CN113314833A - 低散射辐射单元及多频共口径天线阵列 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种低散射辐射单元及多频共口径天线阵列，低散射辐射单元包括低散射辐射结构，低散射辐射结构包括金属辐射臂和两个以上的开口谐振环，开口谐振环沿金属辐射臂的路径间隔设置。低散射辐射结构设计为在金属辐射臂的路径间隔设置两个以上的开口谐振环，利用开口谐振环在高频产生谐振，可降低金属辐射臂的散射效应，有效减少对其他高频率辐射单元的遮挡效应。

Description

低散射辐射单元及多频共口径天线阵列

技术领域

本申请涉及无线通信技术领域，特别是涉及一种低散射辐射单元及多频共口径天线阵列。

背景技术

随着科技的发展和社会的不断进步，无线通信技术得到高速发展，多频共口径天线阵列因其具备小型化、低成本、高集成等优点，具有良好的应用前景。

传统的多频共口径天线阵列在多频基站应用过程中，为了适应基站的小型化要求，不同工作频段的辐射单元通常间距较近，部分高频辐射单元分布在低频辐射单元下方，导致低频辐射单元对高频辐射单元存在强烈的遮挡效应问题，从而使得高频辐射单元的整体性能恶化。如何避免辐射单元对其他高频率辐射单元的遮挡效应问题，是一个亟待解决的问题。

发明内容

基于此，有必要针对上述问题，提供一种可降低对其他高频率辐射单元的遮挡效应的低散射辐射单元及多频共口径天线阵列。

一种低散射辐射单元，包括低散射辐射结构，所述低散射辐射结构包括金属辐射臂和两个以上的开口谐振环，所述开口谐振环沿所述金属辐射臂的路径间隔设置。

在其中一个实施例中，所述金属辐射臂包括条状辐射臂、曲线形辐射臂或环形辐射臂。

在其中一个实施例中，所述金属辐射臂包括两组极化方向相互正交的环形辐射臂，每组所述环形辐射臂包括两个相对设置的金属环形结构。

在其中一个实施例中，所述开口谐振环沿所述金属辐射臂周期性排布。

在其中一个实施例中，所述开口谐振环多层叠加设置于所述金属辐射臂。

在其中一个实施例中，所述低散射辐射结构还包括介质基板，所述介质基板设置于所述金属辐射臂和所述开口谐振环之间。

在其中一个实施例中，低散射辐射单元还包括馈电巴伦，所述低散射辐射结构电连接所述馈电巴伦。

在其中一个实施例中，低散射辐射单元还包括金属地板，所述馈电巴伦电连接所述金属地板。

一种多频共口径天线阵列，包括辐射单元和上述的低散射辐射单元。

在其中一个实施例中，所述辐射单元包括寄生贴片结构、主辐射贴片结构和馈电网络，所述主辐射贴片结构电连接所述馈电网络，所述寄生贴片结构间隔设置于所述主辐射贴片结构形成耦合。

上述低散射辐射单元及多频共口径天线阵列，低散射辐射单元的低散射辐射结构设计为在金属辐射臂的路径间隔设置两个以上的开口谐振环，利用开口谐振环在高频产生谐振，可降低金属辐射臂的散射效应，有效减少对其他高频率辐射单元的遮挡效应。

附图说明

图1为一实施例中低散射辐射结构的示意图；

图2为一实施例中低散射辐射结构的散射系数-频率的仿真结果图；

图3为一实施例中低散射辐射单元的结构示意图；

图4为图3的低散射辐射单元的低散射辐射结构俯视图；

图5为图4的低散射辐射结构上表面的周期性开口谐振环示意图；

图6为图4的低散射辐射结构下表面的环形辐射臂结构示意图；

图7为图3的低散射辐射单元的S参数-频率的仿真结果图；

图8为图3的低散射辐射单元的增益-频率的仿真结果图；

图9为图4的辐射结构的散射系数-频率的仿真结果图；

图10为一实施例中高频辐射单元的结构示意图；

图11为图10的高频辐射单元在图4的低散射辐射结构的遮挡下的方向图；

图12为一实施种双频共口径阵列的结构示意图；

图13为图12的双频共口径阵列的侧视图；

图14为图12的高频阵列受到低频辐射单元遮挡时的增益变化-频率的仿真结果图；

图15为图12的高频阵列受到低频辐射单元遮挡时的方向图变化-频率的仿真结果图；

图16为另一实施例中低散射辐射单元的结构示意图；

图17为又一实施例中低散射辐射单元的结构示意图。

附图标记说明：100、低散射辐射单元，110、低散射辐射结构，111、开口谐振环，112、环形辐射臂，113、条状辐射臂，114、介质基板，120、馈电巴伦，121、馈电线，122、巴伦地，130、金属地板，200、高频辐射单元，210、寄生贴片结构，220、主辐射贴片结构，221、耦合结构，230、馈电网络，231、金属探针，232、差分网络，233、馈电端口。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。

需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件时，它可以是直接连接到另一个元件，或者通过居中元件连接另一个元件。以下实施例中的“连接”，如果被连接的电路、模块、单元等相互之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。

在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。同时，在本说明书中使用的术语包括相关所列项目的任何及所有组合。

在一个实施例中，提供了一种低散射辐射单元，包括低散射辐射结构，如图1所示，低散射辐射结构包括金属辐射臂和两个以上的开口谐振环111，开口谐振环111沿金属辐射臂的路径间隔设置。

其中，金属辐射臂可设计为任意形状，包括直线形，曲线形以及闭合的环形结构等，多个开口谐振环111沿金属辐射臂的路径间隔设置，可以是在金属辐射臂的单侧，或者是金属辐射臂的相对两侧非接触设置开口谐振环111，且开口谐振环111沿金属辐射臂的路径等间距延拓分布。在一个实施例中，金属辐射臂包括条状辐射臂、曲线形辐射臂或环形辐射臂。可以理解，在其他实施例中，金属辐射臂也可以是设计为其他形状。可以理解，金属辐射臂的宽度、开口谐振环111的尺寸以及相邻开口谐振环111的间距设置都不是唯一的，可根据实际需求进行调整，从而控制散射抑制的频率。此外，开口谐振环111可以是采用单层结构设置于金属辐射臂，也可以是多层叠加设置于金属辐射臂。

具体地，参照图1，本实施例中，金属辐射臂为条状辐射臂113。沿条状辐射臂113的上下表面或左右两侧，按相同的间距依次设置开口谐振环111。沿着条状辐射臂113的路径加载开口谐振环111，可降低该辐射结构的散射效应。如图2所示为采用条状辐射臂113时，低散射辐射结构的散射系数-频率的仿真结果图，其中，曲线w/o SRRs表示未加载开口谐振环111时低散射辐射结构的散射系数曲线，L_r1表示开口谐振环111的宽度，且图中分别显示了加载宽度为6.2mm、5.8mm以及5.4mm的开口谐振环111时，低散射辐射结构的散射系数曲线，横坐标为频率(单位GHZ)，纵坐标为散射系数(单位dB)。条状辐射臂113的散射抑制频率，可通过调节开口谐振环111的大小来控制。

在另一个实施例中，金属辐射臂包括两组极化方向相互正交的环形辐射臂，每组环形辐射臂包括两个相对设置的金属环形结构。其中，金属环形结构是由金属条围成的金属闭合结构，可以是在金属环形结构的上下表面分布多个间隔设置的开口谐振环111，而且开口谐振环111与金属环形结构间隔设置，即不接触设置。

此外，开口谐振环111沿金属辐射臂设置的方式也并不是唯一的，可以是沿金属辐射臂的路径设置且保持开口方向一致，也可以是沿金属辐射臂的路径设置且开口方向不一致。在一个实施例中，开口谐振环111沿金属辐射臂周期性排布。具体地，周期性排布是指多个开口谐振环111沿金属辐射臂排布时，各开口谐振环111的开口朝向呈周期性变化。例如，图1所示，多个开口谐振环111位于条状辐射臂113的上表面，沿条状辐射臂113的路径排布，且开口谐振环111的开口方向按上、下方向交替变化。其中，上方向指开口谐振环111的开口朝向远离条状辐射臂113的一侧，下方向指开口谐振环111的开口朝向靠近条状辐射臂113的一侧。或者，如图3所示，低散射辐射结构110中的金属辐射臂设计为环形辐射臂112时，开口谐振环111位于环形辐射臂112的上表面，沿环形辐射臂112的路径排布，且开口谐振环111的开口方向朝环形辐射臂112的路径两侧交替变化。

在一个实施例中，继续参照图1，低散射辐射结构还包括介质基板114，介质基板114设置于金属辐射臂和开口谐振环111之间。介质基板114的材质也并不唯一，可根据实际情况选择。以金属辐射臂为条状辐射臂113为例，将周期性设置的开口谐振环111和条状辐射臂113，设置在介质基板114的上下层，确保开口谐振环111与条状辐射臂113间隔设置。

在一个实施例中，如图3所示，低散射辐射单元100还包括馈电巴伦120，低散射辐射结构110电连接馈电巴伦120。此外，低散射辐射单元100还包括金属地板130，馈电巴伦120电连接金属地板130。具体地，以金属辐射臂为环形辐射臂112为例，馈电巴伦120包括馈线结构121和巴伦地122。馈线结构121和巴伦地122均连接环形辐射臂112和金属地板130。该低散射辐射单元100在使用时，馈电巴伦120将信号通过馈线结构121传递至低散射辐射结构110，从而能够将信号进行传输，实现无线通信。其中，在工作频段内时，环形辐射臂112正常工作，开口谐振环111作为加载的电小结构对低散射辐射单元100的性能几乎无影响；而在工作频段外的特定频率时，开口谐振环111处于谐振状态，能有效抑制环形辐射臂112上的感应电流，降低环形辐射臂112在该频段的散射效应，从而减小环形辐射臂112对其他工作在该频段的辐射单元的遮挡效应。

进一步地，同样以金属辐射臂为环形辐射臂112为例，如图4至图6所示，低散射辐射结构110包括多个开口谐振环111与环形辐射臂112，两者上下间隔设置，开口谐振环111按一定间距沿着环形辐射臂112周期性排布。开口谐振环111在高频产生谐振，可降低环形辐射臂112的散射效应。

需要说明的是，为满足实际的使用需求，低散射辐射单元100的散射抑制特性能够进行灵活的调节以增强使用的通用性。例如，通过调节环形辐射臂112的宽度、开口谐振环111的尺寸以及相邻开口谐振环111的间距，可以控制散射抑制的频率。具体地，环形辐射臂112的宽度、开口谐振环111的尺寸以及相邻开口谐振环111的间距的调节，可以单独进行，也可以同时进行。其中，同时进行可以是三个同时进行，也可以是其中的两个同时进行，从而增强了调节的灵活性。

该低散射辐射单元100的性能如图7至8所示，其中，工作频段为0.69-0.96GHz，反射系数小于-15dB，极化隔离度大于30dB，通带增益平均值为7.9dBi。图7中，曲线丨S₁₁丨表示低散射辐射单元100端口1的反射系数，曲线丨S₂₂丨表示低散射辐射单元100端口2的反射系数，曲线丨S₂₁丨表示低散射辐射单元100的极化隔离度，横坐标为频率(单位GHz)，纵坐标为S参数(散射参数，单位dB)。图8中，曲线Port1表示低散射辐射单元100端口1的增益，曲线Port2表示低散射辐射单元100端口2的增益，横坐标为频率(单位GHz)，纵坐标为增益(单位dBi)。

如图9所示，环形辐射臂112在高频段3.3-4.2GHz的散射系数在加载开口谐振环111后得到降低。其中，曲线w/o SRRs表示未加载开口谐振环111时低散射辐射结构110的散射系数曲线，曲线with SRRs表示加载开口谐振环111后低散射辐射结构110的散射系数曲线。

上述低散射辐射单元，将低散射辐射结构110设计为在金属辐射臂的路径间隔设置两个以上的开口谐振环111，利用开口谐振环111在高频产生谐振，可降低金属辐射臂的散射效应，有效减少对其他高频率辐射单元的遮挡效应。

在一个实施例中，还提供了一种多频共口径天线阵列，包括辐射单元和上述的低散射辐射单元，辐射单元的工作频段可以是高于或等于低散射辐射单元的工作频段。可以理解，低散射辐射单元与辐射单元的具体工作频段都不是唯一的，且辐射单元的数量可以是多个，每个辐射单元的工作频段可相同也可不同。具体地，多频共口径天线阵列包括至少一个上述的低散射辐射单元100，并包含至少一个其他不同工作频段的辐射单元。其中，至少一个其他不同工作频段的辐射单元可以是设置在上述的低散射辐射单元100的四周或上下方，不同的辐射单元之间间隔设置。

以辐射单元的工作频段都高于低散射辐射单元100的工作频段为例，所有辐射单元作为高频辐射单元，上述的低散射辐射单元100作为低频辐射单元，低频辐射单元在高频段具备散射抑制特性，能有效降低其对高频辐射单元的遮挡效应。具体地，低散射辐射单元100可工作在低频段0.69-0.96GHz，高频辐射单元可工作在高频段3.3-4.2GHz。进一步地，以每个辐射单元的工作频段相同为例，对应地，多频共口径天线阵列则为双频共口径天线阵列。多频共口径阵列包含两种不同的辐射单元，其中，低散射辐射单元100工作在低频，为低频辐射单元，另一种工作在高频，为高频辐射单元。

具体地，低散射辐射单元100包括低散射辐射结构110、馈电巴伦120和金属地板130。低散射辐射结构110包括金属辐射臂、开口谐振环111和介质基板14。金属辐射臂的宽度、开口谐振环111的尺寸以及相邻开口谐振环111的间距设置都不是唯一的，可根据实际需求进行调整，从而控制散射抑制的频率。

金属辐射臂可以是条状辐射臂、曲线形辐射臂或环形辐射臂。参照图1，本实施例中，金属辐射臂为条状辐射臂113。沿条状辐射臂113的上下表面或左右两侧，按相同的间距依次设置开口谐振环111。在另一个实施例中，金属辐射臂包括两组极化方向相互正交的环形辐射臂112，每组环形辐射臂包括两个相对设置的金属环形结构。其中，金属环形结构是由金属条围成的金属闭合结构，可以是在金属环形结构的上下表面分布多个间隔设置的开口谐振环111，而且开口谐振环111与金属环形结构间隔设置。开口谐振环111沿环形辐射臂112周期性排布。具体地，周期性排布是指多个开口谐振环111沿环形辐射臂排布时，各开口谐振环111的开口朝向呈周期性变化。

介质基板114设置于金属辐射臂和开口谐振环111之间。以金属辐射臂为条状辐射臂113为例，将周期性的开口谐振环111和条状辐射臂113，设置在介质基板114的上下层，确保开口谐振环111与条状辐射臂113间隔设置。

同样以金属辐射臂为环形辐射臂112为例，馈电巴伦120包括馈线结构121和巴伦地122。馈线结构121和巴伦地122均连接环形辐射臂112和金属地板130。该低散射辐射单元100在使用时，馈电巴伦120将信号通过馈线结构121传递至低散射辐射结构110，从而能够将信号进行传输，实现无线通信。其中，在工作频段内时，环形辐射臂112正常工作，开口谐振环111作为加载的电小结构对低散射辐射单元100的性能几乎无影响；而在工作频段外的特定频率时，开口谐振环111处于谐振状态，能有效抑制环形辐射臂112上的感应电流，降低环形辐射臂112在该频段的散射效应，从而减小环形辐射臂112对其他工作在该频段的辐射单元的遮挡效应。

高频辐射单元的具体结构也不是唯一的，在一个实施例中，如图10所示，高频辐射单元200包括寄生贴片结构210、主辐射贴片结构220和馈电网络230，主辐射贴片结构220电连接馈电网络230，寄生贴片结构210间隔设置于主辐射贴片结构220结构形成耦合。

具体地，主辐射贴片结构220设置有耦合结构221，馈电网络230包括金属探针231、差分网络232和馈电端口233，其中，耦合结构221可采用圆形耦合结构221。主辐射贴片结构220与馈电网络230之间通过耦合结构221及金属探针231电性连接，差分网络232电连接金属探针231和馈电端口233，寄生贴片结构210间隔设置在主辐射贴片结构220上方，形成耦合。高频辐射单元200的工作频段为3.3-4.2GHz，处于如图4中的低散射辐射结构110的散射抑制频段。

如图11所示，高频辐射单元200的方向在如图4中的低散射辐射结构110的遮挡下具有不同的变化，当遮挡结构无开口谐振环111加载时，高频辐射单元200方向图严重畸变，增益下降，而遮挡结构加载开口谐振环111后，高频辐射单元200方向图形状恢复，几乎与单独环境下相同。其中，横坐标为温度(单位°)，纵坐标为增益(单位dBi)，曲线HB+LBradiator w/o SRRs表示未加载开口谐振环111时低散射辐射结构110的增益曲线，曲线HB+LB radiator with SRRs表示加载开口谐振环111后低散射辐射结构110的增益曲线，曲线Isolated HB patch antenna表述单独环境下低散射辐射结构110的增益曲线。

在一个实施例中，辐射单元的数量为两个以上且阵列设置于金属地板。具体地，如图12和图13所示，同样以双频共口径天线阵列为例，双频共口径阵列包括低散射辐射单元100、高频辐射单元200以及金属地板130。4×4个高频辐射单元200按一定行列周期间距排列形成平面的高频阵列，低散射辐射单元100位于4×4高频阵列的中心位置。具体地，高频辐射单元200中的馈电网络230与金属地板130接触设置。低散射辐射单元100中，馈电巴伦120电连接低散射辐射结构110，馈电巴伦120的底部与金属地板130电性连接。

如图14至15所示，上述双频共口径阵列中，每一列高频辐射单元200的峰值增益以及方向图在低散射辐射单元100的遮挡前后具有很小的变化，其中，峰值增益变化小于0.6dB，方向图在主波束3dB覆盖范围内最大变化值不超过1.3dB。图14中，横坐标为频率(单位GHz)，纵坐标为增益变化(单位dB)，图15中，横坐标为频率(单位GHz)，纵坐标为方向图变化(单位dB)。在图14和图15中，曲线Column 1with+45°pol.表示第一列高频辐射单元的+45°极化激励时的增益波动，曲线Column 1with-45°pol.表示第一列高频辐射单元的-45°极化激励时的增益波动，曲线Column 2with+45°pol.表示第二列高频辐射单元的+45°极化激励时的增益波动，曲线Column 2with-45°pol.表示第二列高频辐射单元的-45°极化激励时的增益波动。

多频共口径天线阵列中，低散射辐射单元100的低散射辐射结构110的具体结构并不唯一，在一个实施例中，如图16所示，低散射辐射结构110包括多个开口谐振环111与环形辐射臂112，多个开口谐振环111与环形辐射臂112左右间隔设置，开口谐振环111按一定间距沿着环形辐射臂112周期性排布。在另一个实施例中，如图17所示，低散射辐射结构110包括多个开口谐振环111与环形辐射臂112，多层叠加设置的开口谐振环111间隔设置环形辐射臂112上方。

上述多频共口径天线阵列，低散射辐射单元100的低散射辐射结构110设计为在金属辐射臂的路径间隔设置两个以上的开口谐振环111，利用开口谐振环111在高频产生谐振，可降低金属辐射臂的散射效应，有效减少对其他高频率辐射单元的遮挡效应。

上述基于低散射辐射单元的多频共口径天线阵列，低散射辐射单元100不会对分布在其下方的其他高频辐射单元200产生遮挡效应问题，避免性能恶化；如此，采用低散射辐射单元100的多频共口径天线阵列，实现了将多个不同工作频率的辐射单元的小型化集成设计；采用多频共口径天线阵列的基站也能在整体性能保持不变的同时大大减小了面积。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种低散射辐射单元，其特征在于，包括低散射辐射结构，所述低散射辐射结构包括金属辐射臂和两个以上的开口谐振环，所述开口谐振环沿所述金属辐射臂的路径间隔设置。

2.根据权利要求1所述的低散射辐射单元，其特征在于，所述金属辐射臂包括条状辐射臂、曲线形辐射臂或环形辐射臂。

3.根据权利要求1所述的低散射辐射单元，其特征在于，所述金属辐射臂包括两组极化方向相互正交的环形辐射臂，每组所述环形辐射臂包括两个相对设置的金属环形结构。

4.根据权利要求1所述的低散射辐射单元，其特征在于，所述开口谐振环沿所述金属辐射臂周期性排布。

5.根据权利要求1所述的低散射辐射单元，其特征在于，所述开口谐振环多层叠加设置于所述金属辐射臂。

6.根据权利要求1所述的低散射辐射单元，其特征在于，所述低散射辐射结构还包括介质基板，所述介质基板设置于所述金属辐射臂和所述开口谐振环之间。

7.根据权利要求1-6任意一项所述的低散射辐射单元，其特征在于，还包括馈电巴伦，所述低散射辐射结构电连接所述馈电巴伦。

8.根据权利要求7所述的低散射辐射单元，其特征在于，还包括金属地板，所述馈电巴伦电连接所述金属地板。

9.一种多频共口径天线阵列，其特征在于，包括辐射单元和权利要求1-7任意一项所述的低散射辐射单元。

10.根据权利要求9所述的多频共口径天线阵列，其特征在于，所述辐射单元包括寄生贴片结构、主辐射贴片结构和馈电网络，所述主辐射贴片结构电连接所述馈电网络，所述寄生贴片结构间隔设置于所述主辐射贴片结构形成耦合。

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