CN114447600A - 一种天线单元 - Google Patents

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骆云龙
杨洋
亚历克斯·漆
漆一宏
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Abstract

本发明涉及雷达天线技术研究领域，尤其涉及一种天线单元，包括PCB介质基板、金属地、馈电结构、辐射壁和阻抗调整结构，金属地设置于PCB介质基板上，馈电结构、辐射壁和阻抗调整结构设置在金属地上，辐射壁的多个金属过孔围绕在馈电结构的四周，并且辐射壁在电极化方向上的多个金属过孔通过金属片互相连接；阻抗调整结构位于馈电结构和辐射壁之间，用于使天线单元的辐射电阻和传导阻抗的并联阻抗远小于天线单元与外部相邻天线间的耦合阻抗，利用电流总是倾向于向低阻抗处流动的原理，将本应流向天线外部的表面波在天线内部转化为的有效辐射，达到更好的表面波抑制和辐射增强的效果，并保持天线的紧凑性。

Description

一种天线单元
技术领域
本发明涉及雷达天线技术研究领域，尤其涉及一种实现表面波自抑制高隔离度的天线单元。
背景技术
随着通信技术的发展天线距离无线系统(包含芯片)的距离前所未有的近，同时相控阵天线也在商业系统中得到了广泛的应用。在这一背景下，如图1所示，天线的表面波干扰成为了影响无线系统性能的主要因素。表面波干扰的影响主要有以下三点，表面波会降低相邻天线单元的隔离度；表面波会恶化方向图性能；表面波流入到系统中会降低系统的通信吞吐率。如图1-图3所示，传统提升天线阵列单元间隔离度办法有物理阻断和有源抑制两种。物理阻断法是通过一定的物理结构(如金属壁、EBG等)阻断表面波的干扰，这种方式要想达到理想的效果，通常需要较大的尺寸和较远的隔离距离；有源抑制法是构造抑制信号，抑制信号和表面波信号幅度相同、相位相反，形成抵消，这一方法的局限性是1、通常有源抑制的带宽较窄，无法在宽带内形成有效的抑制信号；2、对于一些复杂形式的天线，其有多种表面波传播路径，很难构造抑制信号。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中物理阻断法和有源抑制法由于其局限性而不能达到较好地阻断表面波传播的问题，提供一种表面波自抑制高隔离度的天线单元。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
一种天线单元，包括PCB介质基板、金属地1、馈电结构5、辐射壁和阻抗调整结构2，所述金属地1设置于所述PCB介质基板上，所述馈电结构5、辐射壁和阻抗调整结构2设置在所述金属地1上，所述辐射壁的多个金属过孔围绕在所述馈电结构5的四周，并且所述辐射壁在电极化方向上的多个金属过孔通过金属片互相连接；所述阻抗调整结构2位于所述馈电结构5和辐射壁之间；阻抗调整结构2的多个金属过孔通过接地辐射金属片互相连接。
本发明的天线单元，通过在天线内部设计一阻抗调整结构，使天线单元本身传导阻抗与辐射电阻进行并联的等效阻抗远小于天线单元与外部相邻天线间的耦合阻抗，再利用电流总是倾向于向低阻抗处流动的原理，将本应流向天线外部的表面波在天线内部转化为有效辐射，达到更好的表面波抑制和辐射增强的效果，并保证了天线的紧凑性。另一方面，由于在天线内部实现了表面波抑制的作用，在天线外部不需再添加额外的隔离结构，有利于节省生产制造成本，保持天线小尺寸，利于阵列应用。
优选的，所述辐射壁包括第一对立侧壁3和第二对立侧壁4，第一对立侧壁3的多个金属过孔和第二对立侧壁4的多个金属过孔围绕在所述馈电结构5的四周，辐射壁在电极化方向上通过金属片互相连接的多个金属过孔为所述第二对立侧壁4。
优选的，所述阻抗调整结构2位于所述馈电结构5和辐射壁的第一对立侧壁3之间。
优选的，所述第一对立侧壁3和所述第二对立侧壁4构成一个四边形。
优选的，所述四边形为正方形、长方形或梯形。
优选的，所述第二对立侧壁4中，两条对边上的金属过孔的数量相等。
优选的，所述第二对立侧壁4中，相邻金属过孔之间的圆心距离均为0.45毫米。
优选的，所述第一对立侧壁3中，相邻金属过孔之间的圆心距离为0.8毫米。
优选的，所述阻抗调整结构2中，相邻金属过孔之间的圆心距离为1.1毫米。
优选的，金属过孔的直径为0.3毫米。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明提出了一种表面波自抑制高隔离度的天线单元，通过在天线内部设计一阻抗调整结构，使天线单元本身传导阻抗与辐射电阻进行并联的等效阻抗远小于天线单元与外部相邻天线间的耦合阻抗，再利用电流总是倾向于向低阻抗处流动的原理，将本应流向天线外部的表面波在天线内部转化为有效辐射，达到更好的表面波抑制和辐射增强的效果，并保证了天线的紧凑性。
2、本发明由于在天线内部实现了表面波抑制的作用，在天线外部不需再添加额外的隔离结构，有利于节省生产制造成本，保持天线小尺寸，利于阵列应用。
附图说明
图1为相邻天线间形成表面波干扰的示意图。
图2为现有技术中采用物理阻断方式抑制表面波干扰的原理示意图。
图3为现有技术中采用有源抑制法抑制表面波干扰的原理示意图。
图4为本发明通过调整等效阻抗抑制表面波干扰的原理示意图。
图5为实施例1中表面波自抑制高隔离度阵列天线单元的结构示意图。
图6为实施例2中表面波自抑制高隔离度阵列天线单元的结构示意图。
图7为实施例2中表面波自抑制高隔离度阵列天线单元的隔离度仿真结果。
附图标记：1-金属地，2-阻抗调整结构，3-第一对立侧壁，4-第二对立侧壁，5-馈电结构，6-匹配结构。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
一种实现表面波自抑制高隔离度的天线单元，如图4所示，包括PCB介质基板，金属地1，馈电结构5和辐射壁，所述金属地设置于所述PCB介质基板上，所述馈电结构5、辐射壁和阻抗调整结构2设置在所述金属地1上；
所述辐射壁的多个金属过孔围绕在所述馈电结构5的四周，并且所述辐射壁在电极化方向(图4中X轴方向)上的多个金属过孔通过金属片互相连接；所述阻抗调整结构2位于所述馈电结构5和辐射壁之间；阻抗调整结构2的多个金属过孔通过接地辐射金属片互相连接。
进一步的，所述辐射壁包括第一对立侧壁3和第二对立侧壁4，第一对立侧壁3包括相对设置的两排金属过孔，第二对立侧壁4包括相对设置的两排金属过孔，第一对立侧壁3和第二对立侧壁4构成一个方形，并围绕在所述馈电结构5的四周，辐射壁在电极化方向上通过金属片互相连接的多个金属过孔为所述第二对立侧壁4，辐射壁在与电极化方向垂直的方向上，金属过孔之间除了通过金属地连接以外，不再通过其他介质进行互相连接。
进一步的，所述阻抗调整结构2位于所述馈电结构5和辐射壁的第一对立侧壁3之间。
如图5所示，所述阻抗调整结构2用于使所述天线单元(天线1)的辐射电阻RS和传导阻抗R1的并联阻抗远小于所述天线单元与外部相邻天线(天线2)间的耦合阻抗R2。
本发明所述金属过孔可以为空心也可以为实心，不影响隔离度效果，实心金属过孔中，可填充树脂材料。
本发明的原理是，通过在天线内部设计一分布式阻抗调整结构，使天线单元本身传导阻抗与辐射电阻进行并联的等效阻抗远小于天线单元与外部相邻天线间的耦合阻抗，再利用电流总是倾向于向低阻抗处流动的原理，引导表面波能量流向天线内部转化为有效辐射，而不是向外耦合，从而达到更好的表面波抑制和辐射增强的效果，并保证了天线的紧凑性。
再次参考图4，一方面，电流从所述馈电结构5通过所述金属地流向辐射壁的第一对立侧壁3，另一方面，由于辐射壁的第一对立侧壁3作为天线的辐射体，工作时末端开路，相当于阻抗无穷大，而所述馈电结构5与第一对立侧壁3之间的金属地上连接有阻抗调整结构2，第一对立侧壁3和阻抗调整结构2共同构成了末端开路的传输线，因此，使得天线单元本身的传导阻抗与辐射电阻进行并联的等效电阻远小于天线单元与外部相邻天线间的耦合阻抗，由此形成如图5所示的等效电路，且图5中天线单元与外部相邻天线间的耦合阻抗R2为无穷大的开路阻抗，于是表面波能量从第一对立侧壁3和阻抗调整结构2共同构成的缝隙向外辐射能量，而减少越过第一对立侧壁3向外传播，将本应流向天线外部的表面波在天线内部转化为的有效辐射，达到更好的表面波抑制和辐射增强的效果，并保持天线的紧凑性。
本发明由于在天线内部实现了表面波抑制的作用，在天线外部不需再添加额外的隔离结构，有利于节省生产制造成本。
实施例2
本实施例的天线单元的PCB介质基板采用4层板实现，介质材料为Rogers4350B，馈电结构5采用带状线。
如图6所示，辐射壁的第一对立侧壁3的两组互相对立的金属过孔，其中一组具有金属过孔15个，另一组具有金属过孔14个，孔直径为0.3mm，孔间距(两孔中心距离)为0.8mm。
第二对立侧壁4的两组互相对立的金属过孔，各组分别具有金属过孔33个，分别排列成左中括号“[”字形和右中括号“]”字形，孔直径为0.3mm，孔间距(两孔中心距离)为0.45mm。
第一对立侧壁3的两组金属过孔所在直线与第二对立侧壁4的两组金属过孔所在直线分别两两垂直，构成“口”字形，将馈电结构5包围。
馈电结构5与第一对立侧壁3的两组金属过孔之间具有阻抗调整结构2，阻抗调整结构2包括第一分部和第二分部，第一分部位于馈电结构5与第一金属过孔阵列的其中一组金属过孔之间，具有6个金属过孔，6个金属过孔的一端连接在所述金属地1上，另一端通过接地辐射金属片互相连接。第二分部位于馈电结构5与第一对立侧壁3的其中另一组金属过孔之间，具有4个金属过孔，金属过孔的直径为0.3mm，孔间距(两孔中心距离)为0.45mm，4个金属过孔的一端连接在所述金属地1上，另一端通过接地辐射金属片互相连接。
本实施例中，匹配结构6为多个金属过孔，用于使天线单元达到阻抗匹配。
使用2个本实施例的天线单元在一倍波长左右的隔离度仿真结果如图7所示，可以看出，在同样的阵列间距下相比于常规相控阵天线，使用本发明的表面波自抑制的天线单元达到了高于40dB的隔离度水平，隔离度提升了20dB(100倍)。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种天线单元，其特征在于，包括PCB介质基板、金属地(1)、馈电结构(5)、辐射壁和阻抗调整结构(2)，所述金属地(1)设置于所述PCB介质基板上，所述馈电结构(5)、辐射壁和阻抗调整结构(2)设置在所述金属地(1)上，所述辐射壁的多个金属过孔围绕在所述馈电结构(5)的四周，并且所述辐射壁在电极化方向上的多个金属过孔通过金属片互相连接；所述阻抗调整结构(2)位于所述馈电结构(5)和辐射壁之间；阻抗调整结构(2)的多个金属过孔通过接地辐射金属片互相连接。
2.如权利要求1所述的一种天线单元，其特征在于，所述辐射壁包括第一对立侧壁(3)和第二对立侧壁(4)，第一对立侧壁(3)的多个金属过孔和第二对立侧壁(4)的多个金属过孔围绕在所述馈电结构(5)的四周，辐射壁在电极化方向上通过金属片互相连接的多个金属过孔为所述第二对立侧壁(4)。
3.如权利要求2所述的一种天线单元，其特征在于，所述阻抗调整结构(2)位于所述馈电结构(5)和辐射壁的第一对立侧壁(3)之间。
4.如权利要求3所述的一种天线单元，其特征在于，所述第一对立侧壁(3)和所述第二对立侧壁(4)构成一个四边形。
5.如权利要求4所述的一种天线单元，其特征在于，所述四边形为正方形、长方形或梯形。
6.如权利要求5所述的一种天线单元，其特征在于，所述第二对立侧壁(4)中，两条对边上的金属过孔的数量相等。
7.如权利要求6所述的一种天线单元，其特征在于，所述第二对立侧壁(4)中，相邻金属过孔之间的圆心距离均为0.45毫米。
8.如权利要求7所述的一种天线单元，其特征在于，所述第一对立侧壁(3)中，相邻金属过孔之间的圆心距离为0.8毫米。
9.如权利要求8所述的一种天线单元，其特征在于，所述阻抗调整结构(2)中，相邻金属过孔之间的圆心距离为1.1毫米。
10.如权利要求1～9任一项所述的一种天线单元，其特征在于，金属过孔的直径为0.3毫米。
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