CN115939744A - 一种基于表面波结构的高增益二维阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于表面波结构的高增益二维阵列天线，包括复数个低剖面端射的天线单元，复数个低剖面端射的天线单元以M行N列的方式进行组阵，3≤M≤5，3≤N≤5；组阵的阵间距为0.5～0.9λ，λ为低剖面端射天线单元工作频率下电磁波波长。本发明为表面波聚束阵列天线，口径效率较高，在孔径面积不变的情况下可以获得比传统天线更高的增益，为超高增益阵列天线。

Description

一种基于表面波结构的高增益二维阵列天线

[技术领域]

本发明涉及微波天线，尤其涉及一种基于表面波结构的高增益二维阵列天线。

[背景技术]

大规模MIMO技术伴随着5G的发展已经开始了广泛的应用，在未来6G通信系统中，大规模MIMO技术也将扮演非常重要的角色。一般在5G/6G基站天线端的天线阵列规模至少在64个单元以上，如此多数量的天线单元如果不紧凑排列的话，会使得天线阵列的整体尺寸过大，这样会给基站选址以及架设增加许多成本。但是如果将天线单元的间距缩小之后，阵列内端口间的隔离度会出现明显的恶化，进而影响整个无线通信系统的系统容量，这显然与发展5G/6G的初衷背道而驰。如何在缩小天线单元间距的同时保证端口隔离度、保证阵列的高增益有现实的研究意义。

如今，5G在商用的道路上高歌猛进，对大规模MIMO天线阵列的需求也越来越大。国内外选择组阵的天线单元一般是结构简单的微带天线或者平面偶极子天线，这两类天线单元口径基本上都是半个波长为直径的圆面。为实现5G三维波束赋形、空间分集、空分复用的特点，将上述两类天线进行组阵。

然而，为实现5G以及未来6G通信网络高速率、低时延、节能减耗、高容量及高可靠性等特性，就需要大规模MIMO天线阵列的大量布置，且5G天线单元将辐射单元与远端射频单元(RRU)进行整合，构成有源天线单元(AAU)，重量相较于只有辐射单元而言增重不少。给空间、承重有限的基站带来沉重负担。现有的高增益天线通常为大规模阵列或者高口径效率阵列，对于大规模阵列来说，阵元间距通常为0.7倍工作频率下的电磁波波长，此时，要想获得高增益辐射，阵列规模会达到几百或几千个单元，占用横向面积巨大，难以应用于空间有限的平台。另一方面，可以通过增加天线的口径效率在不增加横向面积的同时增加阵列天线的增益。现有的高口径效率天线通常采用人工超材料，透镜等方式增加口径效率，但是它们的口径效率还是小于100％

[发明内容]

本发明要解决的技术问题是提供一种口径效率高的基于表面波结构的高增益二维阵列天线。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种基于表面波结构的高增益二维阵列天线，包括复数个低剖面端射的天线单元，复数个低剖面端射的天线单元以M行N列的方式进行组阵，3≤M≤5，3≤N≤5；组阵的阵间距为0.5～0.9λ，λ为低剖面端射天线单元工作频率下电磁波波长。

以上所述的高增益二维阵列天线，低剖面端射的天线单元包括长条形、高介电常数的介质板、金属地板、金属加载圆盘、金属短路圆柱和同轴线连接器，金属地板固定在介质板的底面上，金属加载圆盘布置在介质板顶面的上方，靠近天线单元沿介质板长轴方向的后端，天线单元沿介质板长轴方向的前端为收发端；同轴线连接器布置在金属加载圆盘的下方，外壳与金属地连接，内芯穿过介质板与金属圆盘连接；金属短路圆柱的上端与金属圆盘的边缘连接，下端穿过介质板与金属支承板连接。

以上所述的高增益二维阵列天线，介质板的介电常数ε_r为9.7～9.9；介质板的高度H＝0.079～0.080λ，长度L＝0.5～3λ，宽度W<0.5λ；金属地板的长度等于介质板的长度，宽度小于0.5λ；金属加载圆盘的半径R＝0.079～0.080λ，其中心与介质板后端的间距为0.37～0.39λ，底面与距金属地板顶面的距离为0.100～0.122λ。

以上所述的高增益二维阵列天线，

L＝2.1～2.3λ；底面与距金属地板顶面的距离为0.110～0.112λ。

以上所述的高增益二维阵列天线，M＝3，N＝3；介质板的介电常数ε_r为9.8，阵间距为0.5λ；介质板的高度

长度L＝2.2λ；金属加载圆盘的半径

其中心与介质板后端的间距为0.38λ，底面距金属地板顶面的距离为0.116λ；同轴线连接器为50Ω同轴线连接器。

本发明基于表面波结构的高增益二维阵列天线为表面波聚束阵列天线，口径效率较高，在孔径面积不变的情况下可以获得比传统天线更高的增益。

[附图说明]

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明实施例低剖面端射天线单元的立体图。

图2是本发明实施例低剖面端射天线单元的主视图。

图3是本发明实施例低剖面端射天线单元的分解图。

图4是本发明实施例基于表面波结构的高增益二维阵列天线的立体图。

图5是本发明实施例高增益二维阵列天线的辐射方向图。

图6是本发明实施例高增益二维阵列天线的回波损耗图。

图7是本发明实施例天线方向性与介质板长度和单元间距的关系图。

[具体实施方式]

本发明实施例基于表面波结构的高增益二维阵列天线的结构如图1至图4所示，其中，如图1至图3所示。介质板1的材料为Rogers TMM 10i，介电常数9.8。长宽高分别为110mm、14mm和4mm。介质板1的高度

长度L≈2.2λ，宽度W<0.5λ。金属地板2采用金属铝，金属地板2的长度等于介质板的长度L，长宽高分别为110mm、23mm和1mm。金属加载圆盘3的半径R为

厚度为0.2mm，其中心距介质板1后端的距离为18.8mm≈0.38λ。金属加载圆盘3的底面距金属地板2顶面的距离为5.8mm(0.116λ)。金属短路圆柱4的高度为5.8mm，半径R为0.55mm，金属短路圆柱4的上端与金属圆盘3的边缘相连，下端穿过介质板1与金属地板2连接。50Ω同轴线连接器5的外壳与金属地板2相连，内芯穿过介质板1与金属圆盘3相连。

其中介质板1的高度H限定了电磁波的表面波传输模式，其长度L决定了天线的辐射增益。金属加载圆盘3的半径R和其底面距金属地板2的高度决定了的天线的工作频率。

图4所示为本发明所采用的超高增益二维阵列天线，由9个图1中的天线单元组成。该阵列天线规模为3×3，即9单元阵列天线。阵列单元与相邻单元间的距离，dx＝dy＝25mm，即阵列工作在6GHz频率时电磁波波长λ的一半。

表面波可以分为两大类：一类是快波(或称漏波)，电波沿导波表面传播的相速大于光速，这种导波系统是一路传播一路辐射，另外一类是慢波(或称作聚波)，电波沿导波表面传播的相速小于光速，这种导波系统在表面阻抗为常数的平面上，慢波只能携带能量沿表面传播而不辐射，而仅在系统表面突然断绝、突然接入另一阻抗面或有渐变的表面阻抗时才发生辐射。如果截断的过程是缓慢的，也就是说不连续点的过渡是缓慢的，则辐射的能量主要是端射式的，即表面波端射天线。本发明以上实施例的天线主体为高介电常数介质板1，电磁波在该介质中以表面波形式传播并在终端向自由空间辐射，即为介质表面聚束方式。本发明采用介质表面聚束方式的将长度分量与天线的传统口径原理相结合，提出三维口径原理，在确保天线口径面积不增加的情况下，通过增加天线长度来提高天线的增益，实现低剖面、小口径、高增益的天线单元。

本发明实施例基于表面波结构的高增益二维阵列天线采用了工作在6GHz频率下的容性加载的馈电结构的表面波天线单元，以获得低的剖面高度，同时改善馈电结构与介质条之间的阻抗匹配；表面波导波结构采用规则的长方体介质条结构，通过恰当的尺寸匹配，可获得高增益端向辐射。该天线单元在介质板中形成表面波，介质板1的高度需要满足下式，

其中λ为天线工作频率下的电磁波波长，ε_r为介质板1的介电常数，通过以上公式可以看到，所采用的介质板介电常数越大，对应介质板的高度越小，为实现天线的低剖面特性，本实施例的介电常数选择为9.8。为获得最佳天线增益，介质板1的高度H最终优化为：

在工作频率为6GHz时，计算得到的天线高度H为4mm。

介质板宽度对天线性能影响较小，最终通过软件仿真扫参优化为14mm。通常，表面波天线的增益与其长度即介质板长度成正比，天线增益G的表达式为

其中L为天线介质板1的长度。通过增加介质条的长度即可提高天线的增益，然而，受介质损耗的影响，增加介质条的长度会增加介质损耗，造成辐射效率下降，同时过长的长度也不便于天线的小型化设计，因而，介质条的长度应当综合电性能的要求与天线的安装空间来确定。L的可取值范围为0.5λ～3λ。

为实现天线的低剖面特性，本发明实施例的容性低剖面馈电结构由金属加载圆盘3，金属短路圆柱4和同轴线连接器组5成。金属加载圆盘3比一般振子顶端能汇聚更多电荷，另一方面金属加载圆盘3在横向方向上增加了电流的流经路径，二者都能够增加电流的等效谐振波长，降低天线的谐振频率，从而实现天线的低剖面设计，同时金属圆盘半径R越大，天线的谐振频率越低。金属短路圆柱4将金属加载圆盘3与金属地2相连，其半径R约越大，天线的谐振频率越低，因此可以进一步降低天线高度。通过软件优化调节天线的输入阻抗，使其与50欧姆同轴连接器5阻抗匹配。为使天线单元更易于组阵，金属地面的宽度应小于0.5倍天线工作频率下的电磁波波长，在本实施例中，金属地2的宽度为23mm。天线单元由电容加载结构馈电，电磁波馈入后在高介电常数介质板中转变为表面波传播，并最终在介质板终端传入自由空间并进行辐射。

如图5所示，从天线的辐射方向图中可以看到，天线的增益为9.5dBi。图6展示了该天线的回波损耗结果。

为了便与理解由本发明的表面波聚束天线组成二维阵列的超高口径效率，本发明实施例采用3×3天线单元的二维阵列进行说明。下式为天线的方向性计算公式：

其中θ和

分别为天线辐射的俯仰角和方位角，

和

分别为阵列的阵因子和单元因子。阵因子由阵列单元数和阵列排布方式有关，即：

其中M和N分别为阵列列和行的单元个数，若要实现阵列的超100％口径效率，M和N都不应超过5，即阵列规模最大不超过5×5。k为自由空间中电磁波的波矢。dx和dy分别为阵列列和行单元的单元间距，本发明实施例的阵列为均匀阵列，各单元间距相同，即dy＝dx＝D_unit。θ₀和

为波束指向的俯仰角和方位角，在此例中都为0。j为虚数符号。

由软件仿真结果可得。在本实施例中，如图4所示，M＝N＝3。

根据传统的天线口径原理，天线的方向性D与物理口径面积A_p之间的关系为：

式中，λ是真空中的工作频率下的电磁波波长，η_ap是天线的口径效率，不同的天线拥有不同的口径效率。以η_ap＝100％为标准，可以算出传统天线所能达到的最大方向性。通过将

和

代入方向性计算公式可得不同介质板长度下和不同单元间间距对应下的方向性。

如图7所示，图7中，D_unit为阵列中的单元间距，L为本发明实施例阵列单元的介质板1的长度，也是天线长度。图中，虚线为传统阵列天线对应的最大方向性，实线为本发明实施例表面波聚束阵列天线所对应的方向性。可以看到本发明实施例的表面波聚束阵列天线其增益与天线单元长度呈正相关，据此可提出三维孔径原理，即阵列增益不仅和阵列辐射口径面积相关，还和阵中单元的长度相关。当单元间距相同时，实线所示天线的方向性大于虚线所示天线的方向性，可认为本发明实施例的表面波聚束阵列天线相对于传统的阵列天线二维口径效率超过100％。

天线口径效率的计算公式如下：

其中D即为虚线对应数值。此外可以看到，阵元间距越小，表面波聚束阵列天线在相同单元长度下的口径效率越高，所以该3×3阵列的单元间距选择为0.5λ,为实现阵列的超100％口径效率，L设定为110mm，即2.2λ，λ为阵列工作频率下的电磁波波长。根据口径效率的表面波聚束阵列天线的物理口径和实际方向性可以算出其口径效率约为120％。因此，口径效率的表面波聚束阵列天线物理在孔径面积不变的情况下可以获得比传统天线更高的增益，为超高增益阵列天线。

Claims (5)

1.一种基于表面波结构的高增益二维阵列天线，包括复数个天线单元，其特征在于，所述的天线单元为低剖面端射的天线单元，复数个低剖面端射的天线单元以M行N列的方式进行组阵，3≤M≤5，3≤N≤5；组阵的阵间距为0.5～0.9λ，λ为低剖面端射天线单元工作频率下电磁波波长。

2.根据权利要求1所述的高增益二维阵列天线，其特征在于，低剖面端射的天线单元包括长条形、高介电常数的介质板、金属地板、金属加载圆盘、金属短路圆柱和同轴线连接器，金属地板固定在介质板的底面上，金属加载圆盘布置在介质板顶面的上方，靠近天线单元沿介质板长轴方向的后端，天线单元沿介质板长轴方向的前端为收发端；同轴线连接器布置在金属加载圆盘的下方，外壳与金属地连接，内芯穿过介质板与金属圆盘连接；金属短路圆柱的上端与金属圆盘的边缘连接，下端穿过介质板与金属支承板连接。

3.根据权利要求2所述的高增益二维阵列天线，其特征在于，介质板的介电常数ε_r为9.7～9.9；介质板的高度H＝0.079～0.080λ，长度L＝0.5～3λ，宽度W<0.5λ；金属地板的长度等于介质板的长度，宽度小于0.5λ；金属加载圆盘的半径R＝0.079～0.080λ，其中心与介质板后端的间距为0.37～0.39λ，底面与距金属地板顶面的距离为0.100～0.122λ。

4.根据权利要求3所述的高增益二维阵列天线，其特征在于，

L＝2.1～2.3λ；底面与距金属地板顶面的距离为0.110～0.112λ。

5.根据权利要求3所述的高增益二维阵列天线，其特征在于，M＝3，N＝3；介质板的介电常数ε_r为9.8，阵间距为0.5λ；介质板的高度

长度L＝2.2λ；金属加载圆盘的半径

其中心与介质板后端的间距为0.38λ，底面距金属地板顶面的距离为0.116λ；同轴线连接器为50Ω同轴线连接器。

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