CN111987458A - 双频天线阵列中相邻矩形贴片间的去耦结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双频天线阵列中相邻矩形贴片间的去耦结构,包括介质基板,分别设置于基板下、上表面的金属接地板和两个对称的双频金属贴片;金属接地板上设置两个馈电探针,探针贯穿介质基板分别与两贴片接触;两贴片之间设置去耦枝节单元以及短路探针单元,实现两贴片之间空间波的去耦,短路探针设置在金属接地板上,并贯穿介质基板与去耦枝节单元相接触;两贴片上对称刻蚀U形槽,用于激起另一模式;金属接地板上刻蚀缺陷地结构,用于阻挡电流由一个贴片流向另一个贴片。贴片天线阵列具有剖面低,制作成本低,结构简单等优势,本发明的去耦结构保留了其原本的剖面低,制作简单等优点,不破坏天线原本的辐射性能,同时获得了良好的去耦效果。
Description
技术领域
本发明属于天线去耦技术领域,特别涉及一种双频天线阵列中相邻矩形贴片间的去耦结构。
背景技术
贴片天线阵列由于其低剖面、易于集成和形式多样化的性能,是MIMO系统中最典型的天线形式之一,在这样的发展趋势之下,对减少贴片天线单元之间互耦方面的研究络绎不绝。
一些典型的技术有:缺陷地结构(DGS),电磁带隙结构(EBG),引入中和线,去耦网络法,利用谐振结构去耦等。大多数的去耦方法都是针对单频工作的贴片天线阵列,但是随着应用的需求提高和技术提高,双频天线阵列逐渐成为了发展趋势和要求,文献“Dual-Band Metasurface-Based Decoupling Method for Two Closely Packed Dual-BandAntennas”中提出了一种利用超表面材料实现双频贴片天线的降耦,此种超表面材料位于贴片天线上方,破坏了贴片天线原有的低剖面特性,增加了贴片天线的尺寸,因此研究出能有效提高隔离度且保持原有天线阵紧凑特性的去耦方法具有一定的实际应用意义。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的问题,提供一种在提高去耦效果的同时不破坏天线阵列性能的去耦结构。
实现本发明目的的技术解决方案为:一种双频天线阵列中相邻矩形贴片间的去耦结构,所述结构包括:介质基板,设置于基板下表面的金属接地板,设置于基板上表面且关于上表面某一轴线对称的两个双频金属贴片;所述金属接地板上设置两个馈电探针,探针贯穿介质基板分别与两个双频金属贴片接触;所述两个双频金属贴片之间设置去耦枝节单元以及短路探针单元,所述去耦枝节单元用于实现两双频金属贴片之间空间波的去耦,所述短路探针设置在金属接地板上,并贯穿介质基板与去耦枝节单元相接触;所述两个双频金属贴片上对称刻蚀U形槽,用于激起另一模式,使贴片工作于双频段;所述金属接地板上刻蚀缺陷地结构,用于阻挡金属接地板表面电流由一个金属贴片流向另一个金属贴片。
本发明与现有技术相比,其显著优点为:1)本发明的去耦结构分为两部分,一部分为金属接地板上刻蚀的缺陷地结构,另一部分为贴片天线同一平面的去耦枝节以及插入介质基板中的短路探针,保留了原有的贴片天线阵列的低剖面特性的同时实现了阵列单元间的去耦;2)本发明的去耦效果较为良好,加入去耦结构后两个频段内的隔离度都低于-20dB,相较于原天线阵列,隔离度最高可降25.2dB;3)本发明去耦结构的加入没有明显恶化原有天线阵列的性能,例如带宽,方向增益图等。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为一个实施例中双频天线阵列中相邻矩形贴片间去耦结构的立体结构示意图。
图2为一个实施例中去耦结构的上层结构示意图。
图3为一个实施例中去耦结构的下层结构示意图。
图4为一个实施例中去耦前后S参数对比图。
图5为一个实施例中低频段方向增益对比图。
图6为一个实施例中高频段方向增益对比图。
具体实施方式
需要说明,若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……),则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等,如果该特定姿态发生改变时,则该方向性指示也相应地随之改变。
另外,若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述,则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外,各个实施例之间的技术方案可以相互结合,但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础,当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在,也不在本发明要求的保护范围之内。
在一个实施例中,结合图1,提供了一种双频天线阵列中相邻矩形贴片间的去耦结构,所述结构包括:介质基板2,设置于基板下表面的金属接地板1,设置于基板上表面且关于上表面某一轴线对称的两个双频金属贴片3、4;所述金属接地板1上设置两个馈电探针5、6,探针分别通过两个通孔23、24贯穿介质基板2分别与两个双频金属贴片3,4接触,实现馈电;所述两个双频金属贴片3,4之间设置去耦枝节单元以及短路探针单元,所述去耦枝节单元用于实现两双频金属贴片之间空间波的去耦,所述短路探针设置在金属接地板1上,并贯穿介质基板2与去耦枝节单元相接触(去耦枝节和探针可以有效的降低两天线间的空间波的耦合);所述两个双频金属贴片3,4上对称刻蚀U形槽7,8(此槽切断了原本贴片天线的表面电流,辐射出其它的模,使得天线可工作于双频段)用于激起另一模式,使贴片工作于双频段;所述金属接地板1上刻蚀缺陷地结构(相当于一个带阻滤波器),用于阻挡金属接地板1表面电流由一个金属贴片流向另一个金属贴片,有效的降低了两贴片天线间的耦合强度。
这里优选地,所述双频金属贴片3,4为矩形结构,两个双频金属贴片个数为两个,且形状、尺寸等完全相同。
这里,在所述矩形的基础上,所述U形槽的每条边都分别与矩形金属贴片的边平行,槽的宽度处处相等,沿着H面的槽缝较长,沿着E面的两条槽缝较短,且这两条槽缝靠近所述矩形贴片边缘。
这里,U形槽的尺寸和位置可调,用于实现激励所需要的频率的模式辐射。
进一步地,在其中一个实施例中,所述两个双频金属贴片3、4沿H面设置。
进一步地,在其中一个实施例中,所述去耦枝节单元在所述两个双频金属贴片3、4之间居中设置。
进一步地,在其中一个实施例中,所述去耦枝节单元包括沿所述轴线设置且沿E面分布的第一金属条13,与所述轴线垂直设置且沿H面分布的两对金属条,该两对金属条包括位于第一金属条13两端的第一对金属条9、12,以及位于所述第一对金属条9、12内侧的第二对金属条10、11;所述两对金属条中的每个金属条均关于所述第一金属条13的轴向对称。
这里,金属条的宽度相同。
进一步地,在其中一个实施例中,所述第一金属条13的长度大于所述双频金属贴片3、4的长度;所述第一对金属条9、12的长度大于第二对金属条10、11的长度。
进一步地,在其中一个实施例中,所述第一对金属条9、12中的一个金属条与其相邻的第二对金属条10、11中的一个金属条之间的距离,小于所述第二对金属条10、11中两个金属条之间的距离。
进一步地,在其中一个实施例中,所述短路探针单元包括两对短路探针,沿第一金属条13长度方向并关于该金属条中心对称设置,同时位于第二对金属条10、11的内侧。
这里,每个探针的半径及长度都相同。
这里,短路探针相当于引入了一个电感耦合,在去耦枝节中心点的左右两侧各引入了两个短路探针,实现了180度的相位滞后,可使得去耦枝节产生的新耦合信号与原本天线单元间的耦合信号有了180度的相位差,等幅反相可相抵消,由此实现空间波的去耦
进一步地,在其中一个实施例中,所述缺陷地结构包括平行于所述轴线且沿E面分布的两对窄缝,垂直于所述轴线且沿H面分布的第三窄缝18,该窄缝贯穿所述两对窄缝,且两对窄缝中的每一条狭缝均关于所述第三窄缝18的轴向对称;所述两对窄缝包括第一对窄缝14、17以及位于该对窄缝内侧的第二对窄缝15、16,第一对窄缝14、17中的两条窄缝、第二对窄缝15、16中的两条窄缝均关于同一对称轴对称。
这里,窄缝的宽度相同。
进一步地,在其中一个实施例中,所述第一对窄缝14、17的长度大于第二对窄缝15、16。
进一步地,在其中一个实施例中,所述第一对窄缝14、17中的一条窄缝与其相邻的第二对窄缝15、16中的一条窄缝之间的距离,小于所述第二对窄缝15、16中两条窄缝之间的距离。
作为一种具体示例,在其中一个实施例中,对本发明的双频天线阵列中相邻金属贴片间的去耦结构进行进一步验证说明。本实施例中双频天线阵列中相邻金属贴片间的去耦结构的尺寸规格如图2、图3所示。所采用的介质基板的相对介电常数为2.33,厚度为3.175mm,结合图2、图3,双频天线阵列中相邻矩形贴片间的去耦结构的各尺寸参数如下:
金属接地板与介质基片的宽W=80mm,长L=90mm,双频金属贴片长L1=23mm,宽W1=23mm,U形槽缝宽W2=1mm,沿着H面方向的缝长L2=20mm,沿着E面方向的缝长L3=5mm,馈电探针直径D1=1.2mm,去耦枝节宽度W3=2mm,沿着H面方向的外侧枝节长度L4=24.6mm,沿着H面方向的内侧枝节长度L5=18.6mm,内外侧枝节的距离L6=4.4mm,内外侧短路探针中心点距离L7=5.7mm,短路探针直径D2=1mm,外侧短路探针与内侧枝节距离L8=3.1mm,馈电探针与双频金属贴片宽边距离L9=3.2mm,馈电探针与双频金属贴片长边距离L10=11.5mm,金属接地板上刻蚀的圆形通孔直径D3=4.2mm,缺陷地结构窄缝宽度W4=1.2mm,内外侧窄缝距离W5=2.1mm,内侧两条窄缝间距离W6=8.2mm,外侧窄缝长度L11=61.6mm,内侧窄缝长度L12=48.2mm。
本实施例在电磁仿真软件HFSS.18中进行建模仿真。图4为加入去耦结构前和加入去耦结构后的S参数对比图,由图可知,在低频段-10dB工作带宽内,原相邻贴片天线的隔离度为-8.3dB,加入去耦结构后,在整个工作带宽内隔离度降至-20dB以下,有效的提高了隔离度。在高频段的-10dB工作带宽内,原相邻天线单元间的隔离度为-16.8dB左右,加入去耦结构后,整个工作带宽内的隔离度皆低于-20dB,且最高可降至-42dB,隔离度提高了-25.2dB左右。由此发现本发明去耦结构无论是在高频还是低频都实现了良好的去耦效果,且工作带宽没有发生减小的情况。
图5、图6给出了去耦前后低频段以及高频段的增益方向图,由图可发现,无论是高频段还是低频段,在E面以及H面上方向图都没有发生明显的畸变,且轴向增益没有发生减小,保持了原天线阵的辐射特性。
综上所述,本发明双频天线阵列中相邻金属贴片间的去耦结构,在保证天线辐射性能不变的情况下,可分别在低频段以及高频段都实现去耦效果,且最高可使隔离度提高-25.2dB左右,此去耦结构在MIMO系统应用中有着较好的前景。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解,本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理,在不脱离本发明精神和范围的前提下,本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (10)
1.一种双频天线阵列中相邻矩形贴片间的去耦结构,其特征在于,所述结构包括:介质基板(2),设置于基板下表面的金属接地板(1),设置于基板上表面且关于上表面某一轴线对称的两个双频金属贴片(3,4);所述金属接地板(1)上设置两个馈电探针(5,6),探针贯穿介质基板(2)分别与两个双频金属贴片(3,4)接触;所述两个双频金属贴片(3,4)之间设置去耦枝节单元以及短路探针单元,所述去耦枝节单元用于实现两双频金属贴片之间空间波的去耦,所述短路探针设置在金属接地板(1)上,并贯穿介质基板(2)与去耦枝节单元相接触;所述两个双频金属贴片(3,4)上对称刻蚀U形槽(7,8),用于激起另一模式,使贴片工作于双频段;所述金属接地板(1)上刻蚀缺陷地结构,用于阻挡金属接地板(1)表面电流由一个金属贴片流向另一个金属贴片。
2.根据权利要求1所述的双频天线阵列中相邻矩形贴片间的去耦结构,其特征在于,所述两个双频金属贴片(3,4)沿H面设置。
3.根据权利要求1所述的双频天线阵列中相邻矩形贴片间的去耦结构,其特征在于,所述去耦枝节单元在所述两个双频金属贴片(3,4)之间居中设置。
4.根据权利要求1所述的双频天线阵列中相邻矩形贴片间的去耦结构,其特征在于,所述去耦枝节单元包括沿所述轴线设置且沿E面分布的第一金属条(13),与所述轴线垂直设置且沿H面分布的两对金属条,该两对金属条包括位于第一金属条(13)两端的第一对金属条(9,12),以及位于所述第一对金属条(9,12)内侧的第二对金属条(10,11);所述两对金属条中的每个金属条均关于所述第一金属条(13)的轴向对称。
5.根据权利要求4所述的双频天线阵列中相邻矩形贴片间的去耦结构,其特征在于,所述第一金属条(13)的长度大于所述双频金属贴片(3,4)的长度;所述第一对金属条(9,12)的长度大于第二对金属条(10,11)的长度。
6.根据权利要求4所述的双频天线阵列中相邻矩形贴片间的去耦结构,其特征在于,所述第一对金属条(9,12)中的一个金属条与其相邻的第二对金属条(10,11)中的一个金属条之间的距离,小于所述第二对金属条(10,11)中两个金属条之间的距离。
7.根据权利要求4所述的双频天线阵列中相邻矩形贴片间的去耦结构,其特征在于,所述短路探针单元包括两对短路探针(19,20,21,22),沿第一金属条(13)长度方向并关于该金属条中心对称设置,同时位于第二对金属条(10,11)的内侧。
8.根据权利要求1所述的双频天线阵列中相邻矩形贴片间的去耦结构,其特征在于,所述缺陷地结构包括平行于所述轴线且沿E面分布的两对窄缝,垂直于所述轴线且沿H面分布的第三窄缝(18),该窄缝贯穿所述两对窄缝,且两对窄缝中的每一条狭缝均关于所述第三窄缝(18)的轴向对称;所述两对窄缝包括第一对窄缝(14,17)以及位于该对窄缝内侧的第二对窄缝(15,16),第一对窄缝(14,17)中的两条窄缝、第二对窄缝(15,16)中的两条窄缝均关于同一对称轴对称。
9.根据权利要求8所述的双频天线阵列中相邻矩形贴片间的去耦结构,其特征在于,所述第一对窄缝(14,17)的长度大于第二对窄缝(15,16)。
10.根据权利要求8所述的双频天线阵列中相邻矩形贴片间的去耦结构,其特征在于,所述第一对窄缝(14,17)中的一条窄缝与其相邻的第二对窄缝(15,16)中的一条窄缝之间的距离,小于所述第二对窄缝(15,16)中两条窄缝之间的距离。
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