1，计算所述待优化辐射单元中的频带展宽系数，并根据所述频带展宽系数，将所述待优化辐射单元的展宽频带响应进行排序；
步骤2，计算相邻两个待优化辐射单元之间所述频带展宽系数的比值，当判定所述比值大于或等于约束阈值时，根据预设目标指标，在两个所述频带展宽系数之间，插值频带展宽优化系数，记作修订待优化展宽系数，其中，所述预设目标指标包括已优化辐射单元的天线频带和所述待优化辐射单元的天线频带之间的差异点、谐振点、天线单元方向图方向性系数中的至少一种；
步骤3，根据泰勒函数，计算所述修订待优化展宽系数对应的匹配措施的通用分布设置；
步骤4，采用分段式搜索算法，计算所述通用分布设置的分布性能，并根据所述分布性能之间的差异，确定对应的展宽频带响应，记作所述待优化辐射单元的频带展宽。
6.如权利要求5所述的天线频带展宽计算方法，其特征在于，步骤2中，插值频带展宽优化系数，具体包括：
当判定相邻的第i个和第i+1个待优化辐射单元的频带展宽系数的响应频点为强响应频点时，根据所述第i+1个待优化辐射单元的频带展宽系数，生成所述频带展宽优化系数，将第i+1个待优化辐射单元的频带展宽系数记作第i+2个待优化辐射单元的频带展宽系数，将所述频带展宽优化系数记作第i+1个待优化辐射单元的频带展宽系数；
重新计算并判断第i个和第i+1个待优化辐射单元的频带展宽系数的所述响应频点是否为属实强响应频点，若是，重新执行步骤2，若否，执行步骤3。
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