CN105449354B - 一种采用费马‑阿基米德螺旋槽线双过孔电磁带隙结构的低互耦天线阵 - Google Patents

一种采用费马‑阿基米德螺旋槽线双过孔电磁带隙结构的低互耦天线阵 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种采用费马‑阿基米德螺旋槽线双过孔电磁带隙结构的低互耦天线阵，包括费马‑阿基米德螺旋槽线双过孔电磁带隙结构和四元圆极化天线阵。费马‑阿基米德螺旋槽线双过孔电磁带隙结构由多个电磁带隙结构单元通过周期性排列组合而成，电磁带隙结构单元的长宽比为3:1，单元中间的费马槽线与位于单元两端的两条相同圈数、相同旋向的阿基米德螺旋槽线相连接，两个金属化过孔分别位于两条阿基米德螺旋槽线的中心。四元圆极化天线阵为同轴线馈电，天线单元依次旋转90度。本发明费马‑阿基米德螺旋槽线双过孔电磁带隙结构实现了小型化，有效地降低了天线单元间互耦，改善了天线阵的辐射性能。

Description

一种采用费马-阿基米德螺旋槽线双过孔电磁带隙结构的低 互耦天线阵
技术领域
本发明涉及一种在天线领域应用的小型化电磁带隙结构，特别涉及一种采用费马-阿基米德螺旋槽线双过孔电磁带隙结构的低互耦天线阵。
背景技术
随着电子信息技术的蓬勃发展，天线在各种设备中的应用也更加广泛。为了适应现代通讯设备的集成度高的需求，天线的研发也向小型化迈进，同时对天线的性能要求也越来越高。其中阵列天线不仅实现了小型化，而且极大地提高了天线的方向性和增益。但是在实现小型化的同时，天线的阵列单元不断地靠近，会导致互耦更加严重，即一个天线上的电流会在另一天线上产生感应电流，影响天线阵列的增益、方向图等性能，使天线阵列的一个或多个单元无法正常工作。因此，我们需要通过各种方式抑制天线阵列中各天线单元间的互耦。电磁带隙结构能阻止特定频段的电磁波传播，达到抑制阵列天线单元之间的互耦目标。
根据检索发现，针对互耦抑制结构的设计已开展了相关的研究，已经提出的互耦抑制结构涵盖多种形状。其中最常见的互耦抑制结构是蘑菇型结构，但是结构单元较大；为了缩小单元结构尺寸，很多更紧凑的结构被提出，比如Alexander Stark提出的小型结构更容易实现阵列的密集化，但结构较复杂，加工难度大；唐万春等提出了一种C型凹槽平面电磁带隙结构，有效抑制同步开关噪声并减少去耦电容的使用；张道亮等设计的一种小型多频带电磁带隙结构，通过刻蚀四个中心对称的F形槽，延长等效电流路径的同时形成多个谐振回路，实现了小型化和多频带的综合设计。本发明采用阿基米德螺旋槽线和费马槽线的组合槽线，电磁带隙结构单元也非正方形，相对传统电磁带隙结构，设计的自由度更大，应用更加灵活，小型化程度也更高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题：克服现有技术的不足，提供一种采用费马-阿基米德螺旋槽线双过孔电磁带隙结构使得四元圆极化天线阵之间的互耦降低，改善天线阵性能。
本发明采用的技术方案为：一种采用费马-阿基米德螺旋槽线双过孔电磁带隙结构的低互耦天线阵，包括费马-阿基米德螺旋槽线双过孔电磁带隙结构和四元圆极化天线阵，其中：
所述的费马-阿基米德螺旋槽线双过孔电磁带隙结构包括金属贴片、电磁带隙结构介质基板、金属地板、金属化过孔、圆形通孔和方形通孔，电磁带隙结构介质基板具有平行的第一表面和第二表面，第一表面为周期性排列的金属贴片，第二表面为金属地板；
所述的四元圆极化天线阵包括辐射贴片、天线介质基板、金属地板、金属化过孔和圆形通孔，天线介质基板具有平行的第一表面和第二表面，第一表面为辐射贴片，第二表面为金属地板。
其中，电磁带隙结构单元为双金属化过孔结构，其长宽比为3:1，单元间距相等。
其中，电磁带隙结构介质基板的第一表面为周期性排列的矩形金属贴片沿长边可分为三部分，依次记为第1子单元、第2子单元和第3子单元，第1子单元与第3子单元中心有金属化过孔，且带有相同圈数和相同旋向的阿基米德螺旋槽线，阿基米德螺旋槽线起点分别位于金属化过孔内侧。费马槽线位于第2子单元，槽线两端将第1子单元和第3子单元的阿基米德螺旋槽线末端相连接。第1子单元的阿基米德螺旋槽线、第2子单元的费马槽线与第3子单元的阿基米德螺旋槽线三条槽线相连通。
其中，所述的方形通孔位于电磁带隙结构介质基板的四个角，每个方形通孔四角周围排布有四个圆形通孔。
其中，辐射贴片为正方形，通过贴片对角切角实现圆极化，采用同轴线馈电，同轴线内导体通过金属化过孔与辐射贴片相焊接，同轴线外导体与天线介质基板第二表面的金属地板相焊接，四个圆极化天线单元位于费马-阿基米德螺旋槽线双过孔电磁带隙结构的四角，且依次旋转90度，天线单元的馈电同轴线通过电磁带隙结构介质基板的方形通孔，依次穿过电磁带隙结构介质基板第一表面和第二表面。
其中，圆极化天线单元四角有四个圆形通孔，与费马-阿基米德螺旋槽线双过孔电磁带隙结构的四个方形通孔周围的四个圆形通孔直径和孔间距相同，用于将圆极化天线固定在电磁带隙结构介质基板的第一表面上。
本发明的原理在于：
一种采用费马-阿基米德螺旋槽线双过孔电磁带隙结构的低互耦天线阵，包括：费马-阿基米德螺旋槽线双过孔电磁带隙结构和四元圆极化天线阵，其结构实现如下：
所述的费马-阿基米德螺旋槽线双过孔电磁带隙结构包括：金属贴片、电磁带隙结构介质基板、金属地板、金属化过孔、圆形通孔和方形通孔。电磁带隙结构介质基板具有平行的第一表面和第二表面，第一表面为周期性排列的金属贴片，第二表面为金属地板。费马-阿基米德螺旋槽线双过孔电磁带隙结构单元长宽比为3:1，单元间距相等；介质基板的第一表面为周期性排列的矩形金属贴片，且金属贴片间距相等。费马-阿基米德螺旋槽线双过孔电磁带隙结构的四个方形通孔位于介质基板的四个角，每个方形通孔四角周围排布四个圆形通孔，其中方形通孔周围的四个圆形通孔的位置与四元圆极化天线阵单元的圆形通孔相配合,用于固定天线阵列。
周期性排列电磁带隙结构单元的矩形金属贴片沿长边可分为三部分，依次记为第1子单元、第2子单元和第3子单元，每部分均为正方形。第1子单元与第3子单元中心均有金属化过孔，且带有相同圈数和相同旋向的阿基米德螺旋槽线，阿基米德螺旋槽线起点分别位于金属化过孔内侧。费马槽线位于第2子单元，槽线两端将第1子单元和第3子单元的阿基米德螺旋槽线末端相连接。第1子单元的阿基米德螺旋槽线、第2子单元的费马槽线与第3子单元的阿基米德螺旋槽线三条槽线相连通。所述的四元圆极化天线阵包括：辐射贴片、天线介质基板、金属地板、金属化过孔和圆形通孔。天线介质基板具有平行的第一表面和第二表面。第一表面为辐射贴片，第二表面为金属地板。辐射贴片为正方形，通过贴片对角切角实现圆极化，采用同轴线馈电，同轴线内导体通过金属化过孔与辐射贴片相焊接，同轴线外导体与天线介质基板第二表面金属地板相焊接。四个圆极化天线单元位于费马-阿基米德螺旋槽线双过孔电磁带隙结构的四角，且依次旋转90度。天线单元的馈电同轴线通过电磁带隙结构介质基板的方形通孔，依次穿过电磁带隙结构介质基板第一表面和第二表面。
本发明的一种采用费马-阿基米德螺旋槽线双过孔电磁带隙结构的低互耦天线阵的技术方案，具有以下有益效果：
(1)、本发明采用费马-阿基米德螺旋槽线和双过孔结构，增大等效电感，有利于实现电磁带隙结构的小型化和宽带化，拓展了电磁带隙结构的应用范围。
(2)、本发明将四元圆极化天线阵与费马-阿基米德螺旋槽线双过孔电磁带隙结构相结合，能够更加有效地抑制天线单元间互耦。
(3)、本发明是一种费马-阿基米德螺旋槽线双过孔电磁带隙结构的低互耦天线阵，可供优化的设计参数多，设计自由度大。
附图说明
图1A为本发明实施例的采用费马-阿基米德螺旋槽线双过孔电磁带隙结构的低互耦天线阵正面俯视图；
图1B为本发明实施例的采用费马-阿基米德螺旋槽线双过孔电磁带隙结构的低互耦天线阵侧视图；
图1C为本发明实施例的采用费马-阿基米德螺旋槽线双过孔电磁带隙结构的低互耦天线阵背面俯视图；
图2A为本发明实例的费马-阿基米德螺旋槽线双过孔电磁带隙结构的单元正面俯视图；
图2B为本发明实例的费马-阿基米德螺旋槽线双过孔电磁带隙结构的单元侧视图；
图3为本发明实例的费马-阿基米德螺旋槽线双过孔电磁带隙结构的低互耦天线阵与传统四元圆极化天线阵单元间互耦仿真结果比较。
图中附图标记的含义为：
100：第一表面；
101：金属贴片；
200：第二表面；
201：金属地板；
300：电磁带隙结构介质基板；
301：电磁带隙结构圆形通孔；
302：方形通孔；
303：电磁带隙结构金属化过孔；
400：天线单元；
401：辐射贴片；
402：天线介质基板；
403：天线的金属地板；
404：辐射贴片切角；
405：天线的圆形通孔；
406：天线的金属化过孔；
500：电磁带隙结构单元；
501：电磁带隙结构单元的第1子单元；
502：电磁带隙结构单元的第2子单元；
503：电磁带隙结构单元的第3子单元；
601：第1子单元的阿基米德螺旋槽线；
602：费马槽线；
603：第3子单元的阿基米德螺旋槽线；
L：金属接地板边长；
L1：天线的介质基板边长；
H2：天线的介质基板厚度；
a：方形通孔的边长；
r：圆形通孔的半径；
W1：圆形通孔之间的距离；
g：电磁带隙结构单元之间的间隔；
H：电磁带隙结构介质基板的厚度；
L2：电磁带隙结构单元长边；
W2：电磁带隙结构单元宽边；
W3：槽线的宽度；
W4：电磁带隙结构单元的双金属化过孔中心的距离；
L3：圆极化贴片天线的辐射贴片的边长；
R：金属化过孔的半径。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
图1A至图1C为本发明较佳实施例的整体示意图，图2A至图2B为本发明实例的费马-阿基米德螺旋槽线双过孔电磁带隙结构的单元示意图。
如图1A至图1C所示，费马-阿基米德螺旋槽线双过孔电磁带隙结构包括电磁带隙结构介质基板300、金属贴片101、金属化过孔303、方形通孔302、圆形通孔301和金属地板201。电磁带隙结构介质基板300具有相互平行的第一表面100和第二表面200，其中第二表面200为金属接地板201。金属贴片101位于第一表面100，由费马-阿基米德螺旋槽线双过孔电磁带隙结构单元500按照5×15周期排列组成。金属化过孔303贯穿电磁带隙结构介质基板300。方形通孔302位于电磁带隙结构介质基板300的四个角，方形通孔302四周排布着四个圆形通孔301。
如图2A至图2B所示，费马-阿基米德螺旋槽线双过孔电磁带隙结构单元500之间的间距g相等。电磁带隙结构单元500包括两个金属化过孔303，其金属贴片101沿长边(L2)方向可分为三部分，记为第1子单元501、第2子单元502和第3子单元503；第1子单元501与第3子单元503中心分别有金属化过孔303，且带有相同圈数和相同旋向的阿基米德螺旋槽线，阿基米德螺旋槽线起点分别位于金属化过孔303内侧。费马槽线602位于第2子单元502，槽线两端与第1子单元501的阿基米德螺旋槽线601末端和第3子单元503的阿基米德螺旋槽线603末端相连接，使得第1子单元501的阿基米德螺旋槽线601、第2子单元502的费马槽线602与第3子单元503的阿基米德螺旋槽线603三条槽线相连通。
如图1A至图1C、图2A至图2B所示：费马-阿基米德螺旋槽线双过孔电磁带隙结构采用双面覆铜的印制电路板材，通过PCB制版技术加工而成。具体较佳实施例，电磁带隙结构介质基板300边长L为210mm，厚度H为2mm，介电常数为2.9，金属贴片的材质为铜。金属地板200的材质为铜，长和宽为210mm。金属化过孔303的半径为0.5mm，方形通孔302的长和宽为22.0mm，电磁带隙结构的圆形通孔301和天线的圆形通孔405半径均为0.5mm。
如图2A至图2B所示，费马-阿基米德螺旋槽线双过孔电磁带隙结构单元长宽比为3:1，长L2为39mm，宽W2为13mm。费马槽线602和阿基米德螺旋槽线601的槽线线宽W3为0.5mm，阿基米德螺旋槽线601和603的圈数为4，电磁带隙结构单元之间的间隔g为0.5mm。
如图1A所示，具体较佳实施例，天线单元400由天线介质基板402、辐射贴片401和金属地板403组成。天线介质基板402的边长L1为22.0mm，厚度H2为2mm，介电常数为28。辐射贴片401的边长L3为11.0mm，辐射贴片401通过切角404实现圆极化。天线单元400采用同轴线馈电，同轴线内导体通过天线的金属化过孔406与辐射贴片401相焊接，同轴线外导体与天线的金属地板403相焊接。天线单元400依次旋转90°，形成四元天线阵。天线单元400的馈电同轴线通过电磁带隙结构的方形通孔302，依次穿过电磁带隙结构介质基板300的第一表面100和第二表面200。天线单元400通过天线的圆形通孔405和电磁带隙结构的圆形通孔301，固定在电磁带隙结构介质基板300的第一表面100上。
图3为带有费马-阿基米德螺旋槽线的电磁带隙(EBG)结构与不带有EBG结构的天线阵的S21仿真结果比较。天线中心频率为1.268GHz，不带有EBG结构的天线单元间传输系数为-19.2dB，带有费马-阿基米德螺旋槽线双过孔EBG结构的天线单元间传输系数为-19.9dB。可以看出，添加EBG结构后的天线阵单元间的隔离度提高了0.7dB，因此EBG结构对天线单元间互耦具有一定的抑制作用。
由上述本发明较佳实施例可知，应用本发明的优点为：将费马-阿基米德螺旋槽线双过孔电磁带隙结构与天线结合应用提高了天线单元之间隔离度，有效抑制单元间互耦，改善了天线性能。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种采用费马-阿基米德螺旋槽线双过孔电磁带隙结构的低互耦天线阵，其特征在于：包括费马-阿基米德螺旋槽线双过孔电磁带隙结构和四元圆极化天线阵，其中：
所述的费马-阿基米德螺旋槽线双过孔电磁带隙结构包括金属贴片、电磁带隙结构介质基板、金属地板、金属化过孔、圆形通孔和方形通孔，电磁带隙结构介质基板具有平行的第一表面和第二表面，第一表面为周期性排列的金属贴片，第二表面为金属地板；
所述的四元圆极化天线阵包括辐射贴片、天线介质基板、金属地板、金属化过孔和圆形通孔，天线介质基板具有平行的第一表面和第二表面，第一表面为辐射贴片，第二表面为金属地板；四个圆极化天线单元位于费马-阿基米德螺旋槽线双过孔电磁带隙结构的四角。
2.根据权利要求1所述的采用费马-阿基米德螺旋槽线双过孔电磁带隙结构的低互耦天线阵，其特征在于：电磁带隙结构单元为双金属化过孔结构，其长宽比为3:1，单元间距相等。
3.根据权利要求1所述的采用费马-阿基米德螺旋槽线双过孔电磁带隙结构的低互耦天线阵，其特征在于：电磁带隙结构介质基板的第一表面为周期性排列的矩形金属贴片沿长边可分为三部分，依次记为第1子单元、第2子单元和第3子单元，第1子单元与第3子单元中心有金属化过孔，且带有相同圈数和相同旋向的阿基米德螺旋槽线，阿基米德螺旋槽线起点分别位于金属化过孔内侧，费马槽线位于第2子单元，槽线两端将第1子单元和第3子单元的阿基米德螺旋槽线末端相连接，第1子单元的阿基米德螺旋槽线、第2子单元的费马槽线与第3子单元的阿基米德螺旋槽线三条槽线相连通。
4.根据权利要求1所述的采用费马-阿基米德螺旋槽线双过孔电磁带隙结构的低互耦天线阵，其特征在于：所述的方形通孔位于电磁带隙结构介质基板的四个角，每个方形通孔四角周围排布有四个圆形通孔。
5.根据权利要求1所述的采用费马-阿基米德螺旋槽线双过孔电磁带隙结构的低互耦天线阵，其特征在于：辐射贴片为正方形，通过贴片对角切角实现圆极化，采用同轴线馈电，同轴线内导体通过金属化过孔与辐射贴片相焊接，同轴线外导体与天线介质基板第二表面的金属地板相焊接，四个圆极化天线单元位于费马-阿基米德螺旋槽线双过孔电磁带隙结构的四角，且依次旋转90度，天线单元的馈电同轴线通过电磁带隙结构介质基板的方形通孔，依次穿过电磁带隙结构介质基板第一表面和第二表面。
6.根据权利要求1所述的采用费马-阿基米德螺旋槽线双过孔电磁带隙结构的低互耦天线阵，其特征在于：圆极化天线单元四角有四个圆形通孔，与费马-阿基米德螺旋槽线双过孔电磁带隙结构的四个方形通孔周围的四个圆形通孔直径和孔间距相同，用于将圆极化天线固定在电磁带隙结构介质基板的第一表面上。
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