CN111162378B - 一种微带天线 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及天线设计技术领域，公开了一种微带天线，包括介质板、位于介质板上表面的天线贴片、位于介质板下表面的反射板及将所述天线贴片与反射板连接的同轴馈线，其特征在于：在所述介质板的上表面还设置有与所述天线贴片共面的金属带阵；所述金属带阵包括位于天线X轴上的第一金属带以及以第一金属带为对称轴将天线贴片对称包围的第二金属带，在所述第一金属带两侧形成由天线贴片和第二金属带构成的贴片包围部。本发明提出的缝隙‑金属带阵可以在不增加天线剖面与不恶化天线的端口和辐射性能的情况下，可以降低2×2微带阵列中任意两阵元之间的互耦。
Description
技术领域
本发明涉及天线设计技术领域，尤其涉及一种低剖面高隔离的四元线极化微带天线阵。
背景技术
无源多输入多输出技术是无线通信应用中的关键技术。多输入多输出技术通过利用多个发射阵元和接收阵元实现多径传输从而提高***容量。但是，在天线阵中，由空间辐射和表面波传播造成的互耦会严重的恶化天线的辐射方向图和端口匹配特性，从而恶化多输入多输出***的性能。此外，通信***愈发趋近集成化，电子设备被要求具有更小的尺寸，天线的低剖面特性日趋重要。因此一种低剖面高隔离的天线对无线通信领域具有十分重要的意义。
专利号为201720621861.0的专利，它采用的缺陷地结构为五个曲折型的缺陷地单元级联，可以实现降低两个阵元之间E面之间的耦合。但是这种方法是适用于二元阵，对于二维耦合阵则没有降耦效果。
专利号为201821598353.6的专利，它采用周期性EBG结构的表面波与通过天线罩反射的电磁波达到等幅反向，从而实现天线之间的高隔离。但是，此种方法只能应用于二元阵，且引入的天线罩增加了天线的剖面。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足，而提出的一种用于降低2×2阵列中线极化微带天线阵元之间的互耦的微带天线。
为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：
一种微带天线，包括介质板、位于介质板上表面的天线贴片、位于介质板下表面的反射板及将所述天线贴片与反射板连接的同轴馈线，其特征在于：在所述介质板的上表面还设置有与所述天线贴片共面的金属带阵；所述金属带阵包括位于天线X轴上的第一金属带以及以第一金属带为对称轴将天线贴片对称包围的第二金属带，在所述第一金属带两侧形成由天线贴片和第二金属带构成的贴片包围部。
本发明金属带阵的位置是关于X轴对称的，在金属带上产生与耦合电流相位相反的感应电流，从而与耦合电流抵消达到降耦的效果。
形成贴片包围部的第二金属带为两条，两条第二金属带与第一金属带平行且与振子贴片的非辐射边具有相同的距离；第二金属带的中心都在天线Y轴上，第二金属带的长度包围贴片非辐射边超过一半的尺寸。
4条第二金属带和1条第一金属带共5条金属带，此5条金属带具有相同的尺寸，两侧的4条金属带与振子贴片的非辐射边具有相同的距离，中间的一条金属带位于天线X轴上。金属带的长度包围贴片非辐射边超过一半的尺寸，且5条金属带的中心都在Y轴上。此外，金属带阵上可以产生感应电流I1，当调整金属带阵为合适的尺寸和位置时，感应电流I1会与E面耦合电流I2的幅度相等，相位相反，从而降低E面互耦。
在所述反射板上设置有缝隙阵。所设计的缝隙只要能在天线之间的耦合路径上产生的电容电感效应能够组成一阶带阻滤波器，即可。缝隙阵在耦合路径上产生了并联的电容电感效应，相当于一阶带阻滤波器。缝隙阵产生的带阻效应可以在H面和D面贴片耦合路径上产生传输零点，从而降低H面和D面耦合。
该缝隙阵包括与天线贴片的辐射边平行的缝隙，以及与辐射边垂直的缝隙。
缝隙阵由12条缝隙组成，其中8条缝隙平行于天线辐射边并位于天线辐射边外侧，这8条缝隙具有相同的尺寸，且与天线非辐射边的距离相同；另外4条缝隙平行于天线的非辐射边并具有相同的尺寸，且与天线非辐射边的距离相同。
所述天线贴片和金属带阵为印刷在介质基板上表面的铜层；所述反射板为印刷在介质板下表面的铜层；所述缝隙阵为刻蚀在反射板上的多条缝隙。
所述天线贴片包括四个阵元贴片，四个阵元贴片均关于X轴对称。
所述同轴馈线具有馈电关于Y轴对称且位于靠近Y轴一端的第一馈电位置、馈电关于Y轴对称且位于远离Y轴一端的第二馈电位置及两个馈电分别位于远离Y轴一端和靠近Y轴一端的第三馈电位置。
缝隙阵由12条缝隙组成，其中8条缝隙平行于天线辐射边并位于天线辐射边外侧，这8条缝隙具有相同的尺寸，且与天线非辐射边的距离相同。另外4条平行于天线的非辐射边并具有相同的尺寸，且与天线非辐射边的距离相同。此外，平行于非辐射边的4条缝隙长于平行于辐射边的8条缝隙。
进一步地，降耦缝隙-金属带组合阵适用于三种不同馈电的四元线极化微带天线。此三种馈电中的H面耦合的阵元贴片均关于X轴对称，第一种馈电中的E面耦合的阵元贴片的馈电关于Y轴对称且位于靠近Y轴的一端，第二种馈电中的E面耦合的阵元贴片的馈电关于Y轴对称且位于远离Y轴的一端，第三种馈电中的E面耦合的阵元贴片的两个馈电分别位于远离Y轴的一端和靠近Y轴的一端。
本发明的有益效果在于：本发明提出了一种低剖面降耦缝隙-金属带阵，并将其应用于2×2的线极化微带天线阵列。仿真结果表明本发明所提出的低剖面降耦缝隙-金属带阵在不影响微带天线其他性能的情况下有效的降低任意阵元之间的互耦。
附图说明
为了更清楚的说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图做简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来见，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明加载低剖面降耦缝隙-金属带阵的四元线极化天线的侧面结构示意图；
图2为本发明加载低剖面降耦缝隙-金属带阵的四元线极化天线的俯视图；
图3为本发明加载低剖面降耦缝隙-金属带阵的四元线极化天线的后视图；
图4为本发明缝隙阵的等效电路示意图；
图5为本发明加载低剖面降耦缝隙-金属带阵的四元线极化天线不同种馈电方式的俯视图；图5(a)中E面耦合的阵元贴片的馈电位置关于Y轴对称，但位于阵元贴片远离坐标轴的一端。图5(b)中的E面耦合的阵元贴片的馈电位置分别位于远离坐标轴的一端和靠近坐标轴的一端。
图6为本发明未加载低剖面降耦缝隙-金属带阵的四元线极化天线的散射参数；
图7为本发明只加载缝隙阵的四元线极化天线的散射参数；
图8为本发明加载低剖面降耦缝隙-金属带阵的四元线极化天线的散射参数。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的描述。
参考图1，图1为本发明所提出的加载一种低剖面的用于降耦的缝隙-金属带组合阵的线极化微带四元天线阵的侧面结构示意图。如图所示，此天线阵包括天线贴片1，金属带阵2，介质板3，反射板4，缝隙阵5，与同轴馈线6。所述天线贴片1共包含四个阵元贴片。天线贴片1为印刷在介质基板3上表面的厚度为17μm的铜层。所述金属带阵2共包含5条金属带，其为印刷在介质基板3上表面的厚度为17μm的铜层，金属带阵2与天线贴片1共平面。所述介质基板为厚度3mm的Taconic TLT，介电常数为2.55，其损耗正切角为0.005。所述反射板4为印刷在介质基板3下表面的厚度为17μm的铜层。所述缝隙阵5为刻蚀在反射板4上的12条缝隙。所述同轴馈线6的外导体焊接于反射板4上，内导体焊接在天线贴片1上，为各个天线阵元提供馈电。
参考图2，图2为本发明所提出的加载一种低剖面的用于降耦的缝隙-金属带组合阵的线极化微带四元天线阵的俯视图。此俯视图中主要包含印刷在介质基板3上表面的天线贴片1与金属带阵2。天线贴片1主要包括四个围绕坐标系原点顺时针排列的阵元贴片11，12，13，14。在每个阵元贴片上有同轴馈线6与阵元贴片的焊点111，121，131，141。金属带阵2包含5条金属带21，22，23，24，25。五条金属带的尺寸相同，沿y轴方向排列，其长边平行于微带天线的电流方向。五条金属带的中点位于坐标轴的中点，且每条金属带都关于y轴对称。金属带21与22位于振子贴片11与14外侧，且包围了振子贴片11与14非辐射边一半以上的尺寸。金属带24与25位于振子贴片12与13外侧，且包围了振子贴片12与13非辐射边一半以上的尺寸。金属带23位于x轴上。金属带阵2上可以产生感应电流I1，当调整金属带阵2的尺寸和位置如图2所示时，感应电流会与E面耦合电流I2的幅度相等，相位相反，从而降低E面互耦。
参考图3，图3为本发明所提出的加载一种低剖面的用于降耦的缝隙-金属带组合阵的线极化微带四元天线阵的后视图。此俯视图中主要包含印刷在介质基板3下表面的反射板4与刻蚀在反射板4上的缝隙阵5与同轴馈线6与反射板4的焊接点。缝隙阵5包含与辐射边平行的八条缝隙51-58，以及与辐射边垂直的四条缝隙59-512。51-58这八条缝隙具有相同的尺寸，且与天线辐射边有相同的距离。59-512这四条缝隙略长于另外八条缝隙，且与天线辐射边具有相同的距离。四条同轴馈线6与地板焊接于馈点61，62，63，64。
参考图4，从等效电路的角度出发，缝隙阵5的每条缝隙给天线带来了两方面主要的影响：第一，每条缝隙的存在会增大电流路径，这种效应可以等效于在两个天线之间串联了电感L。第二，每条缝隙两端积聚的电荷等效于在两个阵元之间串联了电容C。这两种效应的叠加可以通过一个如图4所示的一阶并联LC电路表征。图4中的等效电路为一阶带阻滤波器，当调整缝隙阵的尺寸如图3所示时，会在H-面耦合和D面耦合的邻近天线之间产生一个传输零点，其谐振频率f0可以通过公式(1)得出：
式中，Ltotal与Ctotal的值取决于缝隙的尺寸和位置。
参考图5，图5为不同馈电位置时的四元线极化微带天线。图3中的四个阵元中，H面耦合的阵元贴片的馈电位置关于x轴对称，E面耦合的阵元贴片的馈电位置关于Y轴对称，且位于阵元贴片靠近坐标轴的一端。图5(a)中E面耦合的阵元贴片的馈电位置关于Y轴对称，但位于阵元贴片远离坐标轴的一端。图5(b)中的E面耦合的阵元贴片的馈电位置分别位于远离坐标轴的一端和靠近坐标轴的一端。本发明中提出的一种低剖面的用于降耦的缝隙-金属带组合阵适用于这三种不同馈电的四元线极化微带天线阵。
参考图6，图7，图8分别为不加载缝隙-金属带阵时，只加载缝隙阵时与加载缝隙-金属带阵时的天线的散射参数。由于天线阵的对称性，只给出了典型的散射参数。本发明设计的天线的工作频带为1.264GHz±8MHz。图6，图7，图8表明，设计的缝隙-金属带组合阵不会影响天线的反射系数，只加载缝隙阵时，H面耦合的振子贴片之间的耦合S12从-16dB下降到-39dB，D面耦合的振子之间的互耦S13从-28dB下降到-37dB。但是E面耦合的振子之间的互耦S14为-23dB，与不加载缝隙阵时相比只下降了2dB。当同时加载缝隙阵与金属带阵时，谐振频点的S12为-52dB，S13为-40dB，S14为-45dB，这说明加载缝隙-金属带阵时可以有效的降低四元线极化微带天线中任意阵元之间的互耦。
最后应当说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解；其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行同等替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案本质脱离本发明各实施例技术方案范畴。
Claims (5)
1.一种微带天线，包括介质板、位于介质板上表面的天线贴片、位于介质板下表面的反射板及将所述天线贴片与反射板连接的同轴馈线，其特征在于：在所述介质板的上表面还设置有与所述天线贴片共面的金属带阵；所述金属带阵包括位于天线X轴上的第一金属带以及以第一金属带为对称轴将天线贴片对称包围的第二金属带，在所述第一金属带两侧形成由天线贴片和第二金属带构成的贴片包围部；形成贴片包围部的第二金属带为两条，两条第二金属带与第一金属带平行且与振子贴片的非辐射边具有相同的距离；第二金属带的中心都在天线Y轴上，第二金属带的长度包围贴片非辐射边超过一半的尺寸；在所述反射板上设置有可在天线之间的耦合路径上产生的电容电感效应能够组成一阶带阻滤波器缝隙阵；所述缝隙阵包括与天线贴片的辐射边平行的缝隙，以及与辐射边垂直的缝隙。
2.根据权利要求1所述的微带天线，其特征在于：缝隙阵由12条缝隙组成，其中8条缝隙平行于天线辐射边并位于天线辐射边外侧，这8条缝隙具有相同的尺寸，且与天线非辐射边的距离相同；另外4条缝隙平行于天线的非辐射边并具有相同的尺寸，且与天线非辐射边的距离相同。
3.根据权利要求1所述的微带天线，其特征在于：所述天线贴片和金属带阵为印刷在介质基板上表面的铜层；所述反射板为印刷在介质板下表面的铜层；所述缝隙阵为刻蚀在反射板上的多条缝隙。
4.根据权利要求3所述的微带天线，其特征在于：所述天线贴片包括四个阵元贴片，四个阵元贴片均关于X轴对称。
5.根据权利要求4所述的微带天线，其特征在于：所述同轴馈线具有馈电关于Y轴对称且位于靠近Y轴一端的第一馈电位置、馈电关于Y轴对称且位于远离Y轴一端的第二馈电位置及两个馈电分别位于远离Y轴一端和靠近Y轴一端的第三馈电位置。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Gao Di Inventor after: Cao Zhenxin Inventor after: Chen Peng Inventor after: Quan Xin Inventor before: Gao Di Inventor before: Cao Zhenxin Inventor before: Sun Minqian Inventor before: Chen Peng Inventor before: Quan Xin |
|
| CB03 | Change of inventor or designer information |