CN115764331A - 一种高极化隔离度双极化紧耦合超宽带相控阵天线 - Google Patents
一种高极化隔离度双极化紧耦合超宽带相控阵天线 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种高极化隔离度双极化紧耦合超宽带相控阵天线。包括偶极子单元、同轴馈线、金属反射地板、鱼骨状十字型贴片以及十字型金属壁；偶极子单元包括水平和两个垂直介质基板，垂直介质基板相互正交；水平介质基板下表面印有两组共面且相互垂直的蝶形偶极子单元；偶极子单元末端相交处嵌有鱼骨状十字型贴片，该贴片与偶极子末端之间有间隙；垂直介质基板一面印有蚀刻槽线的贴片；该贴片与偶极子相连接；水平介质基板上表面的微带线与同轴馈线内导体相连接，偶极子与同轴馈线外导体相连接；鱼骨状十字型贴片与十字型金属壁相接触。本发明实现了双极化紧耦合超宽带相控阵在较低频带内的高极化隔离度和低交叉极化，且无需复杂的馈电网络。
Description
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体涉及一种高极化隔离度双极化紧耦合超宽带相控阵天线。
背景技术
由于第五代(5G)无线通信技术在高数据传输速率和低延迟等方面优势明显，因此，在无线通信应用中对其需求呈现爆发式增长态势。目前，5G技术使用的频段主要包含FR1(Sub-6GHz)和FR2(mmWave)。虽然毫米波可提供的频谱更宽，但其路径损耗较大，且其对建筑物等遮挡物穿透能力相对较弱。相比于毫米波频段，Sub-6GHz频段可满足长距离和宽覆盖的需求，因此，Sub-6GHz频段受到人们的青睐。然而，随着5G技术应用领域和性能需求的不断扩展，近年来又为5G技术的应用分配了如700MHz、900MHz、2.6GHz等新频段，因此对天线设计的要求也越来越高。一方面要求天线具有超宽带，双极化，宽角扫描等特性；另一方面希望天线成本低，重量轻，剖面低，机械强度好，装配简单。因此，一种包括700MHz等在内的5G技术新频段的超宽带双极化天线已经成为工程应用中的迫切需求。
为了缓解多径衰落，增加***容量和频谱使用效率，双极化大规模MIMO(massivemultiple-inputmultiple-output)技术在5G中得到了广泛关注。目前有关双极化天线单元的实现形式主要有贴片天线、Vivaldi天线，金属波导天线以及紧耦合天线阵列等。然而，对于贴片天线而言，尽管其剖面较低，但其带宽较窄，增益较低；对于Vivaldi天线而言，尽管其拥有出色的带宽性能，但其剖面较高，体积庞大笨重，集成度低等缺点也显而易见，极大地限制了其应用范围。对于波导类天线而言，尺寸较大，加工难度和成本较高，不适合较低频率的应用。为了克服上述天线的缺点，一种新型的紧耦合天线阵列技术被提出，通过天线阵元间的强互耦效应来实现其超宽带性能，剖面低，单元尺寸紧凑。然而，目前报道的紧耦合天线的结构较为复杂，馈电网络通常需要复杂的宽带巴伦，损耗较大，而且阵列成本高，机械强度较弱，装配难度大。更重要的是，当前的双极化紧耦合超宽带相控阵的极化隔离度较差，交叉极化较高，覆盖于天线上方的宽角匹配层增加了天线的成本和复杂度。综上，开发同时具有高极化隔离度和超宽带性能的低成本低复杂度的双极化相控阵已成为亟待解决的难题，尤其是开发包含新频段的Sub-6GHz5G双极化相控阵显得尤为迫切。本发明正是针对这些关键问题而提出。
发明内容
技术问题：本发明目的在于提供一种高极化隔离度双极化紧耦合超宽带相控阵天线,以解决上述的技术问题。本发明的结构实现了超宽带双极化紧耦合相控阵在较低工作频带内的高极化隔离度和低交叉极化，结构简单，重量轻，机械强度好，且馈电简单无需复杂的阻抗匹配网络。
技术方案：本发明的一种高极化隔离度双极化紧耦合超宽带相控阵天线由阵列排列的天线单元组成，每一个单元包括：水平放置的蝶形偶极子单元、位于蝶形偶极子单元下方竖直放置的同轴馈线、位于蝶形偶极子单元下方水平放置的金属反射地板以及位于蝶形偶极子单元下方垂直于金属反射地板的十字型金属壁；SMA连接器穿过金属反射地板上的通孔与同轴馈线相连接；所述蝶形偶极子单元包括水平放置的介质基板、垂直放置的介质基板；所述水平放置的介质基板下表面与垂直放置的介质基板一面带有槽线的金属贴片相连接；所述水平放置的介质基板上表面的微带线与同轴馈线的内导体相连接；所述水平放置的介质基板下表面与同轴馈线的外导体相连接。
所述水平放置的介质基板，在其下表面的两组蝶形偶极子末端相交处之间镶嵌有鱼骨状的十字型金属贴片。
所述水平放置的介质基板下表面的末端与之镶嵌的鱼骨状的十字型金属贴片之间有间隙。
所述垂直于金属反射地板的十字型金属壁与水平介质基板下表面的鱼骨状的十字型金属贴片相接触。
所述垂直放置的介质基板一面的金属贴片蚀刻有槽线。
所述同轴馈线为标准的50Ω同轴线，SMA连接器为标准的50ΩSMA连接器。
所述位于蝶形偶极子单元下方垂直于金属反射地板的十字型金属壁的厚度为1.8mm。
所述水平放置的介质基板为RogersRO4003，介电常数为3.55，厚度为0.813mm；垂直放置的介质基板为RogersRO4003，介电常数为3.55，厚度为0.508mm。
有益效果：本发明的一种高极化隔离度双极化紧耦合超宽带相控阵天线，具有以下优点：
1、本发明公开了一种高极化隔离度双极化紧耦合超宽带相控阵天线，该阵列单元由水平放置的蝶形偶极子与垂直放置的带有槽线的金属贴片组成，垂直金属贴片的引入一方面在不增加天线横向尺寸的情况下拓宽了天线的最低工作频率，实现了天线的小型化设计，另一方面通过在垂直金属贴片上蚀刻一槽线以形成容性间隙，用来抵消偶极子有源输入阻抗在高频时的感性电抗分量，从而拓宽了天线的上限工作频率，这样就实现了天线的超宽带性能；
2、该阵列偶极子单元在工作频带内的输入阻抗接近50Ω，可以直接采用标准的50Ω同轴线缆馈电，不仅避免了使用复杂的阻抗匹配馈电网络，而且减小了因馈电网络引起的损耗以及节约了成本；
3、鱼骨状的十字型金属贴片与十字型金属壁消除了天线在工作频带内的共模谐振模式，缓解了限制天线带宽的低频环路模式，实现了天线的超宽带性能；
4、垂直放置的带有槽线的金属贴片实现了天线的宽角扫描阻抗匹配，相比于传统的覆盖于天线阵列上方较厚的介质匹配层，本发明实现了天线的低成本，低复杂度和轻量化设计；
5、十字型金属壁的支撑作用也使得天线辐射面与金属反射地板之间无需再填充起支撑作用的介质或泡沫，从而使天线具有较好的机械强度的同时，也大大降低了天线阵列的装配难度。
附图说明
图1为本发明实施例的一种高极化隔离度双极化紧耦合超宽带相控阵天线的立体结构示意图；
图2为本发明实施例的阵列单元的3D结构示意图；
图3为本发明实施例的阵列单元的俯视图；
图4为本发明实施例的阵列单元的侧视图；
图5为本发明实施例的单元E面，H面和D面在边射和45度扫描时全频段端口有源电压驻波比；
图6为本发明实施例的全阵列以及中心单元在边射时全频段有源电压驻波比；
图7为本发明实施例的单元加载和未加载十字型金属壁在边射和45度扫描时的极化隔离度；
图8为本发明实施例中单元E面在边射、30度扫描、45度扫描时主极化与交叉极化增益；
图9为本发明实施例中单元H面在边射、30度扫描、45度扫描时主极化与交叉极化增益；
图10为本发明实施例中单元D面在边射、30度扫描、45度扫描时主极化与交叉极化增益；
图中标记说明：水平偶极子单元1、50Ω同轴馈线2、金属反射地板3、十字型金属壁4、SMA连接器5、通孔6、水平放置的介质基板7、垂直放置的介质基板8、槽线9、垂直金属贴片10、微带线11、鱼骨状的十字型金属贴片12、间隙13。
具体实施方式
为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种高极化隔离度双极化紧耦合超宽带相控阵天线做进一步详细的描述。
图1所示为一种高极化隔离度双极化紧耦合超宽带相控阵天线的立体图，该图所示的阵列规模为8×8。
图2至图4所示为一种高极化隔离度双极化紧耦合超宽带相控阵天线的单元模型图，包括：水平放置的蝶形偶极子单元1、位于蝶形偶极子单元1下方竖直放置的同轴馈线2、位于蝶形偶极子单元1下方水平放置的金属反射地板3以及位于蝶形偶极子单元1下方垂直于金属反射地板3的十字型金属壁4；SMA连接器5穿过金属反射地板3上的通孔6与同轴馈线2相连接；所述蝶形偶极子单元1包括水平放置的介质基板7、垂直放置的介质基板8；所述水平放置的介质基板7下表面的蝶形偶极子单元1与垂直放置的介质基板8一面的带有槽线9的金属贴片10相连接；所述水平放置的介质基板7上表面的微带线11与同轴馈线2的内导体相连接；所述水平放置的介质基板7下表面的蝶形偶极子单元1与同轴馈线2的外导体相连接。鱼骨状的十字型金属贴片12与水平放置的介质基板7下表面的蝶形偶极子单元1末端之间有间隙13。
本发明不同于传统的偶极子单元形式，而是采用由水平放置的蝶形偶极子与垂直放置的带有槽线的金属贴片组成，垂直金属贴片的引入使得天线在不增加横向尺寸的情况下拓宽了其最低工作频率，实现了天线的小型化设计。通过进一步在垂直金属贴片上蚀刻一槽线以形成容性间隙，用来抵消偶极子有源输入阻抗在高频时的感性电抗分量，从而拓宽了天线的最高工作频率，最终实现了天线的超宽带性能。
本发明的偶极子单元的有源输入阻抗在较宽的工作频带内都接近50Ω，因此可直接采用标准的50Ω同轴馈线2对天线进行馈电，避免了使用复杂且损耗较大的馈电网络。
为了实现高极化隔离度，引入了十字型金属壁4，从而将天线的馈电部分屏蔽，极大地减少了天线单元极化之间的交叉耦合。
为了消除天线阵列工作频带内出现的共模谐振模式，引入了十字型金属壁4，而非采用传统的依赖于多层堆叠PCB的短路过孔技术。
为了缓解限制天线阵列带宽的低频环路模式，引入的十字型金属壁5与水平放置的介质基板7下表面的蝶形偶极子单元1末端之间有间隙13，从而产生耦合。
十字型金属壁4的引入使水平放置的介质基板与金属反射地板3之间无需填充任何介质或泡沫作为支撑，有利于减少天线的制造成本。
为了实现天线的宽角扫描阻抗匹配性能，天线单元引入了带有槽线9的垂直放置的金属贴片10，避免了使用传统的覆盖层作为宽角阻抗匹配层，从而极大地降低了天线的成本，重量和复杂度。
图5所示为本实施例单元E面，D面和H面在边射和45度扫描状态下的端口对应的驻波比特性，从图中可见，在驻波比要求小于3.5的情况下，本发明的偶极子在45度扫描范围内具有4.1:1(0.69-2.88GHz)的阻抗带宽。
图6所示为本实施例在边射状态下的端口对应的驻波比特性，从图中可见，在0.69-2.88GHz的频段内，本发明的偶极子单元组成的8×8面阵中心单元的测试驻波比小于3，全阵列的测试驻波比小于2。
图7所示为本实施例的偶极子单元在0.69-2.88GHz的频段内边射情况下加载和未加载十字型金属壁的极化隔离度对比。从图中可见，加载十字型金属壁时，天线单元在边射时的极化隔离度高于45dB，在扫描到45°时极化隔离度高于35dB,比未加载十字型金属壁时，分别对应提升了21dB和15dB。
图8所示为本实施例的偶极子单元在0.69-2.88GHz的频段内E面0度、30度以及45度扫描时的主极化与交叉极化情况。从图中可见，该相控阵天线单元在扫描到45°时具有-40dB以下的交叉极化特性。
图9所示为本实施例的偶极子单元在0.69-2.88GHz的频段内H面0度、30度以及45度扫描时的主极化与交叉极化情况。从图中可见，该相控阵天线单元在扫描到45°时具有-40dB以下的交叉极化特性。
图10所示为本实施例的偶极子单元在0.69-2.88GHz的频段内D面0度、30度以及45度扫描时的主极化与交叉极化情况。从图中可见，该相控阵天线单元在扫描到45°时具有-12dB以下的交叉极化特性。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
本申请实施例的术语“包括”、“具有”、“引入”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或模块的过程、方法、装置、产品或设备没有限定于已列出的步骤或模块，而是可选地还包括没有列出的步骤或模块，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或模块。
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。
Claims (8)
1.一种高极化隔离度双极化紧耦合超宽带相控阵天线，其特征在于，该相控阵天线由阵列排列的天线单元组成，每一个单元包括：水平放置的蝶形偶极子单元(1)、位于蝶形偶极子单元(1)下方竖直放置的同轴馈线(2)、位于蝶形偶极子单元(1)下方水平放置的金属反射地板(3)以及位于蝶形偶极子单元(1)下方垂直于金属反射地板(3)的十字型金属壁(4)；SMA连接器(5)穿过金属反射地板(3)上的通孔(6)与同轴馈线(2)相连接；所述蝶形偶极子单元(1)包括水平放置的介质基板(7)、垂直放置的介质基板(8)；所述水平放置的介质基板(7)下表面与垂直放置的介质基板(8)一面带有槽线(9)的金属贴片(10)相连接；所述水平放置的介质基板(7)上表面的微带线(11)与同轴馈线(2)的内导体相连接；所述水平放置的介质基板(7)下表面与同轴馈线(2)的外导体相连接。
2.根据权利要求1所述的一种高极化隔离度双极化紧耦合超宽带相控阵天线，其特征在于，所述水平放置的介质基板(7)，在其下表面的两组蝶形偶极子末端相交处之间镶嵌有鱼骨状的十字型金属贴片(12)。
3.根据权利要求2所述的一种高极化隔离度双极化紧耦合超宽带相控阵天线，其特征在于，所述水平放置的介质基板(7)下表面的末端与之镶嵌的鱼骨状的十字型金属贴片(12)之间有间隙(13)。
4.根据权利要求1所述的一种高极化隔离度双极化紧耦合超宽带相控阵天线，其特征在于，所述垂直于金属反射地板(3)的十字型金属壁(4)与水平介质基板(7)下表面的鱼骨状的十字型金属贴片(12)相接触。
5.根据权利要求1所述的一种高极化隔离度双极化紧耦合超宽带相控阵天线，其特征在于，所述垂直放置的介质基板(8)一面的金属贴片(10)蚀刻有槽线(9)。
6.根据权利要求1所述的一种高极化隔离度双极化紧耦合超宽带相控阵天线，其特征在于，所述同轴馈线(2)为标准的50Ω同轴线，SMA连接器(5)为标准的50ΩSMA连接器。
7.根据权利要求1所述的一种高极化隔离度双极化紧耦合超宽带相控阵天线，其特征在于，所述位于蝶形偶极子单元(1)下方垂直于金属反射地板(3)的十字型金属壁(4)的厚度为1.8mm。
8.根据权利要求1所述的一种高极化隔离度双极化紧耦合超宽带相控阵天线，其特征在于，所述水平放置的介质基板(7)为Rogers RO4003，介电常数为3.55，厚度为0.813mm；垂直放置的介质基板(8)为Rogers RO4003，介电常数为3.55，厚度为0.508mm。
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| CN202211435309.4A CN115764331A (zh) | 2022-11-16 | 2022-11-16 | 一种高极化隔离度双极化紧耦合超宽带相控阵天线 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117791149A (zh) * | 2024-01-18 | 2024-03-29 | 中国人民解放军战略支援部队航天工程大学 | 一种采用空间相位延迟技术的多极化反射单元及阵列天线 |
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2022
- 2022-11-16 CN CN202211435309.4A patent/CN115764331A/zh active Pending
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|---|---|---|---|---|
| CN117791149A (zh) * | 2024-01-18 | 2024-03-29 | 中国人民解放军战略支援部队航天工程大学 | 一种采用空间相位延迟技术的多极化反射单元及阵列天线 |
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