CN114336044A

CN114336044A - 一种具有自解耦能力的共口径天线阵列

Info

Publication number: CN114336044A
Application number: CN202111475952.5A
Authority: CN
Inventors: 褚庆昕; 李祎昕
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2021-12-06
Filing date: 2021-12-06
Publication date: 2022-04-12

Abstract

本发明公开了一种具有自解耦能力的共口径天线阵列，包括一个或多个低频天线及多个高频天线，低频天线和高频天线共地交错排布，低频天线辐射体位于高频天线上方，低频天线的辐射体对高频天线而言相当于部分反射结构，低频天线的多个辐射体组合后，形成对高频天线的部分反射表面。当低频天线的辐射体引入的部分反射波抵消高频天线间的耦合波时，可实现高频天线的同频去耦，此外，部分反射表面使大部分高频电磁波透过，可实现高频天线的方向图保形。本发明无需引入额外的去耦层，可减小共口径天线阵列的装配复杂度，不增加低频天线的高度，且不恶化低频天线自身的阻抗匹配。

Description

一种具有自解耦能力的共口径天线阵列

技术领域

本发明涉及无线通信的技术领域，尤其是指一种具有自解耦能力的共口径天线阵列。

背景技术

随着5G的蓬勃发展，无线通信设备内需要集成越来越多的子天线。为缩小设备体积，子天线往往排布得十分靠近，形成共口径天线阵列。在共口径天线阵列中，任意两个子天线之间都存在耦合干扰。按作用频段分类，耦合干扰可被分为异频耦合和同频耦合。耦合干扰可导致阻抗失配，隔离度恶化，以及方向图变形。为提升天线阵列的电路和辐射性能，需采用行之有效的去耦合技术。

近年来，学术界和工业界发明了一些适用于共口径天线阵列的去耦合技术。目前两种典型的去耦技术为电磁透明天线技术和带阻频率选择表面(Frequency SelectiveSurface,FSS)技术，两种去耦技术的基本概念在图1和图2中给出。参见图1所示，在交错排布的共口径天线阵列中，低频天线和高频天线的馈线接公共的地板(反射板)，高频天线放置于低频天线辐射体下方，由于低频天线辐射体对高频电磁场的遮挡和反射，高频天线方向图产生畸变，为了修复这种畸变，需将低频天线设计为电磁透明天线，电磁透明的低频天线使高频电磁波穿过其辐射体，低频天线辐射体可被视作对高频电磁波不存在。参见图2所示，在堆叠排布的共口径天线阵列中，高频天线放置于低频天线辐射体上方，在高频天线和低频天线之间插入一层FSS。FSS层对高频电磁波而言为带阻结构，使高频电磁波反射，另一方面，FSS层对低频天线而言为电小结构，使大部分低频电磁波透过，因此，FSS层使高频天线和低频天线的辐射环境相互独立且隔离，高频电磁波和低频电磁波分别经由FSS层和底部的反射板反射后，形成单向辐射波束。上述两种去耦方案有一些缺陷，比如电磁透明天线可能恶化低频天线的阻抗匹配，为改善阻抗匹配，需要设计复杂的阻抗匹配网络，甚至增加低频天线的剖面高度，在堆叠天线阵列中引入FSS去耦层的做法增加了天线装配和制造的复杂度。此外，上述两种去耦方案的共同缺陷是去耦方案通常只解决异频耦合问题(实现高频天线方向图的保形)，而对于高频天线的同频耦合则无明显效果。

发明内容

本发明的目的在于克服现有共口径天线阵列去耦方案的缺陷与不足，提出一种具有自解耦能力的共口径天线阵列，自解耦的概念为：在不添加额外去耦层的前提下，仍能同时实现共口径天线阵列异频去耦和同频去耦。其中，异频去耦可实现高频天线的方向图保形，同频去耦可提升高频天线之间的隔离度。通过在低频天线的多个辐射体内加载去耦结构，将低频天线的辐射体层设计高频电磁波的部分反射表面(Partially ReflectiveSurface,PRS)，可使共口径天线阵列具备自解耦能力。此外，本发明提供的去耦方案可减小共口径天线阵列的装配复杂度，不增加低频天线的高度，且不恶化低频天线自身的阻抗匹配。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种具有自解耦能力的共口径天线阵列，包括一个或多个低频天线及多个高频天线，低频天线和高频天线共地交错排布，低频天线的辐射体位于高频天线上方，低频天线的辐射体对高频天线而言相当于部分反射结构，低频天线的多个辐射体组合后，形成对高频天线的部分反射表面(PartiallyReflective Surface,PRS)，在不引入额外去耦层的前提下，当高频电磁波照射低频天线的辐射体时，低频天线的辐射体产生高频的部分反射波，通过控制部分反射波的幅度和相位，能够使部分反射波的幅度和高频天线间的高频耦合波相同，相位和高频天线间的高频耦合波相反，从而抵消高频天线间的高频耦合波，实现高频天线的同频去耦，此外，PRS使大部分高频电磁波仍然能穿过低频天线的辐射体，形成高频辐射波，从而实现高频天线的方向图保形。

优选的，所述低频天线的辐射体上设置有由三角形贴片连接倾斜金属枝节构成的箭头形去耦合结构。

优选的，所述低频天线和高频天线由同轴线直接馈电。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、与已有的共口径天线去耦合技术相比，本发明所涉及的去耦合技术既能实现异频去耦，又能实现同频去耦，因此能同时修复高频天线方向图和提升高频天线间隔离度。

2、与已有的共口径天线去耦合技术相比，本发明所涉及的去耦合技术不明显恶化低频天线的匹配，降低了匹配结构的设计难度。

3、与已有的共口径天线去耦合技术相比，本发明所涉及的去耦合技术无需引入额外的去耦层，降低了装配和制造的复杂度。

4、与已有的共口径天线去耦合技术相比，本发明所涉及的去耦合技术无需增加低频天线的高度。

5、与已有的共口径天线去耦合技术相比，本发明所涉及的具有自解耦能力的共口径天线阵列中的低频天线和高频天线可由同轴线直接馈电，无需使用微带巴伦馈电，简化了馈电结构的设计。

附图说明

图1为交错排列的共口径天线阵列的示意图。

图2为堆叠排列的共口径天线阵列的示意图。

图3为具有自解耦能力的交错排列的共口径天线阵列的示意图。

图4为三种超表面元胞的仿真模型图。

图5为三种超表面元胞的反射系数示意图。

图6为实施例1中共口径天线阵列的示意图。

图7为实施例1中，加载箭头形去耦合结构前后，高频天线+45°极化端口的方向图。

图8为实施例1中，加载箭头形去耦合结构前后，高频天线-45°极化端口的方向图。

图9为实施例1中，加载去耦合结构前后高频天线间的同频耦合示意图。

图10为实施例1中，加载箭头形去耦合结构前后低频天线的反射系数和极化隔离度示意图。

图11为实施例2中共口径天线阵列的示意图。

图12为实施例3中共口径天线阵列的示意图。

图13为实施例4中共口径天线阵列的示意图。

图14为实施例5中共口径天线阵列的示意图。

图15为实施例6中共口径天线阵列的示意图。

图16为实施例7中共口径天线阵列的示意图。

图17为实施例8中共口径天线阵列的示意图。

具体实施方式

参见图3所示，本发明提供一种新的共口径天线阵列自解耦方案，该方案适用于交错排布的共口径天线阵列，包括一个或多个低频天线及多个高频天线，低频天线和高频天线共地交错排布，低频天线的辐射体位于高频天线上方，低频天线的辐射体对高频天线而言相当于部分反射结构，低频天线的多个辐射体组合后，形成对高频天线的部分反射表面(Partially Reflective Surface,PRS)。在不引入额外去耦层的前提下，当高频电磁波照射低频天线的辐射体时，低频天线的辐射体产生高频的部分反射波。通过合理控制部分反射波的幅度和相位，使部分反射波的幅度和高频耦合波相同，相位和高频耦合波相反，即可抵消高频耦合波，实现高频天线的同频去耦。另一方面，大部分高频电磁波仍然穿过低频天线的辐射体，形成高频辐射波，实现了高频天线的方向图保形。

参见图4所示，在空气盒子前、后、左、右四个表面建立周期性边界条件以模拟无限大超表面，空气盒子上、下表面定义为端口，仿真元胞1、元胞2、元胞3三种元胞。其中，元胞1的结构为方环形，元胞2在元胞1基础上，于方环内引入三角形贴片，元胞3在元胞2基础上，于三角形贴片尾端连接倾斜金属枝节。三角形贴片连同倾斜金属枝节一同构成箭头形去耦合结构。

参见图5所示，元胞1的反射系数在高频段3.3-3.6GHz内接近0dB，这表明如果低频振子臂的形状选为传统的方环结构，低频振子臂将对高频电磁波产生严重遮挡，恶化高频天线的方向图。在引入三角形贴片后，元胞2的反射系数曲线中产生一个反射零点。在继续引入倾斜金属枝节后，元胞3的反射零点可被移至3.2GHz左右。按照反射系数的大小，在图5中用阴影区表示出了元胞3的通带、阻带和过渡带。在通带，元胞3的反射系数小于-18dB，表明该频带内的电磁波可基本上穿透元胞3。在阻带，元胞3的反射系数大于-0.6dB，表明该频带内的电磁波几乎都被元胞3反射。而在过渡带3.3-3.6GHz，元胞3的反射系数为-18dB至-6dB，属于部分反射态。

下面结合具体实施例对本发明上述共口径天线阵列自解耦方案作进一步说明。

实施例1

参见图6所示，本实施例所提供的共口径天线阵列，包括一个低频天线601和四个高频天线602a-602d。该共口径天线阵列可作为形成具有任意阵列规模的共口径天线阵列的一个基本单元。低频天线和高频天线的馈线接到公共的地板(即反射板)603上。低频天线的辐射体由8个部分反射元胞(即PRS元胞)组成，元胞的设计基于图5中的元胞3，每个环形辐射臂内均加载有4个箭头形去耦合结构604。低频天线由同轴线605连接Y形馈线606馈电，高频天线由同轴线607连接Y形馈线608馈电。高频天线周围设置有竖直的金属挡板609。

参见图7和图8所示，未加箭头形去耦合结构时，高频天线的两个正交极化端口的方向图均表现出一些倾斜和畸变，同时交叉极化较大。加入箭头形去耦合结构后，不仅修复了方向图的倾斜和畸变，而且抑制了交叉极化。因此，本发明提供的去耦合方案可有效实现方向图保形，具有异频去耦能力。

参见图9所示，未加去耦合结构时，高频天线间的同频隔离度最差为18dB左右。加入去耦合结构后，高频天线间的同频隔离度在高频带内(3.3-3.6GHz)可提升至约>27dB。因此，本发明提供的去耦合方案可有效提升高频天线间的同频隔离度，具有同频去耦能力。

参见图10所示，加入箭头形去耦合结构前后，低频天线自身的阻抗匹配和极化隔离度未见明显恶化。

实施例2

参见图11所示，与实施例1不同的是本实施例中的低频天线去除了外侧的4个PRS元胞，低频天线的辐射体共包含4个PRS元胞。

实施例3

参见图12所示，与实施例1不同的是本实施例中的低频天线沿介质板边缘新增了8个PRS元胞，低频天线的辐射体共包含16个PRS元胞。

实施例4

参见图13所示，与实施例3不同的是本实施例中的PRS元胞向外延拓，构成具有任意PRS元胞数量的低频天线。

实施例5

参见图14所示，与实施例1不同的是本实施例中加载于方环形低频辐射体内的去耦合结构被替换为方形贴片。

实施例6

参见图15所示，与实施例1不同的是本实施例中加载于方环形低频辐射体内的去耦合结构被替换为圆形贴片。

实施例7

参见图16所示，与实施例1不同的是本实施例中撤去了金属挡板。

实施例8

参见图17所示，与实施例1不同的是本实施例以实施例1为基本构成单元，天线辐射体、馈电结构和去耦合结构向外延拓，形成具有任意阵列规模的共口径天线阵列。

以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种具有自解耦能力的共口径天线阵列，其特征在于：包括一个或多个低频天线及多个高频天线，低频天线和高频天线共地交错排布，低频天线的辐射体位于高频天线上方，低频天线的辐射体对高频天线而言相当于部分反射结构，低频天线的多个辐射体组合后，形成对高频天线的部分反射表面PRS，在不引入额外去耦层的前提下，当高频电磁波照射低频天线的辐射体时，低频天线的辐射体产生高频的部分反射波，通过控制部分反射波的幅度和相位，能够使部分反射波的幅度和高频天线间的高频耦合波相同，相位和高频天线间的高频耦合波相反，从而抵消高频天线间的高频耦合波，实现高频天线的同频去耦，此外，PRS使大部分高频电磁波仍然能穿过低频天线的辐射体，形成高频辐射波，从而实现高频天线的方向图保形。

2.根据权利要求1所述的一种具有自解耦能力的共口径天线阵列，其特征在于：所述低频天线的辐射体上设置有由三角形贴片连接倾斜金属枝节构成的箭头形去耦合结构。

3.根据权利要求1所述的一种具有自解耦能力的共口径天线阵列，其特征在于：所述低频天线和高频天线由同轴线直接馈电。