CN114927875A - 一种宽带去耦介质贴片阵列天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种宽带去耦介质贴片阵列天线，包括层叠设置的下层介质基板、金属反射地板、上层介质基板和阵列布置的两个介质贴片，两介质贴片的底部分别开设有沿Y方向的空气槽；两介质贴片平行相对的立面上具有分设于空气槽两侧的金属条。由于介质贴片天线的多模式特性，TM10模和反相TM20模式被激励。在空气槽的帮助下，将两种模式靠得更近，以实现带宽扩展，同时使得整个带内隔离变平。得益于两个模式均为TM模式，在非辐射边缘具有较强的感性耦合，故而可通过加载金属条产生容性耦合，来平衡感性耦合和容性耦合，实现两个模式的同时去耦。最终能在整个宽带范围内提高隔离度，并且可以通过金属条的长度来控制隔离度。

Description

一种宽带去耦介质贴片阵列天线
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种宽带去耦介质贴片阵列天线。
背景技术
多输入多输出（MIMO）在当今的通信系统中得到了广泛的应用。 由于MIMO空间有限，多个天线之间的相互耦合显著增加，从而影响系统性能，如端口间隔离的恶化、辐射方向图的失真等。 因此，研究其天线阵列的去耦方法具有重要意义。
最近，针对两种主要类型的天线,如金属贴片天线 (MPA) 和介电谐振器 (DR) 天线 (DRA)进行了去耦的研究。超表面、电磁带隙 (EBG)、开口谐振环 (SRR)、超材料、电介质覆板、金属条和金属通孔等已被采用，来实现令人满意的隔离度。但是，引入额外的去耦结构必然会增加系统的复杂度、占用额外的空间或在一定程度上增加加工成本。鉴于此，一种不需要添加额外结构的自解耦技术得到广泛关注。在该技术中，基于金属贴片天线（MPA）特殊的嵌入馈电方案，拥有弱场的优势，提出了一种工作于 TM01 模式的 MPA 的自去耦方法。此外，另有文献报道，通过在DRA中激励出TE113模式，另一个DRA的耦合模式变为不同的TE211模式，从而获得了高隔离度。然而，上述去耦的方法均针对单模工作的天线，导致工作带宽较窄。也有方案是通过采用金属介电桥和金属对侧，获得了具有工作于两种模式下的DRA的宽带去耦。但是这种天线的辐射方向图在去耦过程中会发生畸变。此外，通过在短路贴片天线（SPA）的非辐射边缘使用两组过孔，两个改进的半模彼此靠近，因此提供了宽带宽(9.8％)，高隔离度和稳定的辐射方向图。
介质贴片天线（DPA）作为一种准平面 DRA，不仅具有DRA的多模、设计自由等相似特性，而且具有传统MPA的相似特性。 因此，DPA可以看作是传统DPA和MPA 之间的折衷方案，在MIMO系统应用中具有巨大潜力。 然而，迄今为止尚未提出用于DPA的宽带解耦。
发明内容
本发明的目的在于：克服上述现有技术的缺陷，提出一种宽带去耦介质贴片阵列天线。
为了达到上述目的，本发明提出的宽带去耦介质贴片阵列天线，包括自下而上依次层叠设置的下层介质基板、金属反射地板、上层介质基板和阵列布置的第一介质贴片和第二介质贴片，下层介质基板的下表面设有分别通过金属反射地板上第一耦合缝隙、第二耦合缝隙对第一介质贴片和第二介质贴片进行耦合馈电的第一微带馈线和第二微带馈线，所述第一耦合缝隙与第二耦合缝隙共线且沿Y方向设置，其特征在于：所述第一介质贴片、第二介质贴片的底部分别开设有沿Y方向的第一空气槽、第二空气槽；第一介质贴片和第二介质贴片平行相对的立面上具有分设于第一空气槽、第二空气槽两侧的金属条。
本发明宽带去耦介质贴片阵列天线中的空气槽不仅可以使得TM10和反相TM20模式靠近，扩展天线带宽，而且可以使端口到端口的隔离（S 21）在宽带上变得平坦。 此外，在DPA非辐射边缘加载两对金属条，实现容性和感性耦合之间的平衡，因此在不添加传统的复杂去耦结构的情况下，可实现天线宽带的去耦。 同时，值得注意的是，在去耦过程中可以保持天线辐射方向图的稳定。测量结果显示天线阻抗带宽为 16.5% (5.1-6.0 GHz)，端口到端口的隔离度大于27.3 dB。仿真结果与测量结果吻合良好，验证了所提出的宽带去耦方法的正确性。
本发明创新在于：
1、扩展天线宽带：由于DPA的多模特性，天线可激励出两个模式，在空气槽帮助下，实现宽带设计；
2、宽带去耦：两个模式都是TM模，在介质边缘都是感性耦合，加载金属产生容性耦合对两个模式都有效，能宽带范围内提高隔离。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明宽带去耦介质贴片阵列天线的三维爆炸图。
图2是本发明宽带去耦介质贴片阵列天线的俯视图。
图3是本发明宽带去耦介质贴片阵列天线的侧视图。
图4是DPA 和 DPA 阵列的结构示意； (a) 天线1：DPA单元、(b) 天线2：1×2 DPA阵列、 (c) 天线3：带有空气槽的 1×2 DPA 阵列、 (d) 天线4：提出的加载空气槽和金属条的1×2 宽带去耦 DPA 阵列。
图5是图4中天线1、天线2、天线3和天线4的反射系数仿真图。
图6是图4中天线1、天线2、天线3和天线4的传输系数仿真图。
图7是本发明宽带去耦介质贴片阵列天线的模式电场分布图；(a) TM10模、 (b)反相TM20模。
图8是DP 谐振器的等效电路模型图；(a) 没有金属条、(b)带金属条。
图9是本发明宽带去耦介质贴片阵列天线的S参数仿真与测试结果图。
图10本发明宽带去耦介质贴片阵列天线的增益仿真与测试结果图。
图11是发明宽带去耦介质贴片阵列天线的仿真与测试辐射方向图；(a)5.19 GHz.(b)5.81 GHz.。
图中标号示意如下：
1-第一介质贴片；2-第二介质贴片；3-金属条；4-金属条；5-金属条；6-金属条；7-空气槽；8-空气槽；9-上层介质基板；10-金属反射地板；11-第一耦合缝隙；12-第二耦合缝隙；13-下层介质基板；14-第一馈线；15-第二馈线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
如图1至图3所示，展示了本发明所提出的宽带去耦介质贴片阵列天线，该天线为对称结构，具体包括自下而上依次层叠设置的下层介质基板13、金属反射地板10、上层介质基板9和阵列布置的第一介质贴片1和第二介质贴片2，下层介质基板13的下表面设有分别通过金属反射地板10上第一耦合缝隙11、第二耦合缝隙12对第一介质贴片1和第二介质贴片2进行耦合馈电的第一微带馈线14和第二微带馈线15，第一耦合缝隙11与第二耦合缝隙12共线且沿Y方向设置，其特征在于：所述第一介质贴片1、第二介质贴片2的底部分别开设有沿Y方向的第一空气槽8、第二空气槽7）第一介质贴片1和第二介质贴片2平行相对的立面上具有分设于第一空气槽8、第二空气槽7两侧的四个金属条（第一金属条3、第二金属条4、第三金属条5、第四金属条6）。
第一介质贴片1和第二介质贴片2沿Y轴间隔排列，上层介质基板9与第一介质贴片1、第二介质贴片2分别构成两个介质谐振器，这介质谐振器具有TM10模式和反相TM20模式。第一介质贴片1和第二介质贴片2的介电常数ε rd =45，损耗角正切tanδ =0.00019，体积为l d ×w d ×h d 。空气通道被刻蚀在介质贴片的中心，尺寸为w a ×w d ×h a 。上层介质基板9的高度为h 1，介电常数ε r1=3.55，损耗角正切tanδ=0.0027。下层介质基板13用于在底层容纳微带馈线，其厚度为 h 2，介电常数ε r2=3.55，损耗角正切tanδ=0.0027。
天线的详细参数如下：
w s = 77.5 mm, l s = 60 mm, w d = 26 mm, l d = 36.8 mm, h d = 1.6 mm, w a = 6mm, h a = 1.1mm, h 1 = 0.813 mm, h 2 = 0.813 mm, L c = 9.55 mm, w c = 1.8 mm, w 1 =1.8 mm, w 2 = 1.75 mm, d = 1.5 mm, t w = 7 mm, l 1 = 1.3 mm, l 2 = 7.6 mm, l 3 =23.3 mm。
天线工作机理：
为了更好地阐述去耦过程，图 4 给出了单个介质贴片天线和介质贴片阵列天线（天线1、天线2、天线3 和天线4）的结构，其中介质贴片阵列天线中天线之间的距离均设置为相同的参数d。图4 (a)展示了单个介质贴片天线单元（天线1）的结构，激励出TM10模式和反相TM20模式。当两个天线1沿y 轴排列为 天线2 时，存在强耦合，导致图 6所示的端口间隔离（S21）较差。 因此，有必要研究这种宽带介质贴片阵列天线的去耦方法。
本设计中，主要从以下两个目标进行深入分析。
1）扩展带宽。使TM10模接近反相TM20模式，从而扩展带宽。通过引入空气槽，TM01 模谐振频率上移，从而实现了如图 5所示的宽带设计。更重要的是，空气槽还使得端口到端口的隔离（S 21）在整个宽带上保持平坦，图 6所示。
2）提高宽带隔离度，实现感性耦合和容性耦合的平衡。TM10 模和反相TM20 模的电场分布如图7所示。可以观察到，这两个模式在沿y轴边缘电场均较弱，从而产生较强的感性耦合。鉴于此，在非辐射边缘采用两对金属条产生容性耦合，进而与DPA中的感性耦合相互抵消，从而提高宽带隔离度。从图 6可以看出，与天线3相比，带金属条的天线4端口间的隔离度 (S 21) 在工作带宽上提高了约 8.0 dB。
为了清楚地阐述宽带去耦的原理，两个 DP 谐振器的等效电路模型在图 8(a) 中给出。 由于反相TM20模式可以近似为两个TM01 模式，因此L和C用于模拟该电路中 DP 激励的两个模式。可以观察到，当两个DP紧密排列时，存在很强的电感耦合，其中耦合系数为M。鉴于此，引入金属条产生的电容C 1，以达到感性和容性耦合之间的平衡，如图11（b）所示。故而可以获得宽带去耦。
为了验证宽带去耦方法，制造并测试了所提出的宽带去耦DPA阵列。当端口1被激励时，而端口2则连接一个50Ω负载进行实验。仿真和测试的S参数如图 9 所示。 反射系数的测试和仿真的阻抗带宽约为16.5% (5.1-6 GHz) 和 17.2% (5.03-5.98 GHz)，基本保持一致。可以发现，测试结果中第一个谐振频率略有上移，这可归因于空气槽高度的加工误差。图 10 显示了仿真与测试的增益。在工作频带上，可以发现测试和仿真的最高增益分别约为 8.9 dBi和9.13 dBi。 E面和H面在5.19 GHz和 5.81GHz的仿真与测试的辐射方向图如图11所示。可以发现辐射方向图都可以保持稳定。同时，可以观察到仿真与测试保持良好的一致性。
可见，由于介质贴片天线的多模式特性，TM10 模和反相TM20模式被激励。在空气槽的帮助下，将两种模式靠得更近，以实现带宽扩展，同时使得整个带内隔离变平。得益于两个模式均为TM模式，在非辐射边缘具有较强的感性耦合，故而可通过加载金属条产生容性耦合，来平衡感性耦合和容性耦合，实现两个模式的同时去耦。最终能在整个宽带范围内提高隔离度，并且可以通过金属条的长度来控制隔离度。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种宽带去耦介质贴片阵列天线，包括自下而上依次层叠设置的下层介质基板（13）、金属反射地板（10）、上层介质基板（9）和阵列布置的第一介质贴片（1）和第二介质贴片（2），下层介质基板（13）的下表面设有分别通过金属反射地板（10）上第一耦合缝隙（11）、第二耦合缝隙（12）对第一介质贴片（1）和第二介质贴片（2）进行耦合馈电的第一微带馈线（14）和第二微带馈线（15），所述第一耦合缝隙（11）与第二耦合缝隙（12）共线且沿Y方向设置，其特征在于：所述第一介质贴片（1）、第二介质贴片（2）的底部分别开设有沿Y方向的第一空气槽（8）、第二空气槽（7）；第一介质贴片（1）和第二介质贴片（2）平行相对的立面上具有分设于第一空气槽（8）、第二空气槽（7）两侧的金属条（3、4、5、6）。
2. 根据权利要求1所述的宽带去耦介质贴片阵列天线，其特征在于： 所述金属条（3、4、5、6）的高度与第一介质贴片（1）和第二介质贴片（2）的高度相等。
3.根据权利要求1所述的宽带去耦介质贴片阵列天线，其特征在于：所述金属条（3、4、5、6）平行相对。
4.根据权利要求1所述的宽带去耦介质贴片阵列天线，其特征在于：所述上层介质基板（9）与第一介质贴片（1）、第二介质贴片（2）分别构成介质谐振器，所述介质谐振器具有TM10模式和反相TM20模式。
5.根据权利要求1所述的宽带去耦介质贴片阵列天线，其特征在于：所述第一介质贴片（1）和第二介质贴片（2）沿Y轴间隔排列。
6.根据权利要求1所述的宽带去耦介质贴片阵列天线，其特征在于：具有对称结构。
7.根据权利要求1所述的宽带去耦介质贴片阵列天线，其特征在于：所述下层介质基板（5）为双面印刷电路板，双面印刷电路板的顶层为所述的金属反射地板（4），底层为所述的第一微带馈线（6）和第二微带馈线（7）。
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