CN114696081B - 多阶谐振高隔离度宽带腔体阵列天线系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多阶谐振高隔离度带宽天线单元，包括介质板和天线阵子，天线阵子包括微带天线和接地板，微带天线和接地板均设置于介质板上，接地板连接至微带天线，接地板具有半反射半透射结构，微带天线包括微带馈线、主辐射器、条带、主枝节弯折结构和多级副枝节，主辐射器连接微带馈线；条带连接主辐射器；主枝节弯折结构连接条带，主枝节弯折结构构成该天线单元的低频谐振结构；多级副枝节连接主枝节弯折结构。本发明能够在不增加尺寸的前提下，创新的设计天线单元的结构使其能够覆盖现有商业应用所需的600MHz‑7.125GHz的极宽带宽，其尺寸远远小于最低频率600MHz的波长，并且其可以达到168％的百分比阻抗带宽。

Description

多阶谐振高隔离度宽带腔体阵列天线系统

技术领域

本发明涉及智能天线技术领域，尤其是指一种多阶谐振高隔离度宽带腔体阵列天线系统。

背景技术

天线是现代无线通信系统中辐射、接收能量的关键部件，其性能好坏往往决定了整个通信系统的成败。由于所有的无线通信器件都需要天线来进行信号的收发，因此天线的信号收发的能力很多时候直接决定了无线通信系统的性能。而且随着5G的逐步商用，加上之前已经普及的Wifi6E等新一代无线通信模式的广泛普及，其通信系统多频段的多天线系统的需求逐步增加。因此开发小型化、易集成并且低加工成本的多天线系统是无线通信系统的大势所趋。其中腔体天线是通信系统中的一种重要解决方案，其具有效率高、增益高以及易于组阵的特点。比较常见的腔体天线如法布里珀罗天线等可以通过腔体内部半波长腔体厚度进行信号相消与相长的特性进行信号强度调制，使得天线具有较高的效率与增益。但是此技术路线仍然为单路的馈电，天线系统无法提供独立的多路射频信号收发，使其在商业无线通信（如5G）中的应用有较大的局限。因此法布里珀罗等这类腔体天线比较难构建可以商用的多天线系统。

现有技术1（Anil Kr Gautam, A CPW-Fed Compact UWB Microstrip Antenna,IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters ( Volume: 12) 2013）为代表的微带单元天线有一系列的宽带解决方案，但是这类天线仅仅是单天线，并且工作频率为3.1-10.6GHz范围，无法覆盖0.6GHz-2.6GHz的商用频谱范围，并且此类单元天线仅仅是单溃源或者双溃源馈电，无法满足商用中多天线要求的独立四路收发信号的功能。现有技术2（Nghia Nguyen-Trong, et al. Wideband Fabry–Perot Antennas EmployingMultilayer of Closely Spaced Thin Dielectric Slabs, IEEE Antennas andWireless Propagation Letters ( Volume: 17, Issue: 7, July 2018)）为代表提出了宽带法布里珀罗腔体阵列天线，但是由于其设计的波长限制，其工作频段局限于10GHz及以上，相对带宽在60%以下，难以满足商业应用需求。更重要的是法布里珀罗腔体天线为单溃源的阵列，即整个天线系统只能单溃源进行信号收发，无法扩展为单天线完成多路射频信号独立收发。现有技术3（孙立春等 一种新型宽带金属腔体天线, 雷达科学与技术,第四期2017年8月）提供了一种新型的腔体设计，但是其工作频率依然在10GHz以上，没有对低频段进行尺寸小型化设计。此外整个腔体天线依然只能提供单一馈电进行1路信号收发，无法完成多路信号独立收发的功能。在应用实现方面全金属的结构使其成本也较为高，不易于商用。

综上所述，现有技术主要存在以下缺点：现有的多天线系统中的天线单元带宽窄，百分比带宽小于50%，无法覆盖宽带的应用需求，从而导致整个多天线系统的带宽窄，无法覆盖宽带应用的需求；并且天线之间的隔离度低，其隔离度无法覆盖完整的宽带频段。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中存在的技术问题，提供一种多阶谐振高隔离度宽带腔体阵列天线系统，其能够在不增加尺寸的前提下，创新的设计天线单元的结构使其能够覆盖现有商业应用所需的600MHz-7.125GHz的极宽带宽，其尺寸远远小于最低频率600MHz的波长，并且其可以达到168%的百分比阻抗带宽。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种多阶谐振高隔离度带宽天线单元，包括：

介质板，其上设置有馈电电路；

天线阵子，其包括微带天线和接地板，所述微带天线和所述接地板均设置于所述介质板上，所述接地板连接至微带天线，所述微带天线连接至所述馈电电路；

其中，所述接地板具有半反射半透射结构，所述微带天线包括：

微带馈线；

主辐射器，其连接所述微带馈线；

条带，其连接所述主辐射器；

主枝节弯折结构，其连接所述条带，所述主枝节弯折结构构成该天线单元的低频谐振结构；

多级副枝节，其连接所述主枝节弯折结构，以构成该天线单元在频段600MHz-7.125GHz上的多谐振结构。

在本发明的一个实施例中，所述主枝节弯折结构包括第一级竖直主枝节、第二级水平主枝节和第三级竖直主枝节，所述第一级竖直主枝节连接所述条带远离主辐射器的一端；所述第二级水平主枝节连接所述第一级竖直主枝节；所述第三级竖直主枝节连接所述第二级水平主枝节。

在本发明的一个实施例中，所述多级副枝节包括七级副枝节，从第一级竖直主枝节靠近条带的一端向另一端延伸的方向上按照设定的距离设置有第一级副枝节、第二级副枝节、第三级副枝节和第四级副枝节，且根据副枝节延伸的方向沿着所述第四级副枝节设置第五级副枝节、第六级副枝节和第七级副枝节。

在本发明的一个实施例中，所述第五级副枝节、第六级副枝节和第七级副枝节具有弯折结构，该弯折结构包括水平段和竖直段。

在本发明的一个实施例中，所述主枝节弯折结构包含的主枝节的宽度和所述多级副枝节包含的副枝节的宽度均为0.5-6mm，其长度由谐振频率决定。

在本发明的一个实施例中，所述接地板上设置有多个槽口，多个槽口构成该天线单元在高频5.8GHz以上的多谐振结构。

此外，本发明还提供一种多阶谐振高隔离度宽带腔体阵列天线系统，该天线系统包括如上述所述的多阶谐振高隔离度带宽天线单元。

在本发明的一个实施例中，还包括：

腔体，其侧壁由多个介质板构成，构成腔体侧壁的每个介质板上设置有独立的天线阵子；

隔离板，其设置于所述腔体内部的中线位置，且保证相对的两个天线阵子中的一个天线阵子的微带天线正对另一个天线阵子的接地板。

在本发明的一个实施例中，所述腔体为矩形结构，构成所述矩形腔体四个侧壁的四个介质板上设置有四个独立的天线阵子。

在本发明的一个实施例中，所述隔离板的数量为两个，两个隔离板正交放置在所述矩形腔体的内部中线位置，且保证相对的两个天线阵子中的一个天线阵子的微带天线正对另一个天线阵子的接地板。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

本发明能够在不增加尺寸的前提下，创新的设计天线单元的结构使其能够覆盖现有商业应用所需的600MHz-7.125GHz的极宽带宽，其尺寸远远小于最低频率600MHz的波长，并且其可以达到168%的百分比阻抗带宽；

本发明创新的将新型的天线单元与腔体相结合，使得多天线系统中各个天线单元具有较小的互耦和较高的隔离度，并且此隔离度在宽频带上能够使得性能不恶化，可同时满足多路天线的收发相互独立，不受干扰。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明天线单元的一结构示意图。

图2是本发明天线单元的另一结构示意图。

图3是本发明微带天线的结构示意图。

图4是本发明构建腔体多天线系统的示意图。

图5是本发明腔体4天线系统的结构示意图。

图6是本发明所提出的腔体4天线系统各路反射系数曲线图。

图7是本发明所提出的腔体4天线系统的各天线之间的隔离度性能结果图。

图8是本发明所提出的腔体4天线系统的各天线之间的隔离度性能结果图。

图9是本发明所提出的腔体4天线系统的各天线之间的隔离度性能结果图。

图10是本发明所提出的腔体4天线系统的各天线之间的隔离度性能结果图。

图11是本发明所提出的腔体4天线系统在低频0.6GHz的E面方向图。

图12是本发明所提出的腔体4天线系统在低频0.6GHz的H面方向图。

图13是本发明所提出的腔体4天线系统在中频3.5GHz的E面方向图。

图14是本发明所提出的腔体4天线系统在中频3.5GHz的H面方向图。

图15是本发明所提出的腔体4天线系统在高频7.125GHz的E面方向图。

图16是本发明所提出的腔体4天线系统在高频7.125GHz的H面方向图。

说明书附图标记说明：10、腔体；11、介质板；21、微带天线；211、微带馈线；212、主辐射器；213、条带；2141、第一级竖直主枝节；2142、第二级水平主枝节；2143、第三级竖直主枝节；2151、第一级副枝节；2152、第二级副枝节；2153、第三级副枝节；2154、第四级副枝节；2155、第五级副枝节；2156、第六级副枝节；2157、第七级副枝节；22、接地板；221、槽口；30、隔离板。

实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

参照图1至图3所示，本发明实施例提供一种多阶谐振高隔离度带宽天线单元，包括：

介质板11，其上设置有馈电电路；

天线阵子，其包括微带天线21和接地板22，所述微带天线21和所述接地板22均设置于所述介质板11上，所述接地板22连接至微带天线21，所述微带天线21连接至所述馈电电路；

其中，所述接地板22具有半反射半透射结构，所述微带天线21包括：

微带馈线211；

主辐射器212，其连接所述微带馈线211；

条带213，其连接所述主辐射器212；

主枝节弯折结构，其连接所述条带213，所述主枝节弯折结构构成该天线单元的低频谐振结构；

多级副枝节，其连接所述主枝节弯折结构，以构成该天线单元在频段600MHz-7.125GHz上的多谐振结构。

本发明能够在不增加尺寸的前提下，创新的设计天线单元的结构使其能够覆盖现有商业应用所需的600MHz-7.125GHz的极宽带宽，其尺寸远远小于最低频率600MHz的波长，并且其可以达到168%的百分比阻抗带宽。

继续参照图2所示，上述接地板22上设置有多个槽口221，多个槽口221构成该天线单元在高频5.8GHz以上的多谐振结构。在一个优选的实施方式中，接地板22的高度优选为23.2毫米，其具有半反射半透射结构，一方面为减弱其余天线的互耦效应，另一方面可以在接地板22上引入缝隙设计，从而到达天线更多谐振点以扩展天线带宽的目的。基于此，接地板22距离天线左侧52mm处向右设置了第一槽口，其开槽深度为2mm，宽度为3mm；距离第一槽口的右侧边缘5.5mm处设置了第二槽口，其开槽深度为2mm,宽度为2mm；距离第二槽口的右侧边缘7.5mm处设置了第三槽口，其开槽深度为5mm,宽度为3mm。上述3个槽口221共同构成了天线在高频5.8GHz以上的多谐振特性。

参照图3所示，作为优选地，上述微带馈线211的长为26mm,宽为3mm,使得天线单元具有50欧姆的阻抗，上述微带天线21的主辐射器212为宽23mm,高49mm的矩形辐射结构。工作时，射频能量由微带馈线211馈入，由微带馈线211距其左侧边缘10mm处馈入主辐射器212。

继续参照图3所示，为了增加辐射结构的谐振阶数，上述主枝节弯折结构包括第一级竖直主枝节2141、第二级水平主枝节2142和第三级竖直主枝节2143，所述第一级竖直主枝节2141连接所述条带213远离主辐射器212的一端；所述第二级水平主枝节2142连接所述第一级竖直主枝节2141；所述第三级竖直主枝节2143连接所述第二级水平主枝节2142。所述主枝节弯折结构包含的主枝节的宽度为0.5-6mm，其长度由谐振频率决定，作为示例地，本发明在矩形主辐射器212的底部增加了水平状的宽为3.5mm长为8mm的矩形条带213。矩形条带213之后增加主枝节弯折结构，第一级竖直枝节2141的长度为45.5mm，宽为4mm；第二级水平枝节2142的长为44mm,宽为4mm；第三级竖直枝节2143的长度为16mm,宽为4mm。该主枝节弯折结构能够为天线提供低频谐振特性。

继续参照图3所示，为了进一步提高天线单元在整个600MHz-7.125GHz的带宽与辐射效率。所述多级副枝节包括七级副枝节，七级副枝节连接主枝节弯折结构，其用来提供天线单元在整个频段上的多谐振效应。从第一级竖直主枝节2141靠近条带213的一端向另一端延伸的方向上按照设定的距离设置有第一级副枝节2151、第二级副枝节2152、第三级副枝节2153和第四级副枝节2154，且根据副枝节延伸的方向沿着所述第四级副枝节2154设置第五级副枝节2155、第六级副枝节2156和第七级副枝节2157。所述多级副枝节包含的副枝节的宽度为0.5-6mm，其长度由谐振频率决定，在一个优选的实施方式中，在第一级竖直主枝节2141的底部边缘往上6毫米处设置第一副枝节2151，其长度为26.5mm,宽为1mm。在第一副枝节2151分别上移5mm，10mm,17mm处分别为第二副枝节2152，第三副枝节2153和第四副枝节2154，长度分别为27.5mm,29mm与30mm,宽度皆为1mm。在第四副枝节2154往上3mm处为有弯折结构的第五副枝节2155，其水平与垂直段分别为34mm，23mm，宽度皆为1毫米。在第五副枝节2155往上2mm处为第六副枝节2156，其水平段为37mm,垂直段为20mm,副枝节宽度依然维持1mm不变。在第六副枝节2156往上9mm处为第七副枝节2157，其水平段与垂直段分别为40mm,19mm，宽度依然为1mm。

相应于上述天线单元的实施例，本发明实施例还提供一种多阶谐振高隔离度宽带腔体阵列天线系统，该天线系统包括如上述实施例所述的多阶谐振高隔离度带宽天线单元。

在该实施例中，本发明一种多阶谐振高隔离度宽带腔体阵列天线系统还包括：

腔体10，其侧壁由多个介质板11构成，构成腔体10侧壁的每个介质板11上设置有独立的天线阵子；

隔离板30，其设置于所述腔体10内部的中线位置，且保证相对的两个天线阵子中的一个天线阵子的微带天线21正对另一个天线阵子的接地板22。

上述多天线系统的具体构建示意图可以参照图4所示，首先确保接地板22具有半反射半透射的结构。其次，确保两个单独的天线单元的摆放处于同一方向，即保证一个天线单元的微带天线21正对另一天线单元的接地板22。两个天线单元之间的距离与天线系统中心频率的波长（λc）一致，并且确保在两个天线单元之间的腔体10正中设置一个有反射功能并且适度隔离透射的隔离板30。在腔体多天线系统工作时，从一个底部天线单元辐射出的电磁波经过λc/2的距离到达腔体10正中的隔离板30，部分电磁波反射，部分电磁波透射。对于反射的电磁波，其将再经过λc/2的距离传播返回该天线单元的微带天线，使得总的传播距离为λc到达相位相长的位置，进一步增加该天线单元的辐射能力。对于经过隔离板30减弱的透射波，再传播λc/2的距离到达另一个顶部天线单元的接地板22处。由于接地板22仅仅为半反射半透射的设计，使得透过接地板22到达底部天线单元的微带天线的电磁波强度进一步减弱。因此，两个天线单元之间的互耦与隔离度性能得到大大提升，使得两路信号相互之间的独立性更优，达到构建宽带高隔离度腔体多天线系统的目的。

基于上述原理，本发明优选的一个实施例是构建4天线系统，其结构参照图5所示，其腔体10为矩形结构，构成所述矩形腔体10四个侧壁的四个介质板11上设置有四个独立的天线阵子。所述隔离板30的数量为两个，两个隔离板30正交放置在所述矩形腔体10的内部中线位置，且保证相对的两个天线阵子中的一个天线阵子的微带天线21正对另一个天线阵子的接地板22。作为示例地，4天线分布在腔体10的侧壁构成一个宽度为83毫米，高度为75毫米的长方体腔体10。4天线在腔体10四个壁构成独立的四路射频信号。腔体10的顶端与低端不封闭，用于多天线系统的电缆连接。腔体10四个侧壁的介质板11厚度都为1.6mm。腔体10内部中线处，由两个厚度为1.6mm的隔离板30成正交放置。距离腔体10内壁的距离分别为40.9mm与40.7mm，此距离与天线工作的中线频率3.8GHz的半波长保持相近。同时，中间的两块正交隔离板30主要完成对入射电磁波反射以及对透射电磁波有一定隔离的功能。

本发明提出的基于中心频率的半波长腔体能让电磁波在腔体多次反射中相位相长，增强辐射性能同时，抑制天线间互耦提高隔离度。

本发明创新的将新型的天线单元与腔体10相结合，使得多天线系统中各个天线单元具有较小的互耦和较高的隔离度，并且此隔离度在宽频带上能够使得性能不恶化，可同时满足多路天线的收发相互独立，不受干扰。

为了衡量本发明实施例的腔体4天线系统的工作带宽性能，其4路独立射频信号的S变量反射系数在图6中分别给出。由图可以看出4路天线都在600MHz-7.125GHz的频段中反射系数低于-5dB,并且在绝大多数频段反射系数低于-10dB。仅仅在个别非商用频段（1.0GHz-1.2GHz）高于-5dB。此外，4路天线的反射系数曲线高度重合，也就意味着4路天线的工作性能高度一致，并且互相之间的互耦影响较小。

为了进一步充分衡量腔体4天线系统的各路天线之间的隔离度性能，其隔离度性能在图7-图10中给出。其中图7为天线2，天线3，天线4对天线1的隔离度影响，图8为天线1，天线3，天线4对天线2的隔离度影响, 图9为天线1，天线2，天线4对天线3的隔离度影响, 图10为天线1，天线2，天线3对天线4的隔离度影响。由图7-图10可以看出，任意两个天线之间在0.6GHz-7.125GHz全频段上隔离度都在10dB以上，也即4路天线具有宽带的高隔离度效应，腔体多天线系统在工作时，各路射频信号可以保证相互独立。

本发明实施例的腔体4天线系统分别在低频0.6GHz、中频3.5GHz以及高频7.125GHz的E面与H面方向图在图11-图16中示出。本发明的4路天线实施例在低频0.6GHz的E面和H面辐射特性分别在图11与图12中展示出，该腔体4天线系统在低频0.6GHz方向性上有明显的全向天线特征。各路天线的E面的3dB波束宽度均超过110°，H面的3dB波束宽度超过150°，四路天线在此低频的增益在1.8~3.5dBi之间波动。本发明的4路天线实施例在中频3.5GHz的E面和H面的方向图分别在图13与图14中展示出。四路天线在此中频3.5GHz的增益在0.8~3.2dBi之间波动。此外，此4路天线系统在中频3.5GHz方向性上有明显的全向天线特征，并且在E与H面都呈现多波束的特征。每个波束的3dB波束宽度均超过40°。本发明的4路天线实施例在高频7.125GHz的E面和H面辐射特性分别在图15与图16中展示出。四路天线在此中频3.5GHz的增益在1.4~4.6dBi之间波动。与图13和图14中的中频方向图类似，此4天线系统在高频7.125GHz方向性上有明显的全向天线特征，并且在E与H面都呈现多波束的特征。由于在高频具有更高的增益，方向图中每个波束的3dB波束宽度均20°以上。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (7)

1.一种多阶谐振高隔离度宽带腔体阵列天线系统，其特征在于，该天线系统包括多阶谐振高隔离度带宽天线单元，多阶谐振高隔离度带宽天线单元包括：

介质板，其上设置有馈电电路；

天线阵子，其包括微带天线和接地板，所述微带天线和所述接地板均设置于所述介质板上，所述微带天线连接至所述馈电电路；

其中，所述接地板具有半反射半透射结构，所述微带天线包括：

微带馈线；

主辐射器，其连接所述微带馈线；

条带，其连接所述主辐射器；

主枝节弯折结构，其连接所述条带，所述主枝节弯折结构构成该天线单元的低频谐振结构；

多级副枝节，其连接所述主枝节弯折结构，以构成该天线单元在频段600MHz-7.125GHz上的多谐振结构；

该天线系统还包括：

腔体，所述腔体为矩形结构，其侧壁由多个介质板构成，构成腔体侧壁的每个介质板上设置有独立的天线阵子；

隔离板，其设置于所述腔体内部平行于天线阵子的中线位置，且保证相对的两个天线阵子中的一个天线阵子的微带天线正对另一个天线阵子的接地板。

2.根据权利要求1所述的多阶谐振高隔离度宽带腔体阵列天线系统，其特征在于：所述隔离板的数量为两个，两个隔离板正交放置在所述腔体内部平行于天线阵子的中线位置，且保证相对的两个天线阵子中的一个天线阵子的微带天线正对另一个天线阵子的接地板。

3.根据权利要求1所述的多阶谐振高隔离度宽带腔体阵列天线系统，其特征在于：所述主枝节弯折结构包括第一级竖直主枝节、第二级水平主枝节和第三级竖直主枝节，所述第一级竖直主枝节连接所述条带远离主辐射器的一端；所述第二级水平主枝节连接所述第一级竖直主枝节；所述第三级竖直主枝节连接所述第二级水平主枝节。

4.根据权利要求3所述的多阶谐振高隔离度宽带腔体阵列天线系统，其特征在于：所述多级副枝节包括七级副枝节，从第一级竖直主枝节靠近条带的一端向另一端延伸的方向上按照设定的距离设置有第一级副枝节、第二级副枝节、第三级副枝节和第四级副枝节，且根据副枝节延伸的方向沿着所述第四级副枝节设置第五级副枝节、第六级副枝节和第七级副枝节。

5.根据权利要求4所述的多阶谐振高隔离度宽带腔体阵列天线系统，其特征在于：所述第五级副枝节、第六级副枝节和第七级副枝节具有弯折结构，该弯折结构包括水平段和竖直段。

6.根据权利要求1所述的多阶谐振高隔离度宽带腔体阵列天线系统，其特征在于：所述主枝节弯折结构包含的主枝节的宽度和所述多级副枝节包含的副枝节的宽度均为0.5-6mm，其长度由谐振频率决定。

7.根据权利要求1所述的多阶谐振高隔离度宽带腔体阵列天线系统，其特征在于：所述接地板上设置有多个槽口，多个槽口构成该天线单元在高频5.8GHz以上的多谐振结构。