CN115395232A - 一种具有高隔离度低相关性的同频同极化共口径天线 - Google Patents

一种具有高隔离度低相关性的同频同极化共口径天线 Download PDF

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CN115395232A CN202211100970.XA CN202211100970A CN115395232A CN 115395232 A CN115395232 A CN 115395232A CN 202211100970 A CN202211100970 A CN 202211100970A CN 115395232 A CN115395232 A CN 115395232A
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Abstract

本发明公开了一种具有高隔离度低相关性的同频同极化共口径天线，属于微波毫米波天线技术领域。所述同频同极化共口径天线由反射地板和印刷在第一介质基板与第二介质基板上的辐射贴片、奇模馈电网络、差模馈电网络构成。同频同极化共口径天线的两个端口的重叠工作频带为3.46‑4.18GHz或者5.46‑6.18GHz；带内反射系数小于‑10dB，两端口在带内的峰值增益分别大于6.3dB和6.87dB，两端口在带内端口隔离度分别大于21.27dB和18.56dB，相关性系数小于0.002。本发明利用辐射贴片上两组模式之间的正交性，使两套馈电网络在保证端口之间的高隔离度和低相关性的同时，实现同极化的上半空间辐射方向图。本发明适用于移动通信系统的室外宏基站中，特别是小型化、紧凑型室外大规模MIMO阵列中。

Description

一种具有高隔离度低相关性的同频同极化共口径天线
技术领域
本发明属于微波天线技术领域，具体涉及微波天线中的同频段共面共口径基站天线。
背景技术
大规模多输入多输出（MIMO）阵列是新一代基站天线发展的主要趋势。大规模MIMO阵列的一个显著特点就是阵列单元数量的急剧增加，一般包括成百甚至上千个单元。然而，受到风力、重量、封装及成本等实际需求的限制，室外基站天线必须具备集成化、小型化、轻量化、低成本等特点。为满足以上需求，多端口侧射阵列单元天线成为近来研究的热点。多端口侧射天线单元在性能上可以满足室外基站要求的侧射方向图的要求，同时能够在保证阵列端口数量不变的情况下减小阵列尺寸、降低成本。特别地，这对有限空间下低频段大规模MIMO阵列天线生产成本的降低和轻量化提供了有效的实现途径。
现有的多端口侧射天线单元的研究中，一般采用贴片天线的形式实现。为了实现具有较高隔离度和低的相关性，不同端口之间具有极化差异和一定的方向图差异。由于方向图的侧射要求，不同端口的极化不能实现90度的正交，这使得端口隔离度和相关性性能并不能满足实际应用需求。此外，由于贴片天线上侧射正交模式数量有限，天线的带宽一般都比较窄。因此，为实现高性能大规模MIMO阵列天线的小型化，亟需提出一种具有高隔离度和低相关性的侧射多端口天线的实现方法。
发明内容
为了解决现有室外基站中的多端口MIMO天线单元非正交端口隔离度差、相关性差、带宽窄的问题，本发明提供一种具有高隔离度和低相关性的同频同极化共口径天线。
一种具有高隔离度和低相关性的同频同极化共口径天线包括反射地板3、辐射贴片4、奇模馈电网络5、差模馈电网络6、奇模馈电同轴线7和差模馈电同轴线8；
还包括第一介质基板1和第二介质基板2；所述第一介质基板1的正面和第二介质基板2的背面贴合直立设于反射地板3上；
所述辐射贴片4和奇模馈电网络5分别印刷在第一介质基板1的正面和背面，所述辐射贴片4所在面平行于反射地板3的法向轴线；所述差模馈电网络6印刷在第二介质基板2的正面；所述奇模馈电同轴线7和奇模馈电网络5连接，所述差模馈电同轴线8和差模馈电网络6连接，奇模馈电同轴线7和差模馈电同轴线8均垂直于第一介质基板1；
所述辐射贴片4的中心开设有差模馈电孔47；以差模馈电孔47为中心上奇模馈电槽41和下奇模馈电槽42上下对称开设于辐射贴片4上；以差模馈电孔47为中心左差模馈电匹配槽45和右差模馈电匹配槽46左右对称开设于辐射贴片4上；所述左差模馈电匹配槽45的开口处连接着左差模馈电槽43的一端，左差模馈电槽43的另一端连接着辐射贴片4左侧的两边边缘；所述右差模馈电匹配槽46的开口处连接着右差模馈电槽44的一端，右差模馈电槽44的另一端连接着辐射贴片4右侧的两边边缘；所述差模馈电孔47和右差模馈电匹配槽46之间的辐射贴片4上开设有奇模馈电孔48；
所述奇模馈电网络5为开口位于水平方向一侧的U形框，上部一侧边为上奇模耦合线53，下部一侧边为下奇模耦合线54，中部外侧连接着输入微带线52的内端，输入微带线52的外端上开设有奇模探针孔51；
所述差模馈电网络6呈水平状的条带，条带的中心开设有差模探针孔61；以差模探针孔61为中心对称设有左差模功分线62和右差模功分线64，左差模功分线62的外端连接着左差模匹配支节63，右差模功分线64连接着右差模匹配支节65；
所述奇模馈电网络5的开口端与差模馈电网络6的左差模匹配支节63一侧对应。
连接奇模馈电网络5的奇模馈电同轴线7形成第一工作端口，连接差模馈电网络6的差模馈电同轴线8形成第二工作端口。
所述同频同极化共口径天线的两个端口的辐射方向图具有侧射特性，极化相同。
进一步的技术方案如下：
所述上奇模馈电槽41和下奇模馈电槽42位于辐射贴片4的垂直中心线上，呈上下对称分布；所述左差模馈电槽43和右差模馈电槽44位于辐射贴片4的水平中心线上，呈左右对称分布，所述左差模馈电匹配槽45和右差模馈电匹配槽46位于辐射贴片4的水平中心线上，呈左右对称分布；所述奇模馈电孔48位于差模馈电孔47和右差模馈电匹配槽46的圆心的水平连接线上。
所述上奇模耦合线53和下奇模耦合线54结构尺寸相同，且相对于输入微带线52上下对称。
所述左差模功分线62和右差模功分线64以差模探针孔61为中心，呈中心对称；所述左差模匹配支节63和右差模匹配支节65均为扇形，左差模匹配支节63的扇面向下、扇柄向上，右差模匹配支节65的扇面向上、扇柄向下。
所述同频同极化共口径天线的两个端口的重叠工作频率为3.46~4.18GHz或者5.46~6.18GHz；带内反射系数小于-10dB，在带内的峰值增益分别大于6.3dB和6.87dB，两端口在带内端口隔离度分别大于21.27dB和18.56dB，相关性系数小于0.002。
本发明的有益技术效果体现在以下方面：
（1）与传统具有正交极化端口的侧射单元天线相比，本发明的两个端口辐射方向图也具有侧射特性，且两个端口的辐射具有同极化特性，同样可用于室外大规模MIMO阵列天线中。
（2）与现有采用极化差异实现高隔离度的三端口侧射天线相比，本发明采用差分馈电网络和奇模馈电网络分别激励两组正交模式，易于实现端口之间的高隔离度和低相关性。
（3）本发明的同频同极化共口径天线由于采用在偶极子结构上刻蚀背靠背渐变槽结构，端口的阻抗匹配很容易通过调整匹配槽和匹配扇形支节进行调节。由于偶极子和渐变槽结构均为宽带结构，本发明更易于实现宽带特性。
（4）本发明的同频同极化共口径天线主体部分采用印刷式结构，分别将辐射贴片和两套馈电网络印刷在两层基板上，与传统具有立体辐射结构的三端口天线相比，具有平面化、成本低、加工周期短等优点。
附图说明
图1是本发明的正面示意图。
图2是本发明的背面示意图。
图3是本发明的结构爆炸图。
图4是本发明的辐射贴片部分结构示意图。
图5是本发明的奇模馈电结构示意图。
图6是本发明的差模馈电结构示意图。
图7是实施例1的S参数仿真结果图。
图8是实施例1的奇模馈电端口被激励时远场辐射二维方向图。
图9是实施例1的差分馈电端口被激励时远场辐射二维方向图。
图10是实施例1的两端口之间的包络相关性系数图。
图11是实施例2的S参数仿真结果图。
图12是实施例2的奇模馈电端口被激励时远场辐射二维方向图。
图13是实施例2的差分馈电端口被激励时远场辐射二维方向图。
图14是实施例2的两端口之间的包络相关性系数图。
上图1-图6中序号：第一介质基板1、第二介质基板2、反射地板3、辐射贴片4、奇模馈电网络5、差模馈电网络6、奇模馈电同轴线7、差模馈电同轴线8、上奇模馈电槽41、下奇模馈电槽42、左差模馈电槽43、右差模馈电槽44、左差模馈电匹配槽45、右差模馈电匹配槽46、差模馈电孔47、奇模馈电孔48、奇模探针孔51、输入微带线52、上奇模耦合线53、下奇模耦合线54、差模探针孔61、左差模功分线62、左差模匹配支节63、右差模功分线64、右差模匹配支节65。
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。
实施例1
参见图1和图2，一种具有高隔离度和低相关性的同频同极化共口径天线包括反射地板3、辐射贴片4、奇模馈电网络5、差模馈电网络6、奇模馈电同轴线7和差模馈电同轴线8；还包括第一介质基板1和第二介质基板2。第一介质基板1的正面和第二介质基板2的背面贴合直立安装于反射地板3上。
参见图3、图1和图2，辐射贴片4和奇模馈电网络5分别印刷在第一介质基板1的正面和背面，辐射贴片4所在面平行于反射地板3的法向轴线。差模馈电网络6印刷在第二介质基板2的正面；奇模馈电同轴线7和奇模馈电网络5连接；差模馈电同轴线8和差模馈电网络6连接，奇模馈电同轴线7和差模馈电同轴线8均垂直于第一介质基板1。
参见图4，辐射贴片4的中心开设有差模馈电孔47；以差模馈电孔47为中心上奇模馈电槽41和下奇模馈电槽42上下对称开设于辐射贴片4上，且上奇模馈电槽41和下奇模馈电槽42位于辐射贴片4的垂直中心线上。以差模馈电孔47为中心左差模馈电匹配槽45和右差模馈电匹配槽46左右对称开设于辐射贴片4上。左差模馈电匹配槽45的开口处连接着左差模馈电槽43的一端，左差模馈电槽43的另一端连接着辐射贴片4左侧的两边边缘；右差模馈电匹配槽46的开口处连接着右差模馈电槽44的一端，右差模馈电槽44的另一端连接着辐射贴片4右侧的两边边缘；左差模馈电槽43和右差模馈电槽44位于辐射贴片4的水平中心线上，呈左右对称分布。差模馈电孔47和右差模馈电匹配槽46之间的辐射贴片4上开设有奇模馈电孔48，奇模馈电孔48位于差模馈电孔47和右差模馈电匹配槽46的圆心的水平连接线上。
参见图5，奇模馈电网络5为开口位于水平方向一侧的U形框，上部一侧边为上奇模耦合线53，下部一侧边为下奇模耦合线54，中部外侧连接着输入微带线52的内端，输入微带线52的外端上开设有奇模探针孔51。上奇模耦合线53和下奇模耦合线54结构尺寸相同，且相对于输入微带线52上下对称。
参见图6，差模馈电网络6呈水平状的条带，条带的中心开设有差模探针孔61；以差模探针孔61为中心对称设有左差模功分线62和右差模功分线64，左差模功分线62的外端连接着左差模匹配支节63，右差模功分线64连接着右差模匹配支节65。左差模匹配支节63和右差模匹配支节65均为扇形，左差模匹配支节63的扇面向下、扇柄向上，右差模匹配支节65的扇面向上、扇柄向下。
参见图4，奇模馈电网络5的开口端与差模馈电网络6的左差模匹配支节63一侧对应。
参见图1和图2，连接奇模馈电网络5的奇模馈电同轴线7形成第一工作端口，连接差模馈电网络6的差模馈电同轴线8形成第二工作端口。
本实施例1的同频同极化共口径天线的具体工作参数说明如下：
第一工作端口和第二工作端口的重叠工作频带的中心频率为3.75GHz。第一介质基板1和第二介质基板2均采用厚度为0.508mm的Rogers RO4350基板，地板尺寸为150mm×150mm，辐射贴片4的外形尺寸为40.8mm×51.8mm。
上奇模馈电槽41和下奇模馈电槽42尺寸相同，长度为18.8mm，宽度1.2mm。上奇模耦合线53、下奇模耦合线54尺寸相同，长度均为33.7mm，宽度均为0.24mm。输入微带线52为宽1mm和长4.26mm的印刷微带线。左差模功分线62和右差模功分线64尺寸相同，宽度均为1mm，总长度均为25.2mm。左差模匹配支节63和右差模匹配支节65均为扇形角90度和半径5mm的扇形。左差模馈电匹配槽45和右差模馈电匹配槽46均为半径为2.5mm的圆形槽，两圆形槽之间的中心间距为25mm。左差模馈电槽43和右差模馈电槽44尺寸相同，长度均为10.9mm，末端槽宽度均为11.4mm。辐射贴片4的中心距离反射地板3之间的高度为45.5mm。
仿真结果表明，两端口重叠的工作频率范围为3.46~4.18GHz，带内反射系数小于-10dB，两端口在带内的峰值增益均大于6.3dB，带内端口隔离度大于21.27dB，相关性系数小于0.002。
本发明的工作原理详细说明如下：
印刷在第一介质基板1正面的辐射贴片4本身作为一个二分之一波长的偶极子结构，其偶极子结构上的偶极子模式能被奇模馈电网络5通过上侧奇模耦合线53和下侧奇模耦合线54激励起来，从而实现垂直方向上的全向辐射。根据镜像原理，偶极子辐射的电磁波由于反射地板3的作用，最终实现上半空间的辐射。通过特征模理论分析可知，辐射贴片4上引入左差模馈电槽43和右差模馈电槽44之后，使原有的偶极子结构产生了在垂直方向上呈现全向特性的另一组模式，且该组模式与原有的偶极子模式具有正交性，该组模式可以通过差模馈电网络6被激励。由于反射地板3的作用，辐射方向也由原来的全向变为上半空间侧射。通过优化上奇模耦合线53、下奇模耦合线54、上奇模馈电槽41和下奇模馈电槽42的尺寸，能实现偶极子模式端口的阻抗匹配。通过优化左差模馈电槽43、右差模馈电槽44、左差模馈电匹配槽45、右差模馈电匹配槽46、左差模匹配支节63、右差模匹配支节65、左差模功分线62和右差模功分线64的尺寸，能实现第二工作端口阻抗的较好匹配。由于两个工作端口分别激励其两组正交的模式，因此，端口之间理论上具有较高的隔离度和较低的相关性。
参见图7，给出了本实施例1中天线的端口S参数的回波损耗及两个端口之间的隔离度。从仿真结果可以看出，本实施例中天线的两个端口具有重叠的工作频率，并且在重叠工作频带内隔离度大于21.27dB。
参见图8，其中，带三角形和五星符号的曲线为E面和H面的主极化辐射方向图，其余两条线为交叉极化远场方向图。从主极化辐射方向图可以看出，本实施例1中天线工作在奇模状态下最大辐射方向在上半空间，前后比将近20dB，具有较好的侧射远场方向图。
参见图9，其中，带三角形和五星符号的曲线为E面和H面的主极化辐射方向图，其余两条线为交叉极化远场方向图。从主极化辐射方向图可以看出，本实施例1中天线的差分馈电端口被激励时最大辐射方向在上半空间，前后比大于15dB，也具有侧射的远场方向图。
参见图10，本实施例1中天线的两个端口之间的相关性系数在重叠的工作频带内都小于0.002。
实施例2
本实施例2的同频同极化共口径天线结构同实施例1，具体工作参数说明如下：
第一工作端口和第二工作端口的重叠工作频带的中心频率为5.82GHz。
第一介质基板1和第二介质基板2均采用厚度为0.508mm的Rogers RO4350基板，地板尺寸为150mm×150mm，辐射贴片4的外形尺寸为18mm×21.8mm。
上奇模馈电槽41和下奇模馈电槽42尺寸相同，长度为8.1mm，宽度1mm。上奇模耦合线53、下奇模耦合线54尺寸相同，长度均为6mm，宽度均为0.24mm。输入微带线52为宽1mm和长2.76mm的印刷微带线。左差模功分线62和右差模功分线64尺寸相同，宽度均为1mm，总长度均为25.2mm。左差模匹配支节63和右差模匹配支节65均为扇形角为90度和半径为4mm的扇形。左差模馈电匹配槽45和右差模馈电匹配槽46均为半径为1.4mm的圆形槽，两圆形槽之间的中心间距为12.2mm。左差模馈电槽43和右差模馈电槽44尺寸相同，长度均为3.4mm，末端槽宽度均为2.7mm。辐射贴片4的中心距离反射地板3之间的高度为11.5mm。
仿真结果表明，两端口重叠的工作频率范围为5.46~6.18GHz，带内反射系数小于-10dB，两端口在带内的峰值增益均大于6.87dB,带内端口隔离度大于18.56dB，相关性系数小于0.002。
参见图11，从HFSS仿真结果可以看出，本实施例2中天线的两个端口具有重叠的工作频率，并且在重叠工作频带内隔离度大于18.56dB。
参见图12，其中，带三角形和五星符号的曲线为E面和H面的主极化辐射方向图，其余两条线为交叉极化远场方向图。从主极化辐射方向图可以看出，本实施例2中天线工作在奇模状态下最大辐射方向在上半空间，前后大于30dB，具有较好的侧射远场方向图。
参见图13，其中，带三角形和五星符号的曲线为E面和H面的主极化辐射方向图，其余两条线为交叉极化远场方向图。从主极化辐射方向图可以看出，本实施例2中天线的差分馈电端口被激励时，方向图前后比大于12dB，能够覆盖上半空间，也具有侧射的远场方向图。
参见图14，本实施例2中天线的两个端口之间的相关性系数在重叠的工作频带内都小于0.002。
本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种具有高隔离度和低相关性的同频同极化共口径天线，包括反射地板（3）、辐射贴片（4）、奇模馈电网络（5）、差模馈电网络（6）、奇模馈电同轴线（7）和差模馈电同轴线（8）；其特征在于：还包括第一介质基板（1）和第二介质基板（2）；所述第一介质基板（1）的正面和第二介质基板（2）的背面贴合直立设于反射地板（3）上；
所述辐射贴片（4）和奇模馈电网络（5）分别印刷在第一介质基板（1）的正面和背面，所述辐射贴片（4）所在面平行于反射地板（3）的法向轴线；所述差模馈电网络（6）印刷在第二介质基板（2）的正面；所述奇模馈电同轴线（7）和奇模馈电网络（5）连接，所述差模馈电同轴线（8）和差模馈电网络（6）连接，奇模馈电同轴线（7）和差模馈电同轴线（8）均垂直于第一介质基板（1）；
所述辐射贴片（4）的中心开设有差模馈电孔（47）；以差模馈电孔（47）为中心上奇模馈电槽（41）和下奇模馈电槽（42）上下对称开设于辐射贴片（4）上；以差模馈电孔（47）为中心左差模馈电匹配槽（45）和右差模馈电匹配槽（46）左右对称开设于辐射贴片（4）上；所述左差模馈电匹配槽（45）的开口处连接着左差模馈电槽（43）的一端，左差模馈电槽（43）的另一端连接着辐射贴片（4）左侧的两边边缘；所述右差模馈电匹配槽（46）的开口处连接着右差模馈电槽（44）的一端，右差模馈电槽（44）的另一端连接着辐射贴片（4）右侧的两边边缘；所述差模馈电孔（47）和右差模馈电匹配槽（46）之间的辐射贴片（4）上开设有奇模馈电孔（48）；
所述奇模馈电网络（5）为开口位于水平方向一侧的U形框，上部一侧边为上奇模耦合线（53），下部一侧边为下奇模耦合线（54），中部外侧连接着输入微带线（52）的内端，输入微带线（52）的外端上开设有奇模探针孔（51）；
所述差模馈电网络（6）呈水平状的条带，条带的中心开设有差模探针孔（61）；以差模探针孔（61）为中心对称设有左差模功分线（62）和右差模功分线（64），左差模功分线（62）的外端连接着左差模匹配支节（63），右差模功分线（64）连接着右差模匹配支节（65）；
所述奇模馈电网络（5）的开口端与差模馈电网络（6）的左差模匹配支节（63）一侧对应；
连接奇模馈电网络（5）的奇模馈电同轴线（7）形成第一工作端口，连接差模馈电网络（6）的差模馈电同轴线（8）形成第二工作端口；
所述同频同极化共口径天线的两个端口的辐射方向图具有侧射特性，极化相同。
2.根据权利要求1所述的一种具有高隔离度和低相关性的同频同极化共口径天线，其特征在于：所述上奇模馈电槽（41）和下奇模馈电槽（42）位于辐射贴片（4）的垂直中心线上，呈上下对称分布；所述左差模馈电槽（43）和右差模馈电槽（44）位于辐射贴片（4）的水平中心线上，呈左右对称分布，所述左差模馈电匹配槽（45）和右差模馈电匹配槽（46）位于辐射贴片（4）的水平中心线上，呈左右对称分布；所述奇模馈电孔（48）位于差模馈电孔（47）和右差模馈电匹配槽（46）的圆心的水平连接线上。
3.根据权利要求1所述的一种具有高隔离度和低相关性的同频同极化共口径天线，其特征在于：所述上奇模耦合线（53）和下奇模耦合线（54）结构尺寸相同，且相对于输入微带线（52）上下对称。
4.根据权利要求1所述的一种具有高隔离度和低相关性的同频同极化共口径天线，其特征在于：所述左差模功分线（62）和右差模功分线（64）以差模探针孔（61）为中心，呈中心对称；所述左差模匹配支节（63）和右差模匹配支节（65）均为扇形，左差模匹配支节（63）的扇面向下、扇柄向上，右差模匹配支节（65）的扇面向上、扇柄向下。
5.根据权利要求1所述的一种具有高隔离度和低相关性的同频同极化共口径天线，其特征在于：所述同频同极化共口径天线的两个端口的重叠工作频率为3.46~4.18GHz或者5.46~6.18GHz；带内反射系数小于-10dB，在带内的峰值增益分别大于6.3dB和6.87dB，两端口在带内端口隔离度分别大于21.27dB和18.56dB，相关性系数小于0.002。
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