CN110311224A - 小间距微带天线阵列 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种小间距微带天线阵列，其中，该小间距微带天线阵列包括：介质基板，具有背对设置第一表面和第二表面；第一微带天线和第二微带天线，第一微带天线和第二微带天线设于介质基板的第一表面，且沿第一方向相对间隔设置；以及谐振去耦单元，谐振去耦单元包括由微带线形成的开口谐振环，开口谐振环设于介质基板的第一表面，且位于第一微带天线和第二微带天线之间。本发明抑制了小间距微带天线的耦合。

Description

小间距微带天线阵列

技术领域

本发明涉及天线耦合技术领域，特别涉及一种小间距微带天线阵列。

背景技术

天线作为无线电信号的收发装置，已经成为无线***中不可或缺的组成部分，应用在移动通信、广播电视、雷达探测、卫星导航以及深空探测等各种领域。在许多实际应用中，天线通常成对地出现在收发无线***中(如射频识别***、连续波探测***等)，或者作为阵元出现在多元天线阵中(如自适应天线阵、多输入多输出天线阵以及相控阵等)，或者作为功能单元出现在多功能无线终端设备中(如笔记本电脑、手机等)。在这些情形下，临近天线单元间不可避免地会发生耦合，并且这种耦合是相互的。

天线互耦对各种无线通信和探测***的影响不容小觑，互耦会恶化收发隔离度、降低***容量、引入扫描盲点以及影响***的设计精度。在连续波探测***中，收发天线间互耦导致的通道间隔离度的恶化造成了信噪比的降低，直接影响了探测距离，目前的去耦方法中增加天线单元的间距会造成天线平台尺寸过大、几何形状复杂、并且可能会导致阵列的整体性能下降，有些还需要复杂的馈电网络设计，增加了设计的难度。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种小间距微带天线阵列，旨在抑制小间距微带天线的耦合。

为实现上述目的，本发明提出的小间距微带天线阵列，所述小间距微带天线阵列包括：

介质基板，具有背对设置第一表面和第二表面；

两微带天线，两所述微带天线设于所述介质基板的第一表面，且沿第一方向相对间隔设置；以及

谐振去耦单元，所述谐振去耦单元包括由微带线形成的开口谐振环，所述开口谐振环设于所述介质基板的第一表面，且位于两所述微带天线之间。

可选地，所述微带线呈“U”字形。

可选地，所述开口谐振环的数量为两个，且沿第二方向相对间隔排布，两个所述开口谐振环的开口相对或者开口方向一致，所述第二方向与第一方向垂直。

可选地，两所述微带天线以所述开口谐振环为中心线对称设置。

可选地，所述介质基板的第二表面为公共接地板。

可选地，所述介质基板的厚度范围为0.1mm-3mm。

可选地，每一所述微带天线包括具有开口槽的主体部、位于所述开口槽外的馈电点及所述自所述开口槽内伸出至外部并与所述馈电点连接的馈电部。

可选地，所述主体部包括基部及自基部两端伸出并相对设置的侧部，两所述侧部与所述基部围合形成所述开口槽，所述馈电部呈条形设置，所述馈电部的一端与所述基部连接，所述馈电部的另一端与所述馈电点连接，所述馈电点位于所述开口槽的开口正前方。

可选地，所述馈电点为设于所述介质基板上的金属化过孔。

可选地，所述小间距微带天线阵列还包括四个金属化半孔，所述四个金属化半孔分别设置于所述介质基板的侧边上。

本发明技术方案通过小间距微带天线阵列包括介质基板、两微带天线和谐振去耦单元，介质基板具有背对设置第一表面和第二表面；两微带天线设于所述介质基板的第一表面，且沿第一方向相对间隔设置；所述谐振去耦单元包括由微带线形成的开口谐振环，所述开口谐振环设于所述介质基板的第一表面，且位于两微带天线之间。使得谐振去耦单元可以在两微带天线之间构成有微带线形成的开口谐振环，开口谐振环本身相当于一个电感，开口谐振环的开口设置就可以相当于一个电容，以此通过开口谐振环就可以构成LC滤波器，可以在微带天线间形成一种间接的耦合场，使得与微带天线原有耦合场相互抵消，从而实现互耦的抑制，也即是在两微带天线进行电磁传播的路径上的产生一种间接耦合场，在电磁波传播时，以抵消了原有两微带天线在电磁传播过程中产生的耦合。本发明技术方案抑制了小间距微带天线的互耦。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明小间距微带天线阵列一实施例的结构示意图；

图2为本发明小间距微带天线阵列中加入谐振去耦单元前后的隔离度S21参数曲线示意图；

图3为本发明小间距微带天线阵列两开口谐振环一实施例的结构示意图；

图4为本发明小间距微带天线阵列两开口谐振环另一实施例的结构示意图；

图5为本发明小间距微带天线阵列一实施例的侧面结构示意图。

图6为本发明小间距微带天线阵列中微带天线一实施例的结构示意图；

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				100	介质基板	220	馈电点
200	微带天线	230	馈电部
				300	谐振去耦单元	211	基部
210	主体部	212	侧部
				310	开口谐振环

本发明目的的实现、功能特点及可点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提出一种小间距微带天线阵列，应用在移动通信、广播电视、雷达探测、卫星导航以及深空探测等各种领域。在实际应用中，天线通常成对地出现在收发无线***中(例如射频识别***、连续波探测***等)，或者作为阵元出现在多元天线阵中(例如自适应天线阵、多输入多输出天线阵以及相控阵等)，或者作为功能单元出现在多功能无线终端设备中(如笔记本电脑、手机等)。在上述的收发无线***、多元天线阵或者无线终端设备中，互相靠近的天线单元间不可避免地会发生耦合，并且这种耦合是相互的。

互耦会恶化天线的收发隔离度、降低***容量、引入扫描盲点以及影响***的设计精度。在连续波探测***中，收发天线间互耦导致的通道间隔离度的恶化造成了信噪比的降低，直接影响了探测距离。目前最常见的去耦方法就是增加天线单元间的间距，然而这种方法会造成天线阵列的尺寸过大，且会导致天线阵列的整体性能下降，如引入栅瓣。其他的去耦方法有在天线间增加防止耦合的结构或者增加馈电网络，然而这些方法都存在结构形状复杂、需要大尺寸空间，导致天线阵列的使用条件受限，有些还需要复杂的馈电网络设计，增加了设计的难度。

为了解决上述问题，在本发明一实施例中，参照如图1所示，基于现有技术中的场对消去耦方法，该小间距微带天线阵列包括：

介质基板100，具有背对设置第一表面和第二表面；

两微带天线200，两所述微带天线200设于所述介质基板100的第一表面，且沿第一方向相对间隔设置；以及

谐振去耦单元300，所述谐振去耦单元300包括由微带线形成的开口谐振环310，所述开口谐振环310设于所述介质基板100的第一表面，且位于两所述微带天线200之间。

本实施例中，介质基板100是两微带天线200及谐振去耦单元300的载体，介质基板100的材料可以是由高纯度氧化铝(矾土)为主要原料经高压成型、高温烧成，再经切割、抛光制成的，陶瓷基板是制造厚膜、薄膜电路的基础材料。覆铜箔层压板(简称覆箔板)是制造印制电路板的基板材料，它除用作支撑各种元器件外，并能实现它们之间的电气连接或电绝缘。

介质基板100也可以是金属基板，是指由金属薄板、绝缘介质层和铜箔复合制成的金属基覆铜板。应用于电子元器件和集成电路支承材料和热沉等方面，在功率电子器件(例如整流管、晶闸管、功率模块、激光二极管、微波管等)、微电子器件(例如计算机CPU、DSP芯片)中和微波通信、自动控制、电源转换、航空航天等领域发挥着重要作用。

微带天线200是一个矩形的面积单元，第一表面是一定形状的金属贴片，第二表面附上金属薄层作为接地板，利用微带线或同轴探针对贴片馈电构成的天线，微带天线200整体设置在介质基板100的第一表面，即是微带天线200的表面与介质基板100的第一表面相接触。可以理解的是，在第一表面为介质基板100的上表面时，第二表面为介质基板100的下表面；在第一表面为介质基板100的下表面时，第二表面为介质基板100的上表面。

需要说明的是，介质基板100上设置有两微带天线200，两微带天线200设于所述介质基板100的第一表面，且沿第一方向相对间隔设置，以抑制微带天线200阵列的耦合度。

上述实施例中，介质基板100的长度和宽度可以不同，介质基板100的四边长度也可以一致，形成一个四边长度一致的特殊矩形。可以理解的是，第一方向可以是介质基板100的长度方向，也可以是介质基板100的宽度方向。

上述实施例中的谐振去耦单元300，可以理解的是，通过所述谐振去耦单元300包括由微带线形成的开口谐振环310，此开口谐振环310本身相当于一个电感，谐振环开口设置就可以相当于一个电容，电感和电容的配合就可以构成LC滤波器，可以在微带天线200间形成一种间接的耦合场，使得与微带天线200原有耦合场相互抵消，从而实现互耦的抑制，也即是在两微带天线200路径上的产生一种间接耦合场，在电磁波传播时，以抵消原有两微带天线200在电磁波传播过程中产生的耦合场，从而抑制微带天线200间的互耦，提升了微带天线200间的隔离度。

上述提到的开口谐振环310(Split-ring resonator)是一种磁性超材料。一对同心的亚波长大小的开口谐振环310，可以有效地改变磁导率。具体地，一个金属圆环在与其垂直的变化磁场中，会产生感应电磁场，但却并非谐振的***。为了产生谐振加强磁响应，我们需要引入电容。因为电感和电容一起才能形成谐振电路(金属圆环可视为电感)。为此我们在每个金属环上加入一个缺口，这样形成的开口金属环就形成了电容，电荷会在两端积聚。这样这个开口谐振环310就类比于一个带有两个电容的谐振电路。使用两个开口谐振环310是因为单个开口谐振环310积聚的电荷会产生电偶极矩消弱我们所想要的电磁极矩，两个开口反向放置的开口谐振环310所产生的电偶极矩会互相抵消。

本实施例中，谐振去耦单元300中通过在间隔一定距离的两微带天线200间设置半环状的微带线。此处的两微带天线200的间隔设置就相当于一个电容，在电磁波传输的过程中，在两微带天线200间的空间就会形成一个耦合场；在此耦合场设置半环状的微带线，即是相当于设置了开口谐振环310，开口谐振环310本身相当于一个LC滤波器，可以形成一种间接的耦合场，与两微带天线200产生的耦合场相互抵消，从而达到抑制微带天线200间互耦。

需要说明的是，设置在介质基板100两微带天线200之间的开口谐振环310可以是1个、2个、5个等，根据实际情况下的介质基板100大小设置，此处不做限定。可以理解的是，一般情况下多采用1个开口谐振环310设置在介质基板100两微带天线200之间，以此降低了微带天线阵列的体积，同时也降低了微带天线阵列的成本。

本实施例中，在设置了此谐振去耦单元300之后，使得提高了该小间距微带天线200阵列间的隔离度，参照如图2所示，即为在加入谐振去耦单元300前后的微带天线200阵列隔离度S21参数曲线。

本发明技术方案通过小间距微带天线200阵列包括介质基板100、两微带天线200和谐振去耦单元300，介质基板100具有背对设置第一表面和第二表面；两微带天线200设于所述介质基板100的第一表面，且沿第一方向相对间隔设置；所述谐振去耦单元300包括由微带线形成的开口谐振环310，所述开口谐振环310设于所述介质基板100的第一表面，且位于两微带天线200之间。使得谐振去耦单元300可以在两微带天线200之间构成有微带线形成的开口谐振环310，开口谐振环310本身相当于一个电感，开口谐振环310的开口设置就可以相当于一个电容，以此通过开口谐振环310就可以构成LC滤波器，可以在微带天线200间形成一种间接的耦合场，使得与微带天线200原有耦合场相互抵消，从而实现互耦的抑制，也即是在两微带天线200进行电磁波传播的路径上的产生一种间接耦合场，在电磁波传播时，以抵消原有两微带天线200在电磁传播过程中产生的耦合。本发明技术方案抑制了小间距微带天线200的互耦。

在一实施例中，参照如图1所示，所述微带线呈“U”字形。即是通过微带线设置成“U”字形结构，以形成开口谐振环310，使得开口谐振环310可以在两微带天线200间形成一种间接的耦合场，去抵消两微带天线200本身的互耦，以此抑制了小间距微带天线200阵列的耦合。

上述实施例中，参照如图3或如图4所示，所述开口谐振环310的数量为两个，且沿第二方向相对间隔排布，两个所述开口谐振环310的开口相对或者开口方向一致，所述第二方向与第一方向垂直。

本实施例中，呈“U”字形设置的微带线，以形成的开口谐振环310的数量为两个，在图3中的两个开口谐振环310的开口方向一致，且沿第二方向间隔排布；或者在如图4中的两个开口谐振环310的开口方向相对，且沿第二方向间隔排布。可以理解的是，第二方向可以是介质基板100的宽度方向，也可以是介质基板100的长度方向。进一步地，当第二方向为介质基板100的宽度方向时，上述实施例中的第一方向即为介质基板100的长度方向；当第二方向为介质基板100的长度方向时，上述实施例中的第一方向即为介质基板100的宽度方向。

需要说明的是，两个开口谐振环310沿第二方向间隔排布，即是沿一条直线间隔排布，且直线方向与第二方向平行。也即是呈直线间隔排布的开口谐振环310与微带天线200平行设置，以此使得开口谐振环310可以设置在较小的空间中，介质基板100上的两微带天线200间的空间距离可以较小，那么整个微带天线200阵列就可以做得较小，降低了微带天线200阵列的体积。

可以理解的是，此处两微带天线200的具体空间距离可以根据开口谐振环310的尺寸按照实际情况设置。

上述实施例中，两所述微带天线200以所述开口谐振环310为中心线对称设置，可以理解的是，两微带天线200的对称设置，在介质基板100上的排布就是规则的，可以降低微带天线200的占用面积，以此就降低了微带天线200阵列的体积。

上述实施例中，所述介质基板100的第二表面为公共接地板。可以理解的是，此公共接地板可以实现与两微带天线200的连接，也可以实现谐振去耦单元300的接地，使得谐振去耦单元300可以形成开口谐振环310，以在微带天线200间的电磁波传播路径上形成间接耦合场，抑制微带天线200间的互耦。

本实施例中，所述介质基板100可以采用FR4双面覆铜板，FR4双面覆铜板是指玻璃纤维环氧树脂覆铜板，介电常数一般为4.2-4.7；介质基板100也可以采用其他陶瓷基板、金属基板等，此处不做限定。例如使用介电常数为4.4的FR4双面覆铜板，可以使得两微带天线200和谐振去耦单元300与介质基板100有较好的连接性能，同时由于FR4双面覆铜板成本较低，也降低了微带天线200阵列的成本。

本实施例中，所述介质基板100的厚度范围为0.1mm-3mm，即是介质基板100的厚度可以是0.5mm、1mm、1.5mm等，此处不做限定。介质基板100的长度和宽度可以根据应用场景具体设置，如介质基板100的长度和宽度均为0.4个自由空间波长，或者介质基板100的长度为0.4个自由空间波长，宽度为0.3个自由空间波长，此处不做限定。

此处自由空间波长其中C为光速，f₀为工作频率；

在一实施例中，谐振去耦单元300的长度可以取0.5个导波波长，宽度取0.125个导波波长。可以理解的是，介质基板100的参数，谐振去耦单元300的长度、宽度取值均可以根据微带天线200阵列在实际应用环境具体选择，此处不做限制。

上述实施例中的导波波长又称导内波波长，是工作电磁波在波导中两侧壁来回反射，形成电磁场场强沿波导传播方向的周期性分布，导波波长的具体计算方式如下：

导波波长其中ε_e为介质基板100的等效介电常数，λ₀为自由空间波长；

介质基板100的等效介电常数其中ε_r为介质基板100的相对介电常数，h为介质基板100的厚度，w为谐振去耦单元300的宽度，介质基板100的厚度h和谐振去耦单元300的宽度w，参照如图5所示。

上述实施例中，自由空间是指无任何衰减、无任何阻挡、无任何多径的传播空间。理想的无线传播条件是不存在的，一般认为只要地面上空的大气层是各向同性的均匀媒质，其相对介电常数ε和相对导磁率μ都等于1，传播路径上没有障碍物阻挡，到达接收天线的地面反射信号场强也可以忽略不计，在这样的情况下，电波的传播方式就被认为是在自由空间传播。通常卫星通信和微波通信都被认为是在理想信道中的通信。即自由空间波长是指在自由空间中传播的波长。

上述实施例中，参照如图6所示，每一所述微带天线200包括具有开口槽的主体部210、位于所述开口槽外的馈电点220及所述自所述开口槽内伸出至外部并与所述馈电点220连接的馈电部230。

本实施例中，所述主体部210包括基部211及自基部211两端伸出并相对设置的侧部212，两所述侧部212与所述基部211围合形成所述开口槽，所述馈电部230呈条形设置，所述馈电部230的一端与所述基部211连接，所述馈电部230的另一端与所述馈电点220连接，所述馈电点220位于所述开口槽的开口正前方。

需要说明的是，通过上述对每一微带天线200连接的馈电部230设置，以此达到在微带天线200主体部210的两基部211与馈电部230间隔一定距离，形成两条开槽的缝隙，以此通过对馈电部230的长度设置，实现了调节微带天线200阵列的阻抗匹配。

本实施例中，所述馈电点220为设于所述介质基板100上的金属化过孔，馈电点220的位置可以根据馈电部230的长度灵活设定，以实现馈电部230的端部与馈电点220连接。可以理解的是，此处的馈电点220设置在微带天线200馈电部230的端部，实现了在有限的面积下给予元件较多的摆放空间。

上述实施例中，微带天线200阵列的馈电方式为同轴馈电与微带线馈电相结合，馈电即是给微带天线200加一定频率的电磁波信号，即是微带天线200阵列工作ISM频段5.8GHz，就需要给微带天线200加5.8GHz的电磁波信号，此处不做限定。

同轴馈电与微带线馈电时，同轴探针连接微带天线200的辐射体部分，同轴的外导体一般接地，由于两微带天线200是设置在介质基板100的第一表面，因此这里的同轴探针连接两微带天线200，同轴的外导体连接介质基板100的第二表面。以此减少了复杂的馈电网络设计，降低了设计难度。

在一实施例中，所述小间距微带天线200阵列还包括四个金属化半孔，所述四个金属化半孔分别设置于所述介质基板100的侧边上。

可以理解的是，在介质基板100的每一边均设置一个金属化半孔，以此方便所述微带天线200阵列与其他需要涉及的印刷电路板模块进行焊接。

以上所述仅为本发明的可选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种小间距微带天线阵列，其特征在于，所述小间距微带天线阵列包括：

介质基板，具有背对设置第一表面和第二表面；

两微带天线，两所述微带天线设于所述介质基板的第一表面，且沿第一方向相对间隔设置；以及

谐振去耦单元，所述谐振去耦单元包括由微带线形成的开口谐振环，所述开口谐振环设于所述介质基板的第一表面，且位于两所述微带天线之间。

2.如权利要求1所述的小间距微带天线阵列，其特征在于，所述微带线呈“U”字形。

3.如权利要求1所述的小间距微带天线阵列，其特征在于，所述开口谐振环的数量为两个，且沿第二方向相对间隔排布，两个所述开口谐振环的开口相对或者开口方向一致，所述第二方向与第一方向垂直。

4.如权利要求1所述的小间距微带天线阵列，其特征在于，两所述微带天线以所述开口谐振环为中心线对称设置。

5.如权利要求1所述的小间距微带天线阵列，其特征在于，所述介质基板的第二表面为公共接地板。

6.如权利要求5所述的小间距微带天线阵列，其特征在于，所述介质基板的厚度范围为0.1mm-3mm。

7.如权利要求1所述的小间距微带天线阵列，其特征在于，每一所述微带天线包括具有开口槽的主体部、位于所述开口槽外的馈电点及所述自所述开口槽内伸出至外部并与所述馈电点连接的馈电部。

8.如权利要求7所述的小间距微带天线阵列，其特征在于，所述主体部包括基部及自基部两端伸出并相对设置的侧部，两所述侧部与所述基部围合形成所述开口槽，所述馈电部呈条形设置，所述馈电部的一端与所述基部连接，所述馈电部的另一端与所述馈电点连接，所述馈电点位于所述开口槽的开口正前方。

9.如权利要求7所述的小间距微带天线阵列，其特征在于，所述馈电点为设于所述介质基板上的金属化过孔。

10.如权利要求1所述的小间距微带天线阵列，其特征在于，所述小间距微带天线阵列还包括四个金属化半孔，所述四个金属化半孔分别设置于所述介质基板的侧边上。