CN109301489B - 一种应用于5g通信的低剖面高隔离度差分双极化缝隙天线 - Google Patents

一种应用于5g通信的低剖面高隔离度差分双极化缝隙天线 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种应用于5G通信的基于AMC的低剖面高隔离度双频双极化缝隙天线，包括反射地板以及设置在反射地板中心上方的第一介质板、第二介质板，反射地板下方还设有第三介质板，所述第一介质板上贴有偶极子，本天线还包括人工磁导体结构，由在第二介质板以及其上表面周期性排列的圆环形铜片、第三介质以及其上表面的正方形铜片，和第二、第三介质板之间的空气腔组成，第二介质板的上表面为人工磁导体表面，由周期性排列的64个圆环形铜片构成。本发明设计的天线实现了天线宽频带特性，天线的两个端口带宽分别覆盖3.28－5.31GHz(47.3％)，3.29‑5.32GHz(47.2％)，可应用于5G微波通信。同时实现高隔离度及低交叉极化性能，通过差分馈电网络，实现了1*4的高增益天线阵列。

Description

一种应用于5G通信的低剖面高隔离度差分双极化缝隙天线
[技术领域]
本发明属于通信技术领域，具体涉及一种应用于5G通信的低剖面高隔离度差分双极化缝隙天线及其阵列。
[背景技术]
在现代移动通信***中，双极化天线备受关注。一方面，应用双极化技术，天线能够拓宽其信道容量；另一方面，双极化天线能够有效减少多径衰落效应。
随着移动通信技术快速发展，无线通信***对天线性能要求越来越高。为了满足无线通信***的需求，研究人员在双极化天线的设计与研发上投入了大量的精力。但现阶段，双极化天线的发展仍面临着许多需要迫切需要解决的问题。一方面，双极化天线在小型化方面面临许多难题；另一方面，双极化天线在端口隔离度这一问题上也面临许多困难。
目前，双极化天线主要包括三种类型，包括贴片天线，电磁偶极子天线以及偶极子天线。其中，贴片天线可以利用F型、双L型探针等馈电结构实现宽频带，但这一类天线面临着天线结构复杂、高度难以降低且辐射不稳定的问题。电磁偶极子天线具有宽频带且稳定的辐射性能的特性，但这一类天线均具有复杂的结构，并面临着天线体积庞大的问题。偶极子天线则可以用较为简单的结构实现宽频带特性，但是仍存在天线高度难以降低的问题。利用人工磁导体(AMC)，偶极子天线的剖面可以有效地降低。但是现阶段，基于AMC技术的低剖面天线面临阻抗带宽窄且辐射不稳定的问题。
差分电路具有良好的抗噪声性能，在通信***中发挥着重要的作用。但是，传统的双极化天线只有一个馈电端口，不能直接使用差分电路，而需要使用平衡-不平衡变换器或者其他转换器件才能够使用差分电路与通信***连接。但这种做法会增加额外的功率损耗，同时使结构复杂化。
[发明内容]
针对上述缺点，本发明对现有的双极化天线的基础上进行了重新设计并对现有天线性能进行了明显提升，提供一种应用于5G通信的低剖面高隔离度差分双极化缝隙天线及其天线阵列。
本发明的技术方案如下：
一种应用于5G通信的低剖面高隔离度差分双极化缝隙天线，包括由周期排列的正方形铜片组成的反射地板以及设置在反射地板中心上方的第一介质板、第二介质板，反射地板下方还设有第三介质板，所述第一介质板上贴有偶极子，偶极子通过同轴线供电，在第一介质板、第二介质板、第三介质板上设有供同轴线穿过的孔，还包括人工磁导体结构，该天线所应用人工磁导体结构由第二介质板以及第二介质板上表面周期排列的圆环形铜片，第三介质板以及第三介质板上表面周期排列的正方形铜片，和第二、第三介质板之间形成的空气腔组成。
进一步地，所述偶极子由“十”字型微带线作为馈电结构、带缝隙的圆形铜片作为辐射贴片设置在第一介质板上；
进一步地，“十”字型微带线设置在第一介质板的上表面，其末端分别通过同轴线与馈电端口连接。
进一步地，带缝隙的圆形铜片作为辐射贴片设置在第一介质板的下表面，所述圆形铜片的缝隙为“十”字型，其“十”字型缝隙末端由弯曲的微带线连接。
进一步地，“十”字型微带线与圆形铜片的中心处于同一垂直位置，“十”字型微带线与圆形铜片上的“十”字型缝隙延伸的四个方向以中心旋转间隔45°交错设置。
进一步地，第二介质板的上表面为人工磁导体表面，所述人工磁导体表面由周期性排列的64个圆环形铜片构成。
进一步地，所述介质板均为F4B高频介质板。
本发明的另一方面提供一种应用于5G通信的低剖面高隔离度差分双极化缝隙天线阵列，包含上述的四个天线单元，呈直线排列，所述四个天线单元由差分馈电网络供电，所述差分馈电网络由两个一分八差分馈电结构组成，每个差分馈电结构由七个T型功分器以及八个移相器组成。
进一步地，四个天线单元共用反射地板及人工磁导体结构。
本发明具有如下优点：实现宽频双极化天线的小型化，实现双极化天线高隔离度，低交叉极化的性能，同时简化双极化天线的结构，实现高增益天线增列。
[附图说明]
图1为本发明天线单元三维图。
图2为本发明天线单元第一介质板上表面。
图3为本发明天线单元第一介质板下表面。
图4为本发明天线人工磁导体表面。
图5为本发明天线人工磁导体单元结构。
图6为本发明天线人工磁导体单元局部结构放大图。
图7为本发明天线阵列差分馈电网络。
图8为本发明天线阵列三维图。
图9为本发明天线天线阵列仿真驻波比及增益。
图10为本发明天线单元端口隔离度。
图11为本发明天线阵列端口Ⅰ的3.5GHz方向图。
图12为本发明天线阵列端口Ⅰ的4.9GHz方向图。
图13为本发明天线阵列端口Ⅱ的3.5GHz方向图。
图14为本发明天线阵列端口Ⅱ的4.9GHz方向图。
图15为本发明天线阵列人工磁导体(AMC)反射相位图。
图16为本发明天线阵列增益。
其中1为第一介质板，2为第二介质板，3为第三介质板，4为正方形铜片，11为“十”字型微带线，12为馈电探针，13为辐射贴片，14为“十”字型缝隙，21为圆环形铜片，22为同轴线穿过的孔，23为人工磁导体单元，24为空气腔。
[具体实施方式]
为了使本发明实现的技术手段清晰明了，下面结合附图进一步阐述本发明，其中术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，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。需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，或者是该产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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。
实施例
如图1所示的应用于5G通信的基于AMC的低剖面高隔离度双频双极化缝隙天线，包括由周期排列的正方形铜片4组成的反射地板以及设置在反射地板中心上方的第一介质板1，第二介质板2，在反射地板下方设有第三介质板3，所述第一介质板1上贴有偶极子，偶极子通过同轴线供电，在第一介质板、第二介质板、第三介质板上设有用于同轴线穿过的孔22；所述第一介质板1上的偶极子由“十”字型微带线11、带有“十”字型缝隙14的圆形辐射贴片13组成，所述辐射贴片13的“十”字型缝隙末端由弯曲的细长微带线连接。
如图2所示，为本发明天线单元第一介质板1上表面，“十”字型微带线11设置在第一介质板1的上表面，其末端分别通过同轴馈电探针12连接馈电，图示中的端口为四个，四个端口两两配对，配对的端口对同一个信号进行差分传输。
如图3所示，为本发明天线单元第一介质板1下表面，带有“十”字型缝隙14的圆形辐射贴片13设置在第一介质板1的下表面，圆形辐射贴片的直径为40mm，“十”字型缝隙宽度为3.7mm，缝隙末端每一截微带线的长度为8.0mm，宽度为0.8mm。为了简化天线的结构，保持天线小型化的特性，同时让天线覆盖较宽的频带，本发明在天线辐射贴片的“十”字型槽缝的末端使用弯曲的细长微带线连接，所述弯曲的细长微带线可等效为电路中的电感器件。这样做可以延长有效电流长度，从而使得辐射贴片的尺寸得以缩小，同时还可以实现更宽的阻抗带宽，实现天线宽频带的特性。
结合图1的立体透视图以及图2、图3的第一介质板结构，“十”字型微带线与带有“十”字型缝隙14的圆形铜片13的中心处于同一垂直位置，“十”字型微带线与圆形铜片上的“十”字型缝隙延伸的四个方向以中心旋转间隔45°交错设置，结构巧妙。
如图4所示本发明天线单元人工磁导体表面，作为人工磁导体的一个部分，只显示了第二介质板2以及周期排列的圆环形铜片21，其中第二介质板2的上表面为人工磁导体表面，所述人工磁导体表面由周期性排列的圆环形铜片21组成，圆环形铜片21一共有64片，相对应的反射地板也由周期性排列64片正方形铜片4组成，圆环形铜片21与正方形铜片4的数量一一对应，圆环形铜片中间为空心。
图5为具体的人工磁导体结构23示意图，由在第二介质板2以及其上表面周期性排列的圆环形铜片21、第三介质板3以及上表面周期性排列的正方形铜片4，和第二介质板2与第三介质板3之间的空气腔24组成。表面的圆环形铜片的尺寸为：大的圆形的直径为11mm，里面的空心圆形的直径为2.2mm。使用时是由人工磁导体结构单元周期性排列，正方形铜片4连在一起，就组成了图1里面所示的反射地板，由于镜像定理的存在，理想电导体表面的入射波与反射波成180度的相位差，使得其与天线的距离必须为λ/4。如果距离太近，金属面形成的镜像电流与偶极子反相，将严重影响天线的辐射，所以使用金属反射面不利于天线纵向尺寸的缩小。本发明采用的人工磁导体结构(AMC)具有同相反射特性，即其表面的入射波与反射波相位一致，因此，其与天线之间的距离可以非常近，从而有效缩小波程，降低天线的纵向尺寸。
本发明的另一方面提供一种低剖面高隔离度差分双极化缝隙天线阵列，如图8所示，包含上述的四个天线单元，呈直线排列，所述四个天线单元由差分馈电网络供电，如图7所示所述差分馈电网络由两个一分八差分馈电结构组成，每个差分馈电结构由七个T型功分器以及八个移相器组成，四个天线单元共用反射地板及人工磁导体结构。
图7的端口Ⅰ和以及端口Ⅱ为四个天线单元组成的天线阵列的馈电端口，该结构的天线阵列只有两个输入端口，每一个输入信号通过馈电网络之后产生四个相位差为180度的差分信号分别传给阵列里面的四个天线，给四个天线的输入信号是一样的。如图2所示，单个天线有4个端口，四个端口两两配对，配对的端口对同一个信号进行差分传输。
为了满足现代移动通信对天线隔离度的需求，本发明应用了差分馈电技术，直接使用差分馈电结构，大大提高了天线的隔离度同时降低了其交叉极化，同时避免了一般双极化天线使用差分馈电技术时使用平衡－不平衡转换器或者其他转换器件而带来的功率损耗。从而实现了高隔离度和低交叉极化。
图11为本发明天线阵列端口Ⅰ3.5GHz方向图。
图12为本发明天线阵列端口Ⅰ4.9GHz方向图。
图13为本发明天线阵列端口Ⅱ3.5GHz方向图。
图14为本发明天线阵列端口Ⅱ4.9GHz方向图。
图11-14可以看出，本发明天线阵列的交叉极化在5G通信频段中的交叉极化小于-32dB，前后比大于15dB。
图15为本发明天线阵列AMC反射相位图。通常认为，人工磁导体的反射相位在±90度以内的频率范围为同相反射区域，即人工磁导体的反射相位带隙。人工磁导体的这一特性可以使其表面的入射波与反射波相位一致，从而大大降低天线的纵向尺寸。图15说明本发明的人工磁导体的反射相位带隙为2.96-5.13GHz，覆盖5G通信频段。
总体来说，本发明的天线具有如下特点：
1、本发明利用了人工磁导体结构缩短波程差，从而有效降低了天线的高度；同时在辐射贴片缝隙边缘用弯曲的微带线连接，从而实现了天线的小型化，本发明天线小型化的尺寸为40mm*40mm*9.5mm,约为0.56λC*0.56λC*0.13λC。
2、本发明利用在天线辐射贴片缝隙边缘用弯曲的微带线连接，实现了天线的宽频带特性，如图9所示，通过本发明差分双极化缝隙天线仿真驻波比及增益，天线阵列的两个端口带宽分别覆盖3.28－5.31GHz(47.3％)，3.29-5.32GHz(47.2％)，可应用于5G微波通信。
3、本发明使用差分馈电技术，实现天线高隔离度及低交叉极化性的同时避免了使用平衡－不平衡转换器或者其他转换器件带来的功率损耗，同明简化了天线的结构。如图10所示，本发明天线阵列的隔离度低于-37dB，交叉极化低于-32dB，实现了天线的高隔离度以及低交叉极化性能。
4、图16所示，本发明天线阵列增益，通过使用差分馈电网络，设计1*4天线阵列，实现天线的高增益特性，本发明天线阵列低频部分的平均增益为21dBi,高频部分的平均增益为19dBi。
凡是属于本发明原理的技术方案均属于本发明的保护范围。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明的原理的前提下进行的若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种应用于5G通信的低剖面高隔离度差分双极化缝隙天线，其特征在于，包括由周期排列的正方形铜片组成的反射地板以及设置在反射地板中心上方的第一介质板、第二介质板，反射地板下方还设有第三介质板，所述第一介质板上贴有偶极子，偶极子通过同轴线供电，在第一介质板、第二介质板、第三介质板上设有供同轴线穿过的孔，还包括人工磁导体结构，该天线所应用人工磁导体结构由第二介质板以及第二介质板上表面周期排列的圆环形铜片，第三介质板以及第三介质板上表面周期排列的正方形铜片，和第二、第三介质板之间形成的空气腔组成；
所述偶极子由“十”字型微带线作为馈电结构、带缝隙的圆形铜片作为辐射贴片组成，且设置在第一介质板上；所述“十”字型微带线设置在第一介质板的上表面，其末端分别通过同轴线与馈电端口连接；所述带缝隙的圆形铜片作为辐射贴片设置在第一介质板的下表面，所述圆形铜片的缝隙为“十”字型，其“十”字型缝隙末端由弯曲的微带线连接；所述“十”字型微带线与圆形铜片的中心处于同一垂直位置，“十”字型微带线与圆形铜片上的“十”字型缝隙延伸的四个方向以中心旋转间隔45°交错设置。
2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，第二介质板的上表面为人工磁导体表面，所述人工磁导体表面为周期性排列的64个圆环形铜片。
3.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述第一、第二、第三介质板为F4B高频介质板。
4.一种低剖面高隔离度差分双极化缝隙天线阵列，其特征在于，包含如权利要求1所述的天线单元四个，呈直线排列，所述四个天线单元由差分馈电网络供电，所述差分馈电网络由两个一分八差分馈电结构组成，每个差分馈电结构由七个T型功分器以及八个移相器组成。
5.根据权利要求4所述的一种低剖面高隔离度差分双极化缝隙天线阵列，其特征在于，四个天线单元共用反射地板及人工磁导体结构。
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