CN115275597B - 一种宽带高隔离高交叉极化比双极化天线及其异构阵列 - Google Patents

一种宽带高隔离高交叉极化比双极化天线及其异构阵列 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种宽带高隔离高交叉极化比双极化天线及其异构阵列。所述宽带高隔离高交叉极化比双极化天线从上到下包括第一介质、地、第二介质；第一介质上表面设置有寄生贴片阵列；第一介质中设置有第一辐射贴片和第二辐射贴片，构成双极化贴片天线；第一介质中设置有第一馈电巴伦和第二馈电巴伦，把能量耦合到第一辐射贴片和第二辐射贴片上；第二介质下表面设置有第一微带线和第二微带线；第一馈电巴伦和第二馈电巴伦分别连接第一微带线和第二微带线。所述异构阵列包括多个呈阵列排布的宽带高隔离高交叉极化比双极化天线。本发明采用振面巴伦耦合馈电结构，实现了宽带双极化性能，天线的隔离度高和轴向交叉极化高。

Description

一种宽带高隔离高交叉极化比双极化天线及其异构阵列
技术领域
本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种宽带高隔离高交叉极化比双极化天线及其异构阵列。
背景技术
随着通信技术的不断发展，5G已经商用，6G毫米波由于其带宽宽、时延小越来越受到广泛关注及研究，对宽带天线的需求越来越大，宽带毫米波天线急需要被设计和开发。在各种毫米波天线中，双极化毫米波天线可以接受任意极化的电磁波，并且还可以增大通信容量，平面毫米波阵列天线具有高增益以及可以直接与射频前端集成的优点，因此平面双极化宽带毫米波天线具有广阔的应用前景。
现有技术方案的低剖面双极化毫米波天线报道较少，阻抗带宽较窄，馈电结构复杂且不是平面结构，隔离度及交叉极化不够高，急需要设计宽带高隔离高交叉极化的双极化天线。现有天线很难实现大角度扫描，利用异构天线单元布局可以解决大角度扫描问题。
有发明专利利用差分激励馈电，能够实现55%的阻抗带宽（1.66-2.95GHz），工作频段时非毫米波频段，并且是采用两款PCB 板组成十字巴伦馈电结构，该结构不是平面结构，不能与芯片类集成。天线单元未进行组阵，不能实现了大角度扫描（任建周钊尹应增, 一种小型宽带差分激励双模双极化基站天线, 专利号：201910495423 .8，申请日期：2019.06.10.）。
有发明专利采用磁电偶极子结构，虽然馈电结构是平面结构，10dB阻抗带宽较宽，但是14dB 阻抗带宽较窄，组阵后不能实现大角度扫描（向蕾洪伟吴凡余超蒋之浩徐鑫缑城，小型化宽带双极化磁电偶极子毫米波边射天线及其阵列, 专利号：202010139382.1，申请日期：2020.03.03.）。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明公开了一种宽带高隔离高交叉极化比双极化天线及其异构阵列，实现了宽带双极化性能，天线的隔离度高和轴向交叉极化高。天线剖面低且平面集成度高，可以与芯片高度集成，而且单元天线组阵后能实现±70度大角度扫描。
本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
一种宽带高隔离高交叉极化比双极化天线，从上到下包括第一介质、地、第二介质；
第一介质上表面设置有寄生贴片阵列；
第一介质中设置有第一辐射贴片和第二辐射贴片，构成双极化贴片天线；
第一介质中设置有第一馈电巴伦和第二馈电巴伦，把能量耦合到第一辐射贴片和第二辐射贴片上；
第二介质下表面设置有第一微带线和第二微带线；
第一馈电巴伦和第二馈电巴伦分别连接第一微带线和第二微带线。
进一步地，第一介质从上到下包括多层介质层。
进一步地，第一馈电巴伦包括相互连接的第一耦合线和第一馈电柱；
第二馈电巴伦包括相互连接的第二耦合线和第二馈电柱。
进一步地，第一辐射贴片和第二辐射贴片大小相同，设置于第一介质中不同的介质层的中心；
第一辐射贴片和第二辐射贴片均开有相同的十字缝隙；
第一耦合线和第二耦合线分别位于第一辐射贴片和第二辐射贴片的十字缝隙中，且第一耦合线和第二耦合线十字交叉放置；
第一耦合线和第一辐射贴片位于同一层介质层；
第二耦合线和第二辐射贴片位于同一层介质层；
第一馈电柱一端连接第一耦合线的一端，另一端穿过地和第二介质连接第一微带线；
第二馈电柱一端连接第二耦合线的一端，另一端穿过地和第二介质连接第二微带线；
第一馈电柱和第一耦合线的连接点为第一馈电点，第二馈电柱和第二耦合线的连接点为第二馈电点；
第一馈电巴伦和第二馈电巴伦分别为第一辐射贴片和第二辐射贴片耦合馈电。
进一步地，第一介质中设置多个接地金属柱，每根接地金属柱均连接第一辐射贴片、第二辐射贴片和地。
进一步地，寄生贴片阵列包括多个寄生贴片；
寄生贴片阵列的中心朝远离第一馈电点和第二馈电点的连接线的中心的方向偏移第一介质上表面的中心，偏移量小于1/4波长。
进一步地，所述偏移量的大小为使得多个宽带高隔离高交叉极化比双极化天线构成双极化阵列后在水平面和垂直面实现±70度大角度扫描。
一种宽带高隔离高交叉极化比双极化天线的异构阵列，包括多个宽带高隔离高交叉极化比双极化天线，且多个宽带高隔离高交叉极化比双极化天线呈阵列排布。
进一步地，n个宽带高隔离高交叉极化比双极化天线构成1×n的异构阵列；
其中，n个宽带高隔离高交叉极化比双极化天线关于阵列对称轴对称排布，且阵列对称轴一侧所有的宽带高隔离高交叉极化比双极化天线的结构相同。
进一步地，n个宽带高隔离高交叉极化比双极化天线中寄生贴片阵列的偏移量大小为使得异构阵列在水平面和垂直面实现±70度大角度扫描。
相比与现有技术，本发明的优点在于：
首先，在现有的研究方案中，本发明采用振面巴伦耦合馈电结构，实现了宽带双极化性能，天线的隔离度高和轴向交叉极化高。天线剖面低且平面集成度高，可以与芯片高度集成，而且单元天线组阵后能实现±70度大角度扫描，这些都是本发明的明显优势。
附图说明
图1为本发明实施例中一种宽带高隔离高交叉极化比双极化天线整体结构示意图；
图2为一种宽带高隔离高交叉极化比双极化天线整体结构侧视图；
图3为本发明实施例中一种宽带高隔离高交叉极化比双极化天线的1×4 异构阵列示意图；
图4 为本发明实施例中一种宽带高隔离高交叉极化比双极化天线单元驻波示意图；
图5 为本发明实施例中一种宽带高隔离高交叉极化比双极化天线单元隔离度示意图；
图6 为本发明实施例中一种宽带高隔离高交叉极化比双极化天线单元两个极化水平面方向图；
图7为本发明实施例中一种宽带高隔离高交叉极化比双极化天线单元两个极化垂直面方向图；
图8为本发明实施例中一种宽带高隔离高交叉极化比双极化天线的异构阵列水平方向图（不扫描）；
图9为本发明实施例中一种宽带高隔离高交叉极化比双极化天线的异构阵列垂直方向图；
图10为本发明实施例中一种宽带高隔离高交叉极化比双极化天线的异构阵列水平方向图（扫描到-70度）。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图并举实施例，对本发明的具体实施进行详细说明。
实施例1：
一种宽带高隔离高交叉极化比双极化天线，如图1和图2所示，从上到下包括第一介质1、地2、第二介质3；
第一介质上表面设置有寄生贴片阵列4；
第一介质1中设置有第一辐射贴片5和第二辐射贴片6，构成双极化贴片天线；
第一介质1中设置有第一馈电巴伦7和第二馈电巴伦8，把能量耦合到第一辐射贴片5和第二辐射贴片6上；
第二介质3下表面设置有第一微带线9和第二微带线10；
第一馈电巴伦7和第二馈电巴伦8分别连接第一微带线9和第二微带线10。
本实施例中，第一介质１从上到下包括13层介质层，介质层材料为低温共烧陶瓷（LTCC）（Ferro A6m材料），每层介质层的厚度为0.094mm。
第一馈电巴伦7包括相互连接的第一耦合线71和第一馈电柱72；
第二馈电巴伦8包括相互连接的第二耦合线81和第二馈电柱82。
第一辐射贴片5和第二辐射贴片6大小相同，设置于第一介质１中不同的介质层的中心；
第一辐射贴片5和第二辐射贴片6均开有相同的十字缝隙；
本实施例中，十字缝隙的长度满足高频点上二分之一波长谐振，第一辐射贴片5和第二辐射贴片6满足低频二分之一波长谐振。
第一耦合线71和第二耦合线81分别位于第一辐射贴片5和第二辐射贴片6的十字缝隙中，且第一耦合线71和第二耦合线81十字交叉放置；
第一耦合线71和第一辐射贴片5位于同一层介质层；
第二耦合线81和第二辐射贴片6位于同一层介质层；
第一馈电柱72一端连接第一耦合线71的一端，另一端穿过地2和第二介质3连接第一微带线9；
第二馈电柱82一端连接第二耦合线81的一端，另一端穿过地2和第二介质3连接第二微带线10；
第一馈电柱72和第一耦合线71的连接点为第一馈电点，第二馈电柱82和第二耦合线81的连接点为第二馈电点；
第一馈电巴伦7和第二馈电巴伦8分别为第一辐射贴片5和第二辐射贴片6耦合馈电。
本实施例中，第一介质1中设置4个接地金属柱11，每根接地金属柱11均连接第一辐射贴片5、第二辐射贴片6和地2，可以有效抑制交叉极化。
本实施例中，寄生贴片阵列4包括4个正方形寄生贴片；4个正方形寄生贴片组成2*2寄生贴片阵列，相邻寄生贴片的间距大约为0.02波长。
4个寄生贴片不仅能与第一辐射贴片5和第二辐射贴片6相互耦合，在寄生贴片之间还能相互耦合，有利于阻抗匹配，进一步达到增加带宽的目的。
寄生贴片也有利于引导电磁波传输，减少表面电流，因此寄生贴片也可以提高第一辐射贴片5和第二辐射贴片6的增益。
寄生贴片阵列4的中心朝远离第一馈电点和第二馈电点的连接线的中心的方向偏移第一介质1上表面的中心，偏移量小于1/4波长，可以实现振子波束偏移，形成异构天线单元。
本实施例中，所述偏移量的大小为使得多个宽带高隔离高交叉极化比双极化天线构成双极化阵列后在水平面和垂直面实现±70度大角度扫描。
一种宽带高隔离高交叉极化比双极化天线的异构阵列，如图3所示，包括4个宽带高隔离高交叉极化比双极化天线，且4个宽带高隔离高交叉极化比双极化天线呈阵列排布。
本实施例中，4个宽带高隔离高交叉极化比双极化天线构成1×4的异构阵列；
其中，4个宽带高隔离高交叉极化比双极化天线关于阵列对称轴对称排布，且阵列对称轴一侧所有的宽带高隔离高交叉极化比双极化天线的结构相同。
本实施例中，4个宽带高隔离高交叉极化比双极化天线中寄生贴片阵列4的偏移量大小为使得异构阵列在水平面和垂直面实现±70度大角度扫描。
本实施例中如图1所示，本发明天线单元采用振面巴伦耦合馈电结构，实现了宽带双极化性能，采用四片寄生贴片，扩宽了带宽，偏移的寄生贴片可以进一步提高波束偏移量。如图4所示，在频率为24-33GHz宽频范围内，相对带宽达到31.5%，驻波小于1.5。如图5所示，天线异极化隔离度高达到了-25dB，具有较高的隔离度。如图6所示，天线的轴向交叉极化高，达到了35dB，并且天线单元波束偏移量了14度。如图7所示，天线单元两个极化的垂直面方向图产生了不同偏移量的方向图。
把该天线单元组成1*4的阵列，如图3所示。天线单元等间距排列，左边两个天线单元的寄生贴片远离馈电点偏移，及寄生贴片向左偏移，产生向左偏移的单元波束，右边两个单元与左边两个单元关于阵列对称轴对称，及右边两个单元波束向右偏移。这样不同单元波束偏移就构成了等相位面不在一条直线上的异构阵列。异构阵列不扫描情况下，水平面方向图如图8所示，增益高达10dB，垂直面方向图如图9所示，两个极化方向图一致性较高。异构阵列扫描到70度情况下，水平面方向图如图10所示，天线增益为7.3dB，相对与不扫描情况下天线增益只下降了2.7dB，具有较好的大角度扫描性能。
实施例2：
本实施例中，一种宽带高隔离高交叉极化比双极化天线的异构阵列，包括5个宽带高隔离高交叉极化比双极化天线，且5个宽带高隔离高交叉极化比双极化天线呈阵列排布，5个宽带高隔离高交叉极化比双极化天线构成1×5的异构阵列；
本实施例中，5个宽带高隔离高交叉极化比双极化天线关于阵列对称轴对称排布，且阵列对称轴一侧所有的宽带高隔离高交叉极化比双极化天线的结构相同。
1×5的异构阵列中，阵列对称轴穿过中间的天线单元，中间的天线单元的波束不偏移，阵列对称轴左侧的两个天线单元的寄生贴片远离馈电点偏移，及寄生贴片向左偏移，产生向左偏移的单元波束，右边两个单元与左边两个单元关于阵列对称轴对称，及右边两个单元波束向右偏移。
实施例3：
本实施例中，一种宽带高隔离高交叉极化比双极化天线的异构阵列，包括6个宽带高隔离高交叉极化比双极化天线，且6个宽带高隔离高交叉极化比双极化天线呈阵列排布，6个宽带高隔离高交叉极化比双极化天线构成1×6的异构阵列；
本实施例中，6个宽带高隔离高交叉极化比双极化天线关于阵列对称轴对称排布，且阵列对称轴一侧所有的宽带高隔离高交叉极化比双极化天线的结构相同。
1×6的异构阵列中，阵列对称轴左侧的3个天线单元的寄生贴片远离馈电点偏移，及寄生贴片向左偏移，产生向左偏移的单元波束，右边3个单元与左边3个单元关于阵列对称轴对称，及右边3个单元波束向右偏移。
因此，本发明的宽带高隔离高交叉极化比双极化天线带宽宽、隔离度高、交叉极化好、具有单元波束偏移特性，组成异构阵列后，具有宽带±70大角度扫描特性，天线剖面低平面集成度高，可以与芯片高度集成，可以说，本发明解决了宽带双极化毫米波天线设计难点及其阵列大角度扫描困难的问题。

Claims (9)

1.一种宽带高隔离高交叉极化比双极化天线，其特征在于，从上到下包括第一介质(1)、地(2)、第二介质(3)；
第一介质上表面设置有寄生贴片阵列(4)；
第一介质(1)中设置有第一辐射贴片(5)和第二辐射贴片(6)，构成双极化贴片天线；
第一介质(1)中设置有第一馈电巴伦(7)和第二馈电巴伦(8)，把能量耦合到第一辐射贴片(5)和第二辐射贴片(6)上；
第二介质(3)下表面设置有第一微带线(9)和第二微带线(10)；
第一馈电巴伦(7)和第二馈电巴伦(8)分别连接第一微带线(9)和第二微带线(10)；第一辐射贴片(5)和第二辐射贴片(6)大小相同，设置于第一介质(1)中不同的介质层的中心；
第一辐射贴片(5)和第二辐射贴片(6)均开有相同的十字缝隙；
第一耦合线(71)和第二耦合线(81)分别位于第一辐射贴片(5)和第二辐射贴片(6)的十字缝隙中，且第一耦合线(71)和第二耦合线(81)十字交叉放置；
第一耦合线(71)和第一辐射贴片(5)位于同一层介质层；
第二耦合线(81)和第二辐射贴片(6)位于同一层介质层；
第一馈电柱(72)一端连接第一耦合线(71)的一端，另一端穿过地(2)和第二介质(3)连接第一微带线(9)；
第二馈电柱(82)一端连接第二耦合线(81)的一端，另一端穿过地(2)和第二介质(3)连接第二微带线(10)；
第一馈电柱(72)和第一耦合线(71)的连接点为第一馈电点，第二馈电柱(82)和第二耦合线(81)的连接点为第二馈电点；
第一馈电巴伦(7)和第二馈电巴伦(8)分别为第一辐射贴片(5)和第二辐射贴片(6)耦合馈电。
2.根据权利要求1所述的一种宽带高隔离高交叉极化比双极化天线，其特征在于，第一介质(1)从上到下包括多层介质层。
3.根据权利要求1所述的一种宽带高隔离高交叉极化比双极化天线，其特征在于，第一馈电巴伦(7)包括相互连接的第一耦合线(71)和第一馈电柱(72)；
第二馈电巴伦(8)包括相互连接的第二耦合线(81)和第二馈电柱(82)。
4.根据权利要求1所述的一种宽带高隔离高交叉极化比双极化天线，其特征在于，第一介质(1)中设置多个接地金属柱(11)，每根接地金属柱(11)均连接第一辐射贴片(5)、第二辐射贴片(6)和地(2)。
5.根据权利要求1所述的一种宽带高隔离高交叉极化比双极化天线，其特征在于，寄生贴片阵列(4)包括多个寄生贴片；
寄生贴片阵列(4)的中心朝远离第一馈电点和第二馈电点的连接线的中心的方向偏移第一介质(1)上表面的中心，偏移量小于1/4波长。
6.根据权利要求5所述的一种宽带高隔离高交叉极化比双极化天线，其特征在于，所述偏移量的大小为使得多个宽带高隔离高交叉极化比双极化天线构成双极化阵列后在水平面和垂直面实现±70度大角度扫描。
7.一种宽带高隔离高交叉极化比双极化天线的异构阵列，其特征在于，包括多个权利要求1～6任一项所述的宽带高隔离高交叉极化比双极化天线，且多个宽带高隔离高交叉极化比双极化天线呈阵列排布。
8.根据权利要求7所述的一种宽带高隔离高交叉极化比双极化天线的异构阵列，其特征在于，n个宽带高隔离高交叉极化比双极化天线构成1×n的异构阵列；
其中，n个宽带高隔离高交叉极化比双极化天线关于阵列对称轴对称排布，且阵列对称轴一侧所有的宽带高隔离高交叉极化比双极化天线的结构相同。
9.根据权利要求7所述的一种宽带高隔离高交叉极化比双极化天线的异构阵列，n个宽带高隔离高交叉极化比双极化天线中寄生贴片阵列(4)的偏移量大小为使得异构阵列在水平面和垂直面实现±70度大角度扫描。
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