CN115395219A - 用于全双工通信的带宽可重构双极化介质贴片天线 - Google Patents

用于全双工通信的带宽可重构双极化介质贴片天线 Download PDF

Info

Publication number
CN115395219A
CN115395219A CN202211111007.1A CN202211111007A CN115395219A CN 115395219 A CN115395219 A CN 115395219A CN 202211111007 A CN202211111007 A CN 202211111007A CN 115395219 A CN115395219 A CN 115395219A
Authority
CN
China
Prior art keywords
dielectric patch
bandwidth
mode
patch antenna
polarization direction
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202211111007.1A
Other languages
English (en)
Inventor
陈建新
张小珂
沈一春
符小东
蓝燕锐
徐翠
房洪莲
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nantong University
Original Assignee
Nantong University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nantong University filed Critical Nantong University
Priority to CN202211111007.1A priority Critical patent/CN115395219A/zh
Publication of CN115395219A publication Critical patent/CN115395219A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/36—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith
    • H01Q1/38—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith formed by a conductive layer on an insulating support
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/12—Supports; Mounting means
    • H01Q1/22—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/48—Earthing means; Earth screens; Counterpoises
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/50—Structural association of antennas with earthing switches, lead-in devices or lightning protectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/52—Means for reducing coupling between antennas; Means for reducing coupling between an antenna and another structure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q13/00—Waveguide horns or mouths; Slot antennas; Leaky-waveguide antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave
    • H01Q13/10—Resonant slot antennas
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q5/00—Arrangements for simultaneous operation of antennas on two or more different wavebands, e.g. dual-band or multi-band arrangements
    • H01Q5/30—Arrangements for providing operation on different wavebands
    • H01Q5/307—Individual or coupled radiating elements, each element being fed in an unspecified way
    • H01Q5/314—Individual or coupled radiating elements, each element being fed in an unspecified way using frequency dependent circuits or components, e.g. trap circuits or capacitors

Landscapes

  • Waveguide Aerials (AREA)

Abstract

本发明公开了一种用于全双工通信的带宽可重构双极化介质贴片天线，该天线由边缘刻蚀一对槽的矩形介质贴片和两层基板组成。在X极化方向，使用单端口来激发基模TM10模式和高次模TE12模式，用于宽带发射机工作。对于Y极化方向，采用差分馈电结构激发简并的TM01模式和反相TM02模式，用于宽带接收机工作。金属地板放置在两层基板之间，在其上刻蚀了两组缝隙，用于介质贴片谐振器和位于下层基板底部的金属微带线之间的孔径耦合，其中，Y极化方向的耦合缝隙中设置了可变电容，用于调谐介质贴片天线在Y极化方向的工作带宽。使得天线具有带宽可重构、隔离度高、剖面低、结构简单等优点，在全双工***中具有广阔的应用前景。

Description

用于全双工通信的带宽可重构双极化介质贴片天线
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及用于全双工通信的带宽可重构双极化介质贴片天线。
背景技术
当下可以使用的频谱资源非常有限，随着无线通信的快速发展，这些频谱资源变得日益拥挤，如何提高频谱利用率成为关键的研究课题。目前，大多数无线通信***兼具发射信号和接收信号的终端(比如，基站、继电器以及移动终端)。这些通信***大多是时分或频分双工通信***，也就是说这些终端在发射信号和接收信号时不在同一时间或频段内进行。而同时同频全双工通信***则不同，它可以保证发射信号和接收信号同时并在同一个频率上完成，从而使得数据流的传输速度、无线通信***的通信容量、频谱利用率翻倍。作为全双工***的前端，采用高隔离天线是工程应用中实现高质量通信的关键。天线分离、近场抵消、寄生结构以及在天线之间放置吸波器等技术都可以实现高隔离。这些技术通常采用多个分离的天线或较大而复杂的天线结构，导致物理尺寸庞大。
双极化天线由于采用共享辐射孔径进行小型化的优点以及正交偏振之间存在自然隔离而受到广泛关注。为满足全双工应用的高隔离要求，广泛研制了各种低剖面差分馈电的双极化天线。但是以上这些设计都是以金属为基础的，工作模式多为单模，工作带宽较窄，不适合高速大容量的应用背景。最近，一种新型的馈电结构—磁回路可以实现带宽的增强，由磁馈电和电馈电组成的天线实现了较宽的带宽，但是端口隔离仅超过20dB。此外，在馈电贴片上叠加超表面结构，实现了28.4％的带宽，然而，高剖面仍然是一个限制因素，而复杂性也随着架空结构的引入而增加。
介质谐振器天线也适用于双极化设计，在过去的几十年里得到了广泛的研究。介质贴片天线是介质谐振器天线和微带贴片天线在外形、效率和增益等方面的最佳折衷，是为了克服传统介质谐振器天线外形高、增益差的局限性而研制的。更重要的是，介质贴片谐振器的高次模可以实现带宽的扩展，这得益于继承自介质谐振器的多模特性。在文献S.-C.Tang,X.-Y.Wang,W.-W.Yang and J.-X.Chen,“Wideband low-profile dielectricpatch antenna and array with anisotropic property,”IEEE Trans.AntennasPropag.,vol.68,no.5,pp.4091-4096,May.2020.中，通过引入镀银槽，可以将高次模下移至接近基模，从而实现线极化天线的带宽扩展。据我们所知，双极化介质贴片天线的设计很少。文献X.-Y.Wang,S.-C.Tang and J.-X.Chen,“Differential-fed dual-polarizeddielectric patch antenna with gain enhancement based on higher order modes,”IEEE Antennas Wireless Propag.Lett.,vol.19,no.3,pp.502-506,March.2020.中的双极化介质贴片天线利用差分馈电技术实现了34dB的高隔离。虽然引入的接地棒可以结合介质贴片的高次模，但带宽只能扩展到4.88％。
另一方面，随着无线通信***的快速发展，带宽可重构通信***因其对频谱的有效利用而受到越来越多的关注。但是，目前还没有能够同时实现带宽可重构以及高端口隔离的双极化介质贴片天线设计。
发明内容
本发明的目的在于：克服上述现有技术的缺陷，提出一种用于全双工通信的带宽可重构双极化介质贴片天线，该天线充分利用介质贴片谐振器的多模特性，通过调整介质贴片的长宽比，可以降低高次TE12模式，使其靠近基模TM10模式，从而实现X极化方向的宽带性能，同时，通过在介质贴片边缘刻蚀的一对槽和地面上改进的耦合缝隙将TM01模和反相TM02模结合从而实现Y极化方向的宽带性能。四个变容二极管分别放置在Y极化方向的U型耦合缝隙上，以对Y极化方向的工作带宽进行电调谐，从而实现天线的带宽可重构。通过差分馈电方案实现了天线的高隔离。
为实现本发明目的，本发明提出的用于全双工通信的带宽可重构双极化介质贴片天线，该天线由边缘刻蚀一对槽的矩形介质贴片和两层基板组成。介质贴片放置在顶层基板上并由三个端口激发。在X极化方向，使用单端口来激发基模TM10模式和高次模TE12模式，用于宽带发射机(Tx)工作。对于Y极化方向，采用差分馈电结构，通过一对差分输入端口来激发简并的TM01模式和反相TM02模式，用于宽带接收机(Rx)工作。金属地反射地板放置在两层基板之间，在其上刻蚀了耦合缝隙，用于介质贴片谐振器和位于下层基板底部的金属微带线之间的孔径耦合。其中，单馈输入馈线对应的耦合缝隙为一个直线型耦合缝隙，用于X极化方向的孔径耦合；差分输入馈线对应的耦合缝隙为对称设置于直线型耦合缝隙两端外侧的两组复合耦合缝隙，每组所述复合耦合缝隙包括一个矩形缝隙和两个布置于矩形缝隙外侧且沿Y极化方向对称的U型耦合缝隙，所述U型耦合缝隙的中央设置有可变电容，复合耦合缝隙用于Y极化方向的孔径耦合。
本发明通过差分馈电方案实现了天线的高隔离。通过调整介质贴片的长宽比，可以降低高次TE12模式，使其靠近基模TM10模式，从而实现X极化方向的宽带性能；通过在介质贴片边缘刻蚀的一对槽和金属反射地板上改进的耦合缝隙分别实现TM01模的上移和反相TM02模的下移，从而实现Y极化方向的宽带性能；同时，通过变容二极管对Y极化方向的工作带宽进行电调谐。
该天线具有带宽可重构、隔离度高、剖面低、结构简单等优点，在全双工***中具有广阔的应用前景。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明带宽可重构双极化介质贴片天线立体图。
图2是本发明带宽可重构双极化介质贴片天线结构示意图。
图3是本发明带宽可重构双极化介质贴片天线的仿真回波损耗及端口隔离。
图4是本发明带宽可重构双极化介质贴片天线单馈输入端口在4.98GHz处的仿真方向图。
图5是本发明带宽可重构双极化介质贴片天线单馈输入端口在5.98GHz处的仿真方向图。
图6是本发明带宽可重构双极化介质贴片天线差分输入端口在可调电容为0.6pF时5.06GHz处的仿真方向图
图7是本发明带宽可重构双极化介质贴片天线差分输入端口在可调电容为0.6pF时5.58GHz处的仿真方向图
图8是本发明带宽可重构双极化介质贴片天线差分输入端口在可调电容为0.1pF时5.24GHz处的仿真方向图
图9是本发明带宽可重构双极化介质贴片天线差分输入端口在可调电容为0.1pF时5.58GHz处的仿真方向图。
图中标号示意如下：
1-介质贴片，2-凹槽，3-顶层基板，4-金属反射地板，5-直线型耦合缝隙，6-复合耦合缝隙，7-可变电容，8-底层基板，9-单馈微带馈线，10-差分微带馈线，S1-单馈输入端口，S2-差分输入端口。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
参见图1是本发明实施的用于全双工通信的带宽可重构双极化介质贴片天线的示意图。本发明实施双极化介质贴片天线包括自下而上依次层叠设置的底层基板8、金属反射地4、顶层基板3和介质贴片1。介质贴片1为矩形介质贴片，通过胶水粘在顶层基板3上的中心处，介质贴片1的短边位于在X极化方向上。介质贴片1短边的边缘刻蚀有一对凹槽2，凹槽2关于介质贴片1垂直中分面对称。底层基板8的下表面设有用于单馈微带馈线8和差分微带馈线9，单馈微带馈线8和差分微带馈线9都由靠近输入端口的50Ω传输线和一段用于匹配的λ/4阻抗变换线组成，50Ω传输线与信号输入端口相连接。底层基板7为双面印刷电路板，双面印刷电路板的顶层为金属反射地板4，底层为单馈微带馈线9和差分微带馈线10，单馈微带馈线9沿X极化方向设置，差分微带馈线10沿Y极化方向设置。金属反射地4上刻蚀有与对应微带馈线正交的耦合缝隙，耦合缝隙包括位于金属反射地板4中央的且与单馈微带馈线9正交的一个直线型耦合缝隙5和分设于直线型耦合缝隙5两端且与差分微带馈线10正交的两组复合耦合缝隙6，每组所述复合耦合缝隙6包括一个矩形缝隙和两个布置于矩形缝隙外侧且沿Y极化方向对称的U型耦合缝隙，U型耦合缝隙的中央设置有可变电容7。四个可变电容7分别放置在两对U型缝隙上，通过调整可变电容的容值C来调谐介质贴片天线的差分输入端口的带宽(介质贴片天线在Y极化方向的工作带宽)。
底层基板7的下表面边缘还设置有与单馈微带馈线9连接的单馈输入端口S1，以及与差分微带馈线10连接的差分输入端口S2+、S2-。
在X极化方向，通过单馈微带馈线9激发基模TM10模式和高次模TE12模式，用于宽带发射机工作；在Y极化方向，通过差分微带馈线10激发简并的TM01模式和反相TM02模式，用于宽带接收机工作。
本发明实施例对天线各部分的尺寸进行优化，具体的天线的参数见下表：
参数 L<sub>g</sub> W<sub>g</sub> h l<sub>d</sub> w<sub>d</sub> h<sub>d</sub> l<sub>c</sub> w<sub>c</sub> l<sub>s1</sub>
值(mm) 55 60 0.813 36.8 26 1.5 8 6.2 8.3
参数 w<sub>s1</sub> l<sub>s2</sub> l<sub>s3</sub> l<sub>s4</sub> w<sub>s2</sub> d<sub>s1</sub> d<sub>s2</sub> w<sub>f1</sub> w<sub>f2</sub>
值(mm) 0.9 10.2 8 6 1.1 24 1 1.5 1.4
表中，h为顶层基板3和底层基板8的高度，ld为介质贴片1的长度，wd为介质贴片1的宽度，hd为介质贴片的厚度，lc为凹槽2的长度，wc为凹槽2的宽度，ls1为直线型耦合缝隙5的长度，ws1为直线型耦合缝隙5耦合缝隙的宽度，ls2为复合耦合缝隙6中矩形缝隙的长度、ls3和ls4为复合耦合缝隙中U型耦合缝隙中间部分及折弯部分的长度，ws2为复合耦合缝隙的宽度，ds1为两复合耦合缝隙的矩形缝隙之间的距离，ds2为复合耦合缝隙中U型耦合缝隙与矩形缝隙之间的距离。
设计中采用的基板是Rogers RO4003，其介电常数为εr＝3.38，损耗角正切为tanδ＝2.7×10-3，顶层基板3及底层基板8的体积为Lg×Wg×h，底层基板8为双面印刷电路板，双面印刷电路板8的上表面为金属反射地4，下表面为微带馈线。
图3为本实例带宽可重构双极化介质贴片天线在不同容值下的仿真反射系数及端口间隔离，单馈输入端口带宽为26.8％，差分输入端口反射系数小于-10dB的带宽可以灵活的从12.1％调整到16.9％。端口间隔离度大于57dB。从图中可知：差分输入端口的低频谐振点随着C增加而下移。
在不同可调电容容值处的仿真E面和H面辐射方向图如图4-9所示，从图中可知：天线的交叉极化比主极化至少低20dB，同时可以推测出天线在整个带宽调谐范围中都能展示出稳定的宽边辐射方向图。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于全双工通信的带宽可重构双极化介质贴片天线，包括自下而上依次层叠设置的底层基板（8），金属反射地板（4）、顶层基板（3）和介质贴片（1），其特征在于：所述底层基板（8）下表面设置有沿X极化方向的单馈微带馈线（9）和沿Y极化方向一对差分微带馈线（10），所述金属反射地板（4）开设有与对应微带馈线正交的耦合缝隙（5、6）；在X极化方向，通过单馈微带馈线（9）激发基模TM10模式和高次模TE12模式，用于宽带发射机工作；在Y极化方向，通过差分微带馈线（10）激发简并的TM01模式和反相TM02模式，用于宽带接收机工作；所述介质贴片（1）为矩形介质贴片，其垂直中分面对称地设置有一对凹槽（2），耦合缝隙（5、6）包括位于金属反射地板（4）中央的且与单馈微带馈线（9）正交的一个直线型耦合缝隙（5）和分设于直线型耦合缝隙（5）两端且与差分微带馈线（10）正交的两组复合耦合缝隙（6），每组所述复合耦合缝隙（6）包括一个矩形缝隙和两个布置于矩形缝隙外侧且沿Y极化方向对称的U型耦合缝隙，所述U型耦合缝隙的中央设置有可变电容（7）。
2.根据权利要求1所述的用于全双工通信的带宽可重构双极化介质贴片天线，其特征在于：可变电容（7）用于调谐介质贴片天线在Y极化方向的工作带宽。
3.根据权利要求1所述的用于全双工通信的带宽可重构双极化介质贴片天线，其特征在于：底层基板（8）的下表面边缘还设置有与单馈微带馈线（9）连接的单馈输入端口（S1），以及与差分微带馈线（10）连接的差分输入端口（S2+、S2-）。
4.根据权利要求1所述的用于全双工通信的带宽可重构双极化介质贴片天线，其特征在于：所述介质贴片（1）的短边位于在X极化方向上，所述凹槽（2）开设于介质贴片（1）的短边一侧。
5.根据权利要求3所述的用于全双工通信的带宽可重构双极化介质贴片天线，其特征在于：所述单馈微带馈线（9）和差分微带馈线（10）由50Ω传输线和一段用于匹配的λ/4阻抗变换线组成，所述50Ω传输线与信号输入端口相连接。
6.根据权利要求1所述的用于全双工通信的带宽可重构双极化介质贴片天线，其特征在于：所述底层基板（8）为双面印刷电路板，双面印刷电路板的顶层为金属反射地板（4），底层为单馈微带馈线（9）和差分微带馈线（10）。
7.根据权利要求1所述的用于全双工通信的带宽可重构双极化介质贴片天线，其特征在于：所述介质贴片（1）通过胶水粘在顶层基板（3）上表面的中心处。
8.根据权利要求1所述的用于全双工通信的带宽可重构双极化介质贴片天线，其特征在于：所述可变电容（7）为变容二极管。
CN202211111007.1A 2022-09-13 2022-09-13 用于全双工通信的带宽可重构双极化介质贴片天线 Pending CN115395219A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211111007.1A CN115395219A (zh) 2022-09-13 2022-09-13 用于全双工通信的带宽可重构双极化介质贴片天线

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211111007.1A CN115395219A (zh) 2022-09-13 2022-09-13 用于全双工通信的带宽可重构双极化介质贴片天线

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN115395219A true CN115395219A (zh) 2022-11-25

Family

ID=84126784

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202211111007.1A Pending CN115395219A (zh) 2022-09-13 2022-09-13 用于全双工通信的带宽可重构双极化介质贴片天线

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115395219A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117594969A (zh) * 2024-01-19 2024-02-23 微网优联科技(成都)有限公司 一种新型谐振器结构及方向图可重构天线

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117594969A (zh) * 2024-01-19 2024-02-23 微网优联科技(成都)有限公司 一种新型谐振器结构及方向图可重构天线
CN117594969B (zh) * 2024-01-19 2024-04-02 微网优联科技(成都)有限公司 一种新型谐振器结构及方向图可重构天线

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108847521B (zh) 宽带差分馈电微带滤波天线
JP5669281B2 (ja) メタマテリアルアンテナデバイス
EP2660933B1 (en) Array antenna of mobile terminal and implementing method thereof
US6549166B2 (en) Four-port patch antenna
CN112259958B (zh) 一种单馈双频双圆极化毫米波介质谐振器天线
CN101931122B (zh) 一种c/x双频段微带天线
CN108336490B (zh) 一种高隔离宽带mimo天线
CN112436294B (zh) 具有高隔离度和低剖面的毫米波双频双极化共口径天线
Abdullah et al. Compact four-port MIMO antenna system at 3.5 GHz
US8094082B2 (en) Polarization diversity multi-antenna system
CN114914697A (zh) 用于全双工通信的双极化频率可重构微带贴片滤波天线
CN115395219A (zh) 用于全双工通信的带宽可重构双极化介质贴片天线
CN114336024A (zh) 一种应用于毫米波通信***的宽带圆极化平面天线阵列
CN114335999A (zh) 一种基于间隙波导的K/Ka波段双频段双圆极化天线
CN110957565B (zh) 一种用于5g基站的宽带极化可重构高增益天线
CN109802225B (zh) 一种微带滤波天线
CN116404414A (zh) 一种结构复用的微波/毫米波双频宽带共口径天线
CN111710971B (zh) 一种应用于5g通信的高增益mimo天线及其终端
CN112531355B (zh) 一种±45°双极化毫米波阵列天线
CN110364818B (zh) 一种宽带小型化双极化天线
CN114824774A (zh) 一种宽带高隔离度双极化超表面天线
CN114678684A (zh) 一种应用于5g毫米波移动终端的双极化端射相控阵天线
CN115911868A (zh) 用于全双工通信的高隔离宽带双极化介质贴片天线
CN111755808B (zh) 一种加载水平辐射枝节和蝶形寄生单元的宽带毫米波mimo天线
Zheng et al. Design and optimization of mini MIMO antenna

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