CN115084856A - 低剖面高隔离度超表面微带贴片天线及无线通信设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低剖面高隔离度超表面微带贴片天线及无线通信设备,所述天线包括超表面辐射体、金属接地柱、第一介质板、第二介质板、第一激励端口、第二激励端口、第一方形贴片、蘑菇形电磁带隙结构、微带线耦合馈电结构和金属地板;超表面辐射体印刷在第一介质板上表面,并通过金属接地柱与金属地板相连,第一方形贴片印刷在第一介质板上表面的中心处,并与第一激励端口的内导体相连,蘑菇形电磁带隙结构的顶部设置在第一介质板上,底部设置在金属地板上,微带线耦合馈电结构印刷在第二介质板下表面,并与第二激励端口相连,金属地板印刷在第二介质板上表面,并嵌入微带槽。本发明具有较高的带内隔离度,宽频带和低剖面,低交叉极化的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种微带贴片天线,尤其是一种低剖面高隔离度超表面微带贴片天线及无线通信设备,属于无线通信技术领域。
背景技术
随着5G移动的快速发展,带内全双无工技术近年来受到广泛的关注。带内全双工通讯是指收发机可以在相同的频率和相同的时间段内进行接收和发送。相对于传统的半双工通讯(频分双工和时分双工),带内全双工通讯能够将频谱资源的利用率提高一倍。为避免发射和接收通道之间的自干扰,带内全双工系统需要实现 110-150 dB 的高隔离,高隔离的实现根据实现的位置可以划分为天线、模拟和数字三个方面。因此,提高天线的隔离度非常重要。
中国专利文献CN113422203A提出一种紧凑型的方向图分集同频全双工天线,该发明采用经典的矩形贴片作为天线的辐射体,该天线实现收发天线间的隔离度在5.65-5.9GHz频带内大于 32dB。
中国专利文献CN209329148U提出了一种基于新型混合环馈电网络的带内全双工天线,该发明双极化采用耦合馈电的四个T型探针激励,该天线在2.3-2.5 GHz 频段内隔离度大于42 dB。
目前该领域的发明大多采用经典矩形贴片作为天线的辐射体,而矩形贴片天线的带宽一般比较窄,因此一种具有低剖面宽带高隔离的天线必然成为带内全双工无线通信系统的首选功能部件之一。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足,提供了一种低剖面高隔离度超表面微带贴片天线,该天线具有较高的带内隔离度,宽频带和低剖面,低交叉极化的优点。
本发明的另一目的在于提供一种包含上述低剖面高隔离度超表面微带贴片天线的无线通信设备。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到:
一种低剖面高隔离度超表面微带贴片天线,包括超表面辐射体、金属接地柱、第一介质板、第二介质板、第一激励端口、第二激励端口、第一方形贴片、蘑菇形电磁带隙结构、微带线耦合馈电结构和金属地板;
所述超表面辐射体印刷在第一介质板上表面,并通过金属接地柱与金属地板相连,所述第一方形贴片印刷在第一介质板上表面的中心处,并与第一激励端口的内导体相连,所述蘑菇形电磁带隙结构的顶部设置在第一介质板上,蘑菇形电磁带隙结构的底部设置在金属地板上,所述微带线耦合馈电结构印刷在第二介质板下表面,并与第二激励端口相连,所述金属地板印刷在第二介质板上表面,且金属地板在微带线耦合馈电结构的对应位置上嵌入微带槽。
进一步的,所述超表面辐射体包括第一类辐射贴片、第二类辐射贴片和第三类辐射贴片,所述第一类辐射贴片、第二类辐射贴片和第三类辐射贴片构成4*4的超表面。
进一步的,所述第一类辐射贴片为四个,四个第一类辐射贴片分布在超表面辐射体的四个顶角;
所述第二类辐射贴片为八个,八个第二类辐射贴片分布在超表面辐射体的四周;
所述第三类辐射贴片为四个,四个第三类辐射贴片分布在超表面辐射体的中间。
进一步的,所述蘑菇形电磁带隙结构为四个,四个蘑菇形电磁带隙结构呈中心对称结构排布。
进一步的,每个蘑菇形电磁带隙结构包括方形贴片和金属连接柱,所述方形贴片印刷在第一介质板上表面,并通过金属连接柱与金属地板相连。
进一步的,所述微带线耦合馈电结构包括两个Y形馈电线和一个功分器,所述两个Y形馈电线对称设置,且两个Y形馈电线通过功分器与第二激励端口相连。
进一步的,每个Y形馈电线包括第一枝节、第二枝节、第三枝节和第四枝节,所述第一枝节和第二枝节均为两个,两个第一枝节的第一端与两个第二枝节的第一端一一对应相连,两个第二枝节的第二端分别与第三枝节的第一端相连,所述第三枝节的第二端与第四枝节的第一端相连,所述第四枝节的第二端与功分器相连;
所述功分器包括第五枝节和第六枝节,所述第五枝节为两个,两个第五枝节的第一端分别与两个Y形馈电线的第四枝节第二端一一对应相连,两个第五枝节的第二端分别与第六枝节的第一端相连,所述第六枝节的第二端与第二激励端口相连。
进一步的,所述微带槽包括第一工形槽和第二工形槽,所述第一工形槽设置在其中一个Y形馈电线与功分器相连部分的对应位置上,所述第二工形槽设置在另一个Y形馈电线与功分器相连部分的对应位置上。
进一步的,所述金属地板在第一方形贴片的对应位置上嵌入圆形槽,所述第一激励端口的外导体通过圆形槽与金属地板相连。
本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到:
一种无线通信设备,包括上述的低剖面高隔离度超表面微带贴片天线。
本发明相对于现有技术具有如下的有益效果:
1、本发明天线采用方形贴片馈电和微带槽耦合馈电两个不同的激励机理实现了垂直水平极化,使得天线两个激励端口之间的电流耦合非常小;在加入了蘑菇形电磁带隙结构后,使得该天线的隔离度和带宽得到进一步的增加。
2、本发明天线的工作频段为3.13 GHz-4.12 GHz,其相对阻抗带宽为27.6%,覆盖了5G 的n78工作频段;该天线具有较宽的频段,较高的带内隔离度和较低的剖面,双极化天线增益分别为3.9-4.7 dBi和7.5-10 dBi。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明实施例的低剖面高隔离度超表面微带贴片天线的结构示意图。
图2为本发明实施例的低剖面高隔离度超表面微带贴片天线的超表面辐射体结构图。
图3为本发明实施例的低剖面高隔离度超表面微带贴片天线的蘑菇形电磁带隙结构结构图。
图4为本发明实施例的低剖面高隔离度超表面微带贴片天线的的微带线耦合馈电结构图。
图5为本发明实施例的低剖面高隔离度超表面微带贴片天线的金属地板结构图。
图6为本发明实施例的低剖面高隔离度超表面微带贴片天线的俯视及侧视示意图。
图7为本发明实施例的低剖面高隔离度超表面微带贴片天线的反射系数曲线图。
图8为本发明实施例的低剖面高隔离度超表面微带贴片天线的隔离度曲线图。
图9为本发明实施例的低剖面高隔离度超表面微带贴片天线的增益曲线图。
图10为本发明实施例的低剖面高隔离度超表面微带贴片天线的第一激励端口的辐射方向图。
图11为本发明实施例的低剖面高隔离度超表面微带贴片天线的第二激励端口的辐射方向图。
其中,100-超表面辐射体,101-第一类辐射贴片,102-第二类辐射贴片,103-第三类辐射贴片,200-金属接地柱,301-第一介质板,302-第二介质板,401-第一激励端口,402-第二激励端口,500-第一方形贴片,600-蘑菇形电磁带隙结构,601-第二方形贴片,602-第三方形贴片,603-第四方形贴片,604-第五方形贴片,605-第一金属连接柱,606-第二金属连接柱,607-第三金属连接柱,608-第四金属连接柱,700-微带线的耦合馈电结构,701-第一枝节,702-第二枝节,703-第三枝节,704-第四枝节,705-第五枝节,706-第六枝节,800-金属地板。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例,基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
实施例:
如图1所示,本实施例提供了一种低剖面高隔离度超表面微带贴片天线,该天线能够应用于各种无线通信设备中,其包括超表面辐射体100、金属接地柱200、第一介质板301、第二介质板302、第一激励端口401、第二激励端口402、第一方形贴片500、蘑菇形电磁带隙结构600、微带线耦合馈电结构700和金属地板800,第一方形贴片500印刷在第一介质板301上表面的中心处,并与第一激励端口401的内导体相连。
如图1和图2所示,超表面辐射体100印刷在第一介质板301上表面,并通过金属接地柱200与金属地板800相连;具体地,超表面辐射体100包括第一类辐射贴片101、第二类辐射贴片102和第三类辐射贴片103,第一类辐射贴片101、第二类辐射贴片102和第三类辐射贴片103构成4*4的超表面。
进一步地,第一类辐射贴片101为四个,四个第一类辐射贴片101分布在超表面辐射体100的四个顶角,第二类辐射贴片102为八个,八个第二类辐射贴片102分布在超表面辐射体100的四周,第三类辐射贴片103为四个,四个第三类辐射贴片103分布在超表面辐射体100的中间。
本实施例中,第一类辐射贴片101为方形环状,第二类辐射贴片102为一个顶角切除小方形、相对的另一个顶角切除大方形的方形环状,第三类辐射贴片103同样为一个顶角切除小方形、相对的另一个顶角切除大方形的方形环状,但第三类辐射贴片103切除的小方形尺寸大于第二类辐射贴片102切除的小方形尺寸,且切除的大方形尺寸大于第二类辐射贴片102切除的大方形尺寸。
如图1和图3所示,蘑菇形电磁带隙结构600的顶部设置在第一介质板301上,蘑菇形电磁带隙结构600的底部设置在金属地板800上;具体地,蘑菇形电磁带隙结构600为四个,四个蘑菇形电磁带隙结构600呈中心对称结构排布,每个蘑菇形电磁带隙结构包括方形贴片和金属连接柱,所述方形贴片印刷在第一介质板上表面,并通过金属连接柱与金属地板800相连,即金属接地柱的两端贯穿第一介质板301将方形贴片与金属地板800相连。
进一步地,四个蘑菇形电磁带隙结构600分别为第一蘑菇形电磁带隙结构、第二蘑菇形电磁带隙结构、第三蘑菇形电磁带隙结构和第四蘑菇形电磁带隙结构;第一蘑菇形电磁带隙结构包括第二方形贴片601和第一金属连接柱605,第二方形贴片601印刷在第一介质板301上表面,并通过第一金属连接柱605与金属地板800相连;第二蘑菇形电磁带隙结构包括第三方形贴片602和第二金属连接柱606,第三方形贴片602印刷在第一介质板301上表面,并通过第二金属连接柱606与金属地板800相连;第三蘑菇形电磁带隙结构包括第四方形贴片603和第三金属连接柱607,第四方形贴片603印刷在第一介质板301上表面,并通过第三金属连接柱607与金属地板800相连;第四蘑菇形电磁带隙结构包括第五方形贴片604和第四金属连接柱608,第五方形贴片604印刷在第一介质板301上表面,并通过第四金属连接柱608与金属地板800相连。
如图1和图4所示,微带线耦合馈电结构700印刷在第二介质板302下表面,并与第二激励端口402相连;具体地,微带线耦合馈电结构700包括两个Y形馈电线和一个功分器,两个Y形馈电线对称设置,且两个Y形馈电线通过功分器与第二激励端口402相连,通过第二激励端口402进行激励,实现了垂直极化辐射。
进一步地,每个Y形馈电线包括第一枝节701、第二枝节702、第三枝节703和第四枝节704,第一枝节701和第二枝节702均为两个,两个第一枝节701的第一端与两个第二枝节702的第一端一一对应相连,两个第二枝节702的第二端分别与第三枝节703的第一端相连,第三枝节703的第二端与第四枝节704的第一端相连,第四枝节704的第二端与功分器相连。
进一步地,功分器包括第五枝节705和第六枝节706,第五枝节705为两个,两个第五枝节705的第一端分别与两个Y形馈电线的第四枝节704第二端一一对应相连,两个第五枝节705的第二端分别与第六枝节706的第一端相连,第六枝节706的第二端与第二激励端口402相连。
如图1和图5所示,金属地板800印刷在第二介质板302上表面,且金属地板800在微带线耦合馈电结构700的对应位置上嵌入微带槽;具体地,微带槽包括第一工形槽801和第二工形槽802,第一工形槽801设置在其中一个Y形馈电线与功分器相连部分的对应位置上,第二工形槽802设置在另一个Y形馈电线与功分器相连部分的对应位置上,通过第一工形槽801和第二工形槽802可以实现微带线耦合馈电结构700的耦合馈电。
进一步地,金属地板800在第一方形贴片500的对应位置上嵌入圆形槽803,第一激励端口401的外导体通过圆形槽803与金属地板800相连,可以实现第一方形贴片500的馈电。
如图6所示,超表面辐射体100为正方形,其宽度W 0为60.0mm;位于超表面辐射体100中间的第一方形贴片500的宽度W 1为5.3mm;第一类辐射贴片与第二类辐射贴片的间距g1为1.5mm,第二类辐射贴片之间的间距g2为0.2mm,蘑菇形电磁带隙结构与第一类辐射贴片的间距g3为0.5mm;蘑菇形电磁带隙结构中的金属连接柱的直径D 2为2.6mm,连接第二类辐射贴片与地的金属连接柱的直径D 1为2.2mm;第一介质板301和第二介质板302均为正方体,其长度W g为80.0mm,两块介质板之间厚度H为5.0mm;Y形馈电线的第一枝节701其长度L f1为13.0mm,宽度W f1为0.4mm;第二枝节702其长度L f2为5.3mm,宽度W f2为0.4mm,第三枝节703其长度L f3为12.5mm,宽度W f3为2.0mm,第四枝节704其长度L f4为5.3mm,宽度W f4为1.3mm;功分器的第五枝节705其长度L f5为16.2mm,宽度W f5为0.6mm,功分器的第六枝节706其长度L f6为12.8mm,宽度W f6为1.6mm。
图7、图8、图9、图10、图11分别为本实施例的低剖面高隔离度超表面微带贴片天线的|S11| (|S22|)、隔离度|S21|、双极化天线增益、双极化天线第一激励端口的辐射方向图、双极化天线第二激励端口的辐射方向图;本实施例天线的工作频段为3.13GHz-4.12 GHz,相对带宽为27.6%;该天线具有较高的带内隔离度,宽频段,低剖面和低交叉极化等优点,其隔离度|S21|大于50 dB,双极化的增益分别为3.9-4.7 dBi和7.5-10.1 dBi。
综上所述,本发明天线采用方形贴片馈电和微带槽耦合馈电两个不同的激励机理实现了垂直水平极化,使得天线两个激励端口之间的电流耦合非常小;在加入了蘑菇形电磁带隙结构后,使得该天线的隔离度和带宽得到进一步的增加。
以上所述,仅为本发明专利较佳的实施例,但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制,其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种低剖面高隔离度超表面微带贴片天线,其特征在于,包括超表面辐射体、金属接地柱、第一介质板、第二介质板、第一激励端口、第二激励端口、第一方形贴片、蘑菇形电磁带隙结构、微带线耦合馈电结构和金属地板;
所述超表面辐射体印刷在第一介质板上表面,并通过金属接地柱与金属地板相连,所述第一方形贴片印刷在第一介质板上表面的中心处,并与第一激励端口的内导体相连,所述蘑菇形电磁带隙结构的顶部设置在第一介质板上,蘑菇形电磁带隙结构的底部设置在金属地板上,所述微带线耦合馈电结构印刷在第二介质板下表面,并与第二激励端口相连,所述金属地板印刷在第二介质板上表面,且金属地板在微带线耦合馈电结构的对应位置上嵌入微带槽。
2.根据权利要求1所述的低剖面高隔离度超表面微带贴片天线,其特征在于,所述超表面辐射体包括第一类辐射贴片、第二类辐射贴片和第三类辐射贴片,所述第一类辐射贴片、第二类辐射贴片和第三类辐射贴片构成4*4的超表面。
3.根据权利要求2所述的低剖面高隔离度超表面微带贴片天线,其特征在于,所述第一类辐射贴片为四个,四个第一类辐射贴片分布在超表面辐射体的四个顶角;
所述第二类辐射贴片为八个,八个第二类辐射贴片分布在超表面辐射体的四周;
所述第三类辐射贴片为四个,四个第三类辐射贴片分布在超表面辐射体的中间。
4.根据权利要求1所述的低剖面高隔离度超表面微带贴片天线,其特征在于,所述蘑菇形电磁带隙结构为四个,四个蘑菇形电磁带隙结构呈中心对称结构排布。
5.根据权利要求4所述的低剖面高隔离度超表面微带贴片天线,其特征在于,每个蘑菇形电磁带隙结构包括方形贴片和金属连接柱,所述方形贴片印刷在第一介质板上表面,并通过金属连接柱与金属地板相连。
6.根据权利要求1所述的低剖面高隔离度超表面微带贴片天线,其特征在于,所述微带线耦合馈电结构包括两个Y形馈电线和一个功分器,所述两个Y形馈电线对称设置,且两个Y形馈电线通过功分器与第二激励端口相连。
7.根据权利要求6所述的低剖面高隔离度超表面微带贴片天线,其特征在于,每个Y形馈电线包括第一枝节、第二枝节、第三枝节和第四枝节,所述第一枝节和第二枝节均为两个,两个第一枝节的第一端与两个第二枝节的第一端一一对应相连,两个第二枝节的第二端分别与第三枝节的第一端相连,所述第三枝节的第二端与第四枝节的第一端相连,所述第四枝节的第二端与功分器相连;
所述功分器包括第五枝节和第六枝节,所述第五枝节为两个,两个第五枝节的第一端分别与两个Y形馈电线的第四枝节第二端一一对应相连,两个第五枝节的第二端分别与第六枝节的第一端相连,所述第六枝节的第二端与第二激励端口相连。
8.根据权利要求6-7任一项所述的低剖面高隔离度超表面微带贴片天线,其特征在于,所述微带槽包括第一工形槽和第二工形槽,所述第一工形槽设置在其中一个Y形馈电线与功分器相连部分的对应位置上,所述第二工形槽设置在另一个Y形馈电线与功分器相连部分的对应位置上。
9.根据权利要求1-7任一项所述的低剖面高隔离度超表面微带贴片天线,其特征在于,所述金属地板在第一方形贴片的对应位置上嵌入圆形槽,所述第一激励端口的外导体通过圆形槽与金属地板相连。
10.一种无线通信设备,其特征在于,包括权利要求1-9任一项所述的低剖面高隔离度超表面微带贴片天线。
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