CN113557636B - 双极化天线结构 - Google Patents

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Abstract

一种天线结构包括：第一信号连接器；第二信号连接器；由一组平面壁限定的腔体天线，所述腔体天线耦合至所述第一信号连接器，并且当由所述第一信号连接器处的信号驱动时，所述腔体天线用于沿第一方向发射线性极化的场；以及由一对臂限定的偶极子天线，所述臂与所述腔体天线的一面壁集成，所述偶极子天线耦合至所述第二信号连接器，并且当由所述第二信号连接器处的信号驱动时，所述偶极子天线用于沿与所述第一方向偏移的第二方向发射线性极化的场。

Description

双极化天线结构
技术领域
本发明涉及天线，尤其涉及提供一种采用双极化的毫米波天线的紧凑设计。
背景技术
天线是一种换能器，其将射频电流转换为电磁波，然后电磁波被辐射到空间中。电场或“E”平面决定了波的极化或定向。通常，大多数天线都采用线性或圆极化进行辐射。在线性极化的辐射中，电场矢量沿传播方向限制在给定平面内。圆极化是两个线性垂直极化的组合，两者之间存在90度相移。
当天线用于在两个正交平面上发射或接收线性极化的信号时，这些可以称为水平和垂直极化。在基站等固定的天线布置中，当天线的电场垂直于地球表面时，可以说天线是垂直极化的。固定的水平极化的天线的电场可以与地球表面平行。在手机等便携式配置中，“水平”和“垂直”极化可能不是相对于地球表面定义的，而是正交的。
当存在来自发射不同极化的辐射的其它天线的无用辐射时，会发生交叉极化。当紧邻的采用不同极化进行辐射的天线之间的隔离度有限时，会发生这种情况。因此，在采用不同极化的天线之间需要隔离。
手机等便携式手持设备通常需要接收不同的信号，这些信号可以是水平或垂直极化的。可以使用多根天线来实现这一点，并且只要天线正交且彼此很好的隔离，天线就可以并置。
如在《IEEE天线与传播汇刊》2017年6月第6期第65卷“军刀式结构的全向双极化天线”中公开的一种已知的设计使用腔体天线和单极子实现更好的空间覆盖。例如在《IEEE天线与传播汇刊》2016年3月第3期第64卷“波束平行于其平面的平面端射圆极化互补天线”以及《IET微波、天线与传播》2017年的研究论文“采用端射辐射的双频双极化天线”中的其它设计使用腔体和偶极子天线来产生圆极化。然而，这些设计不够紧凑，从而不能在移动设备中使用，并且为了实现隔离度良好的双极化，需要大容量的天线布置。
需要开发一种更紧凑的双极化的天线结构。
发明内容
根据第一方面，提供了一种天线结构，包括：第一信号连接器；第二信号连接器；由一组平面壁限定的腔体天线，所述腔体天线耦合至所述第一信号连接器，并且当由所述第一信号连接器处的信号驱动时，所述腔体用于沿第一方向发射线性极化的场；以及由一对臂限定的偶极子天线，所述臂与所述腔体天线的一面壁集成，所述偶极子天线耦合至所述第二信号连接器，并且当由所述第二信号连接器处的信号驱动时，所述偶极子天线用于沿与所述第一方向偏移的第二方向发射线性极化的场。这能够实现一种既达到隔离度良好的双极化，同时也是紧凑的设计。
所述第一和第二方向可以正交。例如，所述腔体天线可以发射垂直极化的场，而所述偶极子天线可以发射水平极化的场。所述腔体天线和所述偶极子天线可以各自基本上只发射线性极化的辐射。这允许不同的信号被天线辐射。
所述第一信号连接器可以与所述腔体天线间隔开，并且用于与所述腔体天线的耦合强于与所述偶极子天线的耦合。所述第二连接器可以与所述偶极子天线间隔开，并且用于与所述偶极子天线的耦合强于与所述腔体天线的耦合。这允许每根天线发射的场被信号连接器控制。
所述偶极子天线的臂可以沿某个方向延伸，并且所述第一连接器垂直于该方向延伸。这可以减少偶极子天线和第一连接器之间的耦合。
所述第二连接器可以平行于所述臂的方向延伸。或者，所述偶极子天线的臂可以相对于所述第二连接器的延伸方向以锐角定向。例如，所述臂可以相对于所述第二导体的延伸方向以大约25度、30度、35度、40度、45度、50度、55度、60度或65度的角度定向。
在两根天线的回波损耗均小于-10dB的整个频率范围内，第一连接器与第二连接器之间的耦合可以小于-20dB。因此，本发明可以实现良好的有用带宽范围。
所述结构可以在基板上形成，并且所述偶极子天线可以位于所述基板的边缘，所述腔体在所述边缘开口。这允许天线方便地位于手机等设备的边缘。
所述腔体可以包括接地层。所述接地层可以由导电材料制成，并为所述结构提供电气接地。
所述接地层可以与所述偶极子臂平行。这可以有助于实现更紧凑的配置。
所述腔体可以包括狭缝，其中所述狭缝至少部分地穿过所述腔体的一面壁在所述偶极子臂之间延伸。这可以提高偶极子天线的性能。
所述偶极子臂可以位于描述所述腔体天线的一面壁的外围的凸多边形内。这可以有助于实现更紧凑的配置。
所述第一连接器可以包括细长导体和耦合元件，其中所述细长导体穿过所述腔体延伸并端接于所述腔体的一面壁的与所述第二连接器相对的一侧，所述耦合元件垂直于所述细长导体并平行于该面壁延伸。这可以提供与腔体天线的高效耦合。
所述第二连接器可以是平行于该面臂延伸的平面导体。这可以实现紧凑的天线配置。
根据第二方面，提供了一种天线阵列，包括至少两个天线，所述天线具有本文所述的天线结构。
附图说明
现将参考附图通过示例的方式对本发明进行描述。在附图中：
图1示出了本发明提供的天线配置的一个示例；
图2示出了图1中的天线配置的S参数S11、S22和S12与频率的关系；
图3示出了本发明提供的天线配置的第二示例；
图4示出了图3中的天线配置的S参数S11、S22和S12与频率的关系；
图5示出了图3中的天线配置的垂直极化的远场方向图；
图6示出了图3中的天线配置的水平极化的远场方向图；
图7示出了本发明提供的使用天线的阵列配置的一个示例；
图8示出了图7中的阵列的S11性能；
图9示出了图7中的阵列的隔离性能；
图10示出了图7中的阵列的垂直极化扫描性能；
图11示出了图7中的阵列的水平极化扫描性能。
具体实施方式
图1示出了本发明提供的天线配置的一个示例。该天线包括总体上以1示出的腔体天线和总体上以2示出的偶极子天线。
腔体天线1由一组平面壁3、4和5限定。这些壁部分地包围腔体并且被布置为使得壁3、4和5彼此成直角。在图1中，由这些壁限定的腔体在一个维度上比另外两个维度长。腔体天线1耦合至信号连接器6，并且用于当由信号连接器6处的信号驱动时，发射垂直极化的场。
信号连接器6用于与腔体天线1的耦合强于与偶极子天线2的耦合。在该示例中，信号连接器6包括同轴电缆，其信号引线穿过该腔体延伸。同轴电缆的接地护套端接到接地层11。接地层形成腔体的附加壁。接地层与壁4平行，并与壁3和5垂直。信号连接器6通过接地层上的以13示出的孔进入腔体。
信号连接器还包括耦合元件7，该耦合元件7垂直于信号连接器6的信号引线的延伸方向延伸并且平行于壁4。因此，驱动腔体天线的信号连接器采用弯曲探针或L形探针的形式。接地层下方有一条微带线(未示出)，该微带线连接至L形探针，并通过电容耦合给腔体馈电。这提供了驱动腔体天线的端口。在该示例中，L形信号连接器的耦合元件7与腔体壁4的底面间隔约0.1mm。耦合元件7垂直于电缆6的信号引线的延伸方向延伸一段距离，该距离大于信号引线的直径。
偶极子天线2由以8和9示出的一对臂限定。偶极子臂8和9与腔体天线的壁4集成。偶极子臂的跨度可以占腔体最长尺寸，此时沿壁4的最长尺寸，的长度的50％至90％之间。腔体包括狭缝，其中所述狭缝穿过腔体的壁4在偶极子臂之间延伸。偶极子天线2以微带线10的形式耦合至信号连接器。该微带线为宽度约为0.5mm的平面导体。该微带平行于限定偶极子臂的腔体天线的那面壁延伸。该微带产生耦合至该偶极子的场，使得该偶极子被微带激励。该微带线耦合至偶极子臂之间的狭缝，给偶极子馈电。在该示例中，偶极子的(沿狭缝的)馈线与偶极子臂成90度。然而，偶极子臂也可以与馈线成锐角或钝角。偶极子天线用于在由该微带的端口处的信号驱动时，发射水平极化的场，该微带的端口位于壁4的与所述偶极子臂相对的一侧。所述微带的主体在壁4的与耦合元件7相对的一侧与壁4的上表面间隔开，其距离壁4的上表面的垂直间隔约为0.1mm。微带10用于与偶极子天线的耦合强于与腔体天线的耦合。偶极子与微带的馈线之间的隔离度约为5至20dB。在该示例中，微带平行于偶极子臂的方向延伸。
接地层11限定了腔体天线的一面壁，该整个布置限定在印刷电路板12上。在该示例中，接地层11与偶极子臂8和9平行，偶极子天线位于该基板的边缘，腔体1在该边缘开口。在该示例中，信号连接器6的同轴电缆垂直于偶极子臂的延伸方向延伸。
因此，垂直极化由腔体天线提供，而水平极化由偶极子天线实现。
图1中的天线布置的性能如图2所示。图2示出了S参数S11、S12和S22与频率的关系曲线。
通常，Snm表示多端口网络中从端口m到端口n传输的功率。端口定义为可以向天线传递电压和电流的地方。这里有两个端口：端口1和端口2。其中，端口1为腔体天线(垂直极化)的输入端口，端口2为偶极子天线(水平极化)的输入端口。S12表示从端口2到端口1传输的功率。S11是当在端口1驱动时天线配置的回波损耗，表示当在端口1驱动时天线反射多少功率。S22是当在端口2驱动时天线配置的回波损耗，表示当在端口2驱动时天线反射多少功率。如果S11＝0dB，则当在端口1驱动时，所有功率都会从天线反射，并且不会辐射任何功率。传递到天线(即在端口处不反射)的功率被辐射或吸收为天线内的损耗。由于通常将天线设计为低损耗的，因此理想情况下，传递给天线的大部分功率都是辐射的。
图2示出了图1中的天线在28GHz左右辐射最佳，其中S11＝-20dB。
图3示出了图1所示的天线配置的进一步紧凑的设计。在该示例中，偶极子臂8和9位于腔体天线的壁4的边界内，即偶极子臂位于描述腔体天线的一面壁的外围的凸多边形内。这使得布置特别紧凑，其尺寸例如为6.8x1.4x2.5 mm。
图3中示出的天线配置的S参数与频率的关系曲线在图4中示出。图4示出了图2中的天线在27GHz左右辐射最佳，其中S11＝-31dB。在此频率下，大约99％的功率被辐射，只有大约1％的功率返回端口。其中S11＝-3dB，大约50％的功率返回端口。天线具有较宽的有用带宽，其中，在大约27.0至28.6GHz频率之间，S11小于-10dB。在两根天线的回波损耗均小于-10dB的整个频率范围内，第一连接器6，7与微带10之间的耦合小于-20dB。
图5和图6分别示出了图3中的天线配置的垂直和水平极化的远场方向图。可以看出，每个极化具有大致各向同性的发射方向图。
如图7所示，本发明的天线结构也可用于阵列配置。该实现方式示出了使用两个相邻的天线单元1和2，其中，每个单元均发射水平和垂直极化的场。可以使用两个以上的单元。天线阵列可以是线性的(1xN)或平面的(NxN)，其中，N表示天线振元的数量。对于图7中的线性阵列，N＝2。
图7中的布置的相关性能曲线在图8至11中示出。
图8示出了水平(H)和垂直(V)极化的天线振元的S11性能。图8示出了天线在28GHz左右辐射最佳，其中S11在-21dB至-22dB范围内。
图9示出了图7中示出的天线振元之间的隔离度。示出了垂直极化的两个天线振元(V1V2)之间、垂直极化的天线振元1和水平极化的天线振元1(V1H1)之间、垂直极化的天线振元1和垂直极化的天线振元2(V1V2)之间以及水平极化的两个天线振元(H1H2)之间的隔离度曲线。对于所示的所有组合，此频率范围(25至30GHz)上的隔离度值均小于-20dB。
图10和11分别表示垂直和水平极化的波束扫描性能(主波束指向特定角度的辐射方向图)。
通过改变输入信号相对天线振元的相位来实现波束扫描。当所有天线振元同相馈电(即具有相同相位)时，最大辐射方向垂直于阵列。例如，如果线性阵列沿X轴放置并同相馈电，则最大辐射方向沿Y轴。这也称为天线的视轴。从天线视轴进行扫描(或改变最大辐射方向)是通过在天线未进行物理移动或旋转的同时向天线振元馈送渐进的相位差来实现的，例如，第一天线的相位＝0度，第二天线的相位＝30度，第三天线的相位＝60度，依此类推。
在扫描期间，天线波束宽度趋于增加，而增益降低。良好的扫描性能是指在宽扫描角度下增益降低受限。这些曲线表明，阵列可以在一定的扫描角度(phi)范围内实现相长干涉。当随扫描角度的增加而造成的增益降低较小时，获得良好的性能。
此处描述的天线配置以紧凑的方式集成腔体天线和偶极子天线。通过将偶极子天线嵌入到其中的一个腔体壁内，可以在两个正交线性极化的天线效率和天线间隔离度方面保持良好的性能。
因此，可以通过两根天线之间良好的隔离度来实现毫米频率的正交极化。当天线以阵列形式使用时，可以保持良好的隔离度。
该天线配置可用于手机、基站、雷达或安装在飞机上的天线等各种设备中。
申请方在此单独公开本文描述的每一个体特征及两个或两个以上此类特征的任意组合。以本领域技术人员的普通知识，能够基于本说明书将此类特征或组合作为整体实现，而不考虑此类特征或特征的组合是否能解决本文所公开的任何问题；且不对权利要求书的范围造成。本申请表明本发明的各方面可由任何这类单独特征或特征的组合构成。鉴于前文描述可在本发明的范围内进行各种修改对本领域技术人员来说是显而易见的。

Claims (14)

1.一种天线结构，其特征在于，包括：
第一信号连接器；
第二信号连接器；
由一组平面壁限定的腔体天线，所述腔体天线耦合至所述第一信号连接器，并且当由所述第一信号连接器处的信号驱动时，所述腔体天线用于沿第一方向发射线性极化的场；以及
由一对偶极子臂限定的偶极子天线，所述偶极子臂与所述腔体天线的面壁集成，所述偶极子天线耦合至所述第二信号连接器，并且当由所述第二信号连接器处的信号驱动时，所述偶极子天线用于沿与所述第一方向偏移的第二方向发射线性极化的场；
所述天线结构还包括接地层，所述腔体天线和所述偶极子天线位于所述接地层的同侧。
2.根据权利要求1所述的天线结构，其特征在于，所述第一和第二方向正交。
3.根据权利要求1或2所述的天线结构，其特征在于，所述腔体天线和所述偶极子天线各自只发射线性极化的辐射。
4.根据权利要求1或2所述的天线结构，其特征在于，所述第一信号连接器与所述腔体天线间隔开，并且用于与所述腔体天线的耦合强于与所述偶极子天线的耦合。
5.根据权利要求1或2所述的天线结构，其特征在于，所述第二信号连接器与所述偶极子天线间隔开，并且用于与所述偶极子天线的耦合强于与所述腔体天线的耦合。
6.根据权利要求1或2所述的天线结构，其特征在于，所述偶极子天线的所述偶极子臂沿一方向延伸，并且所述第一信号连接器垂直于该方向延伸。
7.根据权利要求6所述的天线结构，其特征在于，所述第二信号连接器平行于所述偶极子臂的所述方向延伸。
8.根据权利要求1或2所述的天线结构，其特征在于，所述结构在基板上形成，并且所述偶极子天线位于所述基板的边缘，所述腔体在所述边缘开口。
9.根据权利要求1或2所述的天线结构，其特征在于，所述接地层与所述偶极子臂平行。
10.根据权利要求1或2所述的天线结构，其特征在于，所述腔体包括狭缝，其中所述狭缝至少部分地穿过所述腔体的一面壁在所述偶极子臂之间延伸。
11.根据权利要求1或2所述的天线结构，其特征在于，所述偶极子臂位于描述所述腔体天线的一面壁外围的凹多边形内。
12.根据权利要求1或2所述的天线结构，其特征在于，所述第一信号连接器包括细长导体和耦合元件，其中所述细长导体穿过所述腔体延伸并端接于所述腔体的一面壁的与所述第二信号连接器相对的一侧，所述耦合元件垂直于所述细长导体并平行于该面壁延伸。
13.根据权利要求12所述的天线结构，其特征在于，所述第二信号连接器是平行于该面壁延伸的平面导体。
14.一种天线阵列，其特征在于，包括至少两个天线，所述天线具有前述任一项权利要求所述的天线结构。
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