CN114300847A - 宽角扫描的低交叉极化天线阵列及射频通信设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽角扫描的低交叉极化天线阵列及射频通信设备，该天线阵列包括N×M个天线单元、第一组金属墙、第二组金属墙、第三组金属墙以及金属地，每个天线单元包括辐射结构和馈电结构，所述馈电结构为辐射结构馈电；所述第一组金属墙围绕在辐射结构四周，第一组金属墙与金属地电连接，形成背腔结构；所述第二组金属墙设置在第一组金属墙的两侧；所述第三组金属墙设置在第一组金属墙的正上方，第三组金属墙与第一组金属墙组成双层背腔结构。本发明利用三组金属墙组合辐射结构的形式，一方面提高了大规模阵列波束扫描能力，另一方面解决了大规模阵列波束扫描时交叉极化恶化的问题，实现了优良的双极化辐射性能。

Description

宽角扫描的低交叉极化天线阵列及射频通信设备

技术领域

本发明涉及一种宽角扫描的低交叉极化天线阵列及射频通信设备，属于射频通信领域。

背景技术

大规模相控阵天线的设计可以满足基站与移动设备间长距离、宽带高速的通信链路需求，在提高移动通信性能及用户体验方面具有重大的实际意义，是5G通信系统的关键技术之一。

目前，提出了大规模相控阵天线设计方案，可实现性能较佳的波束扫描效果。但是，阵列天线在进行波束扫描时，单元间方向图的相互干扰会导致交叉极化提高，进而影响系统抗干扰和分集增益的获得。然而，现有技术中，主要研究的降低交叉极化的手段均只针对阵列在不扫描时的情况，而忽略了扫描时交叉极化恶化的问题。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术的缺点与不足，提供了一种宽角扫描的低交叉极化天线阵列，该天线阵列在不影响阵列其他辐射性能的情况下，解决阵列波束扫描时交叉极化恶化的问题，同时提高阵列波束扫描的能力，对大规模相控阵天线的应用具有重要的价值。

本发明的另一目的在于提供一种射频通信设备。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种宽角扫描的低交叉极化天线阵列，包括N×M个天线单元、第一组金属墙、第二组金属墙、第三组金属墙以及金属地，每个天线单元包括辐射结构和馈电结构，所述馈电结构为辐射结构馈电；所述第一组金属墙围绕在辐射结构四周，第一组金属墙与金属地电连接，形成背腔结构；所述第二组金属墙设置在第一组金属墙的两侧；所述第三组金属墙设置在第一组金属墙的正上方，第三组金属墙与第一组金属墙组成双层背腔结构。

进一步的，所述第一组金属墙、第二组金属墙和第三组金属墙均由多个金属过孔电连接而成，或所述第一组金属墙、第二组金属墙和第三组金属墙均由金属片构成。

进一步的，所述第三组金属墙为多层环形结构。

进一步的，所述多层环形结构为多层间隔预设距离设置的环形金属片结构，或所述多层环形结构为多层通过金属过孔电连接在一起的环形金属片结构。

进一步的，所述第二组金属墙与第一组金属墙电连接，或所述第二组金属墙与第一组金属墙间隔预设距离组合。

进一步的，所述第三组金属墙与第一组金属墙电连接，或所述第三组金属墙与第一组金属墙间隔预设距离组合。

进一步的，所述第三组金属墙与第二组金属墙电连接，或所述第三组金属墙与第二组金属墙间隔预设距离组合。

进一步的，所述馈电结构包括两个单极化差分馈电网络、四个馈电过孔和金属贴片，所述单极化差分馈电网络经由一分二移相器引入180°相位差后连接至馈电过孔；所述馈电过孔由一根或多根金属过孔电连接而成；所述金属贴片与馈电过孔电连接，与辐射结构间隔预设距离，形成耦合馈电形式。

进一步的，所述辐射结构为辐射贴片，所述辐射贴片在间隔预设距离的上方位置上设置有寄生贴片。

本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种射频通信设备，包括上述的低交叉极化天线阵列。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本发明结构简单，利用辐射结构组合多组金属墙的形式，解决了阵列中单元方向图之间互相干扰导致畸变的问题，进而解决了大规模阵列波束扫描时交叉极化恶化的问题，同时提高了大规模阵列波束扫描能力，实现了优良的双极化辐射性能。

2、本发明利用三组金属墙组合使用，提高了阵列在复杂环境下的抗干扰能力，当与其他频段天线在同一口径下同时工作时，仍能保证其辐射性能不受影响。

3、本发明基于HDI（High Density Interconnector，高密度互连技术）工艺加工设计，成本较低，天线可靠性强，实现了性能优良的双极化辐射性能，辐射方向图稳定。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的低交叉极化天线阵列分解结构图。

图2是本发明实施例的低交叉极化天线阵列侧视结构图。

图3是本发明实施例的低交叉极化天线阵列俯视结构图。

图4是本发明实施例的低交叉极化天线阵列中三组金属墙的结构分解图。

图5是本发明实施例的低交叉极化天线阵列中的辐射结构及馈电结构图。

图6是本发明实施例的低交叉极化天线阵列中的馈电结构图。

图7是本发明实施例的低交叉极化天线阵列关于有无第二组金属墙的电场对比图。

图8是本发明实施例的低交叉极化天线阵列在只激励其中一个天线单元的情况下关于有无第二组金属墙的方向图对比图。

图9是本发明实施例的低交叉极化天线阵列在波束扫描的情况下关于有无第二组金属墙的方向图对比图。

图10是本发明实施例的低交叉极化天线阵列关于有无第三组金属墙的方向图对比图。

图11是本发明实施例的低交叉极化天线阵列有源回波损耗仿真结果图。

图12是本发明实施例的低交叉极化天线阵列增益曲线仿真结果图。

图13是本发明实施例的低交叉极化天线阵列在65GHz处的主极化和交叉极化方向图。

图14是本发明实施例的低交叉极化天线阵列在65GHz处波束扫描至45°时的主极化和交叉极化方向图。

其中，1-第一组金属墙，2-第二组金属墙，3-第三组金属墙，4-寄生贴片，5-辐射结构，6-馈电结构，61-单极化差分馈电网络，62-馈电过孔，63-金属贴片，7-金属地。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例：

如图1~图3所示，本实施例提供了一种低交叉极化天线阵列，该天线阵列应用于宽角扫描，可以设置在射频通信设备上，其包括1×M个天线单元、第一组金属墙1、第二组金属墙2、第三组金属墙3以及金属地7，每个天线单元包括辐射结构5和馈电结构6，馈电结构6为辐射结构5馈电。

如图1~图4所示，第一组金属墙1围绕在辐射结构5四周，第一组金属墙1与金属地7电连接，形成背腔结构，可以提高各天线单元在复杂环境下的抗干扰能力。

如图1~图4所示，第二组金属墙2设置在第一组金属墙1的两侧，第二组金属墙2上感应电场影响阵列天线电场分布，在天线阵列两侧边缘产生电场零点效果，可以降低阵列波束扫描时的交叉极化，提高阵列扫描能力。

进一步地，如图7和图9所示，本实施例的天线阵列没有加载第二组金属墙2的情况下，天线单元在进行波束扫描时，阵列边缘两侧电场分布较强且对称性差，其产生的辐射会提高交叉极化水平；本实施例的天线阵列加载所述第二组金属墙2的情况下，第二组金属墙2上受天线电磁场影响产生感应电场，反作用于阵列天线电场分布，在阵列边缘两侧产生电场零点效果，提高电场分布对称性，且其强度主要沿着工作极化方向，进而提高天线在波束扫描时的交叉极化比。

进一步地，如图8所示，只激励本实施例的天线阵列中间任一天线单元时，加载所述第二组金属墙2的单元方向图正常辐射，在±45°辐射方向内，交叉极化始终保持较低水平；没有加载第二组金属墙2的单元方向图在±45°方向上出现增益凹陷，同时交叉极化水平较高，天线单元辐射性能差，无法满足阵列进行高性能波束扫描的要求。

进一步地，如图9所示，第二组金属墙2上产生的感应电场辐射，从而提高阵列波束扫描能力，与不加载第二组金属墙2的天线阵列比较，扫描后增益下降更少。

可选地，第二组金属墙2可以与第一组金属墙1电连接。

可选地，第二组金属墙2可以与第一组金属墙1间隔预设距离组合。

进一步地，第三组金属墙3设置在第一组金属墙1的正上方；具体地，第三组金属墙3的宽度小于第一组金属墙1的宽度，并设置在第一组金属墙1正上方的外边缘；第三组金属墙3与第一组金属墙1组成双层背腔结构，可以提高口径的对称性，从而降低阵列交叉极化水平。

进一步地，第一组金属墙1、第二组金属墙2和第三组金属墙3可任意组合，并且尺寸可调。

可选地，第一组金属墙1、第二组金属墙2和第三组金属墙3均可以由多个金属过孔电连接而成。

可选地，第一组金属墙1、第二组金属墙2和第三组金属墙3均可以由具有预设厚度的金属片直接构成。

如图10所示，在天线辐射方向上，本实施例的天线阵列加载第三组金属墙3相比于不加载第三组金属墙3的交叉极化水平降低了超过15dB，而不影响天线主极化方向图。

可选地，第三组金属墙3可以与第一组金属墙1电连接。

可选地，第三组金属墙3可以与第一组金属墙1间隔预设距离组合。

可选地，第三组金属墙3可以与第二组金属墙2电连接。

可选地，第三组金属墙3可以与第二组金属墙2间隔预设距离组合。

进一步地，第三组金属墙3为多层环形结构，其围绕于辐射结构5周围，降低阵列交叉极化。

可选地，多层环形结构可以为多层间隔预设距离设置的环形金属片结构，本实施例的金属片为铜片。

可选地，多层环形结构可以为多层通过金属过孔电连接在一起的环形金属片结构，本实施例的金属片为铜片。

进一步地，被第一组金属墙1、第二组金属墙2和第三组金属墙3所围绕的天线单元形式不限，可以为贴片天线形式、偶极子天线形式等，而本实施例的天线形式属于贴片天线形式。

如图1和图5所示，辐射结构5为辐射贴片，辐射贴片在间隔预设距离的上方位置上设置有寄生贴片4，寄生贴片4和辐射贴片可以由一个或多个矩形贴片组成，寄生贴片4间隔一定距离设置在辐射贴片上方，形成叠层贴片天线工作模式，可以拓展天线带宽，提高天线增益。

进一步地，馈电结构6的形式不限，可为差分馈电形式、单馈形式等，而本实施例的馈电结构6属于差分馈电形式。

如图5和图6所示，馈电结构6包括两个单极化差分馈电网络61、四个馈电过孔62和金属贴片63，单极化差分馈电网络61经由一分二移相器引入180°相位差后连接至馈电过孔62；馈电过孔62由一根或多根金属过孔电连接而成；金属贴片63与馈电过孔62电连接，与辐射结构（辐射贴片）5间隔预设距离，形成耦合馈电形式，拓宽天线带宽；可选地，金属贴片63的形状可以为矩形、圆形、扇形等。

本实施例的天线阵列采用的是1×M个天线单元组成的阵列，即此时N=1，对于N≥2时的N×M个天线单元组成的二维面阵，可理解为将本实施例拓展为N（N≥2）列1×M个天线单元组成的阵列。

如图11所示，是本实施例的低交叉极化阵列天线的有源S参数图，其中，Active S(1:1)、Active S(3：1)、Active S(5:1)、Active S(7:1)分别表示端口1、3、5、7的有源回波损耗，端口1、3、5、7激励阵列中同一极化方向，可为两个极化方向中的任一极化，这是由于天线对称性高，两个极化对应的有源S参数结果相同；从图中可见，天线阵列的-11dB阻抗带宽为57-71GHz，覆盖了5G系统的免许可频段。

如图12所示，是本实施例的低交叉极化阵列天线的增益曲线图，从图中可见，天线在通带内增益平稳，保持在10dBi以上。

如图13和图14所示，是本实施例的低交叉极化阵列天线在中心频点65GHz处的方向图，从图中可见，在65GHz处，天线不扫描时，增益为11.3dBi，交叉极化比超过40dB；在波束扫描至45°方向上时，增益下降小于3.7dB，交叉极化比为18.5dB，相比于不加金属墙版本，本实施例在实现宽带的情况下，各个频点方向图在波束扫描时交叉极化比都提升了6.5dB以上。

综上所述，本发明结构简单，利用辐射结构组合多组金属墙的形式，解决了阵列中单元之间互相干扰导致方向图畸变的问题，进而解决了大规模阵列波束扫描时交叉极化恶化的问题，同时提高了阵列波束扫描能力；此外，本发明利用三组金属墙组合使用，提高了阵列在复杂环境下的抗干扰能力，当与其他频段天线在同一口径下同时工作时，仍能保证其辐射性能不受影响。

以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (10)

1.一种宽角扫描的低交叉极化天线阵列，其特征在于，包括N×M个天线单元、第一组金属墙、第二组金属墙、第三组金属墙以及金属地，每个天线单元包括辐射结构和馈电结构，所述馈电结构为辐射结构馈电；所述第一组金属墙围绕在辐射结构四周，第一组金属墙与金属地电连接，形成背腔结构；所述第二组金属墙设置在第一组金属墙的两侧；所述第三组金属墙设置在第一组金属墙的正上方，第三组金属墙与第一组金属墙组成双层背腔结构。

2.根据权利要求1所述的低交叉极化天线阵列，其特征在于，所述第一组金属墙、第二组金属墙和第三组金属墙均由多个金属过孔电连接而成，或所述第一组金属墙、第二组金属墙和第三组金属墙均由金属片构成。

3.根据权利要求1所述的低交叉极化天线阵列，其特征在于，所述第三组金属墙为多层环形结构。

4.根据权利要求3所述的低交叉极化天线阵列，其特征在于，所述多层环形结构为多层间隔预设距离设置的环形金属片结构，或所述多层环形结构为多层通过金属过孔电连接在一起的环形金属片结构。

5.根据权利要求1所述的低交叉极化天线阵列，其特征在于，所述第二组金属墙与第一组金属墙电连接，或所述第二组金属墙与第一组金属墙间隔预设距离组合。

6.根据权利要求1所述的低交叉极化天线阵列，其特征在于，所述第三组金属墙与第一组金属墙电连接，或所述第三组金属墙与第一组金属墙间隔预设距离组合。

7.根据权利要求1所述的低交叉极化天线阵列，其特征在于，所述第三组金属墙与第二组金属墙电连接，或所述第三组金属墙与第二组金属墙间隔预设距离组合。

8.根据权利要求1-7任一项所述的低交叉极化天线阵列，其特征在于，所述馈电结构包括两个单极化差分馈电网络、四个馈电过孔和金属贴片，所述单极化差分馈电网络经由一分二移相器引入180°相位差后连接至馈电过孔；所述馈电过孔由一根或多根金属过孔电连接而成；所述金属贴片与馈电过孔电连接，与辐射结构间隔预设距离，形成耦合馈电形式。

9.根据权利要求1-7任一项所述的低交叉极化天线阵列，其特征在于，所述辐射结构为辐射贴片，所述辐射贴片在间隔预设距离的上方位置上设置有寄生贴片。

10.一种射频通信设备，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的低交叉极化天线阵列。

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