CN113258304A - 一种双极化高隔离天线阵列及通信设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双极化高隔离天线阵列及通信设备，包括上层介质基板、下层介质基板及金属地板，所述金属地板设置在两层介质基板中间，所述上层介质基板的上表面设置N*M个天线子阵，每个天线子阵包括两个天线单元，在相邻天线子阵之间及周围设置接地金属枝节，所述下层介质基板设置金属功分器馈电臂，通过设置在金属地板上的U型缝隙向上耦合能量。本发明能够实现所有端口间耦合的降低。

Description

一种双极化高隔离天线阵列及通信设备

技术领域

本发明涉及通信领域，具体涉及一种双极化高隔离天线阵列及通信设备。

背景技术

近些年，随着现代无线通信技术的飞速发展，第五代移动通信成为当前移动通信产业的关注焦点，面向21世纪20年代的5G系统研发正在全球范围内如火如荼地开展。天线作为无线通信系统的重要组成部分，其研究与设计对移动通信起着至关重要的作用。未来的5G系统将着眼于更高的数据传输速率，更大的信道容量和更高的性能需求，单个天线早已不能满足，越来越大的天线阵列成为提高增益、获得更多通道数量和信息容量的必然选择。为了改善通信传输质量与传输速率，提高信道容量，将SIMO和MIS0技术发展演变为MIMO(Multiple Input Multiple Output)，MIMO天线可以充分利用空间资源，为无线通信系统提供一定的分集增益和复用增益，在不增加频谱资源和发送功率的情况下，提高系统信道容量改善通信质量。

然而，随着天线的数量越来越多，所需的频段也越来越多，但由于通信设备的尺寸限制，天线的间距也越来越小，这样必然会导致天线之间存在较强的互耦问题，将严重影响天线的辐射性能。同时，由于天线单元间发生的相互耦合干扰，无法满足MIMO天线间的低相关性要求，导致无线通信系统达不到预期的大容量高速率的通信效果。因此需要对其进行去耦。

现有技术中降低天线之间的耦合的方法有很多，比如天线间增加缺陷地解耦，增加枝节解耦，增加中和线解耦，或者增加谐振网络或者解耦网络来提高天线之间的隔离度。但这些方法存在着带宽窄，设计复杂，而且难以应用到双极化多端口的大阵列中。因此，加载结构简单的去耦方法在阵列去耦设计中变得越来越关键。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种双极化高隔离天线阵列及通信设备，该天线能在毫米波频段实现良好的去耦效果，实现高隔离性能。

本发明采用如下技术方案：

一种双极化高隔离天线阵列，包括上层介质基板、下层介质基板及金属地板，所述金属地板设置在两层介质基板中间，所述上层介质基板的上表面设置N*M个天线子阵，每个天线子阵包括两个天线单元，在相邻天线子阵之间及周围设置接地金属枝节，所述下层介质基板设置金属功分器馈电臂，通过设置在金属地板上的U型缝隙向上耦合能量。

进一步，所述接地金属枝节包括X型接地金属枝节、水平接地金属枝节及竖直接地金属枝节，所述X型接地金属枝节对称设置在每个子阵的中轴线两侧，所述水平接地金属枝节加载在横向相邻两个子阵的上、下端，并且关于相邻两个子阵中轴线对称，所述竖直接地金属枝节加载在横向相邻两子阵的中轴线。

进一步，每个天线子阵加载两个U型缝隙，所述两个U型缝隙设置在金属地板，关于天线子阵纵向轴对称。

进一步，所述下层介质基板的上表面还设置U型金属接地条带及金属隔离条带，所述U型金属接地条带内设置金属接地柱，所述金属隔离条带内设置金属隔离柱。

进一步，所述X型接地金属枝节的两条臂长度分别为0.03λ～0.3λ，λ为中心频率对应的自由空间波长。

进一步，所述天线单元包括金属辐射贴片，金属辐射贴片的边与x轴，y轴呈45度夹角。

进一步，金属功分器馈电臂中有圆形金属焊盘的一端与馈电点相连，另外两端分别提供等幅馈电，分别与天线子阵的四个馈电端口连接。

进一步，所述金属隔离条带有两条，设置在每个天线子阵的纵向中轴线。

进一步，所述接地金属枝节通过金属接地柱与底部的金属地板连接。

一种通信设备，包括所述的双极化高隔离天线阵列。

本发明的有益效果：

(1)本发明加载的结构包括X型接地金属枝节，条形接地金属枝节，横一字型接地金属枝节。通过在天线阵列中能对耦合产生微扰作用的位置加载相应的接地枝节，来改变耦合能量的幅相关系，使得子阵对单元的两条耦合路径中的耦合能量经由去耦结构之后，由原来的幅相关系调整为等幅反相，这样就能实现这两路耦合能量的抵消，实现端口对端口间能量的耦合量大大降低。其原理图如图1所示。

(2)本发明通过加载X型接地金属枝节，条形接地金属枝节，横一字型接地金属枝节，使天线阵列在较宽的带宽内同时实现了四个端口，同/异极化之间的去耦效果。

(3)本发明根据加载位置和去耦效果分为三组结构，通过四个X型接地金属枝节的加载，降低子阵内异极化端口之间的耦合，通过一个条形接地金属枝节的加载，降低子阵间非相邻异极化端口之间的耦合，通过两个横一字型接地金属枝节的加载，降低子阵间相邻异极化端口之间的耦合，最终实现四个端口之间耦合能量的降低。

(4)该天线阵列中加载的接地枝节结构简单，与天线同层，没有额外增加天线剖面及加工成本，去耦效果良好，能实现±45°双极化多端口阵列中的端口间去耦效果。

附图说明

图1是本发明实施例1的能量抵消原理图；

图2是本发明实施例1的立体结构示意图；

图3是本发明实施例1的天线层结构俯视图；

图4是本发明实施例1的金属地板俯视图；

图5是本发明实施例1的底层介质基板的背视图；

图6是本发明实施例1的侧视图；

图7(a)是本发明示例1的四个X型接地金属枝节加载前后S参数：子阵内异极化端口之间隔离Sab随频率变化的示意图；其端口设置如图5所示。

图7(b)是本发明示例1的一个条形接地金属枝节加载前后S参数：子阵间非相邻异极化端口Sad之间隔离随频率变化的示意图；其端口设置如图5所示。

图7(c)是本发明示例1的两个横一字型接地金属枝节加载前后S参数：子阵间相邻异极化端口Sbc之间隔离随频率变化的示意图；其端口设置如图5 所示。

图8是本发明示例1的端口隔离随频率变化的示意图；

图9是本发明示例1的端口反射系数随频率变化的示意图；

图10(a)是本发明示例1的在3.55GHz处的辐射方向图示意图(E面)；

图10(b)是本发明示例1的在3.55GHz处的辐射方向图示意图(H面)。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图2-图6所示，一种基于子阵内耦合能量抵消原理的双极化高隔离天线阵列，包括上层介质基板、下层介质基板及金属地板，所述金属地板设置在两层介质基板中间，所述上层介质基板的上表面设置N*M个天线子阵，每个天线子阵包括两个天线单元，该天线子阵个数可以根据需要拓展为2*2阵列，3*2阵列， 4*2阵列，1*4阵列，2*4阵列，3*4阵列等等。

进一步，本实施例中上层介质基板的上表面设置1*2个子阵，天线单元的个数2*2，具体为第一天线单元、第二天线单元、第三天线单元及第四天线单元，第一及第二天线单元构成天线子阵Ⅰ，第三及第四天线单元构成一个天线子阵Ⅱ，每个天线单元均由金属辐射贴片4构成，其边与x，y轴有45度夹角。

所述上层介质基板还设置X型接地金属枝节11，水平接地金属枝节13及竖直接地金属枝节12，所述水平接地金属枝节是指与X轴平行，竖直接地金属枝节是指与Y轴平行。

所述X型接地金属枝节，每个天线子阵设置两个，设置在子阵的中轴线两侧。本实施例中为了降低子阵内异极化端口之间的耦合，在天线阵列中的天线层，子阵内两单元中间的位置共加载四个X型接地金属枝节，其中心分别位于+x， +x，-x，-x轴上，其枝节部分有四条臂两两关于x轴对称，其接地柱位于四条臂的交点上，由此对子阵内异极化之间的耦合能量产生微扰作用。

如图3所示，所述竖直接地金属枝节设置在两个子阵中间，本实施例中为了降低子阵间非相邻异极化端口之间的耦合，在天线阵列中的天线层，阵列的中心位置共加载一个竖直接地金属枝节，其中心位于原点，其枝节部分为简单的细长矩形条带，同时关于x轴和y轴对称，长边沿着y轴，其接地柱位于中心原点，由此对子阵间非相邻端口异极化之间的耦合能量产生微扰作用。

如图3所示，所述水平接地枝节设置两个相邻子阵的中间位置，且位于两个子阵的上端及下端，水平接地枝节的中点位于两个相邻子阵的中轴线。

本实施例中，为了降低子阵间相邻异极化端口之间的耦合，在天线阵列中的天线层，阵列长边的两端位置共加载两个水平接地金属枝节，它们关于x轴对称，每个的枝节部分为简单的细长矩形条带，关于y轴对称，长边沿着x轴，下接两个接地柱，且关于y轴对称。由此对子阵间相邻端口异极化之间的耦合能量产生微扰作用。

进一步，如图4所示，在金属地板上设置U型缝隙5，每个天线单元在金属地板的相应位置对应两个U型缝隙，两个结构完全相同，且关于天线子阵纵向中轴承轴对称关系。用于实现缝隙耦合馈电，其长度为0.03λ～0.3λ，其中，λ为天线中心频率对应的空间自由波长。

进一步，所述下层介质基板2的下表面设置金属功分器馈电臂8，通过设置在金属地板3上的U型缝隙向上耦合能量。所述下层介质基板的下表面设置U 型金属接地条带9及金属隔离条带6，所述U型金属接地条带内设置金属接地柱 10，所述金属隔离条带内设置金属隔离柱7。

U型金属接地条带：位于子阵功分器馈电端口(abcd)的正下方位置，并呈 U型环绕馈电端口设置。

金属隔离条带有两条：位于每个天线子阵的纵向中轴线上，与子阵的纵向长度保持一致。

如图5所示，所述金属功分器馈电臂，有圆形金属焊盘的一端可与馈电点相连，另外两端分别提供等幅馈电。对应两个天线子阵共有四个馈电端口a，b， c，d。馈电端口微带线长度14具体为长度4-8mm(0.04-0.1λ)。

本实施例中，金属辐射贴片共四个，方形且边长为0.2λ～0.7λ，其中，λ为天线中心频率对应的介质有效波长。

所述X型接地金属枝节共四个，位于天线子阵中两贴片之间，呈左右对称分布。两条臂的长度分别为0.02λ～0.2λ，0.01λ～0.1λ，相距为0.05λ～0.5λ。其中，λ为中心频率对应的自由空间波长。

所述竖直接地金属枝节共一个，位于天线阵列的中心位置，在所述X型接地金属枝节的中间。长度为0.03λ～0.3λ。其中，λ为中心频率对应的自由空间波长。

四个X型接地金属枝节的中心分别位于+x，+x，-x，-x轴上，在+x和-x上的枝节两两之间关于辐射贴片的中心轴线对称，距离中心轴线的距离为d，其各自的枝节部分有四条臂且两两关于x轴对称，其接地柱位于四条臂的交点上，由此对子阵内异极化之间的耦合能量产生微扰作用。其枝节部分的两条臂的长度为0.02λ～0.2λ，可通过调节这两个长度，以及它们距离中心轴线的距离，来改变耦合能量的幅相关系，从而优化子阵内异极化端口之间的去耦效果。

所述水平接地金属枝节共两个，位于天线阵列上下边缘部分，两相邻子阵的中间位置，呈上下对称分布。阵列长边的两端位置，用于降低子阵间相邻异极化端口之间的耦合，它们关于x轴对称，每个的枝节部分为简单的细长矩形条带，长度为0.03λ～0.3λ，关于y轴对称，长边沿着x轴，条带中心距离原点的距离为 d，条带下接两个接地柱，且关于y轴对称，接地柱距离条带中心的距离为d。由此对子阵间相邻端口异极化之间的耦合能量产生微扰作用。可通过调节所述水平接地金属枝节的长和宽，枝节中心距离原点的距离，以及接地柱距离条带中心的距离来改变耦合能量的幅相关系，从而优化子阵间相邻异极化端口之间的去耦效果。

所述竖直接地金属枝节共一个，加载在天线阵列中的天线层，阵列的中心位置，用于降低子阵间非相邻异极化端口之间的耦合，其中心位于原点，其枝节部分为简单的细长矩形条带，同时关于x轴和y轴对称，长边沿着y轴，长度为 0.03λ～0.3λ，其接地柱位于枝节的中心，其中，λ为天线中心频率对应的空间自由波长，由此对子阵间非相邻端口异极化之间的耦合能量产生微扰作用。可通过调节所述条形接地金属枝节的长和宽，来改变耦合能量的幅相关系，从而优化子阵间非相邻异极化端口之间的去耦效果。

所述金属地板上包含八个U型缝隙，对应每个天线单元各两个，长度为 0.02λ～0.2λ，其中，λ为天线中心频率对应的空间自由波长。

进一步地，所述上层介质基板、下层介质基板、金属地板为矩形且长和宽为 0.15λ～1.5λ，其中，λ为中心频率对应的自由空间波长。

所述上、下层介质基板的介电常数ε_r为2～7，厚度h01为0.02λ～0.2λ，厚度 h02为0.001λ～0.01λ，其中，λ为中心频率对应的自由空间波长。

所述上下两层介质基板均为矩形腔体，且边缘对齐呈叠层放置，上层介质基板1位于上方，下层介质基板2位于下方，所述金属地板3设置在两层介质基板的中间。

本实施例中的具体尺寸如下：

所述X型接地金属枝节共四个，距离中心轴线的距离为td1＝11mm，其枝节部分的两条臂的长度分别为tl1＝9.5mm，tl2＝7.1mm，宽度为tw1＝tw2＝1mm，

所述竖直接地金属枝节共一个，其中心位于原点，其枝节部分长度为 tl3＝18mm，宽度为tw3＝1mm，

所述水平接地金属枝节共两个，每个的枝节部分为简单的细长矩形条带，长度为tl4＝25mm，宽度为tw4＝1mm，条带中心距离介质边缘的距离为td4＝2mm，接地柱距离条带中心的距离为td2＝5mm。

所述上层介质基板的介电常数ε_r＝2.2，厚度h01＝6mm，

所述下层介质基板的介电常数ε_r＝2.2，厚度h02＝0.508mm，

所述介质基板、金属地板为矩形且长和宽均分别为a＝92mm和b＝80mm，

所述金属地板上包含的两个U型缝隙，其长度为sl1＝8mm，sl2＝10mm，

所述金属辐射贴片的边长为w＝22mm，

所述金属隔离条带，宽度为w01＝1mm，

所述金属隔离柱，两两之间相距dl＝2mm，

所述金属功分器馈电臂，有圆形金属焊盘的一端长l4＝3mm，宽w4＝1.5mm，金属焊盘直径w4＝1.5mm，

所述U型金属接地条带，l5＝6.85mm，l6＝6.85mm，宽度w5＝1.85mm，

如图7(a)、图7(b)、图7(c)、图8及图9所示，本实施例的双极化高隔离天线阵列中，有着四个可同时激励±45°极化的双极化射频端口，端口设置如图5所示，这四个端口在工作频段内具有良好的匹配，低于-10dB，具有较宽的阻抗带宽，为14.08％，四个端口之间均有着良好的隔离性能，隔离度均大于 20dB。

如图10(a)及图10(b)所示，本实施例的双极化高隔离天线阵列在通带内的方向图对称性基本良好。

如图1所示，本发明实施例提供的一种基于子阵内耦合能量抵消原理的双极化高隔离天线阵列，通过对金属功分器馈电臂馈电提供功分信号，透过金属地板上的U型缝隙耦合至上层介质基板上的辐射贴片。该天线阵列在天线层同时加载X型接地金属枝节，条形接地金属枝节，横一字型接地金属枝节来分别实现子阵内异极化端口之间，子阵间非相邻异极化端口之间，以及子阵间相邻异极化端口之间的去耦。

具体而言，本实施例X型接地金属枝节加载在子阵内两单元中间的位置，用于降低子阵内异极化端口之间的耦合，可通过调节其枝节部分的四条臂的长度等参数，来改变耦合能量的幅相关系，从而优化子阵内异极化端口之间的去耦效果。条形接地金属枝节加载在阵列的中心位置，用于降低子阵间非相邻异极化端口之间的耦合，可通过调节枝节的长和宽，来改变耦合能量的幅相关系，从而优化子阵间非相邻异极化端口之间的去耦效果。水平接地金属枝节加载在阵列长边的两端位置，用于降低子阵间相邻异极化端口之间的耦合，可通过调节枝节的长和宽，条带中心距离原点的距离，以及接地柱距离条带中心的距离来改变耦合能量的幅相关系，从而优化子阵间相邻异极化端口之间的去耦效果。最终实现所有端口间耦合的降低。加载的这些接地枝节结构简单，与天线同层，没有额外增加天线剖面及加工成本，去耦效果良好，能实现正负45度双极化多端口阵列中的端口间去耦效果。

实施例2

一种通信设备，包括如实施例1所述的双极化高隔离天线阵列。包括上层介质基板、下层介质基板及金属地板，所述金属地板设置在两层介质基板中间，所述上层介质基板的上表面设置N*M个天线子阵，每个天线子阵包括两个天线单元，在相邻天线子阵之间及周围设置接地金属枝节，所述下层介质基板设置金属功分器馈电臂，通过设置在金属地板上的U型缝隙向上耦合能量。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双极化高隔离天线阵列，其特征在于，包括上层介质基板、下层介质基板及金属地板，所述金属地板设置在两层介质基板中间，所述上层介质基板的上表面设置N*M个天线子阵，每个天线子阵包括两个天线单元，在相邻天线子阵之间及周围设置接地金属枝节，所述下层介质基板设置金属功分器馈电臂，通过设置在金属地板上的U型缝隙向上耦合能量。

2.根据权利要求1所述的双极化高隔离天线阵列，其特征在于，所述接地金属枝节包括X型接地金属枝节、水平接地金属枝节及竖直接地金属枝节，所述X型接地金属枝节对称设置在每个子阵的中轴线两侧，所述水平接地金属枝节加载在横向相邻两个子阵的上、下端，并且关于相邻两个子阵中轴线对称，所述竖直接地金属枝节加载在横向相邻两子阵的中轴线。

3.根据权利要求1所述的双极化高隔离天线阵列，其特征在于，每个天线子阵加载两个U型缝隙，所述两个U型缝隙设置在金属地板，关于天线子阵纵向轴对称。

4.根据权利要求1所述的双极化高隔离天线阵列，其特征在于，所述下层介质基板的上表面还设置U型金属接地条带及金属隔离条带，所述U型金属接地条带内设置金属接地柱，所述金属隔离条带内设置金属隔离柱。

5.根据权利要求2所述的双极化高隔离天线阵列，其特征在于，所述X型接地金属枝节的两条臂长度分别为0.03λ～0.3λ，λ为中心频率对应的自由空间波长。

6.根据权利要求1-5任一项所述的双极化高隔离天线阵列，其特征在于，所述天线单元包括金属辐射贴片，金属辐射贴片的边与x轴，y轴呈45度夹角。

7.根据权利要求1-5任一项所述的双极化高隔离天线阵列，其特征在于，金属功分器馈电臂中有圆形金属焊盘的一端与馈电点相连，另外两端分别提供等幅馈电，分别与天线子阵的四个馈电端口连接。

8.根据权利要求4所述的双极化高隔离天线阵列，其特征在于，所述金属隔离条带有两条，设置在每个天线子阵的纵向中轴线。

9.根据权利要求1所述的双极化高隔离天线阵列，其特征在于，所述接地金属枝节通过金属接地柱与底部的金属地板连接。

10.一种通信设备，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的双极化高隔离天线阵列。

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