CN116454625A - 一种基于磁电偶极子的自去耦天线阵列及设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于磁电偶极子的自去耦天线阵列及设备，其中天线阵列包括：第一介质基板，所述第一介质基板的第一表面上设有两条阶梯微带线；两个辐射单元，由两个相同的磁电偶极子天线组成，一个所述磁电偶极子天线由两个矩形金属贴片、三对第二镀金属通孔和一个Γ形探头组成，所述Γ形探头包括两个第三镀金属通孔和一个第二金属贴片；天线阵列通过所述阶梯微带线馈入Γ形探头，以激励天线。本发明在不引入额外去耦合电路或去耦合元件的基础上，通过高阶电偶极子模式的特性，获得了良好的去耦合功能，同时阵列结构简单，易于实现和拓展，在毫米波多输入多输出的无线通信系统中具有潜在的应用前景。本发明可广泛应用于移动通信天线领域。

Description

一种基于磁电偶极子的自去耦天线阵列及设备

技术领域

本发明涉及移动通信天线领域，尤其涉及一种基于磁电偶极子的自去耦天线阵列及设备。

背景技术

近年来，为了满足不断增长的海量数据传输的需求，毫米波(mm-wave)频谱成为第五代(5G)移动通信系统的一个选择。但是在毫米波段有更严重的空间损耗和阻塞，信噪比也会大大降低。使用多输入多输出(MIMO)技术可以利用空间分集提升信干噪比，可以在不消耗额外频谱资源的同时提高传输速率，从而大幅提升通信的信道容量。因此，针对5G通信，毫米波与MIMO技术的相互融合也必将成为未来发展的一个趋势，但是当两个或多个天线靠近放置时，不可避免地会发生相互耦合，使天线甚至整个系统的性能下降。因此，降低毫米波天线之间的相互耦合是一项十分重要且有意义的工作。

在过去十年中，学者们已经开发了多种去耦合手段，最常见的去耦合技术可以分为以下三类。第一类是通过引入额外的耦合路径抵消原有的耦合，例如中和线、去耦合表面等去耦合技术。第二类去耦合技术是通过去耦合结构阻隔耦合场的传播，通常通过使用超材料、缺陷接地层、谐振器去耦合结构来实现。第三类是利用天线自身特性或工作模式在不引入额外去耦合结构的情况下实现自去耦。

目前去耦合技术的研究主要集中在微波波段的贴片天线领域，对现有技术进行分析，具体如下：例如现有的第一技术方案中引入中和线通过额外的耦合路径抵消原有的耦合，该技术方案融合了多种去耦合技术最终实现了-45dB的隔离度，但是这种技术的融合适用面太小，也不具有扩展性；第二技术方案中提出通过在地板上蚀刻槽的方式实现良好的隔离度，但是这种方法仅适用于窄带宽的天线，在毫米波宽带天线上并不能覆盖全部的工作带宽，同时会加大天线的后向辐射；第三技术方案中利用开槽互补分裂环谐振器实现了-35dB的隔离度，但是受限于加工工艺，在毫米波段加工这种小而复杂的解耦结构并不容易，而且还可能会带来其他的问题。

磁电偶极子天线具有宽带宽、增益稳定、易于激励等优点，是毫米波系统非常合适的候选天线。而目前的去耦合技术大多只能实现窄带去耦合，除此之外，尽管部分解耦方法在微波频率下是有效的，但受限于加工工艺的限制，直接将这些电路扩展到毫米波段并不是一个好的方法。到目前为止，还没有关于磁电偶极子天线阵列的去耦合研究，因此研究一款简单的、宽带的毫米波天线解耦技术具有重要意义。

发明内容

为至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一，本发明的目的在于提供一种基于磁电偶极子的自去耦天线阵列及设备。

本发明所采用的技术方案是：

一种基于磁电偶极子的自去耦天线阵列，包括：

第一介质基板，所述第一介质基板的第一表面上设有两条阶梯微带线，第二表面上设有金属接地面；所述第一介质基板上设有两个第一镀金属通孔，所述第一镀金属通孔的一端与所述阶梯微带线连接；

两个辐射单元，由两个相同的磁电偶极子天线组成，一个所述磁电偶极子天线由两个矩形金属贴片、三对第二镀金属通孔和一个Γ形探头组成，所述Γ形探头包括两个第三镀金属通孔和一个第二金属贴片；

两个所述辐射单元设置在第二介质基板上，所述第二介质基板的第一表面与所述第一介质基板的第二表面连接，所述矩形金属贴片设置在所述第二介质基板的第二表面上；

三个所述第二镀金属通孔的位置在所述矩形金属贴片内，所述第二镀金属通孔的一端与所述矩形金属贴片连接，另一端与所述金属接地面连接；

两个所述第三镀金属通孔的位置在所述第二金属贴片内，其中一个第三镀金属通孔作为盲孔，另一个第三镀金属通孔的一端与所述第二金属贴片连接，另一端与所述第一镀金属通孔连接；

其中，天线阵列通过所述阶梯微带线馈入Γ形探头，以激励天线。

进一步地，使用Γ形探头以减小天线x方向的整体尺寸。

进一步地，使用阶梯微带线的设计优化天线输入匹配和阻抗匹配水平。

进一步地，利用磁电偶极子中电偶极子的1-λ和1.5-λ模式实现天线阵列的去耦合。

进一步地，所述第一镀金属通孔的一端上设有一圈金属环，所述金属环外设有一圈绝缘环。

进一步地，由三对第二镀金属通孔和两个矩形平面金属贴片形成天线辐射单元，天线辐射单元对称地安装在Γ形探头两侧。

进一步地，天线辐射单元和Γ形探头之间的有效电尺寸为中心频率处的一个自由空间波长的长度。

进一步地，所述第二镀金属通孔的位置设置在第一边长的附近，所述第一边长为所述矩形金属贴片上最靠近所述Γ形探头的边长。

进一步地，所述第二介质基板包括两个介质基板层，其中第一个介质基板层的第一表面与所述第一介质基板的第二表面连接，第一个介质基板层的第二表面与第二个介质基板层的第一表面连接，所述矩形金属贴片设置在第二个介质基板层的第二表面上；

其中，所述盲孔没有打通第一个介质基板层。

进一步地，第一个介质基板层和第二个介质基板层之间通过胶膜粘在一起。

进一步地，所述胶膜为Rogers 4450F胶膜，第一个介质基板层和第二个介质基板层均采用Rogers5880高频板材制成。

进一步地，所述阶梯微带线包括串联的第一微带线和第二微带线，其中第一微带线的宽度大于第二微带线的宽度，所述第二微带线的一端与所述第一镀金属通孔的一端连接。

本发明所采用的另一技术方案是：

一种通信设备，包括如权上所述的一种基于磁电偶极子的自去耦天线阵列。

本发明的有益效果是：本发明在不引入额外去耦合电路或去耦合元件的基础上，通过高阶电偶极子模式的特性，获得了良好的去耦合功能，同时阵列结构简单，易于实现和拓展，在毫米波多输入多输出的无线通信系统中具有潜在的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或者现有技术中的技术方案，下面对本发明实施例或者现有技术中的相关技术方案附图作以下介绍，应当理解的是，下面介绍中的附图仅仅为了方便清晰表述本发明的技术方案中的部分实施例，对于本领域的技术人员而言，在无需付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取到其他附图。

图1是本发明实施例中一种基于磁电偶极子的自去耦天线阵列的立体结构示意图；

图2是本发明实施例中上层金属面的俯视图；

图3是本发明实施例中自去耦天线阵列的反射系数的仿真图；

图4是本发明实施例中自去耦天线阵列的增益的仿真图；

图5是本发明实施例中第一输入端口在各个谐振点处的辐射方向图；其中图5(a)为27GHz处的辐射方向图，图5(b)为30GHz处的辐射方向图，图5(c)为33GHz处的辐射方向图。

附图标记：11、第一个介质基板层；12、胶膜；13、第二个介质基板层；4、金属化地平面；5、第一介质基板；61、第一个磁电偶极子天线上的矩形金属贴片；62、第二个磁电偶极子天线上的矩形金属贴片；71、第一个磁电偶极子天线上的一组第二镀金属通孔；72、第一个磁电偶极子天线上的另一组第二镀金属通孔；73、第二个磁电偶极子天线上的一组第二镀金属通孔；74、第二个磁电偶极子天线上的另一组第二镀金属通孔；81、第一个磁电偶极子天线上的Γ形探头；82、第二个磁电偶极子天线上的Γ形探头；91、第一条阶梯微带线；92、第二条阶梯微带线。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

基于现有的技术问题，本发明提出了一种适用于磁电偶极子天线的自去耦技术，并将其应用于毫米波通信中。通过延长电偶极子的长度来调整高阶模式的频率，使得天线在1-λ和1.5-λ模式下工作，利用两个模式耦合电流场在馈电位置电流场的振幅相等，相位相反形成的弱电流区来提高天线阵列的隔离度。这种方法可以在不需要使用任何额外的去耦合结构的情况下有效地将H面耦合降低到-60dB。

本实施例提供一种基于磁电偶极子的自去耦天线阵列，该天线阵列通过50欧姆的阶梯微带线从底部馈入Γ形探头以激励天线，馈电结构安装在底层介质基板的下表面，底层介质基板的上表面设有金属接地面，在底层介质基板之上是辐射单元所在的介质基板。底层介质基板上设有两个金属通孔，金属通孔的一端与阶梯微带线连接。

辐射单元所在的介质基板由三层介质基板组成，其中两个辐射单元被设计在两层相同的薄基板上，此外，在两块基板之间添加了一层薄的胶膜，将它们牢固地粘在一起。两个辐射单元由两个相同的磁电偶极子天线组成，磁电偶极子天线由两个矩形金属贴片、三对镀金属通孔和一个Γ形探头组成。三对镀金属通孔位于矩形金属贴片的内角附近，金属通孔的一端与金属接地面连接；Γ形探头由两个镀金属通孔和一个小贴片组成，通过镀金属通孔的对接，以使小贴片与阶梯微带线连接。

作为一种可选的实施方式，使用的通孔均为镀金属通孔，金属通孔附近有0.2mm的金属圆环，这些金属圆环会影响天线的决定电磁波泄漏和匹配问题。

作为一种可选的实施方式，由三对镀金属通孔加两个矩形平面金属贴片形成了天线辐射单元，天线辐射单元对称的安装在Γ形探头两侧，其中有效电尺寸约为中心频率处的一个自由空间波长的长度。使用Γ形探头以减小天线x方向的整体尺寸。使用阶梯微带线的设计优化天线输入匹配和阻抗匹配水平。利用磁电偶极子中电偶极子的1-λ和1.5-λ模式实现天线阵列的去耦合。

作为一种可选的实施方式，天线辐射单元的介质基板是由上下两层厚度为0.508mm的Rogers5880高频板材组合，此外，在两块基板之间添加了Rogers 4450F胶膜，将它们牢固地粘在一起。

作为一种可选的实施方式，整体金属面的材料均为0.04mm的金属铜。

以下结合图1-图5对上述基于磁电偶极子的自去耦天线阵列的结构及性能进行详细的解释。

参照图1和图2，本实施例提供的一种基于磁电偶极子的自去耦天线阵列，包括辐射单元和馈电电路部分。

其中，辐射单元所在的介质基板由三层(11、12、13)组成；第一个介质基板层11和第二个介质基板层13是两个厚度一致的Rogers5880介质基板，介电常数为2.2，尺寸为12mm×21.8mm，高度为0.508mm。中间层12为是一层薄的Rogers4450的介质胶膜介电常数为4.5，高度为0.3mm，作用是将第一个介质基板层11和第二个介质基板层13牢固地粘在一起。

所述辐射单元是由两个相同的磁电偶极子天线组成，一个磁电偶极子天线由两个矩形金属贴片、三对直径为0.5mm的镀金属通孔和一个Γ形探头组成，矩形金属贴片的尺寸是3.8mm×2.7mm。通孔位于矩形金属贴片的内角附近，底面与金属接地面连接。

Γ形探头由两个镀金属通孔和一个小贴片组成，两个通孔中一个为盲孔，直径为0.2mm；另一个通孔直接打穿第一个介质基板层11和第二个介质基板层13，并与底层介质基板上的通孔对接，该通孔的直径为0.5mm。

总的来说，矩形金属贴片61、第二镀金属通孔71、第二镀金属通孔72和Γ形探头81为一个磁电偶极子天线，矩形金属贴片62、第二镀金属通孔73、第二镀金属通孔74和Γ形探头82组合成另一个磁电偶极子天线，图1中的4为金属化地平面，存在于第二个介质基板层13的下表面和第一介质基板5的上表面。

馈电电路印刷在一层薄Rogers5880介质基板上，该介质基板的介电常数为2.2，高度为0.254mm之上，第一介质基板5的下表面印刷着阶梯微带线91、92，阶梯微带线包括两段，第一段的宽度为0.74mm，第二段的宽度为0.4mm。

两个天线单元的间距d是4.8mm，约为中心频率处的0.49个自由空间波长的长度。

为了进一步说明本发明一种基于磁电偶极子的自去耦天线阵列良好的性能，利用电磁仿真软件HFSS对本实施例进行建模仿真。图3～5为该单层宽带双极化毫米波贴片天线的仿真结果。

如图3所示，给出了本实施例的S参数仿真结果图，该自去耦天线阵列的反射系数小于-10dB的带宽为27.5GHz-35.07GHz，绝对带宽为7.57GHz，相对工作频带宽度大于24.2％，在29GHz和33.5GHz处产生两个谐振频点，这两个谐振点共同作用产生了良好的宽带性能。同时，该自去耦天线阵列隔离度小于-20dB的带宽为27.13GHz-36.46GHz，绝对带宽为9.33GHz，相对工作频带宽度大于29.34％，隔离度最高值近60dB。

如图4所示，给出了本实施例的增益仿真结果图，该天线的最高增益为6.07dBi，在27.5GHz-35.07GHz的阻抗带宽内的增益波动小于1dBi。

如图5所示，给出了本实施例在各个谐振点处的辐射方向图，其中图5(a)、图5(b)和图5(c)依次为第一输入端口在27GHz、30GHz、33GHz处的辐射分析图。

观测到在整个通带内均具有较低的交叉极化，辐射性能好。其中，X-pol是交叉极化，Co-pol是主极化。

综上所述，本发明提出了一种适用于磁电偶极子天线的自去耦技术，并将其应用于毫米波通信中。通过延长电偶极子的长度来调整高阶模式的频率，使得天线在1-λ和1.5-λ模式下工作，利用两个模式耦合电流场在馈电位置电流场的振幅相等，相位相反形成的弱电流区来提高天线阵列的隔离度。这种方法不需要添加额外的去耦合电路或去耦合元件，不会增加阵列的复杂度，结构简单，所述阵列实现24.6％的阻抗带宽和的29.34％去耦合带宽，有效地将H面耦合降低到-60dB，所述天线还拥有带内5.16～6.07dBi的稳定增益。

本实施例还提供一种通信设备，包括如图1所示的一种基于磁电偶极子的自去耦天线阵列。

本实施例的通信设备具有图1所示自去耦天线阵列的功能，因此具有相应的优点及有益效果。

在本说明书的上述描述中，参考术语“一个实施方式/实施例”、“另一实施方式/实施例”或“某些实施方式/实施例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于上述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种基于磁电偶极子的自去耦天线阵列，其特征在于，包括：

第一介质基板，所述第一介质基板的第一表面上设有两条阶梯微带线，第二表面上设有金属接地面；所述第一介质基板上设有两个第一镀金属通孔，所述第一镀金属通孔的一端与所述阶梯微带线连接；

两个辐射单元，由两个相同的磁电偶极子天线组成，一个所述磁电偶极子天线由两个矩形金属贴片、三对第二镀金属通孔和一个Γ形探头组成，所述Γ形探头包括两个第三镀金属通孔和一个第二金属贴片；

两个所述辐射单元设置在第二介质基板上，所述第二介质基板的第一表面与所述第一介质基板的第二表面连接，所述矩形金属贴片设置在所述第二介质基板的第二表面上；

三个所述第二镀金属通孔的位置在所述矩形金属贴片内，所述第二镀金属通孔的一端与所述矩形金属贴片连接，另一端与所述金属接地面连接；

两个所述第三镀金属通孔的位置在所述第二金属贴片内，其中一个第三镀金属通孔作为盲孔，另一个第三镀金属通孔的一端与所述第二金属贴片连接，另一端与所述第一镀金属通孔连接；

其中，天线阵列通过所述阶梯微带线馈入Γ形探头，以激励天线。

2.根据权利要求1所述的一种基于磁电偶极子的自去耦天线阵列，其特征在于，所述第一镀金属通孔的一端上设有一圈金属环，所述金属环外设有一圈绝缘环。

3.根据权利要求1所述的一种基于磁电偶极子的自去耦天线阵列，其特征在于，由三对第二镀金属通孔和两个矩形平面金属贴片形成天线辐射单元，天线辐射单元对称地安装在Γ形探头两侧。

4.根据权利要求3所述的一种基于磁电偶极子的自去耦天线阵列，其特征在于，天线辐射单元和Γ形探头之间的有效电尺寸为中心频率处的一个自由空间波长的长度。

5.根据权利要求3所述的一种基于磁电偶极子的自去耦天线阵列，其特征在于，所述第二镀金属通孔的位置设置在第一边长的附近，所述第一边长为所述矩形金属贴片上最靠近所述Γ形探头的边长。

6.根据权利要求1所述的一种基于磁电偶极子的自去耦天线阵列，其特征在于，所述第二介质基板包括两个介质基板层，其中第一个介质基板层的第一表面与所述第一介质基板的第二表面连接，第一个介质基板层的第二表面与第二个介质基板层的第一表面连接，所述矩形金属贴片设置在第二个介质基板层的第二表面上；

其中，所述盲孔没有打通第一个介质基板层。

7.根据权利要求6所述的一种基于磁电偶极子的自去耦天线阵列，其特征在于，第一个介质基板层和第二个介质基板层之间通过胶膜粘在一起。

8.根据权利要求7所述的一种基于磁电偶极子的自去耦天线阵列，其特征在于，所述胶膜为Rogers 4450F胶膜，第一个介质基板层和第二个介质基板层均采用Rogers5880高频板材制成。

9.根据权利要求1所述的一种基于磁电偶极子的自去耦天线阵列，其特征在于，所述阶梯微带线包括串联的第一微带线和第二微带线，其中第一微带线的宽度大于第二微带线的宽度，所述第二微带线的一端与所述第一镀金属通孔的一端连接。

10.一种通信设备，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的一种基于磁电偶极子的自去耦天线阵列。