CN115832691B - 双零点高隔离双极化直通探针贴片天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开双零点高隔离双极化直通探针贴片天线，主要解决了贴片天线的两个输入端口之间电路连接导致的强耦合的难题。本发明是由一个金属贴片、双直通探针、中和线、微带解耦网络组成的天线，其中微带解耦网络在介质基板下方走线，极大提升了空间利用率。通过加入中和线和微带解耦网络的方式，实现了贴片天线两个输入端口之间的隔离度提高的目的，其原理主要是利用并联中和线与微带解耦网络抵消原级联电路之间的导纳虚部，两次抵消引入两个零点，从而达到所需频带内高隔离的目的。本发明完全镜像对称且结构紧凑，因此可行性极高，并且本发明天线解耦技术(中和线与微带解耦网络)可用于其他天线解耦，均具有很好解耦效果。

Description

双零点高隔离双极化直通探针贴片天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，涉及一种双零点高隔离双极化直通探针贴片天线，具体是一种工作频率可以控制，解耦零点可以控制的双零点高隔离双极化直通探针贴片天线。

背景技术

随着5G无线通信系统快速发展，双极化贴片天线已被广泛地应用于许多通信设备中。这是由于它们具有各种优势，包括低剖面、高隔离度、易于制造和符合安装结构的特点。近年来随着无线通信领域的持续发展，双极化贴片天线也频繁的使用在基站以及移动终端的天线设计中，但放置贴片天线的小型空间里以及天线本身到馈电位置自带的电路级联效应，这势必会导致贴片天线的两个输入端口之间产生强耦合。贴片天线输入端口之间的相互耦合会恶化天线在其要求频带内的匹配条件，影响辐射效率，改变辐射模式，因此为了改进由于贴片天线的两个输入端口之间的耦合导致的天线性能不好的缺点，一种适用于贴片天线的两个输入端口之间的解耦技术的提出显得异常关键。

目前现有的解耦手段包括中和线，缺陷地结构，添加枝节结构，采用谐振结构等。缺陷地结构是通过引入天线接地板空隙来改善天线接地板上的电流分布来抑制耦合；中和线是通过天线单元之间连接一段或者几段微带线来进行解耦；添加枝节结构一般通过添加在天线接地板上，产生额外的耦合路径来提升天线间的隔离；谐振结构则是通过加入谐振单元来达到解耦的目的。

上述解耦技术虽然都可以达到降低贴片天线的两个输入端口之间的耦合的目的，但都有一定的缺陷，或是加入外来结构太多，尺寸太大，或是解耦的结果并不理想，并且这些解耦技术对于被解耦的双极化贴片天线的两个输入端口之间加工复杂，显然这些解耦技术与解耦双极化贴片天线的两个输入端口之间设计不适合。

随着5G无线通信技术的持续发展，对于天线各个方面性能，天线具体个数的要求会越来越多。而移动终端中留给每个天线的特定空间都是固定的，因此天线内部输入端口之间的互相耦合一定会成为5G无线通信技术发展的一个大的阻碍，因此一种适用于任意贴片天线的两个输入端口之间且可以实现高隔离度的天线技术变得尤为重要。

本发明提出了一种双零点高隔离双极化直通探针贴片天线，贴片天线的两个输入端口之间会产生互耦，级联电路也会对其产生耦合，利用并联中和线与微带解耦网络抵消原级联电路之间的导纳虚部，从而实现贴片天线的两个输入端口之间的隔离度提升的目的。此发明贴片天线的工作频率可调，完全镜像对称，解耦的效果好，而且由于微带解耦网络在PCB基板下方走线，因此结构紧凑，可行性极高，制作成本大大降低。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的缺陷，提供一种双零点高隔离双极化直通探针贴片天线。

为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：

一种双零点高隔离双极化直通探针贴片天线，包括

介质基板；

微带解耦网络(1)，位于介质基板下表面；

系统地板(2)，位于介质基板上表面；

两个直通探针(3)，贯穿介质基板、系统地板与微带解耦网络(1)连接，且垂直于系统地板；

金属贴片(4)，与两个直通探针(3)的上端连接，且与系统地板(2)不接触；

中和线(5)，连接两个直通探针(3)，与金属贴片(4)和系统地板(2)不接触。

其中：

所述中和线(5)与两个直通探针(3)构成开口的矩形环；

所述微带解耦网络(1)包括第一至十一竖向微带线、第一至十一横向微带线、斜向微带线；第一竖向微带线的一端接馈电端口(6-1)，另一端接第二横向微带线的一端；第二横向微带线的另一端接第三横向微带线的一端、第四竖向微带线的一端；第三横向微带线的另一端接第三竖向微带线的一端；第三竖向微带线的另一端接第一横向微带线的一端；第一横向微带线的另一端接第二竖向微带线的一端；第二竖向微带线的另一端接其中一个直通探针(3)下端；第四竖向微带线的另一端接第四横向微带线的一端；第四横向微带线的另一端接第五竖向微带线的一端；第五竖向微带线的另一端接第五横向微带线的一端；第五横向微带线的另一端接第六竖向微带线的一端；第六竖向微带线的另一端接第六横向微带线的一端、斜向微带线的一端；斜向微带线的另一端悬空；第六横向微带线的另一端接第七竖向微带线的一端；第七竖向微带线的另一端接第七横向微带线的一端；第七横向微带线的另一端接第八竖向微带线的一端；第八竖向微带线的另一端接第八横向微带线的一端；第八横向微带线的另一端接第九竖向微带线的一端、第十竖向微带线的一端；第九竖向微带线的另一端接第九横向微带线的一端；第九横向微带线的另一端接第十一竖向微带线的一端；第十一竖向微带线的另一端接第十横向微带线的一端；第十横向微带线的另一端接另一个直通探针(3)下端；第十竖向微带线的另一端接第十一横向微带线的一端；第十一横向微带线的另一端接馈电端口(6-2)；

所述微带解耦网络(1)在基板上的投影位于所述中和线(5)围合的矩形环环内；

作为优选，两个直通探针(3)间的夹角为90°；

作为优选，所述中和线(5)与直通探针(3)的侧边连接；

作为优选，所述斜向微带线位于所述中和线(5)围合的矩形环的对角线上；

作为优选，所述第一至十一横向微带线与所述中和线(5)围合的矩形环的长边平行；第一至十一竖向微带线与所述中和线(5)围合的矩形环的宽边平行；

作为优选，在直通探针(3)与所述微带解耦网络(1)相接处以上部分视为一个整体，用传输二端口矩阵表示[A₅,B₅；C₅,D₅]；所述微带解耦网络(1)等效为一对特征阻抗和电长度为(z₅,e₅)的传输线与T型结构DS₂并联构成，其中T型结构DS₂等效为一对特征阻抗和电长度为(z₆,e₆)的传输线和在频率点f₁处开路l/4长度与特征阻抗为z₇的传输线构成，通过调节变量z₅,e₅,z₆,e₆,z₇,在频率点f₂处具体解耦推导公式如下：

Re[Y₁₁ ^E]＝Y₀ (1)

Re[Y₂₁ ^E]＝0 (2)

其中Y₀表示50欧姆特征阻抗Z₀的倒数，Y₁₁ ^E表示不加入T型结构DS2前一个端口的自导纳，Y₂₁ ^E表示不加入T型结构DS2前两个端口之间的互导纳，

表示T型结构DS2一个端口的自导纳，/>

表示T型结构DS2两端口之间的互导纳，Re[·]表示实部，Im[·]表示虚部；

如果方程(1)-(4)满足，那么在频率点f₂处解耦已经实现。

作为优选，所述系统地板(2)的尺寸大小与介质基板相同。

作为优选，所述金属贴片(4)的工作频带以及阻抗匹配效果由金属贴片(4)的尺寸决定。

作为优选，所述微带解耦网络(1)关于斜向微带线所在直线呈轴对称。

本发明的解耦原理是利用并联中和线与微带解耦网络抵消原级联电路之间的导纳虚部，达到贴片天线的两个输入端口之间去耦合的目的。具体是利用中和线并联在双直通探针大概中间位置，该中和线的引入可以创造解耦频带内的第一个零点，微带解耦网络的引入可以创造解耦频带内的第二个零点。并联大概中间位置具体是指中和线的高度可以调整，而且在此空间里其长度也可以改变很大。微带解耦网络刻在基板下方，其由微带传输线拼接而成。在下方很大空间内，微带传输线的长度宽度以及级联方式自由度极高。解耦效果则由中和线的长度和悬空高度以及微带解耦网络的性能来决定。

本发明的有益效果是：微带解耦网络刻在基板下方使得整个贴片天线结构紧凑有序，易于天线的仿真设计以及后续的实物加工；贴片天线镜像对称，因此可以保证两输入端口的阻抗匹配与解耦完全对称相同；天线工作频率可调，可以根据实际要求来选择工作频率通过调节贴片的尺寸以适用于大多数应用场合；贴片天线两个输入端口之间的隔离度的解耦效果可以趋近理想化(大于40dB)(两个零点)。

附图说明

图1是双零点高隔离双极化直通探针贴片天线各个组成单元(上方贴片，中间中和线相连的直通探针，下方微带解耦网络)的示意图；

图2(a)是双零点高隔离双极化直通探针贴片天线的立体结构示意图；

图2(b)是双零点高隔离双极化直通探针贴片天线的截面结构示意图；

图2(c)是双零点高隔离双极化直通探针贴片天线的平面结构以及尺寸标注示意图；

图3(a)是中和线引入第一个零点时等效电路原理图；

图3(b)是微带解耦网络引入第二个零点时等效电路解耦原理图；

图3(c)是图3(b)中T型结构DS2的等效电路原理图；

图4(a)是贴片天线解耦前的S参数示意图；

图4(b)是双零点高隔离双极化直通探针贴片天线的S参数示意图；

图5(a)是贴片天线解耦前的辐射方向示意图；

图5(b)是双零点高隔离双极化直通探针贴片天线的辐射方向示意图。

具体实施方式

为了将本发明的目的、技术方案及优点阐述的更加清楚明白，通过结合具体实施例并结合附图，对本发明进行进一步说明，但本发明并不限于这些实施例。

图1为双零点高隔离双极化直通探针贴片天线各个组成单元，上方是金属贴片4，中间是中和线5相连的直通探针3，下方是微带传输线构成的微带解耦网络1；金属贴片4通过两个直通探针3与微带解耦网络1连接，且金属贴片4与系统地板2不接触；中和线5与金属贴片4、系统地板2不接触。

所述中和线5与两个直通探针3构成开口的矩形环；

所述微带解耦网络1包括第一至十一竖向微带线、第一至十一横向微带线、斜向微带线；第一竖向微带线的一端接馈电端口6-1，另一端接第二横向微带线的一端；第二横向微带线的另一端接第三横向微带线的一端、第四竖向微带线的一端；第三横向微带线的另一端接第三竖向微带线的一端；第三竖向微带线的另一端接第一横向微带线的一端；第一横向微带线的另一端接第二竖向微带线的一端；第二竖向微带线的另一端接其中一个直通探针3下端；第四竖向微带线的另一端接第四横向微带线的一端；第四横向微带线的的另一端接第五竖向微带线的一端；第五竖向微带线的另一端接第五横向微带线的一端；第五横向微带线的另一端接第六竖向微带线的一端；第六竖向微带线的另一端接第六横向微带线的一端、斜向微带线的一端；斜向微带线的另一端悬空；第六横向微带线的另一端接第七竖向微带线的一端；第七竖向微带线的另一端接第七横向微带线的一端；第七横向微带线的另一端接第八竖向微带线的一端；第八竖向微带线的另一端接第八横向微带线的一端；第八横向微带线的另一端接第九竖向微带线的一端、第十竖向微带线的一端；第九竖向微带线的另一端接第九横向微带线的一端；第九横向微带线的另一端接第十一竖向微带线的一端；第十一竖向微带线的另一端接第十横向微带线的一端；第十横向微带线的另一端接另一个直通探针3下端；第十竖向微带线的另一端接第十一横向微带线的一端；第十一横向微带线的另一端接馈电端口6-2；所述微带解耦网络1关于斜向微带线所在直线呈轴对称。

所述微带解耦网络1在基板上的投影位于所述中和线5围合的矩形环环内；且所述斜向微带线与所述中和线5围合的矩形环存在一定的距离。

两个直通探针3间的夹角为90°；

所述中和线5与直通探针3的侧边连接；

所述斜向微带线位于所述中和线5围合的矩形环的对角线上；

所述第一至十一横向微带线与所述中和线5围合的矩形环的长边平行；第一至十一竖向微带线与所述中和线5围合的矩形环的宽边平行；

金属贴片4通过直通探针3连接微带解耦网络的微带线直接进行馈电。系统地板贴在介质基板上方，微带解耦网络刻在介质基板下方，通过天线内部电路级联来进行直接馈电。

所述贴片天线两个输入端口之间在所需频带内具有高隔离度(均大于40dB)，其双零点高隔离的性能的提升是通过并联中和线与微带解耦网络来实现的。

贴片天线两个输入端口之间的隔离度是由中和线的长度与微带解耦网络决定，当中和线的长度与微带解耦网络选择合适时，贴片天线两个输入端口之间的隔离度的解耦效果可以趋近理想化(大于40dB)。

上述贴片天线中双直通探针3与贴片垂直且嵌入其中，最下方与微带解耦网络垂直相连，但整个贴片需要用尼龙柱支撑起来。

在直通探针3与所述微带解耦网络1相接处以上部分视为一个整体，用传输二端口矩阵表示[A₅,B₅；C₅,D₅]；所述微带解耦网络1等效为一对特征阻抗和电长度为(z₅,e₅)的传输线与T型结构DS₂并联构成，其中T型结构DS₂等效为一对特征阻抗和电长度为(z₆,e₆)的传输线和在频率点f₁处开路l/4长度与特征阻抗为z₇的传输线构成，通过调节变量z₅,e₅,z₆,e₆,z₇,在频率点f₂处具体解耦推导公式如下：

Re[Y₁₁ ^E]＝Y₀ (1)

Re[Y₂₁ ^E]＝0 (2)

其中Y₀表示50欧姆特征阻抗Z₀的倒数，Y₁₁ ^E表示不加入T型结构DS2前一个端口的自导纳，Y₂₁ ^E表示不加入T型结构DS2前两个端口之间的互导纳，

表示T型结构DS2一个端口的自导纳，/>

表示T型结构DS2两端口之间的互导纳，Re[·]表示实部，Im[·]表示虚部；

如果方程(1)-(4)满足，那么在频率点f₂处解耦已经实现。

本发明双零点高隔离双极化直通探针贴片天线中双零点指的是在工作频带内S12具有两个零点。其中第一个零点是由中和线5产生的，第二个零点是由下方微带解耦网络1产生的。高隔离指的是在工作频带内S12均在-40dB以下。双极化指的是双馈电点分别产生两个垂直正交的线极化波。直通探针用来连接下方微带解耦网络与上方贴片。

图2为双零点高隔离双极化直通探针贴片天线各个角度的结构示意图。

图2(a)为双零点高隔离双极化直通探针贴片天线的立体结构示意图。

图2(b)为双零点高隔离双极化直通探针贴片天线的截面结构示意图。

图2(c)为双零点高隔离双极化直通探针贴片天线的平面结构示意图以及部分参数具体尺寸。其中金属贴片4宽为w＝50mm，微带解耦网络1中第三横向微带线、第三竖向微带线、第一横向微带线、第二竖向微带线第九竖向微带线、第九横向微带线、第十一竖向微带线、第十横向微带线的线宽wf＝0.96mm；第四竖向微带线、第四横向微带线、第五竖向微带线、第五横向微带线、第六竖向微带线、第六横向微带线、第七竖向微带线、第七横向微带线、第八竖向微带线、第八横向微带线的线宽wd＝1.012mm；斜向微带线线宽wd2＝0.4mm。

图3为双零点高隔离双极化直通探针贴片天线解耦原理示意图。金属贴片4通过与直通探针相连，再与微带解耦网络1的微带传输线相连属于直接馈电，贴片天线两个输入端口之间通过微带解耦网络1解耦之后隔离度大大提高。图3中第一个零点是由中和线产生的。第二个零点是由下方微带解耦网络1产生的。DN1由三段不同的传输线组成(特征阻抗与电长度不等)，DN2是一个由传输线组成的T形结构。其中原理是，通过并联中和线与微带解耦网络来抵消原级联电路之间的导纳虚部，两次抵消引入两个零点。

图4(a)为贴片天线解耦前的S参数示意图。可以看出，在3Ghz的频率下贴片天线两个输入端口之间的隔离度都很低都仅为18dB左右,并且在谐振频率2.6Ghz附近处的端口匹配大约为-30dB。

图4(b)为双零点高隔离双极化直通探针贴片天线的S参数示意图。可以从图中看到在谐振频率2.6Ghz附近处端口的阻抗匹配已经低于-30dB,且贴片天线两个输入端口之间的隔离度在2.5Ghz-2.7Ghz频段内也提升至40dB以上,实现了隔离度的超大幅度提高。

图4(a)与(b)对比则能够明显看出高隔离贴片天线在工作频带内较之前阻抗匹配提升，耦合大幅降低。

图5(a)为贴片天线解耦前的辐射方向示意图。可以看出，在2.6Ghz的频率下贴片天线辐射增益大约为10dB,并且主极化与交叉极化之间影响不是很大。

图5(b)为双零点高隔离双极化直通探针贴片天线的辐射方向示意图。可以看出，在2.6Ghz的频率下天线辐射增益在最大处约为10dB,并且主极化与交叉极化之间区分明显。实现了天线辐射效率的几乎不变。

图5(a)与(b)对比则能够明显看出高隔离贴片天线在工作频带内较之前天线辐射增益几乎不变。

本发明为一种双零点高隔离双极化直通探针贴片天线，通过采用并联中和线与微带解耦网络抵消原级联电路之间的导纳虚部，两次抵消引入两个零点的方式来实现端口的高隔离度，与其他解耦方法相比，本发明的解耦效果好，在工作频带内两个端口之间的隔离都能在40dB以上，天线效率高，大角度增益大幅提高，并且解耦的可控性很高，具体体现在天线工作的频段可以任意选择，解耦效果可以通过中和线与微带解耦网络来调控。由于这些优点的存在本天线解耦思路可以更好的应用于解决目前一些多端口天线存在的的耦合难题。

以上所述仅为本发明的一个实施例，只是用于帮助理解本发明的方法以及核心思想。应当指出，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (8)

1.一种双零点高隔离双极化直通探针贴片天线，其特征在于包括：

介质基板；

微带解耦网络(1)，位于介质基板下表面；

系统地板(2)，位于介质基板上表面；

两个直通探针(3)，贯穿介质基板、系统地板与微带解耦网络(1)连接，且垂直于系统地板；

金属贴片(4)，与两个直通探针(3)的上端连接，且与系统地板(2)不接触；

中和线(5)，连接两个直通探针(3)，与金属贴片(4)和系统地板(2)不接触；

其中：

所述中和线(5)与两个直通探针(3)构成开口的矩形环；

所述微带解耦网络(1)包括第一至十一竖向微带线、第一至十一横向微带线、斜向微带线；第一竖向微带线的一端接第一馈电端口(6-1)，另一端接第二横向微带线的一端；第二横向微带线的另一端接第三横向微带线的一端、第四竖向微带线的一端；第三横向微带线的另一端接第三竖向微带线的一端；第三竖向微带线的另一端接第一横向微带线的一端；第一横向微带线的另一端接第二竖向微带线的一端；第二竖向微带线的另一端接其中一个直通探针(3)下端；第四竖向微带线的另一端接第四横向微带线的一端；第四横向微带线的另一端接第五竖向微带线的一端；第五竖向微带线的另一端接第五横向微带线的一端；第五横向微带线的另一端接第六竖向微带线的一端；第六竖向微带线的另一端接第六横向微带线的一端、斜向微带线的一端；斜向微带线的另一端悬空；第六横向微带线的另一端接第七竖向微带线的一端；第七竖向微带线的另一端接第七横向微带线的一端；第七横向微带线的另一端接第八竖向微带线的一端；第八竖向微带线的另一端接第八横向微带线的一端；第八横向微带线的另一端接第九竖向微带线的一端、第十竖向微带线的一端；第九竖向微带线的另一端接第九横向微带线的一端；第九横向微带线的另一端接第十一竖向微带线的一端；第十一竖向微带线的另一端接第十横向微带线的一端；第十横向微带线的另一端接另一个直通探针(3)下端；第十竖向微带线的另一端接第十一横向微带线的一端；第十一横向微带线的另一端接第二馈电端口(6-2)；

所述微带解耦网络(1)在基板上的投影位于所述中和线(5)围合的矩形环环内；

所述双零点高隔离双极化直通探针贴片天线在直通探针(3)与所述微带解耦网络(1)相接处以上部分视为一个整体，用传输二端口矩阵表示[A₅，B₅；C₅，D₅]；所述微带解耦网络(1)等效为一对特征阻抗和电长度为(z₅，e₅)的传输线与T型结构DS₂并联构成，其中T型结构DS₂等效为一对特征阻抗和电长度为(z₆，e₆)的传输线和在频率点f₁处开路1/4长度与特征阻抗为z₇的传输线构成，通过调节变量z₅，e₅，z₆，e₆，z₇，在频率点f₂处具体解耦推导公式如下：

Re[Y₁₁ ^E]＝Y₀ (1)

Re[Y₂₁ ^E]＝0 (2)

其中Y₀表示50欧姆特征阻抗Z₀的倒数，Y₁₁ ^E表示S11端口的自导纳，Y₂₁ ^E表示S21端口的互导纳，

表示T型结构DS2一个端口的自导纳，/>

表示T型结构DS2两端口之间的互导纳，Re[·]表示实部，Im[·]表示虚部；

如果方程(1)-(4)满足，那么在频率点f₂处实现解耦；

所述双零点高隔离双极化直通探针贴片天线，在工作频带内S12具有两个零点且S12均在-40dB以下，利用中和线(5)并联在双直通探针(3)，所述中和线(5)引入解耦频带内的第一个零点，所述微带解耦网络(1)引入解耦频带内的第二个零点。

2.根据权利要求1所述天线，其特征在于，两个直通探针(3)间的夹角为90°。

3.根据权利要求1所述天线，其特征在于，所述中和线(5)与直通探针(3)的侧边连接。

4.根据权利要求1所述天线，其特征在于，所述斜向微带线位于所述中和线(5)围合的矩形环的对角线上。

5.根据权利要求1所述天线，其特征在于，所述第一至十一横向微带线与所述中和线(5)围合的矩形环的长边平行；第一至十一竖向微带线与所述中和线(5)围合的矩形环的宽边平行。

6.根据权利要求1所述天线，其特征在于，所述微带解耦网络(1)关于斜向微带线所在直线呈轴对称。

7.根据权利要求1所述天线，其特征在于，所述系统地板(2)的尺寸大小与介质基板相同。

8.根据权利要求1所述天线，其特征在于，并联中和线(5)与微带解耦网络(1)抵消原级联电路之间的导纳虚部。

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