CN111162379A - 基于双层贴片天线的极化可调天线阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于双层贴片天线的极化可调天线阵列，包括多个阵元天线。阵元天线包括上金属贴片以及下金属贴片，分别覆盖在上介质层和下介质层的顶部。其中，上金属贴片包含对称布置的四块尺寸一致的矩形贴片。每块贴片都有一角各自与下金属贴片的一角形成重叠区域以实现层间的电磁耦合。下金属贴片通过相连接的微带线以及SMA接头进行馈电。所述阵元天线具有频带宽、增益高的优点。阵元天线能够绕轴向方向旋转，因此通过调整阵元天线的角度便可以实现天线阵列在垂直极化、水平极化或者其他角度线性极化之间的转换，解决了传统垂直极化或者水平极化天线阵列只能单一应对垂直极化或者水平极化电磁波的问题。

Description

基于双层贴片天线的极化可调天线阵列
技术领域
本发明涉及通讯技术领域，具体地，涉及一种基于双层贴片天线的极化可调天线阵列。
背景技术
在现代通信领域内，为了能够更远、更高效地传播或者接收无线电信号，通信系统的发射端或者接收端常采用天线阵列的形式来提高增益、增强方向性以及抑制旁瓣的干扰。
无论军用还是民用通信设备，常用天线的极化方式包括垂直极化和水平极化。这两种方式各有优缺点。例如，由于城市内的无线电干扰大多以垂直极化波的形式存在，因此，采用水平极化的方式有利于抗干扰，并且水平极化波与地面反射波的相位角较小，可以有效地避免垂直极化情况下直射波和地面反射波相互抵消的问题。然而，相较于垂直极化波，水平极化波也存在不易接收的问题。这是由于，很难准确稳定地摆放水平极化天线使得它与发射天线的水平度时刻保持一致，尤其是在移动通信的情况下。
传统的天线阵列由多个固定的阵元天线构成。因此，阵元天线的极化形式一旦确定，传统天线阵列的极化形式也即确定。这意味着传统天线阵列能否有效发射或者接收信号取决于收发系统之间无线电波的极化形式是否统一。而若以整体旋转传统天线阵列的方法来改变垂直和水平的极化方式，又在很大程度上受到天线阵列重量、体积和所处空间的限制。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于双层贴片天线的极化可调天线阵列。
根据本发明提供的一种基于双层贴片天线的极化可调天线阵列，包括多个阵元天线；
所述阵元天线包括上金属贴片10、上介质层11、下金属贴片20、下介质层21、金属地40、SMA接头50以及金属底托60；
所述上金属贴片10、上介质层11、下金属贴片20、下介质层21、金属地40依次安装在金属底托60上；
所述上金属贴片10包括对称布置的四块尺寸一致的矩形贴片；
所述下金属贴片20通过与下金属贴片20连接的SMA接头50进行馈电；
所述阵元天线能够绕轴向方向旋转。
优选地，所述上金属贴片10上的四块矩形贴片各有一角分别与下金属贴片20形成重叠区域。
优选地，还包括金属隔离环30；
所述金属底托60中心设置有阶梯形通孔以及向通孔中心延伸的支撑台61；
所述金属隔离环30套装在上金属贴片10、上介质层11、下金属贴片20、下介质层21、金属地40的周向外侧且匹配装配在阶梯形通孔内部并安装在支撑台61上。
优选地，所述上介质层11、下介质层21都采用Rogers RT/duriod 6002基带板；
所述上介质层11、下介质层21的相对介电常数都为2.94，厚度都为1.016mm。
优选地，所述下金属贴片20为长方形结构，下金属贴片20还连接有的微带线22；
所述下介质层21上设置有SMA接头金属针过孔211；
所述金属地40上设置有金属地孔41；
所述SMA接头50依次穿过金属地孔41、SMA接头金属针过孔211与微带线22电连接。
优选地，所述上金属贴片10上的四块矩形贴片长度都为9.53㎜；
所述上金属贴片10上的四块矩形贴片宽度都为7.63㎜。
优选地，所述四个重叠区域都为长方形，所述重叠区域的长度为0.95㎜；
所述重叠区域的宽度为0.805㎜。
优选地，所述微带线22的宽度为1.7㎜；
所述下金属贴片20的长度为9.93㎜；
所述下金属贴片20的宽度为8.03㎜。
优选地，包括256个阵元天线；
所述256个阵元天线按照16×16的平面矩形阵列布置；
所述相邻阵元天线之间间距为36.2mm。
优选地，所述阵元天线在10dB时工作频段为6.92GHz至8.05GHZ。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明中阵元天线能够绕通过上介质层11、下介质层21圆心且垂直于上介质层11、下介质层21的轴向方向旋转，通过调整阵元天线的角度便可以实现天线阵列在垂直极化、水平极化或者其他角度线极化之间的转换，解决了传统垂直极化或者水平极化天线阵列只能单一应对垂直极化或者水平极化电磁波的问题，实用性强。
2、本发明的阵元天线采用双层贴片天线结构，且上金属贴片包含的四块矩形贴片都与下金属贴片形成重叠区域以实现层间的电磁耦合，具有工作频带宽、增益高的优点。
3、本发明通过SMA接头和微带线对下金属贴片20进行馈电，结构简单，易于实现天线与后端电路的集成。
4、本发明的阵元天线的周向设置有金属隔离环30，能够有效降低在布阵时阵元天线之间的耦合效应。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的结构爆炸示意图；
图2为双层结构贴片天线的|S11|参数；
图3为双层结构贴片天线H面方向图；
图4为双层结构贴片天线E面方向图；
图5为水平极化模式下16×16天线阵列结构示意图；
图6为垂直极化模式下16×16天线阵列结构示意图；
图7水平极化模式下16×16天线阵列H面方向图；
图8水平极化模式下16×16天线阵列E面方向图；
图9为水平极化模式下阵元天线的结构放大示意图。
图中示出：
Figure BDA0002350545870000041
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
根据本发明提供的一种基于双层贴片天线的极化可调天线阵列，如图1所示，采用双层结构的贴片天线，包括多个阵元天线，所述阵元天线包括上金属贴片10、上介质层11、下金属贴片20、下介质层21、金属地40、SMA接头50以及金属底托60；所述金属地40、下介质层21、下金属贴片20、上介质层11、上金属贴片10依次安装在金属底托60上；所述上金属贴片10包括对称布置的四块尺寸一致的矩形贴片；所述下金属贴片20通过与下金属贴片20连接的SMA接头50进行馈电；所述阵元天线能够绕轴向方向旋转。在一个优选例中，下金属贴片20为长方形结构，下金属贴片20还连接有的微带线22，所述下介质层21上设置有SMA接头金属针过孔211，所述金属地40上设置有金属地孔41，所述SMA接头50依次穿过金属地孔41、SMA接头金属针过孔211与微带线22电连接，应该指出的是，如图1所示，SMA接头50一端设置有与微带线22相连接的SMA接头金属针51。本发明馈电结构简单，且易于实现天线与后端电路的集成。
进一步地，在一个优选例中，所述微带线22的宽度为1.7㎜，所述下金属贴片20的长度为9.93㎜；所述下金属贴片20的宽度为8.03㎜。
更进一步地，如图1、图9所示，所述上金属贴片10上的四块矩形贴片各有一角分别与下金属贴片20形成重叠区域以实现层间的电磁耦合，具有工作频带宽、增益高的优点。在一个优选例中，所述重叠区域为长方形区域，所述重叠区域的长度为0.95㎜，所述重叠区域的宽度为0.805㎜，所述下金属贴片20通过SMA接头以及与下金属贴片20连接的微带线22进行馈电，所述微带线22的宽度为1.7㎜，所述阵元天线具有频带宽、增益高的优点。
具体地，如图1所示，所述金属底托60中心设置有阶梯形通孔以及向通孔中心延伸的支撑台61，所述金属隔离环30套装在上金属贴片10、上介质层11、下金属贴片20、下介质层21、金属地40的周向外侧且匹配装配在阶梯形通孔内部并安装在支撑台61上。
优选地，在一个优选例中，如图1、图9所示，所述上金属贴片10上的四块矩形贴片长度都为9.53㎜；所述上金属贴片10上的四块矩形贴片宽度都为7.63㎜。
具体地，如图1所示，上金属贴片10、上介质层11、下金属贴片20、下介质层21、金属地40的周向设置有金属隔离环30，所述金属隔离环30的作用为降低在布阵时阵元天线之间的耦合效应。
具体地，所述上介质层11、下介质层21都采用Rogers RT/duriod 6002基带板；所述上介质层11、下介质层21的相对介电常数都为2.94，厚度都为1.016mm。
具体地，利用电磁仿真软件Ansys HFSS进行仿真，如图2所示，本发明天线阵列的10dB工作带宽为6.92GHz至8.05GHZ，当工作带宽在7.5GHZ时，H面和E面的方向图分别如图3和图4所示。可见，该天线几何中心正上方的增益约为9.76dBi，而H面和E面上的3dB波束宽度分别为-29.99°至29.72°和-38.44°至22.19°。
具体地，在一个优选例中，利用该双层贴片结构的贴片天线设计了一个包括256个阵元天线的天线阵列，256个阵元天线按照16×16的平面矩形阵列布置，每个阵元天线之间间距为36.2mm。图5展示了水平极化模式下的结构图。利用泰勒综合法计算出所有旁瓣都低于主瓣峰值30dB时各阵元天线的激励幅度，并代入电磁仿真软件Ansys HFSS进行仿真。由图7和图8可见，当工作在7.5GHZ时，天线阵列主波束的最大增益为32.58dBi。H面和E面的3dB波束宽度分别为-2.19°至2.19°、-2.22°至2.15°。
进一步地，所述阵元天线能够绕轴向方向旋转，因此，统一调整阵元天线的角度便可以实现天线阵列在垂直极化、水平极化或者其他角度线极化之间的转换。如图6所示，将图5中的所有阵元天线都顺时针旋转90°，则可得到垂直极化模式下的天线阵列。泰勒综合法算出的激励幅度依然有效。Ansys HFSS的仿真结果显示最大增益依然为32.58dBi，而H面和E面的方向图则为水平极化模式下H面和E面的方向图的对调。
除了水平极化和垂直极化，本发明的天线阵列还可形成其他线性极化，以适应电场在其他方向上波动的电磁信号。此时，只需将所有阵元天线统一调至相应角度即可。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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申请和简化描述，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，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种基于双层贴片天线的极化可调天线阵列，其特征在于，包括多个阵元天线；
所述阵元天线包括上金属贴片(10)、上介质层(11)、下金属贴片(20)、下介质层(21)、金属地(40)、SMA接头(50)以及金属底托(60)；
所述上金属贴片(10)、上介质层(11)、下金属贴片(20)、下介质层(21)、金属地(40)依次安装在金属底托(60)上；
所述上金属贴片(10)包括对称布置的四块尺寸一致的矩形贴片；
所述下金属贴片(20)通过与下金属贴片(20)连接的SMA接头(50)进行馈电；
所述阵元天线能够绕轴向方向旋转。
2.根据权利要求1所述的基于双层贴片天线的极化可调天线阵列，其特征在于，所述上金属贴片(10)上的四块矩形贴片各有一角分别与下金属贴片(20)形成重叠区域。
3.根据权利要求1所述的基于双层贴片天线的极化可调天线阵列，其特征在于，还包括金属隔离环(30)；
所述金属底托(60)中心设置有阶梯形通孔以及向通孔中心延伸的支撑台(61)；
所述金属隔离环(30)套装在上金属贴片(10)、上介质层(11)、下金属贴片(20)、下介质层(21)、金属地(40)的周向外侧且匹配装配在阶梯形通孔内部并安装在支撑台(61)上。
4.根据权利要求1所述的基于双层贴片天线的极化可调天线阵列，其特征在于，所述上介质层(11)、下介质层(21)都采用Rogers RT/duriod 6002基带板；
所述上介质层(11)、下介质层(21)的相对介电常数都为2.94，厚度都为1.016mm。
5.根据权利要求1所述的基于双层贴片天线的极化可调天线阵列，其特征在于，所述下金属贴片(20)为长方形结构，下金属贴片(20)还连接有的微带线(22)；
所述下介质层(21)上设置有SMA接头金属针过孔(211)；
所述金属地(40)上设置有金属地孔(41)；
所述SMA接头(50)依次穿过金属地孔(41)、SMA接头金属针过孔(211)与微带线(22)电连接。
6.根据权利要求1所述的基于双层贴片天线的极化可调天线阵列，其特征在于，所述上金属贴片(10)上的四块矩形贴片长度都为9.53㎜；
所述上金属贴片(10)上的四块矩形贴片宽度都为7.63㎜。
7.根据权利要求2所述的基于双层贴片天线的极化可调天线阵列，其特征在于，所述四个重叠区域都为长方形，所述重叠区域的长度为0.95㎜；
所述重叠区域的宽度为0.805㎜。
8.根据权利要求5所述的基于双层贴片天线的极化可调天线阵列，其特征在于，所述微带线(22)的宽度为1.7㎜；
所述下金属贴片(20)的长度为9.93㎜；
所述下金属贴片(20)的宽度为8.03㎜。
9.根据权利要求1所述的基于双层贴片天线的极化可调天线阵列，其特征在于，包括256个阵元天线；
所述256个阵元天线按照16×16的平面矩形阵列布置；
所述相邻阵元天线之间间距为36.2mm。
10.根据权利要求1所述的基于双层贴片天线的极化可调天线阵列，其特征在于，所述阵元天线在10dB时工作频段为6.92GHz至8.05GHZ。
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CN112332106A (zh) * 2020-09-15 2021-02-05 上海大学 一种极化和相位360度可调的透镜单元

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