CN112117532B - 基于微带天线的紧凑型低耦合三极化回溯阵及三极化mimo天线单元 - Google Patents

基于微带天线的紧凑型低耦合三极化回溯阵及三极化mimo天线单元 Download PDF

Info

Publication number
CN112117532B
CN112117532B CN202010804727.0A CN202010804727A CN112117532B CN 112117532 B CN112117532 B CN 112117532B CN 202010804727 A CN202010804727 A CN 202010804727A CN 112117532 B CN112117532 B CN 112117532B
Authority
CN
China
Prior art keywords
polarization
metal patch
antenna
triple
backtracking
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202010804727.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112117532A (zh
Inventor
朴大志
左杰
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Communication University of China
Original Assignee
Communication University of China
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Communication University of China filed Critical Communication University of China
Priority to CN202010804727.0A priority Critical patent/CN112117532B/zh
Publication of CN112117532A publication Critical patent/CN112117532A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112117532B publication Critical patent/CN112117532B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/36—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith
    • H01Q1/38—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith formed by a conductive layer on an insulating support
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/48—Earthing means; Earth screens; Counterpoises
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/50—Structural association of antennas with earthing switches, lead-in devices or lightning protectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/24—Combinations of antenna units polarised in different directions for transmitting or receiving circularly and elliptically polarised waves or waves linearly polarised in any direction
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/0407—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02D—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES [ICT], I.E. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES AIMING AT THE REDUCTION OF THEIR OWN ENERGY USE
    • Y02D30/00—Reducing energy consumption in communication networks
    • Y02D30/70—Reducing energy consumption in communication networks in wireless communication networks

Landscapes

  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
  • Waveguide Aerials (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于微带天线的紧凑型低耦合三极化回溯阵及三极化MIMO天线单元，包括多个天线对，每个天线对均由两个通过传输线连接的关于回溯阵中心对称的三极化回溯阵列单元构成，所述传输线的长度相等或相差传输线波长的整数倍；所述三极化回溯阵列单元通过发射和接收三个正交极化分量的电磁波，使其构成的三极化回溯阵对任意极化方向的来波进行回溯；所述三极化回溯阵列单元在同一谐振频率下具有三个相互正交的辐射模式，包括两个微带天线辐射模式和一个单极子天线辐射模式，所述单极子天线辐射模式与微带天线辐射模式的方向图互补，通过单极子天线辐射模式与微带天线辐射模式的方向图的角度分集来扩宽构成的三极化回溯阵产生回溯效果的入射角度范围。

Description

基于微带天线的紧凑型低耦合三极化回溯阵及三极化MIMO天线单元
技术领域
本发明涉及通信技术的天线领域，具体涉及一种基于微带天线的紧凑型低耦合三极化回溯阵及三极化MIMO天线单元。
背景技术
回溯阵系统最显著的特性是，在接收到某方向的入射波后，不需要任何入射波到达方向的先验信息就可以自动跟踪入射波方向，并将阵列主波束对准来波方向，实现定向辐射。这种阵的回溯功能是通过对阵元相位的控制来实现的，等效于对入射信号的时域反转和频域的相位共轭。这种回溯和能量的空间聚焦功能以及较高的链路增益和波束自跟踪功能特别适合应用于近年来兴起的远场无线功率传输(wireless power transmission，WPT)系统，可以对处于不同位置的设备实现自动无线充电。此外，回溯阵还具有结构简单、反应迅速和不需要复杂信号处理等优势，可广泛用于地面移动通信系统、卫星通信系统、车辆导航与防撞系统、微波成像和探测系统，以及RFID等系统。
下面以远场WPT系统为例，对其工作原理和天线阵设计的挑战进行阐述。与基于感应耦合的近场WPT系统不同，远场WPT系统要求电子设备和充电单元的天线都可以在各自的远场范围工作，最大的难点是要求充电单元的天线能够在尽量宽的角度范围内进行探测并自动跟踪一个移动用户，同时要求天线能够直接、定向、高效地向被充电设备辐射能量以避免不必要的电磁辐射功率和干扰，并减小对人体的电磁辐射。而回溯阵可以很好地解决这个问题，当需要充电的设备发出一个信标信号被回溯阵接收到以后，回溯阵可以自动向入射信号方向发射信号，完成无线充电的功能。为了使此系统能够更灵活、方便和高效地为处于不同方位的用户服务，对其充电单元的天线设计提出了一些挑战：1)要求形成一个高指向性的天线，并且能够自动向入射信号方向逆向辐射，2)要求天线阵在尽量宽的角度内具有回溯功能，3)为了减少极化失配，要求天线阵对入射信号的极化不敏感，即对各个极化方向的入射信号都具有良好的回溯性能。
回溯阵可以通过很多方式来实现，比如角反射器、Van Atta阵和相位共轭阵(PON阵)等。其中Van Atta阵是一种结构简单、成本较低的实现方式，并具有很好的回溯和功率聚焦能力。Van Atta阵是由L.C.Van Atta在1959年提出的，通过传输线两两连接关于天线阵中心对称的阵元，传输线的长度相等或相差传输线波长的整数倍，使其可以在来波方向上获得最大的散射场。此外，它不需要任何外部处理来实现相位共轭的功能，使电路的设计更加简化。
为了满足上面所提出的回溯阵在WPT和其他应用中所面临的挑战，目前在回溯阵设计中所面临和急需解决的问题主要可以归纳为以下二方面：1)回溯角度范围有限，2)极化失配问题，尤其是能够同时解决这两个问题的设计还很缺乏。
目前回溯阵的设计已有一些采用单极化、圆极化以及双极化的天线作为阵元，但仍然不能很好地解决上述问题。比如，专利ZL201721217726.6公开了一种极化旋转回溯阵，其使用±45°极化的双馈方形微带贴片天线做阵元，能够对任意极化方向的入射波产生极化正交的回溯波，但此回溯阵的单站RCS的-3dB波束宽度小于90°，有待提高；专利ZL201711274062.1公开了一种双极化回溯整流天线阵列，提出由双极化微带天线单元和差分整流电路组成的方向回溯整流天线阵，其单站RCS的-3dB波束宽度小于100°，仍有待提高。专利ZL201710245241.6公开了一种基于单个辐射体的紧凑型单层平面结构三极化MIMO天线，其通过在圆形贴片的三个不同位置激励出三个正交的辐射模式，包括两个正交的微带模式和一个极化方向垂直辐射贴片的单极子模式，由于单极子模式为TM02模式，高次模的引入使得天线尺寸大于0.5λ0。专利ZL201911113327.9公开了一种基于平面结构的紧凑型低耦合三极化MIMO天线，其通过添加寄生贴片和内圈过孔来实现等效电容的增大，达到天线单元小型化的目的，虽然其单元尺寸小于0.5λ0，但是辐射贴片的大小与介质板的大小接近，辐射贴片靠近介质板的边缘，如果直接将这种三极化MIMO天线单元排列起来构成回溯阵会使单元之间产生较大的耦合，导致回溯阵无法正常工作。
任何天线阵的性能都与所用天线单元的辐射特性有关，因此Van Atta阵的扫描与回溯性能也会受到其天线单元的极化特性和辐射方向图的重要影响。已有回溯阵通常由一些简单的辐射单元构成，包括电偶极子，微带贴片天线和缝隙天线等。
现有回溯阵设计的主要缺点包括：(1)接收信号时容易产生极化失配而导致能量损失，特别是对于由单极化的天线阵元所构成的回溯阵，如果入射波的极化方向与天线阵元极化方向正交时，回溯阵将完全无法工作。如果回溯阵由圆极化的天线阵元构成，在接收入射波时，由于圆极化天线的工作特点，对任意极化方向的线极化入射波都将损失一半的能量。(2)对于使用正交的双极化微带天线做阵元的回溯阵，由于这些微带天线一般在边射方向产生最大辐射，而偏离边射方向则导致辐射功率减小，从而导致回溯阵产生回溯效果的角度范围受限。
发明内容
发明目的：为了解决已有回溯阵设计中突出存在的极化失配和回溯角度范围受限的问题，本申请从天线单元的选择出发，提出了一种基于微带天线的三极化回溯阵及三极化MIMO天线，对入射电磁波进行逆向再辐射，可应用在无线功率传输，卫星通信和无线通信等领域。
技术方案：一种基于微带天线的紧凑型低耦合三极化回溯阵，包括多个天线对，每个所述天线对均由两个通过传输线连接的关于回溯阵中心对称的三极化回溯阵列单元构成，所述传输线的长度相等或相差传输线波长的整数倍；
所述三极化回溯阵列单元通过发射和接收三个正交极化分量的电磁波，使其构成的三极化回溯阵对任意极化方向的来波进行回溯；
所述三极化回溯阵列单元在同一谐振频率下具有三个相互正交的辐射模式，包括两个微带天线辐射模式和一个单极子天线辐射模式，所述单极子天线辐射模式与微带天线辐射模式的方向图互补，通过单极子天线辐射模式与微带天线辐射模式的方向图的角度分集来扩宽构成的三极化回溯阵产生回溯效果的入射角度范围。
进一步的，每个天线对中，在各三极化回溯阵列单元的激励端口处放入金属过孔，采用微带传输线将这些金属过孔二二相连。
进一步的，所述三极化回溯阵列单元为三极化MIMO天线单元。
进一步的，所述三极化MIMO天线单元包括一个天线接地金属板、两层介质板、一个主辐射体金属贴片、一个寄生金属贴片、多个用于连接主辐射体金属贴片和寄生金属贴片的第一金属过孔、多个用于连接主辐射体金属贴片和天线接地金属板的第二金属过孔、第一馈电端口、第二馈电端口和第三馈电端口；所述主辐射体金属贴片覆于双层介质板的顶面且主辐射体金属贴片的大小应小于两层介质板的大小，所述寄生金属贴片置于两层介质板之间，所述第一馈电端口给寄生金属贴片中心馈电，并通过多个第一金属过孔馈入到主辐射体金属贴片上；第二馈电端口和第三馈电端口分别在主辐射体金属贴片上的x轴和y轴位置激励，最终得到同一谐振频率下的三个相互正交的辐射模式，即两个微带天线辐射模式和一个TM02单极子天线辐射模式，它们是两个水平极化的电场和一个垂直极化的电场，构成三极化天线。
进一步的，所述主辐射体金属贴片为方形金属贴片，所述寄生金属贴片为圆形金属贴片。
进一步的，所述寄生金属贴片的中心和主辐射体金属贴片的中心在同一竖直方向上，所述寄生金属贴片的尺寸小于主辐射体金属贴片的尺寸。
本发明还公开了一种三极化MIMO天线单元，用于构建阵元间距小于0.5λ0的紧凑型低耦合三极化回溯阵，其中，λ0为中心频率下的自由空间波长。
进一步的，包括一个天线接地金属板、两层介质板、一个主辐射体金属贴片、一个寄生金属贴片、多个用于连接主辐射体金属贴片和寄生金属贴片的第一金属过孔、多个用于连接主辐射体金属贴片和天线接地金属板的第二金属过孔、第一馈电端口、第二馈电端口和第三馈电端口；该主辐射体金属贴片覆于双层介质板的顶面，该主辐射体金属贴片的任意一边与两层介质板的边缘均存在间距；所述寄生金属贴片置于两层介质板之间，所述第一馈电端口给寄生金属贴片中心馈电，并通过多个第一金属过孔馈入到主辐射体金属贴片上；第二馈电端口和第三馈电端口分别在主辐射体金属贴片上的x轴和y轴位置激励，最终得到同一谐振频率下的三个相互正交的辐射模式，即两个微带天线辐射模式和一个TM02单极子天线辐射模式，它们是两个水平极化的电场和一个垂直极化的电场，构成三极化天线。
进一步的，所述寄生金属贴片的中心和主辐射体金属贴片的中心在同一竖直方向上，所述寄生金属贴片的尺寸小于主辐射体金属贴片的尺寸。
进一步的，所述主辐射体金属贴片为方形金属贴片，所述寄生金属贴片为圆形金属贴片。
有益效果：本发明采用三极化MIMO天线作为阵元来构成回溯阵，具有以下优点：
(1)本发明的三极化MIMO天线阵元能够发射和接收三个正交极化分量的电磁波，因此能够对任意极化方向的来波进行有效地接收和再辐射，从而对任意极化方向的来波产生回溯功能；
(2)本发明的三极化MIMO天线阵元在双极化微带天线的基础上，增加了极化分量垂直于辐射贴片的单极子模式，单极子模式的辐射方向图在贴片的端射方向产生最大辐射，而微带模式方向图的最大辐射位于边射方向，因此单极子与微带模式的方向图产生互补效果，从而可以通过微带模式和单极子模式方向图的角度分集来扩宽三极化回溯阵列产生回溯效果的入射角度范围；
(3)本发明的三极化MIMO天线阵列在多路径环境中，能够更有效地利用多径信号的能量，使回溯信号的功率与单极化和双极化回溯阵相比明显增加。
附图说明
图1是本发明实施例中一种三极化回溯阵列的阵元的结构示意图，其中：图1(a)是俯视图，图1(b)为三维立体结构，图1(c)是侧视图；
图2是本发明实施例中三极化MIMO天线单元的S参数仿真结果；
图3(a)、图3(b)分别是本发明实施例中的三极化MIMO天线单元第一端口1馈电时的E面和H面辐射方向图；
图4是本发明实施例中的三极化MIMO天线单元第一端口1馈电时的电场分布图，其中：图4(a)、图4(b)分别为顶层辐射贴片6和中间层贴片7上的电场分布；
图5(a)、图5(b)分别是本发明实施例中的三极化MIMO天线单元第二端口2激励时的E面和H面辐射方向图。；
图6是本发明实施例中的三极化天线第二端口2馈电时的电场分布图，其中，图6(a)、图6(b)分别为顶层辐射贴片6和中间层贴片7上的电场分布；
图7(a)、图7(b)分别是本发明实施例中的三极化MIMO天线单元第三端口3激励时的E面和H面辐射方向图；
图8是本发明实施例中的三极化天线第三端口3馈电时的电场分布图，其中：图8(a)、图8(b)分别为顶层辐射贴片6和中间层贴片7上的电场分布；
图9是本发明实施例中三极化回溯阵列，其中：图9(a)是其俯视图，图9(b)是三极化回溯阵列的侧视图；
图10是三极化回溯阵列在yoz面的单站RCS，其中：图10(a)、图10(b)分别是三极化回溯阵列对TE平面波(极化方向垂直入射面)和TM平面波(极化方向在入射面内)的单站RCS，其中包括三极化回溯阵列与单极化和双极化回溯阵列对比的单站RCS。
具体实施方式
现结合附图和实施例进一步阐述本发明的技术方案。
本实施例对专利申请号201911113327.9中公开的三极化MIMO天线单元进行了改进，主要体现在以下方面：1)馈电方式不同：本实施例通过分层馈电的方式，端口1先将信号馈入寄生金属贴片上，再通过多个金属过孔对称的馈入到主辐射金属贴片上；而专利申请号201911113327.9中端口1是直接将信号馈入到顶层辐射贴片上；2)改变辐射贴片的形状：将专利申请号201911113327.9中辐射贴片的形状由圆形改成方形。通过以上两种设计来降低天线的辐射贴片尺寸和整体尺寸。具体表现在，虽然本实施例的天线单元的整体尺寸为0.483λ0×0.483λ0×0.039λ0，其中，λ0为中心频率下的自由空间波长，相比于专利申请号201911113327.9中的天线单元的整体尺寸：0.490λ0×0.490λ0×0.035λ0并没有明显缩小，但是辐射贴片由原来的直径为0.490λ0的圆形贴片改成了0.387λ0×0.387λ0的方形贴片。这样的好处是：如果一个天线阵的阵元间距大于0.5λ0，则天线阵在辐射时容易产生栅瓣，以前天线单元的尺寸已经非常接近0.5λ0，为了获得间距小于0.5λ0的回溯阵，必须将这些天线单元紧密排列，然而，由于其辐射贴片非常靠近天线边缘，如果将这种天线单元紧密排列则会产生较大的耦合，严重影响天线的辐射性能，因此需要使它们间隔足够大的距离才能获得较低的耦合，导致阵元间距大于0.5λ0，无法构成阵元间距小于0.5λ0的回溯阵。而本实施例中通过以上二种设计使辐射贴片的尺寸缩小而保持天线的工作频率不变，利用改进后的天线单元进行紧密排列也不会产生较大耦合，从而可以实现阵元间距小于0.5λ0的回溯阵，消除栅瓣。现结合图1到图8介绍本实施例的三极化回溯阵列单元的设计思路和工作原理。
如图1所示，本实施例的三极化回溯阵列单元由三个同轴线馈电端口1、2、3，一个天线接地金属板4，一个双层介质板5，一个作为主辐射体金属贴片的方形金属贴片6，一个作为寄生金属贴片的圆形金属贴片7，十二个连接圆形金属贴片7和方形金属贴片6的内圈金属过孔8，八个连接方形金属贴片6和接地金属板4的外圈金属过孔9构成。
其中，在一些实施例中，天线接地金属板4可采用接地矩形金属贴片，双层介质板5包括上层介质板和下层介质板，采用堆叠放置的结构，介质板的材料相同，介质板的厚度相同。方形金属贴片6覆于上层介质板的顶面，作为主辐射贴片，圆形金属贴片7设置在上层介质板和下层介质板之间，端口1给圆形金属贴片7馈电后，经十二个内圈金属过孔8将信号传输到主辐射贴片6，天线接地金属板4设置在下层介质板的底面，天线接地金属板4的大小与下层介质板的底面积相同。
本实施例的双层介质板5的材料为介电常数4.4损耗角正切0.0025的F4B材料，以原点为中心堆叠置于xoy面，其边长为25mm，天线整体尺寸为0.483λ0×0.483λ0×0.039λ0(λ0为中心频率5.8GHz下的自由空间波长)；圆形金属贴片7置于两层介质板之间，圆形金属贴片7和方形金属贴片6的中心同在z轴上；内圈金属过孔8绕z轴在xoy面对称放置，相邻过孔与原点的夹角是30°，每个过孔半径相等，到原点的距离也相等，每个过孔穿过上层介质板，连接圆形金属贴片7和方形金属贴片6；外圈金属过孔9绕z轴在xoy面对称放置，相邻过孔与原点的夹角是45°，每个过孔半径相等，到原点的距离也相等，每个过孔穿过两层介质板5，连接方形金属贴片6和天线接地金属板4；三个馈电端口1,2,3均用特性阻抗为50Ω的SMA同轴线馈电，端口1直接给圆形金属贴片7中心进行馈电，端口2和端口3距离方形金属贴片6的中心的距离相等，端口2和端口3分别在方形金属贴片6上的x轴和y轴位置激励。
参阅图2，为三极化MIMO天线单元的S参数，可以看出，天线-10dB反射系数对应的阻抗带宽为90MHz(5.75GHz～5.84GHZ)，在中心频率5.8GHz时，端口1和端口2间的耦合为S12＝-13.6dB，端口2和端口3间耦合为S23＝-22.5dB。
参阅图3(a)、图3(b)，分别为三极化MIMO天线单元端口1馈电时的E面和H面辐射方向图，其激励出单极子辐射模式，在xoz面和yoz面的主极化均为倒“8”字形，xoy面的主极化为圆形，可以看出天线在xoy面的辐射场较大，其最大增益为1.96dBi。
图4是三极化MIMO天线单元端口1馈电时的电场分布图，图4(a)为方形金属贴片6上的电场分布，图4(b)为圆形金属贴片7上的电场分布，将两个电场综合在一起考虑，可以发现其为TM02辐射模式。
图5(a)、图5(b)分别是三极化MIMO天线单元端口2激励时的E面和H面辐射方向图。图6是本三极化天线端口2馈电时的电场分布图，可以发现其为微带辐射模式，TM11模式，其最大场强辐射方向沿z轴方向，产生最大辐射增益为7.65dBi。
图7(a)、图7(b)分别是三极化MIMO天线单元端口3激励时的E面和H面辐射方向图。图8是三极化天线端口3馈电时的电场分布图，为微带辐射模式，TM11模式。
现采用上述三极化MIMO天线单元作为天线阵元，采用4个图1所示的天线阵元沿y轴方向排列成均匀直线阵，组成三极化回溯阵，具体结构可参见图9，天线阵元中心间距为0.483λ0，该回溯阵共有4个单元12个激励端口，其中4个单元产生沿x轴方向极化的辐射场的端口依次为12、22、32、42；产生沿y轴方向极化的辐射场的端口依次为13、23、33、43；产生沿z轴方向极化的辐射场的端口依次为11、21、31、41。将4个单元印刷在同一块介质板上，4个单元具有共同的天线地，天线地的大小和介质板的底面大小相同。然后，在天线阵的下端增加一层介质基板10，该介质基板使用介电常数4.4损耗角正切0.0025的F4B材料。在这12个激励端口处放入金属过孔，连接至下层介质板的底面，并使用微带传输线将这些金属过孔二二相连。为了方便布线，在x轴方向，下层介质板比上层介质板的尺寸大，天线接地金属板4在下层介质板的上方，且天线接地金属板4和下层介质板等大。
微带布线如下：使用长度为1.85λg的微带线D1连接端口22和32(λg为中心频率5.8GHz下的微带线波长)；使用长度为3.85λg的微带线D2连接端口12和42；使用长度为1.85λg的微带线D3连接端口23和33；使用长度为3.85λg的微带线D4连接端口13和43；使用长度为1.42λg的微带线D5连接端口21和31；使用长度为3.42λg的微带线D6连接端口11和41。
图10是三极化回溯阵列在yoz面内的单站RCS(Radar-Cross Section，雷达散射截面)，在yoz平面内(
Figure BDA0002628666680000071
θ从-90°～90°变化)向回溯阵入射平面波，图10(a)、(b)分别是三极化回溯阵列对TE平面波(极化方向垂直入射面)和TM平面波(极化方向在入射面内)的单站RCS。
由于三极化天线阵的端口12、22、32、42产生沿x轴方向极化；端口13、23、33、43产生沿y轴方向极化；端口11、21、31、41产生沿z轴方向极化。若仅连接D1和D2，则仅x轴方向极化工作，简记为“回溯阵(x)”；若仅连接D3和D4，则仅y轴方向极化工作，简记为“回溯阵(y)”；若仅连接D5和D6，则仅z轴方向极化工作，简记为“回溯阵(z)”；若仅连接D1、D2、D3、D4，则x、y轴方向极化工作，简记为“回溯阵(xy)”；若连接D1～D6，则x、y、z轴方向极化都工作，简记为“回溯阵(xyz)”。“金属板”是和回溯阵介质基板10相同面积的金属板。
对比图10(a)和图10(b)，单独观察每个极化发现：“回溯阵(x)”仅对TE平面波起回溯作用，“回溯阵(y)”和“回溯阵(z)”仅对TM平面波起回溯作用，但“回溯阵(y)”主要在入射角θ较小的情况下工作，“回溯阵(z)”主要在入射角θ较大的情况下工作，极化y和极化z对TM平面波在不同角度上进行方向图互补，通过这个方法拓宽了回溯的角度范围。对比观察三极化回溯阵(“回溯阵(xyz)”)和传统的双极化回溯阵(“回溯阵(xy)”)发现：三极化回溯阵对TM平面波的单站RCS性能显著改善，对TE平面波的单站RCS的性能也略有提升，对TM平面波，二极化“回溯阵(xy)”的单站RCS的归一化-5dB角度范围-32.4°～33.0°；而此三极化“回溯阵(xyz)”的单站RCS的归一化-5dB角度范围提升至-84.8°～85.1°。现使用雷达散射截面(RCS，Radar-Cross Section)判断上述回溯阵的回溯效果。雷达散射截面可以定量表示接收方向上散射场的强弱，当发射天线和接收天线的方向相同时，称为单站RCS。当目标散射体是一个平面时，入射波方向和散射平面的法线方向组成的平面称为入射面。当入射波的极化方向与入射面垂直时，称为TE平面波。当入射波的极化方向在入射面内时，称为TM平面波。由于可能存在极化失配，同一个目标散射体对于不同极化的入射波，其RCS值可能会有很大的差异。
已有回溯阵中具有较好回溯性能的设计和比较列于下表1中，其中——表示未给出。
表1本发明与已有回溯阵的回溯效果对比
Figure BDA0002628666680000081
其中，文献[1]为：H.I.El-Sawaf,A.M.El-Tager and A.M.Ghuneim,“Aproposed2-D active Van Atta retrodirective array using dual-polarizedmicrostrip antenna,”2012Asia Pacific Microwave Conference Proceedings,Kaohsiung,2012,pp.1103-1105；
文献[2]为P.Le Bihan et al.,“Dual-Polarized Aperture-Coupled PatchAntennas With Application to Retrodirective and Monopulse Arrays,”in IEEEAccess,vol.8,pp.7549-7557,2020
文献[3]为M.Ettorre,W.A.Alomar and A.Grbic,“2-D Van Atta Array ofWideband,Wideangle Slots for Radiative Wireless Power Transfer Systems,”IEEETransactions on Antennas and Propagation,vol.66,no.9,pp.4577-4585,Sept.2018
文献[4]为Wen-Jen Tseng,Shyh-Bong Chung and Kai Chang,“A planar VanAtta array reflector with retrodirectivity in both E-plane and H-plane,”inIEEE Transactions on Antennas and Propagation,vol.48,no.2,pp.173-175,Feb.2000。
从上表中可见，本实施例采用这种3极化单元的回溯阵的极化性更好，对TE极化和TM极化的入射波都有很好的回溯性能，特别是对于TM极化的入射平面波，其-3dB和-10dB的单站RCS波束宽度都是已有设计中最宽的，分别可以达到139.4°和180°。

Claims (5)

1.一种基于微带天线的紧凑型低耦合三极化回溯阵，其特征在于：包括多个天线对，每个所述天线对均由两个通过传输线连接的关于回溯阵中心对称的三极化回溯阵列单元构成，所述传输线的长度相等或相差传输线波长的整数倍；相邻三极化回溯阵列单元间的间距小于0.5λ0，其中，λ0为中心频率下的自由空间波长；
所述三极化回溯阵列单元通过发射和接收三个正交极化分量的电磁波，使其构成的三极化回溯阵对任意极化方向的来波进行回溯；
所述三极化回溯阵列单元在同一谐振频率下具有三个相互正交的辐射模式，包括两个微带天线辐射模式和一个单极子天线辐射模式，所述单极子天线辐射模式与微带天线辐射模式的方向图互补，通过单极子天线辐射模式与微带天线辐射模式的方向图的角度分集来扩宽构成的三极化回溯阵产生回溯效果的入射角度范围；
所述三极化回溯阵列单元为三极化MIMO天线单元，所述三极化MIMO天线单元包括一个天线接地金属板、两层介质板、一个主辐射体金属贴片、一个寄生金属贴片、多个用于连接主辐射体金属贴片和寄生金属贴片的第一金属过孔、多个用于连接主辐射体金属贴片和天线接地金属板的第二金属过孔、第一馈电端口、第二馈电端口和第三馈电端口；
所述主辐射体金属贴片覆于双层介质板的顶面且主辐射体金属贴片的大小应小于两层介质板的大小，所述寄生金属贴片置于两层介质板之间，所述第一馈电端口给寄生金属贴片中心馈电，并通过多个第一金属过孔馈入到主辐射体金属贴片上；第二馈电端口和第三馈电端口分别在主辐射体金属贴片上的x轴和y轴位置激励，最终得到同一谐振频率下的三个相互正交的辐射模式，即两个微带天线辐射模式和一个TM02单极子天线辐射模式，它们是两个水平极化的电场和一个垂直极化的电场，构成三极化天线；
所述主辐射体金属贴片为方形金属贴片，所述寄生金属贴片为圆形金属贴片。
2.根据权利要求1所述的一种基于微带天线的紧凑型低耦合三极化回溯阵，其特征在于：每个天线对中，在各三极化回溯阵列单元的激励端口处放入金属过孔，采用微带传输线将这些金属过孔二二相连。
3.根据权利要求1所述的一种基于微带天线的紧凑型低耦合三极化回溯阵，其特征在于：所述寄生金属贴片的中心和主辐射体金属贴片的中心在同一竖直方向上，所述寄生金属贴片的尺寸小于主辐射体金属贴片的尺寸。
4.一种三极化MIMO天线单元，其特征在于：用于构建阵元间距小于0.5λ0的如权利要求1或2所述的一种基于微带天线的紧凑型低耦合三极化回溯阵，其中，λ0为中心频率下的自由空间波长；所述三极化MIMO天线单元包括一个天线接地金属板、两层介质板、一个主辐射体金属贴片、一个寄生金属贴片、多个用于连接主辐射体金属贴片和寄生金属贴片的第一金属过孔、多个用于连接主辐射体金属贴片和天线接地金属板的第二金属过孔、第一馈电端口、第二馈电端口和第三馈电端口；该主辐射体金属贴片覆于双层介质板的顶面，该主辐射体金属贴片的任意一边与两层介质板的边缘均存在间距；所述寄生金属贴片置于两层介质板之间，所述第一馈电端口给寄生金属贴片中心馈电，并通过多个第一金属过孔馈入到主辐射体金属贴片上；第二馈电端口和第三馈电端口分别在主辐射体金属贴片上的x轴和y轴位置激励，最终得到同一谐振频率下的三个相互正交的辐射模式，即两个微带天线辐射模式和一个TM02单极子天线辐射模式，它们是两个水平极化的电场和一个垂直极化的电场，构成三极化天线；所述主辐射体金属贴片为方形金属贴片，所述寄生金属贴片为圆形金属贴片。
5.根据权利要求4所述的一种三极化MIMO天线单元，其特征在于：所述寄生金属贴片的中心和主辐射体金属贴片的中心在同一竖直方向上，所述寄生金属贴片的尺寸小于主辐射体金属贴片的尺寸。
CN202010804727.0A 2020-08-12 2020-08-12 基于微带天线的紧凑型低耦合三极化回溯阵及三极化mimo天线单元 Active CN112117532B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010804727.0A CN112117532B (zh) 2020-08-12 2020-08-12 基于微带天线的紧凑型低耦合三极化回溯阵及三极化mimo天线单元

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010804727.0A CN112117532B (zh) 2020-08-12 2020-08-12 基于微带天线的紧凑型低耦合三极化回溯阵及三极化mimo天线单元

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112117532A CN112117532A (zh) 2020-12-22
CN112117532B true CN112117532B (zh) 2023-04-07

Family

ID=73804896

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010804727.0A Active CN112117532B (zh) 2020-08-12 2020-08-12 基于微带天线的紧凑型低耦合三极化回溯阵及三极化mimo天线单元

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112117532B (zh)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113644416B (zh) * 2021-07-18 2024-05-17 南京理工大学 基于阶梯阵列的一维圆柱面共形Van Atta回溯阵
CN113594704B (zh) * 2021-08-31 2024-05-10 湖南大学 宽带三极化可重构的高增益微带天线
CN116151038B (zh) * 2023-04-18 2023-06-27 安徽大学 一种圆极化mimo微带天线阵列自解耦技术的分析方法
CN117117481B (zh) * 2023-09-07 2024-04-26 南通大学 一种双频垂直极化全向平面天线

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015089823A1 (zh) * 2013-12-20 2015-06-25 华为技术有限公司 一种三极化天线
CN107154528A (zh) * 2017-04-14 2017-09-12 中国传媒大学 一种基于单个辐射体的紧凑型单层平面结构三极化mimo天线

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2542799B (en) * 2015-09-29 2019-12-11 Cambium Networks Ltd Dual polarised patch antenna with two offset feeds
JP2018019228A (ja) * 2016-07-27 2018-02-01 マスプロ電工株式会社 アンテナ装置
CN110854529B (zh) * 2019-11-14 2021-11-05 中国传媒大学 一种基于平面结构的紧凑型低耦合三极化mimo天线

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015089823A1 (zh) * 2013-12-20 2015-06-25 华为技术有限公司 一种三极化天线
CN107154528A (zh) * 2017-04-14 2017-09-12 中国传媒大学 一种基于单个辐射体的紧凑型单层平面结构三极化mimo天线

Also Published As

Publication number Publication date
CN112117532A (zh) 2020-12-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110137675B (zh) 一种天线单元及终端设备
CN111370860B (zh) 基于交指形阻性表面加载的强耦合超宽带相控阵天线
US10854994B2 (en) Broadband phased array antenna system with hybrid radiating elements
CN112117532B (zh) 基于微带天线的紧凑型低耦合三极化回溯阵及三极化mimo天线单元
Row et al. Pattern reconfigurable antenna array with circular polarization
Javor et al. Design and performance of a microstrip reflectarray antenna
US7605768B2 (en) Multi-beam antenna
Xiao et al. Design and implementation of a wideband 1-bit transmitarray based on a Yagi–Vivaldi unit cell
US10978812B2 (en) Single layer shared aperture dual band antenna
CN111129704B (zh) 一种天线单元和电子设备
CN114744409B (zh) 一种阻性材料加载的十倍频程双极化强耦合相控阵天线
CN114976665B (zh) 一种加载频率选择表面辐射稳定的宽带双极化偶极子天线
CN110828987A (zh) 一种天线单元及电子设备
CN113690635A (zh) 一种双极化单脉冲波导缝隙天线阵
Yang et al. Beamforming design using millimeter wave dual-polarized FSS transmit-array for 5G small cell base-station applications
Yang et al. Millimeter wave dual polarization design using frequency selective surface (FSS) for 5G base-station applications
Lee et al. Dual-polarized dual-band antenna-on-display using via-less and single-layer topology for mmWave wireless scenarios
Boutayeb et al. 28GHz dual polarized beam steering antenna with substrate integrated frequency selective structure
Lee et al. Compact controlled reception pattern antenna (CRPA) array based on mu-zero resonance (MZR) antenna
US20200136272A1 (en) Dual-polarized Wide-Bandwidth Antenna
Dai et al. A dual-polarized wide-angle scanning antenna with high isolation for Van Atta applications
Lu et al. Low-Profile Ku-/Ka-Band Shared-Aperture Phased Array
Wang et al. Millimeter-wave horizontally polarized end-fire magneto-electric dipole antenna array
CN216671925U (zh) 一种双频、低剖面及低rcs圆极化相控阵天线
CN215418585U (zh) 微带阵列天线

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant