CN113555686A - 一种基于多种去耦方法的圆形微带阵列天线 - Google Patents

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Abstract

一种基于多种去耦方法的圆形微带阵列天线，在基板顶层印刷的两个金属圆形微带贴片天线之间，先加载两个对称放置的类E形电磁带隙单元；然后在两个圆形金属贴片之间的基板底层的印刷金属接地层上刻蚀两组对称的方形缝隙缺陷地结构。这两种去耦合结构分别抑制了介质基板顶层表面波的传输和接地层耦合电流的传输，进而减小了两个圆形微带天线单元间的耦合，实现了比运用单一去耦方法更好的去耦效果，从而更有效地减小了此微带阵列天线工作时两路信号之间的干扰和影响。本发明整个去耦合圆形微带阵列天线结构简单，占用体积小，易于加工制作，实现较好去耦效果的同时对天线其他辐射性能产生影响可以忽略。

Description

一种基于多种去耦方法的圆形微带阵列天线
技术领域
本发明涉及无线通信和互联网技术中的天线设计领域，具体涉及的是一种基于多种去耦方法的圆形微带阵列天线。
背景技术
天线作为无线通信系统的前端部分，通过对于电磁波的发送和接收实现信息的传递。天线的工作特性将直接影响整个无线通信系统的性能，这使得天线技术的发展成为无线通信技术发展的重要内容。
随着无线通信领域的飞速发展，越来越多的多媒体业务对信息传输速率的需求日益增高。阵列天线通过显著增加天线的个数，以深度挖掘无线空间维度资源，从而充分利用频谱资源，提高通信系统的信道容量。
微带贴片阵列天线因结构简单、剖面低、重量轻、易于制造等优点,广泛应用于飞行器、卫星、导弹、雷达、手机等设备的通信系统中。移动通信设备的小型化要求阵列天线具有更短的单元间距，但与此同时将导致阵列单元间互耦增强，隔离度降低。为提高通信系统的传输效率，必须采用一些方法减小阵列天线单元间的耦合。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种微带阵列天线，通过在阵列天线中采用两种去耦方法结合的方式，实现更好的去耦合效果。
为实现上述目的，本发明提出了一种基于多种去耦方法的圆形微带阵列天线，包括基板，基板的底面贴有金属接地层；定义基板的第一中轴线和第二中轴线相互垂直；
在基板的顶面贴有两个金属圆形贴片天线；两个金属圆形贴片天线关于第一中轴线对称，两个金属圆形贴片的圆心在第二中轴线上；对于任一个金属圆形贴片天线：有一根同轴馈线进行馈电；同轴馈线的一端与金属圆形贴片天线连接，另一端穿透基板的底面以及金属接地层，作为信号源连接端；
在基板的底面还贴有两个类E形电磁带隙结构；类E形电磁带隙结构是由金属材质的类E型金属贴片构成；两个类E形电磁带隙结构关于第二中轴线对称，且它们在两个金属圆形贴片天线之间；对于任一个类E形电磁带隙结构：包括左支臂、中支臂和右支臂，左支臂、中支臂分别连接于连接枝节的两端，中支臂的底端都连接于连接枝节的中部；在连接枝节的中间位置开有金属通孔；中支臂的是长方形，长方形的中线与第一中轴线重合；左、右支臂关于第一中轴线对称；金属通孔的一端连接枝节，金属通孔的另一端连接金属接地层；
在基板的顶面有方形缝隙缺陷地结构；在金属接地层上有两组贯通于金属接地层的方形缝隙；两组方形缝隙关于第一中轴线对称；任一组方形缝隙是由相同的多个方形缝隙组成；方形缝隙的长度方向与第一中轴线平行，同组的方形缝隙关于第二中轴线对称，同组的相邻方形缝隙的间距相同；
金属圆形贴片天线构成圆形微带天线单元，类E形电磁带隙结构用于抑制表面波传输，方形缝隙缺陷地结构用于抑制接地层耦合电流的传输。
具体来说，所述基板是FR4介质基板，金属接地层印刷在基板的底面。
一组方形缝隙是由3个方形间隙组成。
两个所述金属圆形贴片天线是周期性放置。
对于任一E形电磁带隙结构：左支臂是扇环形状，扇环的圆心是靠近左支臂的金属圆形贴片天线的圆心；右支臂都是扇环形状，扇环的圆心是靠近右支臂的金属圆形贴片天线的圆心。
以FR4介质基板为例，对本圆形微带阵列天线进行说明：
FR4介质基板的顶层印刷两个金属圆形贴片天线，两个圆形微带贴片天线均采用穿透所述介质基板的两个同一型号的同轴馈线进行馈电；同轴馈线的一端与所述金属圆形贴片天线连接，另一端穿透所述介质基板的底层与信号源连接。FR4介质基板的底层是印刷金属接地层；
类E形电磁带隙结构是一个三维结构，由FR4介质基板顶层印刷的类E型金属贴片和穿透介质基板的金属通孔构成；金属通孔的一端连接所述FR4介质基板顶层印刷的类E型金属贴片，另一端连接介质基板底层的印刷金属接地层；
方形缝隙缺陷地结构是指在所述FR4介质基板的底层印刷金属接地层上刻蚀两组方形细缝隙，每一组方形细缝隙均由对各(例如三个)等间距的小方形细缝隙组成。
所述类E形电磁带隙结构抑制表面波传输，所述方形缝隙缺陷地结构抑制接地层耦合电流的传输。
两个金属圆形贴片天线周期性放置。两个所述类E形电磁带隙单元加载在两个所述圆形贴片之间，且两个所述类E形电磁带隙单元沿两个所述圆形贴片的圆心连线对称放置。两组所述方形缝隙缺陷地结构刻蚀在两个所述圆形贴片之间的金属接地层上，且两组所述的方形缝隙缺陷地结构沿两个所述FR4介质板的中轴线对称放置。
本发明技术方案通过在(FR4介质)基板顶层印刷的两个金属圆形微带贴片天线之间：先加载两个对称放置的类E形电磁带隙单元；然后在两个圆形金属贴片之间的(FR4介质)基板底层的印刷金属接地层上刻蚀两组对称的方形缝隙缺陷地结构。
这两种去耦合结构分别抑制了介质基板顶层表面波的传输和接地层耦合电流的传输，进而减小了两个圆形微带天线单元间的耦合，实现了比运用单一去耦方法更好的去耦效果，从而更有效地减小了此微带阵列天线工作时两路信号之间的干扰和影响。在一些通信领域，应用本发明有望提高系统的通信容量。
本发明主要特点是整个去耦合圆形微带阵列天线结构简单，占用体积小，易于加工制作，实现较好去耦效果的同时对天线其他辐射性能产生影响可以忽略。
附图说明
本发明的示意性实施例及其说明都用于解释本发明，但并不限定本发明。为了增进对于本发明的理解，下面将对构成本申请的一部分附图进行简单介绍。
图1(a)是本发明的圆形微带阵列天线的侧面视角示意图(以及局部放大)；
图1(b)是图1(a)的俯视角示意图；
图1(c)是图1(a)的仰视角示意图；
图2(a)是本发明的圆形微带阵列天线的尺寸示意图(图1(a)的俯视角)；
图2(b)是本发明的类E形电磁带隙结构的尺寸示意图(图1(a)的俯视角)；
图3是本发明的圆形微带阵列天线的尺寸示意图(图1(a)的仰视角)；为本发明去耦合圆形微带阵列天线的另外一部分结构的尺寸示意图；
图4为本发明的去耦合圆形微带阵列天线与无去耦结构的阵列天线的S参数结果图。
附图标记说明：
金属接地层1、基板2、金属圆形贴片天线3、同轴馈线4、类E形电磁带隙结构5、左支臂51、中支臂52、右支臂53、金属通孔54、连接枝节55、方形缝隙缺陷地结构6。
具体实施方式
为了使本发明的特征与优点更加明显易懂，以下将结合本申请的附图对本发明的技术方案进行更加具体详细的说明：
以下许多具体细节的描述可以使本公开更加清晰和完整，有助于进一步理解本发明。但是运用其他很多不同的方式同样可以实施本发明，相关领域的普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所得的其他实施例，均在本发明保护范围之内。
如附图中图1(a)、图1(b)、图1(c)所示，本发明公开了一种基于多种去耦方法的圆形微带阵列天线，包括：介质基板底层印刷金属接地层1，FR4介质的基板2，介质基板顶层印刷金属圆形贴片天线3，同轴馈线4，类E形电磁带隙结构5，类E形电磁带隙结构5是由左支臂51、中支臂52、右支臂53、金属通孔54和连接枝节55构成，金属接地层1上刻蚀的方形缝隙缺陷地结构6。
FR4介质基板2的底层印刷金属接地层1；介质基板2的顶层印刷两个金属圆形贴片天线3，两个圆形微带贴片天线均采用穿透介质基板的两个同一型号的同轴馈线4进行馈电；同轴馈线4的一端与金属圆形贴片天线3连接，另一端穿透介质基板的底层与信号源连接。
类E形电磁带隙结构5是一个三维结构，由FR4介质基板2顶层印刷的类E型金属贴片和穿透介质基板的金属通孔54构成；类E型金属贴片由左支臂51、中支臂52、右支臂53和连接枝节55四部分组成；金属通孔54的一端连接FR4介质基板2顶层印刷的类E型金属贴片，另一端连接介质基板底层的印刷金属接地层1；
方形缝隙缺陷地结构6是指在FR4介质基板2的底层印刷金属接地层1上刻蚀两组方形细缝隙，每一组方形细缝隙均由三个等间距的同尺寸小方形细缝隙组成；
参考图1(b)，去耦合圆形微带阵列天线的两个金属圆形贴片天线3周期性放置，类E形电磁带隙单元5加载在两个圆形贴片3之间，且两个类E形电磁带隙单元5沿两个圆形贴片的圆心连线对称放置。
参考图1(c)，去耦合圆形微带阵列天线的两组方形缝隙缺陷地结构6刻蚀在两个圆形贴片之间位置对应的金属接地层1上，且两组方形缝隙缺陷地结构6沿FR4介质板2的中轴线对称。
根据去耦合圆形微带阵列天线的工作频率要求，结合本发明的具体详细实施方案，参考图2(a)和图2(b)，本实施例提给出了一组较优的圆形微带天线单元和类E型电磁带隙结构的尺寸：
FR4介质基板的长为50mm，宽为25mm，高为2mm，此介质基板的介电常数为4.4；根据阵列天线的工作频率为5.8GHz，计算得到的圆形金属贴片的半径R＝6.74mm，两个圆形微带天线单元边缘之间的最小距离为10mm；类E型电磁带隙结构的左、右支臂是分别以左右两个圆形贴片天线的圆心为各自圆心且圆心角均为t＝34°的弧形支臂，左、右两个支臂的边缘距左、右两个圆形金属天线的中心的距离均为r1＝9.25mm，图2(a)中t1＝2°。类E型电磁带隙结构单元的其余部分的尺寸为：w1＝0.5mm，w2＝1.6mm，w3＝4.99mm，L2＝5.2mm，d1＝1.5mm，D＝0.6mm。
参考图3，本实施例提出了介质基板底层印刷金属接地层上刻蚀的缝隙缺陷地结构的具体尺寸：
图中每一个小方形缝隙的长宽均为L3＝2mm和w4＝1mm，两列缝隙沿矩形介质基板的中轴线对称放置且相距w5＝4.5mm，每一列中间的方形缝隙以左、右两个圆形金属天线的圆心连线轴对称放置，且每一列中相邻两个小方形相距L4＝5mm。
参考图4，在电磁仿真软件HFSS里面对于本实施例的去耦合圆形微带阵列天线的S参数仿真结果，从图中的仿真结果可以得出，本圆形微带阵列天线工作于5.8GHz频带(5.725—5.85GHz)，且-10dB阻抗带宽大约为5.63GHz—5.97GHz；基于加载了电磁带隙结构和缺陷地结构的去耦合圆形微带天线的耦合度为-69.29dB，和未去耦前的阵列天线耦合度-19.8dB相比，去耦合结构的运用使得耦合度大约降低了50dB，且耦合度在整个工作频段内低于-35dB。
由此可以看出，本发明中通过在微带阵列天线中引入电磁带隙结构和缺陷地结构分别抑制了表面波和接地层耦合电流，减弱了存在于阵列天线单元间的耦合场，实现了非常有效的去耦效果。
在对本发明的解释和说明中，需要被理解的是，若没有其他明确定义，本发明提及到的所有术语(包括技术术语和科学术语)与本发明所属领域中普通技术人员的一般理解具有相同的意义。还需要被理解的是，本发明中的术语在上下文中的意义和通用字典中定义的该术语一致，并且除非像这里一样定义，不会使用过度正式或理想化的含义进行说明和解释。
以上具体而详细地解释了本发明的技术方案和所实现的效果，所述的仅是本发明的一种具体实施例，并不因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的理念和构思基础上，借鉴本申请中的内容所做的更改、结构替换，以及在其他有关的技术领域的运用，均应该包含在本发明的专利保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于多种去耦方法的圆形微带阵列天线，其特征是包括基板，基板的底面贴有金属接地层；定义基板的第一中轴线和第二中轴线相互垂直；
在基板的顶面贴有两个金属圆形贴片天线；两个金属圆形贴片天线关于第一中轴线对称，两个金属圆形贴片的圆心在第二中轴线上；对于任一个金属圆形贴片天线：有一根同轴馈线进行馈电；同轴馈线的一端与金属圆形贴片天线连接，另一端穿透基板的底面以及金属接地层，作为信号源连接端；
在基板的顶面还贴有两个类E形电磁带隙结构；类E形电磁带隙结构是由金属材质的类E型金属贴片构成；两个类E形电磁带隙结构关于第二中轴线对称，且它们在两个金属圆形贴片天线之间；对于任一个类E形电磁带隙结构：包括左支臂、中支臂和右支臂，左支臂、中支臂分别连接于连接枝节的两端，中支臂的底端都连接于连接枝节的中部；在连接枝节的中间位置开有金属通孔；中支臂的是长方形，长方形的中线与第一中轴线重合；左、右支臂关于第一中轴线对称；金属通孔的一端连接枝节，金属通孔的另一端连接金属接地层；
在基板的底面有方形缝隙缺陷地结构；在金属接地层上有两组贯通于金属接地层的方形缝隙；两组方形缝隙关于第一中轴线对称；任一组方形缝隙是由相同的多个方形缝隙组成；方形缝隙的长度方向与第一中轴线平行，同组的方形缝隙关于第二中轴线对称，同组的相邻方形缝隙的间距相同；
金属圆形贴片天线构成圆形微带天线单元，类E形电磁带隙结构用于抑制表面波传输，方形缝隙缺陷地结构用于抑制接地层耦合电流的传输。
2.根据权利要求1所述的基于多种去耦方法的圆形微带阵列天线，其特征是所述基板是FR4介质基板，金属接地层印刷在基板的底面。
3.根据权利要求1所述的基于多种去耦方法的圆形微带阵列天线，其特征是一组方形缝隙是由3个方形间隙组成。
4.根据权利要求1所述的基于多种去耦方法的圆形微带阵列天线，其特征是两个所述金属圆形贴片天线是周期性放置。
5.根据权利要求1所述的基于多种去耦方法的圆形微带阵列天线，其特征是对于任一E形电磁带隙结构：左支臂是扇环形状，扇环的圆心是靠近左支臂的金属圆形贴片天线的圆心；右支臂都是扇环形状，扇环的圆心是靠近右支臂的金属圆形贴片天线的圆心。
6.根据权利要求1所述的基于多种去耦方法的圆形微带阵列天线，其特征是所述基板的长为50mm，宽为25mm，厚为2mm，介电常数为4.4；
圆形微带阵列天线的工作频率为5.8GHz，则金属圆形贴片天线的半径R＝6.74mm，两个金属圆形贴片天线边缘之间的最小距离为10mm；
类E型电磁带隙结构的左、右支臂所在扇环形状的圆心角均为t＝34°；左、右支臂所在扇环形状的内缘距离相应圆心的距离为r1＝9.25mm；设靠近左支臂的金属圆形贴片的圆心是O1，靠近右支臂的金属圆形贴片的圆心是O2；O1与类E形电磁带隙结构的左侧底角之间的连线与线段O1O2所成角度是t1＝2°；左、右支臂所在扇环形状的环宽是w1＝0.5mm；中支臂的宽度是w2＝1.6mm；中支臂的长度是L2＝5.2mm；接枝节的跨度是w3＝4.99mm；接枝节的长度是d1＝1.5mm；金属通孔的孔径是D＝0.6mm；
方形缝隙缺陷地结构的各个方形缝隙的长为L3＝2mm，宽为w4＝1mm；两组方形缝隙之间的间距是w5＝4.5mm，同组的相邻方形缝隙之间的相距是L4＝5mm。
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