CN114498018B - 一种低互耦微带天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低互耦微带天线，包括顶层金属结构、介质基板、金属大地，顶层金属结构包括由若干微带天线单元组成的阵列，其中相对排列的1×2天线阵列包括两个金属贴片以及一对单边短路的帽形金属结构。单边短路的帽形金属结构包括一个水平金属条带、两个竖直金属条带及一个接地金属条带，每个金属贴片连接有一个金属探针。本发明通过构建一对单边短路的帽形金属结构，利用其对间接耦合场及反射场的幅度及相位调控能力，使感应侧天线单元的零电场区移至金属探针处，因此能够极大地降低微带天线的互耦，并且避免了剖面增加、天线结构复杂、环境兼容性差、增益降低及集成化难度大等诸多缺陷。

Description

一种低互耦微带天线
技术领域
本发明涉及微波通信领域，尤其涉及一种低互耦微带天线。
背景技术
微带天线具有若干优点，例如低剖面、易集成、低成本、制造工艺成熟等，当多个微带天线单元组成阵列工作时，可以显著提升***信道容量和信号传输的可靠性，同时可以提高天线增益及***传输距离。然而，多单元微带天线组成阵列时，较近单元间不可避免的互耦，将引起天线阵列有源阻抗匹配效果恶化、阵元方向图变形、波束指向偏移及***误码率升高、信道容量恶化等问题。因此，有必要探究低互耦微带天线的设计方法，并且互耦越低越有利于***性能。
适用于微带天线去互耦的方法主要分为四种，第一种是在馈电结构中额外引入电路作为去耦网络，实现电路级去互耦，该方法易占用过多背部空间，减少了***布局空间。第二种是对天线阵列共面或异面添加超材料或电磁带隙结构，具有周期结构特点，容易导致天线结构复杂化或剖面增加，不利于集成及降低成本。第三种是在天线金属大地上蚀刻槽构建缺陷地结构，利用缺陷地的带阻特性改变地层电流路径，实现互耦降低，但是存在背向泄露，并且槽结构对环境兼容性较低。第四种是在天线单元中间或周围添加带阻谐振结构、模式转化结构或中心短路金属条带等结构，实现互耦改善，但是参数选取涉及到天线单元自身辐射的影响，所以设计自由度低，导致去互耦程度受到限制。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术，提出一种低互耦微带天线，在确保天线环境兼容性、剖面高度、增益、集成化复杂度相关性能不恶化的条件下，使微带天线全频带内实现低互耦水平。
技术方案：一种低互耦微带天线，包括顶层金属结构、介质基板、金属大地；所述顶层金属结构和金属大地分别位于介质基板的上表面和下表面；所述顶层金属结构包括由若干微带天线单元组成的阵列，其中相对排列的1×2天线阵列包括两个金属贴片以及一对单边短路的帽形金属结构；所述单边短路的帽形金属结构包括一个水平金属条带、两个竖直金属条带及一个接地金属条带，水平金属条带和接地金属条带平行设置，所述接地金属条带长度大于所述水平金属条带，两个竖直金属条带的两端分别连接所述水平金属条带和接地金属条带，所述接地金属条带通过金属化过孔连接到所述金属大地，所述水平金属条带位于两个金属贴片之间，每个金属贴片连接有一个金属探针。
进一步，两个金属贴片构成两个天线单元，并且中心间距为0.5λ0，λ0为中心频率对应的自由空间波长；接地金属条带宽度为0.05λ0-0.053λ0，竖直金属条带在垂直于极化方向上的长度为0.1λ0-0.15λ0，两个竖直金属条带之间的间距为0.025λ0-0.1λ0，水平金属条带在沿极化方向上的长度为0.2λ0-0.25λ0；竖直金属条带和水平金属条带具有相同的宽度，宽度为0.02λ0-0.025λ0。
进一步，通过所述竖直金属条带对水平金属条带电场幅度及相位分布进行调整，获得两个天线单元间附加的间接耦合场。
进一步，通过控制所述单边短路的帽形金属结构中外侧的接地金属条带沿极化方向的长度来调整两个天线单元间反射信号的强度。
进一步，通过添加所述竖直金属条带及控制所述接地金属条带沿极化方向的长度，使得感应侧金属贴片的零电场区中心点位于金属探针处。
有益效果：本发明在1×2微带天线阵列中构建一对单边短路的帽形金属结构，利用其对间接耦合场及反射场的幅度及相位调控能力，使感应侧天线单元的零电场区移至金属探针处，因此能够极大地降低微带天线的互耦，并且避免了剖面增加、天线结构复杂、环境兼容性差、增益降低及集成化难度大等诸多缺陷。
两个竖直金属条带垂直于极化方向，长度保持在0.1λ0-0.15λ0，间距保持在0.025λ0-0.1λ0，实现对附加间接耦合场的幅相调控及对反射信号的相位调控。
两个单边短路的帽形金属结构关于水平中心线对称设置，并且外侧的接地金属条带全程通过金属化过孔接地，通过控制外侧的接地金属条带沿极化方向的长度可以调整反射信号的强度，并且对称分布保证了H面方向图的对称性。
附图说明
图1为本发明低互耦微带天线的剖面结构示意图；
图2为本发明低互耦微带天线的立体装配图；
图3为传统微带天线和低互耦微带天线在同频同间距时的S参数及增益仿真结果，其中图(a)为传统1×2微带天线的S参数及阵元增益，图(b)为本实施例1×2低互耦微带天线的S参数及阵元增益；
图4为本实施例1×2低互耦微带天线单端口激励的仿真方向图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1所示，一种低互耦微带天线，包括顶层金属结构1、介质基板3、金属大地4。顶层金属结构1和金属大地4分别位于介质基板3的上表面和下表面。顶层金属结构1包括由若干微带天线单元组成的阵列，其中，相对排列的1×2天线阵列包括两个金属贴片6以及一对单边短路的帽形金属结构，如图2所示。单边短路的帽形金属结构包括一个水平金属条带7、两个竖直金属条带8及一个接地金属条带9，水平金属条带7和接地金属条带9平行设置，接地金属条带9长度大于水平金属条带7，两个竖直金属条带8的两端分别连接水平金属条带7和接地金属条带9；两个单边短路的帽形金属结构关于水平中心线对称设置，接地金属条带9通过金属化过孔2连接到金属大地4，水平金属条带7位于两个金属贴片6之间，每个金属贴片6连接有一个金属探针5。
水平金属条带7、竖直金属条带8及接地金属条带9组成单边短路的帽形金属结构，用于降低单元间互耦。其中，两个金属贴片6构成两个天线单元，并且中心间距为0.5λ0，λ0为中心频率对应的自由空间波长；接地金属条带9宽度为0.05λ0-0.053λ0，竖直金属条带8在垂直于极化方向上的长度为0.1λ0-0.15λ0，两个竖直金属条带8之间的间距为0.025λ0-0.1λ0，水平金属条带7在沿极化方向上的长度为0.2λ0-0.25λ0；竖直金属条带8和水平金属条带7具有相同的宽度，宽度为0.02λ0-0.025λ0。
当天线的一个端口馈入信号时，另一端口作为匹配负载，在1×2天线阵列中，信号通过金属探针5激励相应的金属贴片6，金属贴片6将主要信号辐射至空间，同时部分信号通过近场空间及单边短路的帽形金属结构耦合至另一金属贴片6，然后通过金属探针5输出。在此过程中，单边短路的帽形金属结构的水平金属条带7位于激励侧与感应侧之间，通过竖直金属条带8对水平金属条带7电场幅度及相位分布进行调整，可以获得两单元间附加的间接耦合场，该间接耦合场使得感应侧贴片的零电场区向金属探针5移动一定距离，但是由于无法兼顾间接耦合场的幅度与相位导致零电场区中心点无法到达金属探针5处。与此同时，来自激励金属贴片的部分信号经过接地金属条带9和竖直金属条带8共同作用，反射至感应侧贴片，竖直金属条带8可以调控反射相位，使得感应侧贴片的零电场区中心点刚好位于金属探针5处。因此，在单边短路的帽形金属结构的作用下，能够极大地降低微带天线的互耦。
另外，单边短路的帽形金属结构上的部分电场与天线极化电场方向一致，可以在互耦降低的有利前提下补偿阵元增益，使得与天线单元相比增益不下降。此外，单边短路的帽形金属结构具备接地金属条，可以增加天线对***环境的适应能力。
本实施例采用的介质基板为RO4003C，在1×2天线阵列中，两个天线单元中心间距为0.5λ0。传统1×2微带天线及本发明所提出的1×2低互耦微带天线在同频同间距时的S参数及增益仿真结果如图3所示。从图3可知，本实施例天线的中心频率为3.5GHz，10-dB阻抗匹配带宽为1.9％，10-dB阻抗匹配频带内的整体互耦水平低于-40dB，中心频率处互耦水平为-64dB，工作频点处阵元增益可达到6.1dBi，而传统1×2微带天线中心频率处互耦水平及阵元增益仅为-19.2dB和5.4dBi，可见本发明相比传统微带天线的互耦水平得到了极大改善，阵元增益有所上升。
图4是该1×2低互耦微带天线单端口激励时，中心频率处的仿真方向图，E面和H面的3-dB波束宽度范围分别为104o和84.2o。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种低互耦微带天线，其特征在于，包括顶层金属结构（1）、介质基板（3）、金属大地（4）；所述顶层金属结构（1）和金属大地（4）分别位于介质基板（3）的上表面和下表面；所述顶层金属结构（1）包括由若干微带天线单元组成的阵列，其中相对排列的1×2天线阵列包括两个金属贴片（6）以及一对单边短路的帽形金属结构，两个单边短路的帽形金属结构关于水平中心线对称设置；所述单边短路的帽形金属结构包括一个水平金属条带（7）、两个竖直金属条带（8）及一个接地金属条带（9），水平金属条带（7）和接地金属条带（9）平行设置，所述接地金属条带（9）长度大于所述水平金属条带（7），两个竖直金属条带（8）的两端分别连接所述水平金属条带（7）和接地金属条带（9），所述接地金属条带（9）通过金属化过孔（2）连接到所述金属大地（4），所述水平金属条带（7）位于两个金属贴片（6）之间，每个金属贴片（6）连接有一个金属探针（5）。
2.根据权利要求1所述的低互耦微带天线，其特征在于，两个金属贴片（6）构成两个天线单元，并且中心间距为0.5λ0，λ0为中心频率对应的自由空间波长；接地金属条带（9）宽度为0.05λ0-0.053λ0，竖直金属条带（8）在垂直于极化方向上的长度为0.1λ0-0.15λ0，两个竖直金属条带（8）之间的间距为0.025λ0-0.1λ0，水平金属条带（7）在沿极化方向上的长度为0.2λ0-0.25λ0；竖直金属条带（8）和水平金属条带（7）具有相同的宽度，宽度为0.02λ0-0.025λ0。
3.根据权利要求1或2所述的低互耦微带天线，其特征在于，通过所述竖直金属条带（8）对水平金属条带（7）电场幅度及相位分布进行调整，获得两个天线单元间附加的间接耦合场。
4.根据权利要求3所述的低互耦微带天线，其特征在于，通过控制所述单边短路的帽形金属结构中外侧的接地金属条带（9）沿极化方向的长度来调整两个天线单元间反射信号的强度。
5.根据权利要求4所述的低互耦微带天线，其特征在于，通过添加所述竖直金属条带（8）及控制所述接地金属条带（9）沿极化方向的长度，使得感应侧金属贴片（6）的零电场区中心点位于金属探针（5）处。
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