CN114865312B - 一种自去耦贴片天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自去耦贴片天线，包括：介质基板；辐射单元组，设置在所述介质基板的第一表面，所述辐射单元组包括至少两个辐射单元；接地单元，设置在所述介质基板的第二表面；单边导电结构，所用于连接所述辐射单元和所述接地单元；馈电结构，设置在所述辐射单元第二表面且依次穿过所述介质基板和所述接地单元并延伸出所述接地单元。本发明的自去耦贴片天线能在不增加额外去耦结构或电路的条件下，达到结构简单、小尺寸、加工方便、剖面低、性能影响小等效果。

Description

一种自去耦贴片天线
技术领域
本发明涉及贴片天线技术领域，特别涉及一种自去耦贴片天线。
背景技术
贴片天线由于其具有剖面高度低、平面尺寸小、制造工艺成熟等优点，在微波及毫米波频段中得到了广泛的应用。当贴片天线用于天线阵列、相控阵、MIMO天线时，天线单元之间的紧凑排列可能造成较强的电磁耦合，从而可能造成天线系统的阻抗匹配恶化、方向图偏转、辐射效率降低、扫描角范围减小等问题。因此，需要针对贴片天线实现去互耦技术，消除贴片天线单元间的互耦，从而获得具有高隔离性能的贴片天线，保证良好的天线系统工作性能。
目前很多贴片天线去互耦技术，需要在天线单元外加入额外的去耦结构或电路，例如：在天线单元间垂直或水平加入电磁带隙、频率选择表面、超表面等周期性结构，在天线金属大地上开缝形成缺陷地结构，在天线单元上方使用反射面，在天线单元间使用寄生结构，在馈电结构引入去耦网络等。然而，采用额外的去耦结构或电路普遍存在结构复杂、尺寸大等问题，并且部分技术存在剖面高、背向辐射增强、方向图偏转或增加馈电结构尺寸等问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种自去耦贴片天线，以解决现有技术中贴片天线去耦技术需要在天线单元外引入额外去耦结构或者电路，存在结构复杂、尺寸大等问题。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：
一种自去耦贴片天线，其特征在于：包括：介质基板；
辐射单元组，所述辐射单元组设置在所述介质基板的第一表面，所述辐射单元组包括至少两个辐射单元；
接地单元，所述接地单元设置在所述介质基板的第二表面；
单边导电结构，所述单边导电结构为一个金属通孔，所述单边导电结构用于连接所述辐射单元和所述接地单元；
和馈电结构，所述馈电结构设置在所述辐射单元第二表面且依次穿过所述介质基板和所述接地单元并延伸出所述接地单元。
进一步的，所述单边导电结构第一端设置在所述介质基板的第二表面靠近一侧边的位置，所述单边导电结构第二端设置在所述接地单元的第一表面。
进一步的，所述单边导电结构第一端、所述馈电结构第一端均位于所述辐射单元的中心线上。
进一步的，所述接地单元包括金属大地，所述金属大地与所述介质基板形状相同且中心同轴重叠。
进一步的，所述辐射单元组包括第一辐射单元和第二辐射单元，所述第一辐射单元和所述第二辐射单元均包括正方形金属贴片。
进一步的，所述馈电结构包括金属探针。
采用上述技术方案，由于设置有单边导电结构，当对贴片天线馈电时，单边导电结构对应的侧边的边缘场发生变化，通过调整馈电结构的位置、单边导电结构直径以及辐射单元宽度，可以实现相邻辐射单元或非相邻辐射单元之间的自去耦，不需要额外增加去耦结构，具有结构简单、小尺寸、加工方便、剖面低、性能影响小等优点。
附图说明
图1为本发明实施例1的贴片天线的俯视图；
图2为本发明实施例1中图1中单点划线a-a'的剖视图；
图3为本发明实施例1的贴片天线的等效原理图；
图4为本发明实施例2的贴片天线的俯视图；
图5为本发明实施例2中单点划线b-b'的剖视图；
图6为本发明实施例1的贴片天线的仿真S参数图；
图7为本发明实施例1的贴片天线的仿真方向图；
图8为本发明实施例2的贴片天线的相邻单元去互耦的仿真S参数图；
图9为本发明实施例2的贴片天线的非相邻单元去互耦的仿真S参数图。
图中，1-介质基板，21-第一辐射单元，22-第二辐射单元，23-第三辐射单元，24-第四辐射单元，3-金属大地，4-馈电结构，5-导电结构，61-内导体，62-外导体。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
应当理解的是，说明书中的用辞仅用于描述特定的实施例，并不旨在限定本发明。说明书使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)除非另外定义，均具有本领域技术人员通常理解的含义。为简明和/或清楚起见，公知的功能或结构可以不再详细说明。
说明书使用的单数形式“一”、“所述”和“该”除非清楚指明，均包含复数形式。说明书使用的用辞“包括”、“包含”和“含有”表示存在所声称的特征，但并不排斥存在一个或多个其它特征。说明书使用的用辞“和/或”包括相关列出项中的一个或多个的任意和全部组合。
在说明书中，诸如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“高”、“低”等的空间关系用辞可以说明一个特征与另一特征在附图中的关系。应当理解的是，空间关系用辞除了包含附图所示的方位之外，还包含装置在使用或操作中的不同方位。例如，在附图中的装置倒转时，原先描述为在其它特征“下方”的特征，此时可以描述为在其它特征的“上方”。装置还可以以其它方式定向(旋转90°或在其它方位)，此时将相应地解释相对空间关系。
应当理解的是，虽然术语第一、第二等可以在本文中用于描述各种元件，但是这些元件不应受这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个元件和另一个元件。例如，第一元件可以被称为第二元件，并且类似地，第二元件可以被称为第一元件，而不偏离本发明的范围。如本文所使用的，术语“和/或”包括相关联的列出项目中的一个或多个的任何和所有组合。
在所有附图中，相同的附图标记表示相同的元件。在附图中，为清楚起见，某些特征的尺寸可以进行变形。
实施例1
图1示出了本发明实施例的贴片天线的俯视图，图2为图1中单点划线a-a'的剖视图。
如图1和图2所示，贴片天线包括介质基板1、辐射单元组和接地单元等。
具体的，介质基板1为矩形介质基板1，其材料为现有技术中常用的介质基板1材料，在本发明的实施例中，介质基板1的材料为罗杰斯RO4003C基板，剖面高度为 0.04λ0，其中λ0为天线中心频率处的自由空间波长。
为了便于描述，在本发明的实施例中，对介质基板1定义了两个表面：第一表面和第二表面，其中第一表面为图2中披露的上表面，第二表面为图2中披露的下表面。
在介质基板1的上表面设置有辐射单元组，辐射单元组包括至少两个辐射单元。在本发明的实施例中，以辐射单元组包括两个辐射单元：第一辐射单元21和第二辐射单元22为例进行说明。
第一辐射单元21和第二辐射单元22为结构相同的两个金属贴片，因此在此仅描述第一辐射单元21的结构，第一辐射单元21和第二辐射单元22在介质基板1上自左至右依次分布，在本发明的另一个实施例中，第一辐射单元21和第二辐射单元22在介质基板1上也可以自上而下分布。
在介质基板1的下表面设置有接地单元，在本发明的实施例中，接地单元为金属大地3，金属大地3与介质基板1形状相同且中心同轴重叠。
第一辐射单元21上设置有馈电结构4与同轴线连接，在本发明的实施例中，馈电结构4的第一端设置在第一辐射单元21的下表面且依次垂直穿过介质基板1和金属大地3并延伸出金属大地3的下表面。
同轴线包括内导体61、外导体62和设置在内外导体62之间的介质材料，介质材料通常为特氟龙，主要作用是支撑作用，以及在静电常数下保持特性阻抗。馈电结构4的第二端与内导体61连接，同轴线的外导体62与金属大地3的下表面连接。
另外馈电结构4第一端与第一辐射单元21下表面连接的位置点位于第一辐射单元21的水平中心线上，即图1中的a-a’连线。
若第一辐射单元21和第二辐射单元22是上下分布的，则馈电结构4第一端与第一辐射单元21下表面连接的位置点位于竖直中心线上。
在本发明的实施例中，馈电结构4为金属探针。
第一辐射单元21与金属大地3之间还设置有单边导电结构5，该单边导电结构5用于改变其对应侧的边缘场，具体的，单边导电结构5第一端设置在介质基板1的下表面靠近一侧边的位置，单边导电结构5第二端设置在金属大地3上表面。
在本发明的实施例中，单边导电结构5第一端设置在介质基板1下表面靠近左侧边的位置，在本发明的另一个实施例中，单边导电结构5第一端也可以设置在介质基板1下表面靠近右侧边的位置。
为了保证方向图的稳定性，单边导电结构5第一端与介质基板1下表面的连接点也位于第一辐射单元21的水平中心线上。
实际上，第一辐射单元21的水平中心线与第二辐射单元22的水平中心线重合，且两个辐射单元的单边导电结构5第一端和馈电结构4第一端都位于上述水平中心线上，该水平中心线的方向与极化方向相同，能够保证方向图的稳定性。
在本发明的实施例中，单边导电结构5为金属通孔。
本发明的贴片天线，首先通过金属探针馈电，两个辐射单元的工作模式类似TM01模，但是单边导电结构5对应侧边的边缘场发生了变化，如图3天线的等效原理图所示，从图中可以看出，天线两侧的等效缝隙源发生了变化，其中第一辐射单元21的左边和第二辐射单元22的左边等效缝隙源1，第一辐射单元21的右边和第二辐射单元22的右边等效缝隙源2，分隔缝隙源1和缝隙源2的为探针所在的位置。单边导电结构5的加入在缝隙源1中引入等效电感L1，L1受单边导电结构5的孔径的影响，C1和C2受两个辐射单元左右宽度的影响，R1和R2受天线整体结构的影响，Z为输入阻抗。
为了能够实现天线的自耦合，需要使缝隙源1和缝隙源2产生的信号在经过耦合路径后可以反相抵消，因此需要调解上述各参数：由于在天线左侧设置有单边导电结构5，所以中心线上的场分布整体右边，可以通过调节馈电位置即金属探针与辐射单元的连接点位置来做到良好的阻抗匹配；通过调节辐射单元的宽度改变C1和C2，这样通过综合调节后，可以使缝隙源1和缝隙源2产生的信号在经过耦合路径后可以反相抵消。
实施例2
图4示出了本发明实施例的贴片天线的俯视图，图5为图1中单点划线b-b'的剖视图。
如图4和图5所示，贴片天线包括介质基板1、辐射单元组和接地单元等。
在本发明的实施例2中介质基板1与实施例1相同，在此不再赘述。
在介质基板1的上表面设置有辐射单元组，辐射单元组包括至少两个辐射单元。在本发明的实施例中，以辐射单元组包括四个辐射单元：第一辐射单元21、第二辐射单元22、第三辐射单元23和第四辐射单元24为例进行说明。
四个辐射单元为结构相同的两个金属贴片，第一辐射单元21、第二辐射单元22、第三辐射单元23和第四辐射单元24在介质基板1上自左至右依次分布，在本发明的另一个实施例中，第一辐射单元21、第二辐射单元22、第三辐射单元23和第四辐射单元24在介质基板1上也可以自上而下分布。
四个辐射单元的结构与实施例1的第一辐射单元21的结构相同，因此不再赘述。
在介质基板1的下表面设置有接地单元，在本发明的实施例中，接地单元为金属大地3，金属大地3与介质基板1形状相同且中心同轴重叠。
第一辐射单元21上设置有馈电结构4与同轴线连接，在本发明的实施例中，馈电结构4的第一端设置在第一辐射单元21的下表面且依次穿过介质基板1和金属大地3并延伸出金属大地3的下表面。
同轴线包括内导体61、外导体62和设置在内外导体62之间的介质材料，介质材料通常为特氟龙，主要作用是支撑作用，以及在静电常数下保持特性阻抗。馈电结构4的第二端与内导体61连接，同轴线的外导体62与金属大地3的下表面连接。
另外馈电结构4第一端与第一辐射单元21下表面连接的位置点位于第一辐射单元21的水平中心线上，即图5中的b-b'连线。
若第一辐射单元21和第二辐射单元22是上下分布的，则馈电结构4第一端与第一辐射单元21下表面连接的位置点位于竖直中心线上。
在本发明的实施例中，馈电结构4为金属探针。
第一辐射单元21与金属大地3之间还设置有单边导电结构5，该单边导电结构5用于改变其对应侧的边缘场，具体的，单边导电结构5第一端设置在介质基板1的下表面靠近一侧边的位置，单边导电结构5第二端设置在金属大地3上表面。
在本发明的实施例中，单边导电结构5第一端设置在介质基板1下表面靠近左侧边的位置，在本发明的另一个实施例中，单边导电结构5第一端也可以设置在介质基板1下表面靠近右侧边的位置。
另外，为了保证方向图的稳定性，单边导电结构5第一端与介质基板1下表面的连接点也位于第一辐射单元21的水平中心线上。
在本发明的实施例中，，四个辐射单元的水平中心线重合，且四个辐射单元的单边导电结构5第一端和馈电结构4第一端都位于上述水平中心线上，该水平中心线的方向与极化方向相同，能够保证方向图的稳定性。
在本发明的实施例中，单边导电结构5为金属通孔。
本发明实施例2的贴片天线的工作模式与实施例1中的贴片天线的工作模式相似，不同之处在于，实施了中贴片天线不仅可以用于相邻辐射单元之间的去耦，还可以用于非相邻辐射单元之间的去耦。
仿真实验
图6为实施例1的贴片天线的天线仿真S参数图，S11为第一辐射单元的反射系数，S22为为第二辐射单元的反射系数，S12为第二辐射单元到第一辐射单元的传输系数；
图7为实施例1的贴片天线的单端口激励条件下中心频率处的仿真方向图，图7-a为第一辐射单元（单元1）的E面图，图7-b为第一辐射单元（单元1）的H面图，图7-c为第二辐射单元（单元2）的E面图，图7-d为第二辐射单元（单元2）的H面图。
实施例1中采用工作频率为4.9 GHz，10dB匹配带宽为2.8%，隔离水平大于40dB，中心频率处隔离为54dB的参数进行仿真实验。
从图6和图7中可见，第一辐射单元的E面和H面的3-dB波束宽度范围分别为99.1°和89.3°，叉极化水平分别为-51.7 dB和-18.9 dB。第二辐射单元2的E面和H面的3-dB波束宽度范围分别为105.1°和89.9°，叉极化水平分别为-54.5 dB和-18.8 dB。
图8为实施例2的贴片天线的相邻单元去互耦的仿真S参数图，图8-a为阻抗匹配图，图8-b为相邻单元隔离图；图8-c为非相邻单元隔离图。
采用的工作频率为4.9GHz，10dB匹配带宽为2.94%，相邻单元隔离水平为30dB，非相邻单元隔离水平为22dB的参数进行仿真实验。
从图8可见本实施例2的贴片天线在四单元线阵中能够降低相邻单元间的互耦水平。
图9为实施例2的贴片天线的非相邻单元去互耦的仿真S参数图，图9-a为阻抗匹配图，图9-b为相邻单元隔离图；图9-c为非相邻单元隔离图。
采用的工作频率为4.9GHz，10dB匹配带宽为2.8%，相邻单元隔离水平为26dB，非相邻单元隔离水平为28dB的参数进行仿真实验。
从图9可见本实施例2的贴片天线也可用于四单元线阵中降低非相邻单元间的互耦水平。
以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种自去耦贴片天线，其特征在于：包括：
介质基板；
辐射单元组，所述辐射单元组设置在所述介质基板的第一表面，所述辐射单元组包括至少两个辐射单元；
接地单元，所述接地单元设置在所述介质基板的第二表面；
单边导电结构，所述单边导电结构为一个金属通孔，所述单边导电结构用于连接所述辐射单元和所述接地单元；
和馈电结构，所述馈电结构设置在所述辐射单元第二表面且依次穿过所述介质基板和所述接地单元并延伸出所述接地单元；
所述单边导电结构第一端设置在所述介质基板的第二表面上靠近一侧边的位置，所述单边导电结构第二端设置在所述接地单元的第一表面；
所述单边导电结构第一端、所述馈电结构第一端均位于所述辐射单元的中心线上，通过调整馈电结构的位置、单边导电结构直径以及辐射单元宽度，以实现相邻辐射单元或非相邻辐射单元之间的自去耦。
2.根据权利要求1所述的自去耦贴片天线，其特征在于：所述接地单元包括金属大地，所述金属大地与所述介质基板形状相同且中心同轴重叠。
3.根据权利要求2所述的自去耦贴片天线，其特征在于：所述辐射单元组包括第一辐射单元和第二辐射单元，所述第一辐射单元和所述第二辐射单元均包括正方形金属贴片。
4.根据权利要求3所述的自去耦贴片天线，其特征在于：所述馈电结构包括金属探针。
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