CN113161720B - 具有高隔离度和低交叉极化电平的天线、基站和终端 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种具有高隔离度和低交叉极化电平的天线、基站和终端，包括至少一层辐射层、馈电层以及设置于所述辐射层和所述馈电层之间的孔径耦合层，所述孔径耦合层包括金属片，所述金属片开设有第一馈电缝隙、第二馈电缝隙和中间缝隙，所述中间缝隙位于所述第一馈电缝隙和所述第二馈电缝隙之间，并位于所述金属片的弱电场区域内。通过在金属片的第一馈电缝隙和第二馈电缝隙之间开设中间缝隙，这样中间缝隙的存在即可在不改变天线的辐射电场条件下，改变了天线的边界条件，一方面使得在天线上产生交叉极化方向的电流变弱，从而降低了交叉极化电平，另一方面也有效减弱了天线的能量耦合现象，从而显著提升了天线的隔离度。

Description

具有高隔离度和低交叉极化电平的天线、基站和终端
技术领域
本申请涉及通信技术领域，尤其涉及一种具有高隔离度和低交叉极化电平的天线、基站和终端。
背景技术
作为通讯系统中最前端的器件，天线性能的好坏直接影响通信系统性能。近年来，双极化天线得益于其呼损和干扰小，架设安装要求不高，无需征地建塔等诸多优势而成为研究热点。然而，双极化天线在使用时会产生交叉极化现象，如此会对通信系统的发射功率和接收信躁比产生消极影响。同时，双极化天线的隔离度常会出现恶化现象，如此会降低天线的辐射能量，不利于信号的传播。
发明内容
本申请实施例的目的在于提供一种具有高隔离度和低交叉极化电平的天线，该天线能够有效降低交叉极化电平，同时能够显著提升其隔离度。
为实现上述目的，本申请采用的技术方案是：
第一方面：提供一种具有高隔离度和低交叉极化电平的天线，包括至少一层辐射层、馈电层以及设置于辐射层和馈电层之间的孔径耦合层，孔径耦合层包括有金属片，金属片开设有第一馈电缝隙、第二馈电缝隙和中间缝隙，中间缝隙位于第一馈电缝隙和第二馈电缝隙之间，并位于金属片的弱电场区域内。
本申请实施例通过在金属片的第一馈电缝隙和第二馈电缝隙之间开设中间缝隙，这样中间缝隙的存在即可在不改变天线的辐射电场条件下，改变了天线的边界条件，一方面使得在天线上产生交叉极化方向的电流变弱，从而降低了交叉极化电平，另一方面也有效减弱了天线的能量耦合现象，从而显著提升了天线的隔离度。
可选地，金属片的形状为多边形，具有对角线，第一馈电缝隙和第二馈电缝隙分别形成于对角线的相对两侧，中间缝隙沿对角线分布。其中，第一馈电缝隙和第二馈电缝隙相对于对角线呈对称设置。
可选地，中间缝隙的数量为多个，且间隔设置，各中间缝隙均沿对角线分布，且均位于弱电场区域内。其中，各中间缝隙的长度保持一致或不一致。
可选地，弱电场区域包括电场强度相对较高的第一区域和电场强度相对较低的第二区域，第一区域和第二区域沿对角线分布，中间缝隙位于第一区域和/或第二区域内。其中，第一区域和第二区域内中间缝隙的数量可以一致或不一致。
可选地，中间缝隙的开设方向可以是沿对角线方向开设；或者，中间缝隙的开设方向沿第一区域或第二区域的长度方向开设；或者，中间缝隙的开设方向沿第一区域或第二区域的宽度方向开设；或者，中间缝隙在第一区域或第二区域内不规则开设。
可选地，中间缝隙包括第一缝隙和第二缝隙，第一缝隙和第二缝隙间隔分布于第一区域和/或第二区域内。其中，第一区域和第二区域内可均分布有第一缝隙和第二缝隙，也可以是第一区域或第二区域内单独分布有第一缝隙和第二缝隙。
可选地，中间缝隙的轮廓为矩形、圆形、椭圆形或不规则形状。其中，中间缝隙的轮廓可与第一区域和/或第二区域的轮廓相匹配。
可选地，辐射层的数量为两个，两个辐射层均包括第一介电层和辐射贴片，两第一介电层和两辐射贴片交叠设置，且下一层的第一介电层设置于金属片上。其中，第一介电层为PCB板层，对应的辐射贴片贴设于第一介电层上。
可选地，远离孔径耦合层的辐射层的上部还设置有寄生贴片，寄生贴片和辐射贴片之间形成有第二介电层。其中，寄生贴片和对应的辐射贴片间隔设置，第二寄生贴片和对应的辐射贴片之间填充有第二介电层。
可选地，孔径耦合层还包括第三介电层，金属片设置于第三介电层上。
可选地，馈电层包括两馈线，两馈线贴设于第三介电层远离孔径耦合层的一侧并分别对应第一馈电缝隙和第二馈电缝隙设置，且两馈线延伸至第三介电层的边缘处的位置均开设有馈电端口。其中，两馈线相对于对角线呈对称设置。
可选地，两馈线相互垂直设置，在垂直于馈电层的方向上，两馈线基于中间缝隙对称分布，第一馈电缝隙和第二馈电缝隙基于中间缝隙对称分布。具体地，两馈线的主体部分呈垂直设置，而两馈线的馈电端口部则保持相互平行。
可选地，馈电层还包括第四介电层，两馈线均设置于第四介电层上，第四介电层的底部贴设有金属地板。
可选地，天线为毫米波天线或者亚毫米波天线。
第二方面：提供一种基站，包括有上述的具有高隔离度和低交叉极化电平的天线。
本申请实施例提供的基站，由于包括有上述的具有高隔离度和低交叉极化电平的天线，而上述的天线能够在保证其较佳隔离度的同时，也显著降低了交叉极化电平，这样便保证了基站的发射功率，有效提升了接收信噪比，同时也提高了天线的辐射能量，保证了信号的稳定传播。
第三方面：提供一种终端，包括有上述的具有高隔离度和低交叉极化电平的天线。
本申请实施例提供的终端，由于包括有上述的具有高隔离度和低交叉极化电平的天线，上述的天线能够在保证其较佳隔离度的同时，也显著降低了交叉极化电平，这样便保证了终端的信号接收强度，进而保证了终端和外界设备通讯连接的稳定性，提升了用户的产品体验。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的具有高隔离度和低交叉极化电平的天线的一种剖切视图；
图2为本申请实施例提供的具有高隔离度和低交叉极化电平的天线的另一剖切视图；
图3为本申请实施例提供的具有高隔离度和低交叉极化电平的天线的寄生贴片、辐射贴片、金属片和馈线的爆炸结构示意图；
图4为本申请实施例提供的具有高隔离度和低交叉极化电平的天线的金属片的一种结构示意图；
图5为本申请实施例提供的具有高隔离度和低交叉极化电平的天线的金属片的结构示意图一；
图6为本申请实施例提供的具有高隔离度和低交叉极化电平的天线的金属片的结构示意图二；
图7为本申请实施例提供的具有高隔离度和低交叉极化电平的天线的金属片的结构示意图三；
图8为本申请实施例提供的具有高隔离度和低交叉极化电平的天线的馈电端口的回波损耗和隔离度随频率变化的关系图；
图9为本申请实施例提供的具有高隔离度和低交叉极化电平的天线的馈电端口在水平极化时的极化方向和交叉极化电平的关系图；
图10为本申请实施例提供的具有高隔离度和低交叉极化电平的天线的馈电端口在垂直极化时的极化方向和交叉极化电平的关系图。
其中，图中各附图标记：
10—辐射层 11—第一介电层 12—辐射贴片
13—寄生贴片 14—第二介电层 20—孔径耦合层
21—金属片 22—第一馈电缝隙 23—第二馈电缝隙
24—中间缝隙 25—第三介电层 30—馈电层
31—馈线 32—馈电端口 33—主体部分
34—第四介电层 35—金属地板 211—弱电场区域
212—对角线 213—第一区域 214—第二区域
241—第一缝隙 242—第二缝隙。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图1～10描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语““垂直”、“水平”、“远离”、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。
此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示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”、“第三”、“第四”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
如图1～3所示，本申请实施例提供了一种具有高隔离度和低交叉极化电平的天线，应用于基站，尤其是移动通信基站内，具有高隔离度和低交叉极化电平的天线包括但不限于是双极化天线或单极化天线，孔径耦合天线或探针馈电天线等，且上述的天线包括但不限于是毫米波天线或亚毫米波天线等。
首先，对本申请实施例中设计到的技术术语进行说明：
孔径耦合，是指在两个彼此不接触，但之间具有一定的小距离的缝隙利用馈线形成与天线的电磁耦合。
交叉极化，是指与主极化正交的极化分量。
隔离度，是指收发信天线在间隔距离上产生的空间损耗。
容差性能，是指在加工中所允许的误差或偏差范围。
具体地，上述的天线包括至少一层辐射层10、馈电层30以及设置于辐射层10和馈电层30之间的孔径耦合层20，其中，辐射层10的数量优选为两个，以提升天线的辐射能量，保证信号的稳定传播。参考图3和图4，孔径耦合层20包括有金属片21，其中，金属片21为敷铜金属片，金属片21开设有第一馈电缝隙22、第二馈电缝隙23和中间缝隙24，该第一馈电缝隙22、第二馈电缝隙23和中间缝隙24可以但不限于通过蚀刻的方式形成，中间缝隙24位于第一馈电缝隙22和第二馈电缝隙23之间，并位于金属片21的弱电场区域211内。可以理解的是，图4中虚线所示的区域仅为示意弱电场所在的大致区域，图中虚线边界并不构成对弱电场区域的严格限制。
第一馈电缝隙22和第二馈电缝隙23之间通过无接触馈电来形成与天线间的电磁耦合，如此可使得天线具有宽频带的驻波比特性。而通过在金属片21的第一馈电缝隙22和第二馈电缝隙23之间开设中间缝隙24，这样中间缝隙24的存在即可在不改变天线的辐射电场条件下，改变了天线的边界条件，实现了对第一馈电缝隙22和第二馈电缝隙23的隔离，一方面使得在天线上产生交叉极化方向的电流变弱，从而降低了交叉极化电平，另一方面也有效减弱了天线的能量耦合现象，从而显著提升了天线的隔离度。
本申请实施例提供的基站，由于包括有上述的具有高隔离度和低交叉极化电平的天线，而上述的天线能够在具有较佳隔离度的同时，也显著降低了交叉极化电平，这样便提高了基站的发射功率，有效提升了接收信噪比，同时也提高了天线的辐射能量，保证了信号的稳定传播。
本申请实施例还提供了一种终端，同样包括有上述的具有高隔离度和低交叉极化电平的天线，本申请实施例所称的终端包括但不限于摄像机、手机、平板电脑、可穿戴设备、车载设备、增强现实(augmented reality，AR)/虚拟现实(virtual reality，VR)设备、笔记本电脑、超级移动个人计算机(ultra-mobile personal computer，UMPC)、上网本、或个人数字助理(personal digital assistant，PDA)等，本申请实施例对终端的具体类型不作任何限制。为了方便描述，在本申请实施例中的终端设备以手机为例进行说明，应理解，不能解释为对本申请的限制。
本申请实施例提供的终端，以手机为例，由于包括有上述的具有高隔离度和低交叉极化电平的天线，上述的天线能够在具有较佳隔离度的同时，也显著降低了交叉极化电平，这样便提高了手机的信号接收强度，进而提升了手机和外界设备通讯连接的稳定性，从用户体验来讲，则提升了其通话质量和数据传输的稳定性，提升了用户的产品体验。
在本申请的另一些实施例中，如图2～4所示，金属片21的形状为多边形，具有对角线212，第一馈电缝隙22和第二馈电缝隙23分别形成于对角线212的相对两侧，中间缝隙24沿对角线212分布。具体地，通过使得中间缝隙24沿对角线212设置，这样便相当于第一馈电缝隙22和第二馈电缝隙23相对于中间缝隙24能够实现一定的对称性，如此可进一步实现对天线边界条件的优化，从而进一步降低了在天线上产生交叉极化方向的电流强度，进一步降低了天线的交叉极化电平。
可选地，第一馈电缝隙22和第二馈电缝隙23相对于对角线212呈对称设置。如此，第一馈电缝隙22和第二馈电缝隙23的任一组对称点相对于对角线212的距离均相等，这样便也使得第一馈电缝隙22和第二馈电缝隙23的边界条件趋于一致，进而可更进一步降低在天线上产生交叉极化方向的电流强度。
在本申请的另一些实施例中，如图4所示，中间缝隙24的数量为多个，且间隔设置，各中间缝隙24均沿对角线212分布，且均位于弱电场区域211内。具体地，中间缝隙24的数量可以为多个，以便于各个中间缝隙24能够有针对性地在沿对角线212分布的弱电场区域211布设，比如在弱电场区域211较为集中的位置，参考图4，中间缝隙24即可对应各个弱电场区域211布设多个，而在弱电场区域211较为稀少的位置，中间缝隙24的数量即可对应弱电场区域211布设一个或两个。这样便实现了中间缝隙24相对于弱电场区域211的针对性分布，一方面实现了第一馈电缝隙22和第二馈电缝隙23的边界条件的趋同性，另一方面也进一步减弱了天线的能量耦合现象，从而提升了天线的隔离度。
在本申请的另一些实施例中，如图4和图5所示，弱电场区域211包括电场强度相对较高的第一区域213和电场强度相对较低的第二区域214，第一区域213和第二区域214沿对角线212分布。中间缝隙24可以位于第一区域213内，也可以位于第二区域214内，也可以在第一区域213和第二区域214内均设置中间缝隙24。
具体地，一个或多个中间缝隙24可位于第一区域213内或第二区域214内，当多个中间缝隙24位于电场强度相对较高的第一区域213内，这样可实现对能量耦合现象的充分减弱，进而实现对天线的隔离度的显著提升和对交叉极化电平的有效降低。而当多个中间缝隙24位于电场强度相对较弱的第二区域214内时，则能够实现对交叉极化电平的有效降低。
如图6所示，可选地，第一区域213和/或第二区域214内的中间缝隙24的开设方向可以是沿对角线212方向开设，亦可以是沿第一区域213或第二区域214的长度方向开设，亦可以是沿第一区域213或第二区域214的宽度方向开设，还可以是在第一区域213或第二区域214内不规则开设等。而中间缝隙24的开设方可选为沿能够覆盖第一区域213和/或第二区域214的面积较多的方向开设。
可选地，一个或多个中间缝隙24可同时位于第一区域213和第二区域214内，这样中间缝隙24便实现了对弱电场的电场强度相对较低和相对较高的区域的兼顾覆盖，进而进一步有效兼顾了对天线的隔离度的提升和对交叉极化电平的抑制。
可选地，当中间缝隙24的数量为一个时，中间缝隙24的长度接近于对角线212的长度，通过使得中间缝隙24的长度接近于对角线212的长度，这样中间缝隙24即可覆盖于沿对角线212分布的弱电场的大部分区域，如此便进一步提升了天线的隔离度，同时也进一步有效抑制了交叉极化电平。
如图7所示，可选地，中间缝隙24包括第一缝隙241和第二缝隙242，第一缝隙241和第二缝隙242间隔分布于第一区域213和/或第二区域214内。具体地，为尽可能多地覆盖于对应的第一区域213或对应的第二区域214，第一缝隙241和第二缝隙242间隔分布于第一区域213和/或第二区域214内，这样便可进一步实现对天线的隔离度的显著提升和对交叉极化电平的有效降低，当然，根据实际需要，中间缝隙24还可进一步分解为三个或三个以上的缝隙。
可选地，中间缝隙24的轮廓为矩形、圆形、椭圆形或不规则形状。其中，中间缝隙24的轮廓是指其相对于馈电层30的投影轮廓，且中间缝隙24的轮廓可与第一区域213和/或第二区域214的轮廓相匹配。
在本申请的另一些实施例中，如图1所示，辐射层10的数量为两个，两个辐射层均包括第一介电层11和辐射贴片12，两第一介电层11和两辐射贴片12交叠设置，且下一层的第一介电层11设置于金属片21上。具体地，辐射贴片12可实现天线信号的辐射传播，而多个辐射贴片12则可实现对天线辐射能量的增强处理，进而提升天线的增益。同时，通过将辐射贴片12设置于第一介电层11上，这样第一介电层11一方面能够保证辐射贴片12的结构强度，另一方面也为辐射贴片12提供了绝缘保护。
在本申请的另一些实施例中，如图1～3所示，背离孔径耦合层20的辐射层10的上部还设置有寄生贴片13，寄生贴片13和辐射贴片12之间形成有第二介电层14。具体地，通过在辐射贴片12的基础上设置寄生贴片13，这样寄生贴片13可在天线中形成谐振回路，那么当寄生贴片13的谐振频率接近于天线本身的谐振频率时，天线的阻抗带宽便能够得到显著扩宽。可选地，寄生贴片13的数量可为多个，通过设置多个寄生贴片13，可实现逐次递归的拓宽天线的阻抗带宽。
在本申请的另一些实施例中，第二介电层14为泡沫层或空气层。具体地，通过将第二介电层14设定为泡沫层或空气层，这样得益于泡沫层和空气层均具有较高的介电常数和击穿场强，如此便相当于在寄生贴片13和辐射贴片12之间设置了绝缘保护层，避免了寄生贴片13和辐射贴片12之间发生相互干扰。
可选地，第二介电层14为泡沫层，这样一方面泡沫层可以为寄生贴片13提供有效支撑，另一方面还可对寄生贴片13和相应的辐射贴片12实现良好的绝缘保护。
在本申请的另一些实施例中，如图1和图2所示，孔径耦合层20还包括第三介电层25，金属片21形成于第三介电层25上。具体地，金属片21可焊接固定于第三介电层25上，通过设置第三介电层25，这样便为金属片21提供了稳定支撑。
在本申请的另一些实施例中，如图1～3所示，馈电层30包括两馈线31，两馈线31贴设于第三介电层25远离孔径耦合层20的一侧，并分别对应第一馈电缝隙22和第二馈电缝隙23设置，且两馈线31延伸至第三介电层25的边缘处的位置均开设有馈电端口32。具体地，通过在对应第一馈电缝隙22和第二馈电缝隙23的位置处设置两馈线31，以实现天线的双极化性能。
在本申请的另一些实施例中，如图3所示，两馈线31相互垂直设置。具体地，两馈线31的主体部分33垂直设置，在垂直于馈电层30的方向上，两馈线31基于中间缝隙24对称分布，第一馈电缝隙22和第二馈电缝隙23基于中间缝隙24对称分布，两馈线31的馈电端口32则保持平行，进而实现水平/垂直双极化或正负45°角双极化。
在本申请的另一些实施例中，如图1和图2所示，馈电层30还包括第四介电层34，两馈线31均设置于第四介电层34上，第四介电层34远离馈线31的一侧贴设有金属地板35。具体地，第一介电层11、第三介电层25和第四介电层34均为PCB板层。而通过在第四介电层34的底部贴设金属地板35，这样可实现天线整体的接地，进而可实现对天线上各个部件所带静电的有效消除。可选地，天线为毫米波天线或者亚毫米波天线。
如图8～10所示，在本申请实施例中，当对角线212的角度取45°，且中间缝隙24的数量为三个，三个中间缝隙24分别对应一个第一区域213和两个第二区域214，且三个中间缝隙24的总面积覆盖于金属片沿对角线212长度方向的大部分区域时，在25.7GHz-30.7GHz的频段内，两馈电端口32处的回波损耗小于-10dB，隔离度则均大于28dB，水平极化的交叉极化电平和垂直极化的交叉极化电平均低于35dB。
以上仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种具有高隔离度和低交叉极化电平的天线，其特征在于：包括至少一层辐射层、馈电层以及设置于所述辐射层和所述馈电层之间的孔径耦合层，所述孔径耦合层包括金属片，所述金属片开设有第一馈电缝隙、第二馈电缝隙和中间缝隙，所述中间缝隙位于所述第一馈电缝隙和所述第二馈电缝隙之间，并位于所述金属片的弱电场区域内；所述金属片的形状为多边形，具有对角线，所述第一馈电缝隙和所述第二馈电缝隙分别形成于所述对角线的相对两侧，所述中间缝隙沿所述对角线分布；所述弱电场区域包括电场强度相对较高的第一区域和电场强度相对较低的第二区域，所述第一区域和所述第二区域沿所述对角线分布；所述中间缝隙位于所述第一区域和所述第二区域内，且位于所述第一区域内的所述中间缝隙，以及位于所述第二区域内的所述中间缝隙均包括第一缝隙和第二缝隙，所述第一缝隙和所述第二缝隙间隔设置。
2.根据权利要求1所述的具有高隔离度和低交叉极化电平的天线，其特征在于：所述中间缝隙的数量为多个，且间隔设置，各所述中间缝隙均沿所述对角线分布，且均位于所述弱电场区域内。
3.根据权利要求1或2所述的具有高隔离度和低交叉极化电平的天线，其特征在于：所述辐射层的数量为两个，两个所述辐射层均包括第一介电层和辐射贴片，两所述第一介电层和两所述辐射贴片交叠设置，且下一层所述第一介电层设置于所述金属片上。
4.根据权利要求3所述的具有高隔离度和低交叉极化电平的天线，其特征在于：远离所述孔径耦合层的所述辐射贴片的一侧还设置有寄生贴片，所述寄生贴片和所述辐射贴片之间形成有第二介电层。
5.根据权利要求1或2所述的具有高隔离度和低交叉极化电平的天线，其特征在于：所述孔径耦合层还包括第三介电层，所述金属片设置于所述第三介电层上。
6.根据权利要求5所述的具有高隔离度和低交叉极化电平的天线，其特征在于：所述馈电层包括两馈线，两所述馈线贴设于所述第三介电层远离所述孔径耦合层的一侧并分别对应所述第一馈电缝隙和所述第二馈电缝隙设置，且两所述馈线延伸至所述第三介电层的边缘处的位置均开设有馈电端口。
7.根据权利要求6所述的具有高隔离度和低交叉极化电平的天线，其特征在于：两所述馈线相互垂直设置，在垂直于所述馈电层的方向上，两所述馈线基于所述中间缝隙对称分布，所述第一馈电缝隙和所述第二馈电缝隙基于所述中间缝隙对称分布。
8.根据权利要求6所述的具有高隔离度和低交叉极化电平的天线，其特征在于：所述馈电层还包括第四介电层，两所述馈线均设置于所述第四介电层上，所述第四介电层远离所述馈线的一侧贴设有金属地板。
9.根据权利要求1或2所述的具有高隔离度和低交叉极化电平的天线，其特征在于：所述天线为毫米波天线或者亚毫米波天线。
10.一种基站，其特征在于：包括有权利要求1~9任一项所述的具有高隔离度和低交叉极化电平的天线。
11.一种终端，其特征在于：包括有权利要求1~9任一项所述的具有高隔离度和低交叉极化电平的天线。
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