CN112768882A - 一种基于双贴片加载的双波束圆极化阵列天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于双贴片加载的双波束圆极化阵列天线，属于天线技术领域。该天线是由四个天线单元和一个微带功率分配器组成。四个天线单元结构是相同的，且相邻间距0.53波长。微带功率分配器的四个输出端口是等辐同相，并采用三个T形分支节提高阻抗匹配。单元采用双方形金属贴片，并在两个贴片中间设置刻蚀了矩形槽的金属地板，实现能量耦合。为了实现圆极化电磁波辐射，在上下两个方形金属贴片上切角。本发明天线工作频率点为2.4GHz，最大波束指向分别指向+z和‑z，具有双波束特性。‑10dB的端口反射系数带宽为100MHz，3dB轴比带宽为250MHz，最大辐射增益为6.4dBi。本发明与传统巴特勒矩阵相比，降低所需射频链路的数量和馈电网络的复杂度。

Description

一种基于双贴片加载的双波束圆极化阵列天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，涉及一种基于双贴片加载的双波束圆极化阵列天线。
背景技术
在宏蜂窝网络等情形下，为了提高波束覆盖范围，以及减少天线数目，提高链路吞吐量和简化馈电网络，双波束天线开始应用于无线通信网络系统中。传统意义所提出的馈电网络简化方案是根据基站天线中常用的巴特勒矩阵结构所提出的，巴特勒矩阵应用领域很广泛，是一种常见的多波束天线阵设计方案。但是在传统意义上的巴特勒矩阵中含有大量的90°移相器和交叉结构，使馈电网络结构不紧凑。此外，传统意义的巴特勒矩阵还存在着多余无用的波束。随着当前无线网络通信技术的不断进步，天线阵列的规模在持续扩大，但庞大的馈电网络下，天线的成本、系统的复杂程度等方面都给我们带来了挑战。最新的研究发现，在宏蜂窝场景下的大规模多输入多输出系统中，两到三个俯仰面的波束就可以实现信号的全部覆盖。因此，本发明提出了一种基于双贴片加载的双波束圆极化阵列天线，实现两个俯仰面的波束，实现宏蜂窝场景下的信号覆盖。与传统巴特勒矩阵方案相比较，本发明可以大大降低所需射频链路的数量，有效地降低多波束天线阵馈电网络的复杂度，更好地实现宏蜂窝场景下的信号覆盖。
发明内容
为了克服传统巴特勒矩阵里的波束冗余，以及结构复杂等问题，和实现宏蜂窝场景下的信号覆盖，本发明提供一种基于双贴片加载的双波束圆极化阵列天线。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案：
一种基于双贴片加载的双波束圆极化阵列天线，包括：四个双波束圆极化阵列天线单元和一个一分四微带功率分配器；四个双波束圆极化阵列天线单元作为辐射结构，是用于辐射圆极化电磁波；一分四微带功率分配器作为馈电网络，为四个双波束圆极化阵列天线单元提供相同的射频能量；所述双波束圆极化阵列天线自上而下包括金属片(1)、介质板(2)、金属片(3)、介质板(4)和金属片(5)；所述双波束圆极化阵列天线是平面结构，且沿着xoy平面放置。
进一步，所述双波束圆极化阵列天线单元金属片(1)和金属片(5)分别设置有方形贴片(11)和方形贴片(51)；所述方形贴片(11)设置有两个切角，上述两个切角分别位于方形贴片(11)右上角和左下角切角；所述方形贴片(51)设置有两个切角，上述两个切角分别位于方形贴片(51)左上角和右下角；所述金属片(1)和所述金属片(5)作为双波束圆极化阵列天线单元的辐射结构，用以辐射出两个右旋圆极化电磁波；所述双波束圆极化阵列天线单元的金属片(3)设置有矩形贴片；所述的矩形贴片开出矩形缝隙槽(31)，用于金属片(1)和金属片(5)的能量耦合，辐射两个右旋圆极化电磁波；所述双波束圆极化阵列天线单元的结构相同，且单元之间的距离为0.53波长；所述双波束圆极化阵列天线单元的介质板(2)和介质板(4)设置为矩形结构，且尺寸相同。
进一步，所述两个右旋圆极化电磁波是每一个双波束圆极化阵列天线单元在同一个时刻形成的；所述的两个圆极化电磁波的极化特性是相同的，都为右旋圆极化；所述的两个圆极化电磁波的最大波束指向是不同的；所述两个圆极化电磁波的最大波束指向分别是+z方向和-z方向。
进一步，所述一分四微带功率分配器的金属片(1)设置成多边形金属线(12)；所述多边形金属线(12)设置有三个“T”字形分支线(121,122,123)，提高阻抗匹配性能；
进一步，所述一分四微带功率分配器的每一路输出相位和幅度是相同的，使得提供给每一个单元的输入能量是相同的。
进一步，介质板(2)和介质板(4)的材料为Rogers RT/duroid 5880，介电常数是2.2，损耗角0.0009，两个介质板的厚度都为1.575mm。
进一步，所述基于双贴片加载的双波束圆极化阵列天线的工作频点为2.4GHz，-10dB阻抗带宽为100MHz，3dB轴比带宽250MHz，最大辐射增益为6.4dBi。
本发明的有益效果在于：
1.相较于传统巴特勒矩阵方案，本发明的双波束圆极化阵列天线结构简单，平面集成度高；
2.本发明的双波束圆极化阵列天线单元采用双方形切角结构，同时辐射出两个右旋圆极化电磁波；
3.本发明中双波束圆极化阵列天线的馈电网络采用一个一分四微带功率分配器，可有效降低馈电网络的复杂度，减少波束冗余，实现宏蜂窝场景下的信号覆盖。
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为本发明提供的双波束圆极化阵列天线结构图。
图2为本发明提供的双波束圆极化阵列天线的反射系数图。
图3为本发明提供的双波束圆极化阵列天线三维辐射方向图。
图4为本发明提供的双波束圆极化阵列天线轴比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步的阐述和说明。
本发明提供一种基于双贴片加载的双波束圆极化阵列天线，具体实施方式如下：
如图1所示，双波束圆极化阵列天线是由四个相同的双波束圆极化阵列天线单元和一个一分四微带功率分配器组成；双波束圆极化阵列天线单元作为辐射结构，辐射两个圆极化电磁波；一分四微带功率分配器作为馈电网络，为四个双波束圆极化阵列天线单元提供相同的射频能量。双波束圆极化阵列天线自上而下包括金属片(1)、介质板(2)、金属片(3)、介质板(4)和金属片(5)。双波束圆极化阵列天线是平面结构，且沿着xoy平面放置。双波束圆极化阵列天线单元的金属片(1)和金属片(5)设置有方形切角贴片分别设置有方形贴片(11)和方形贴片(51)；所述方形贴片(11)设置有两个切角，上述两个切角分别位于方形贴片(11)右上角和左下角切角；所述方形贴片(51)设置有两个切角，上述两个切角分别位于方形贴片(51)左上角和右下角；所述金属片(1)和所述金属片(5)作为双波束圆极化阵列天线单元的辐射结构，用以辐射出两个右旋圆极化电磁波；所述双波束圆极化阵列天线单元的金属片(3)设置有矩形贴片；所述的矩形贴片开了矩形缝隙槽(31)，用于金属片(1)和金属片(5)的能量耦合，实现两个右旋圆极化辐射波束；双波束圆极化阵列天线单元的结构相同，且单元之间的距离为0.53波长；双波束圆极化阵列天线单元的介质板(2)和介质板(4)设置为矩形结构，且尺寸相同。一分四微带功率分配器的金属片(1)设置成多边形金属线(12)；多边形金属线(12)设置有三个“T”字形分支线(121,122,123)，提高阻抗匹配性能。每一个“T”字形分支线是由三种特征阻抗线组成，而三种特征阻抗值是根据四分之一阻抗变换器设计的；一分四微带功率分配器的每一路输出相位和幅度是相同的，使得提供给每一个单元的输入能量是相同的。
在本发明中，介质板(2)和介质板(4)的材料为Rogers RT/duroid 5880，介电常数是2.2，损耗角0.0009，两个介质板的厚度都为1.575mm。
图2是双波束圆极化阵列天线的输入端口的反射系数随着频率变化曲线图。仿真结果显示，小于-10dB的端口反射系数带宽为100MHz。
图3是双波束圆极化阵列天线的三维辐射方向图。仿真结果显示，本发明的双波束圆极化阵列天线的右旋圆极化电磁波的最大波束指向分别是+z和-z，从而验证本发明具有双波束圆极化电磁波辐射特性，且两个右旋圆极化电磁波是同时从同一个天线口面形成的。
图4是双波束圆极化阵列天线的轴比随着频率变化的曲线图。仿真结果显示，本发明的双波束圆极化阵列天线辐射出右旋圆极化电磁波的3dB轴比带宽为250MHz，仿真结果验证了本发明的双波束圆极化阵列天线具有良好的右旋圆极化波特性。

Claims (7)

1.一种基于双贴片加载的双波束圆极化阵列天线，其特征在于，该天线包括：四个双波束圆极化阵列天线单元和一个一分四微带功率分配器；四个双波束圆极化阵列天线单元作为辐射结构，是用于辐射两个圆极化电磁波；一分四微带功率分配器作为馈电网络，是为四个双波束圆极化阵列天线单元提供相同的射频能量；所述双波束圆极化阵列天线自上而下包括金属片(1)、介质板(2)、金属片(3)、介质板(4)和金属片(5)；所述双波束圆极化阵列天线是平面结构，且沿着xoy平面放置。
2.根据权利要求1所述的基于双贴片加载的双波束圆极化阵列天线，其特征在于，所述双波束圆极化阵列天线单元金属片(1)和金属片(5)分别设置有方形贴片(11)和方形贴片(51)；所述方形贴片(11)设置有两个切角，上述两个切角分别位于方形贴片(11)右上角和左下角切角；所述方形贴片(51)设置有两个切角，上述两个切角分别位于方形贴片(51)左上角和右下角；所述金属片(1)和所述金属片(5)作为双波束圆极化阵列天线单元的辐射结构，用以辐射出两个右旋圆极化电磁波；所述双波束圆极化阵列天线单元的金属片(3)设置有矩形贴片；所述的矩形贴片开出矩形缝隙槽(31)，用于金属片(1)和金属片(5)的能量耦合，辐射两个右旋圆极化电磁波；所述双波束圆极化阵列天线单元的结构相同，且单元之间的距离为0.53波长；所述双波束圆极化阵列天线单元的介质板(2)和介质板(4)设置为矩形结构，且尺寸相同。
3.根据权利要求2所述的基于双贴片加载的双波束圆极化阵列天线，其特征在于：所述两个右旋圆极化电磁波是每一个双波束圆极化阵列天线单元在同一个时刻形成的；所述的两个圆极化电磁波的极化特性是相同的，都为右旋圆极化；所述的两个圆极化电磁波的最大波束指向是不同的；所述两个圆极化电磁波的最大波束指向分别是+z方向和-z方向。
4.根据权利要求1所述的基于双贴片加载的双波束圆极化阵列天线，其特征在于：所述一分四微带功率分配器的金属片(1)设置成多边形金属线(12)；所述多边形金属线(12)设置有三个“T”字形分支线(121,122,123)，提高阻抗匹配性能。
5.根据权利要求1所述的基于双贴片加载的双波束圆极化阵列天线，其特征在于：所述一分四微带功率分配器的每一路输出相位和幅度是相同的，使得提供给每一个单元的输入能量是相同的。
6.根据权利要求1所述的基于双贴片加载的双波束圆极化阵列天线，其特征在于：介质板(2)和介质板(4)的材料为Rogers RT/duroid 5880，介电常数是2.2，损耗角0.0009，两个介质板的厚度都为1.575mm。
7.根据权利要求1所述的基于双贴片加载的双波束圆极化阵列天线，其特征在于：所述基于双贴片加载的双波束圆极化阵列天线的工作频点为2.4GHz，-10dB端口反射系数为100MHz，3dB轴比带宽250MHz，最大辐射增益为6.4dBi。
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