CN218569233U - 一种差分馈电的非对称天线阵列 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及天线传输领域，特别涉及一种差分馈电的非对称天线阵列。其包括介质板、贴片天线，贴片天线设置在介质板上，贴片天线包括贴片和嵌入式的微带线，贴片分为中间贴片和侧边贴片，中间贴片的两侧均连接有侧边贴片，中间贴片和侧边贴片之间的连接处设有槽位，两条微带线连接在中间贴片的两端，微带线的末端连接同轴探针，贴片天线的馈电部分通过两处嵌入式微带线末端同轴探针馈电组成差分馈电。本结构的非对称MIMO系统设计，通过对馈电端的结构设计实现自解耦，利用差分馈电使自解耦设计适应非对称阵列。本非对称天线阵列的馈电结构简单，面积小，收发隔离度高。
Description
技术领域
本实用新型涉及天线传输领域，特别涉及一种差分馈电的非对称天线阵列。
背景技术
常规MIMO阵列设计都为对称式设计，即发射天线数量与接收天线数量相同，或者天线阵列同时连接接收器和发射器以便切换工作状态。这样的设计具有收发互易性，使MIMO系统可以与相同系统自由地进行收发转换。然而在 5G以及未来的通信系统中，对称设计需要更多硬件资源的同时能耗较高，所以非对称MIMO系统被提了出来以减小系统复杂度和能量消耗。然而普通非对称系统的天线阵列中，接收天线和发送单元耦合度较高，需要额外进行收发解耦的设计。
对于解耦技术，在某些简单应用中，扩大阵元间距是一个简单的降低耦合度的方法。在面对复杂阵列时，现有的降低不同天线端口耦合度的方法包括原本的天线外围利用超材料隔绝表面波，或者利用寄生单元在天线周围创造额外的耦合路径，以减少其与阵列中其它单元的耦合；抑或是使用正交极化法，天线单元配置为互相正交的极化方式以降低端口耦合度。然而以上技术都会使原本的阵列结构更加复杂，并且提高了加工难度。为了降低加工难度，后续有基于弱场的自解耦天线技术被提出，其也是基于场的相消。在单端口馈电的天线阵列中，通常只有某一固定方向上可以产生弱场，那么二维非对称天线阵列的设计要求下，这一技术就难以发挥其作用。
以上几种解耦方式存在以下缺点：第一，对称MIMO系统复杂度高，能耗高；第二，若天线没有解耦设计，非对称阵列的收发天线耦合度较高；第三，添加额外解耦结构设计的天线工艺较为复杂；第四，普通基于弱场的单端口自解耦设计，不能适应二维非对称阵列结构。
实用新型内容
本实用新型提供一种差分馈电的非对称天线阵列，旨在解决现有解耦方式存在的缺点。
本实用新型提供一种差分馈电的非对称天线阵列，包括介质板、贴片天线，所述贴片天线设置在介质板上，所述贴片天线包括贴片和嵌入式的微带线，所述贴片分为中间贴片和侧边贴片，所述中间贴片的两侧均连接有侧边贴片，所述中间贴片和侧边贴片之间的连接处设有槽位，两条所述微带线连接在中间贴片的两端，所述微带线的末端连接同轴探针，所述贴片天线的馈电部分通过两处嵌入式微带线末端同轴探针馈电组成差分馈电。
作为本实用新型的进一步改进，还包括栅格天线阵元，所述栅格天线阵元设置在介质板上，所述贴片天线位于介质板的中心位置作为接收单元，多个所述栅格天线阵元以贴片天线为中心组成二维阵列作为发射单元，多个所述栅格天线阵元的辐射相互叠加形成弱场。
作为本实用新型的进一步改进，所述微带线的馈点端口与相邻栅格天线阵元的距离小于贴片与相邻栅格天线阵元的距离。
作为本实用新型的进一步改进，所述栅格天线阵元在y方向间隔为1.8λ0，在x方向间隔为1.2λ0放置，其中λ0为真空波长。
作为本实用新型的进一步改进，所述介质板的材质为Rogers5880。
作为本实用新型的进一步改进，所述贴片的长度为0.5λe，其中λe为介质中波长。
本实用新型的有益效果是：本结构的非对称MIMO系统设计，通过对馈电端的结构设计实现自解耦，利用差分馈电使自解耦设计适应非对称阵列。本非对称天线阵列的馈电结构简单，面积小，收发隔离度高。
附图说明
图1是本实用新型中磁电偶极子单元的结构三视图；
图2是本实用新型中线极化或圆极化可切换的四端口馈电的单层2×2磁电偶极子阵列俯视图；
图3是本实用新型中基于弱场的自解耦差分馈电非对称阵列天线接收天线激励时地平面电流分布图；
图4是本实用新型中接收天线端口反射系数图；
图5是本实用新型中天线端口反射系数与耦合度示图；
图6是本实用新型中接收天线频率增益曲线图；
图7是本实用新型中接收天线E面方向图；
图8是本实用新型中接收天线H面方向图；
图9是本实用新型中基于弱场的自解耦差分馈电非对称阵列天线发射天线激励时地平面电流分布图；
图10是本实用新型中发射天线端口反射系数图；
图11是本实用新型中发射天线单元之间端口耦合度示图；
图12是本实用新型中发射天线频率增益曲线图；
图13是本实用新型中发射天线E面方向图；
图14是本实用新型中发射天线H面方向图。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。
如图1所示，本实用新型的一种差分馈电的非对称天线阵列，包括介质板 1、贴片天线2，贴片天线2设置在介质板1上，贴片天线2包括贴片和嵌入式的微带线3，贴片分为中间贴片21和侧边贴片22，中间贴片21的两侧均连接有侧边贴片22，中间贴片21和侧边贴片22之间的连接处设有槽位23，两条微带线3连接在中间贴片21的两端，微带线3的末端连接同轴探针4，贴片天线 2的馈电部分通过两处嵌入式微带线3末端同轴探针4馈电组成差分馈电。
该天线结构通过嵌入馈电本身的设计实现自解耦，通过差分结构增大这种自解耦结构产生的弱场范围。该天线单元主要辐射体是贴片天线2，馈电部分使用两处嵌入式微带线3末端同轴探针4馈电组成的差分馈电。贴片的长度L 大约为0.5λe，其中λe为介质中波长，使谐振频率处于工作频率处。如图1，通过合理设置馈线的尺寸W0、L0，以及四周槽的尺寸W1、L1，使馈线辐射的与贴片辐射在阵列中相邻阵元处的幅度相同，相位相反，这样在其它阵元所在位置形成弱场。弱场区的位置由这几个参数决定，需要根据阵列的情况进行调参，本实施例中模型所用的参数设置如下表。表中W表示贴片的宽度，dx表示同轴探针4馈电的圆心到上边沿或下边沿的距离。
微带线3的馈点端口与相邻栅格天线阵元5的距离小于贴片与相邻栅格天线阵元5的距离，由于馈线部分的辐射相对贴片较弱，所以馈电端口需要距离相邻阵元更近一些。差分的馈电设计使得形成弱场的区域更加灵活，面积也更大。
如图2所示，本非对称天线阵列结构还包括栅格天线阵元5，贴片天线2 位于介质板1的中心位置作为接收天线，多个栅格天线阵元5以贴片天线2为中心组成二维阵列作为发射天线，多个栅格天线阵元5的辐射相互叠加形成弱场。
发射天线为四个栅格天线阵元5组成的二维阵列，基板中心位置为自解耦贴片天线2。栅格阵列单元的子阵元的辐射相互叠加形成弱场，降低发射天线端口耦合度，使得栅格阵列的阵元在临近时也保证性能。发射天线阵元在y方向间隔1.8λ0，在x方向间隔1.2λ0放置。
介质板1板材选用Rogers5880，厚度0.787mm，介电常数2.2，损耗角正切为0.0009，基板总体尺寸为28.5mm×42.8mm×0.787mm。本实用新型的设计是单个子阵列的大小尺寸，根据需要，介质板可以以相同天线阵元间隔向外扩展成不同尺寸大小。
该非对称天线阵列结构工作时，天线馈电结构产生的辐射与贴片的辐射在相邻阵元的位置相互抵消，使这一区域产生弱场，从而使天线之间耦合降低。天线阵元之间的耦合主要是某一天线单元的场在其它天线阵元位置产生较强的干扰，这一点可以从图3的地平面电流分布看出，发射栅格天线阵列的位置大部分都处于电流分布较弱的区域。
其接收天线的带宽和增益表现如图4至图8所示，在工作频率28GHz处，发射端口与差分端口耦合度明显降低，证明此技术的有效性。
该天线阵列的接收单元性能表现如下表所示，可以看出其满足性能要求。
| Sdd11带宽 | 27.56～28.80GHz(1.24GHz) |
| Sdd12带宽 | >12GHz |
| 最大增益点 | (28.0GHz，9.65dB) |
| 3dB带宽 | 25.80～30.37GHz(4.57GHz) |
| 主极化与交叉极化水平 | <-35dB |
查看栅格天线阵列的工作状态，栅格天线激励时的地平面电流分布如图9 所示。即使发射单元之间距离靠近，但由于弱场的产生，发射栅格天线所在位置的地平面电流分布依旧保持在较低的水平，这样使的整个天线系统的结构紧凑，面积利用率高。
发射天线的带宽和增益表现如图10至图14所示。可以看出栅格结构具有较大带宽和较低的端口耦合度。
该天线阵列的发射单元性能表现如下表所示，可以看出其满足性能要求。
| Sdd11带宽 | 25.41～29.44GHz(4.04GHz) |
| Sdd12带宽 | >12GHz |
| 最大增益点 | (28.25GHz，19.27dB) |
| 3dB带宽 | 26.15～30.81GHz(4.66GHz) |
| 主极化与交叉极化水平 | <-20dB |
以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。
Claims (6)
1.一种差分馈电的非对称天线阵列，其特征在于，包括介质板、贴片天线，所述贴片天线设置在介质板上，所述贴片天线包括贴片和嵌入式的微带线，所述贴片分为中间贴片和侧边贴片，所述中间贴片的两侧均连接有侧边贴片，所述中间贴片和侧边贴片之间的连接处设有槽位，两条所述微带线连接在中间贴片的两端，所述微带线的末端连接同轴探针，所述贴片天线的馈电部分通过两处嵌入式微带线末端同轴探针馈电组成差分馈电。
2.根据权利要求1所述差分馈电的非对称天线阵列，其特征在于，还包括栅格天线阵元，所述栅格天线阵元设置在介质板上，所述贴片天线位于介质板的中心位置作为接收单元，多个所述栅格天线阵元以贴片天线为中心组成二维阵列作为发射单元，多个所述栅格天线阵元的辐射相互叠加形成弱场。
3.根据权利要求2所述差分馈电的非对称天线阵列，其特征在于，所述微带线的馈点端口与相邻栅格天线阵元的距离小于贴片与相邻栅格天线阵元的距离。
4.根据权利要求2所述差分馈电的非对称天线阵列，其特征在于，所述栅格天线阵元在y方向间隔为1.8λ0，在x方向间隔为1.2λ0放置，其中λ0为真空波长。
5.根据权利要求1所述差分馈电的非对称天线阵列，其特征在于，所述介质板的材质为Rogers5880。
6.根据权利要求1所述差分馈电的非对称天线阵列，其特征在于，所述贴片的长度为0.5λe，其中λe为介质中波长。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202222512451.6U CN218569233U (zh) | 2022-09-22 | 2022-09-22 | 一种差分馈电的非对称天线阵列 |
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|---|---|
| CN (1) | CN218569233U (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116151038A (zh) * | 2023-04-18 | 2023-05-23 | 安徽大学 | 一种圆极化mimo微带天线阵列自解耦技术的分析方法 |
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2022
- 2022-09-22 CN CN202222512451.6U patent/CN218569233U/zh active Active
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| CN116151038A (zh) * | 2023-04-18 | 2023-05-23 | 安徽大学 | 一种圆极化mimo微带天线阵列自解耦技术的分析方法 |
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