一种具有高隔离度的多端口微带贴片天线单元及相控阵

1.本发明属于天线技术领域，特别涉及一种具有高隔离度的多端口微带贴片天线单元及相控阵。


背景技术：

2.在现代无线通信中，带内全双工系统由于可以在同一频率下同时发送和接收，从而能够将频谱效率和系统容量提高一倍，因此其受到了越来越大的关注。然而，由于收发天线之间耦合较大以及单元尺寸较大等问题，导致全双工系统很难应用于相控阵。
3.为了解决收发天线之间耦合较大的问题，在过去的二十年里，研究人员提出了一些有效的方法。专利《基于贴片mimo天线的低剖面小型化去耦结构》(cn113178689a)公开了：通过在相邻的天线单元同一侧加载一种新型去耦结构，实现了两个贴片间18db的隔离，新型去耦结构包括微带谐振器、枝节和金属化过孔，微带谐振器设置在介质板的顶面，枝节从微带谐振器的中心延伸出来，金属化过孔一端与枝节相连，其另一端穿过介质板与金属地板相连。专利《一种应用于紧凑型mimo天线系统的超材料去耦结构》(cn214099909u)公开了：通过在相邻的天线单元中间加载一种超材料去耦结构，实现了两个贴片间21db的隔离，超材料去耦结构包括两列c型环单元，两列c型单元呈啮合排布，超材料去耦结构均设置在介质板的顶面。上述去耦方法应用于多个天线之间，以此方法实现的收发天线存在尺寸大、需要额外的去耦元件等问题，这也直接导致无法很好地应用于相控阵系统中。专利《一种双极化微带相控阵天线单元及其阵列》(cn112838360a)和专利《一种基于槽耦合结构的高隔离度双极化紧耦合相控阵天线单元》(cn113078460a)公开了两种相控阵天线，通过双极化的方式实现了两个通道。但是，对于超过两个通道的相控阵天线，目前难以通过较为简便的方式实现。


技术实现要素：

4.为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种具有高隔离度的多端口微带贴片天线单元及相控阵，该天线单元为四通道结构，能够保证端口间在不引入去耦元件或去耦电路的条件下具有高隔离度，且单元尺寸较小，进一步地，以此单元为基础实现了一种高通讯容量的相控阵天线。
5.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
6.一种具有高隔离度的多端口微带贴片天线单元，包括依次层叠的辐射贴片、介质层和金属地板，其特征在于，还包括加载部件；
7.所述辐射贴片由四个小单元组成，每个小单元对应设置一个端口；所述加载部件有四个，每个小单元通过一个加载部件与所述金属地板连接；
8.所述小单元呈正方形，边长为a；四个小单元关于天线中心呈旋转对称分布，相邻两个小单元之间的间距为b；所述四个小单元在任意一个端口激励时在所需频段能够激励起2个模式；沿着从低频指向高频的方向，2个模式分别为cm1、cm2；天线的中心工作频率波
长为λ；其中，0.208λ≤a≤0.215λ，0.218λ≤b≤0.224λ；
9.所述加载部件由用于拉近cm1和cm2谐振频率的短路金属组组成；每组所述短路金属组位于一个小单元的一条对角线上，四组短路金属组关于天线中心呈旋转对称分布。
10.在一个实施例中，所述具有高隔离度的多端口微带贴片天线单元还包括用于向辐射贴片馈电的探针；所述探针与所述小单元的连接点为馈电点，所述馈电点有四个，分别位于四个小单元上，每个馈电点位于一个小单元的另一条对角线上，且四个馈电点关于天线中心呈旋转对称。
11.在一个实施例中，在同一个小单元上，所述馈电点到小单元较近的顶点的距离为d3，所述馈电点到小单元较远的顶点的距离为d4，其中，0.111λ≤d3≤0.113λ，0.187λ≤d4≤0.189λ。
12.在一个实施例中，每组所述短路金属组由四个短路金属组成，两个在小单元的上半部分，另外两个在小单元的下半部分，位于上半部分的两个短路金属和位于下半部分的两个短路金属关于小单元的另一条对角线对称。
13.在一个实施例中，所述短路金属为直径r1的金属柱，每组所述短路金属组的四个短路金属呈一字型排列，位于小单元上半部分的两个短路金属之间的间距和位于下半部分的两个短路金属之间的间距都为d1，且最靠近小单元中心的两个短路金属之间的间距为d2，其中，0.012λ≤r1≤0.014λ、0.058λ≤d1≤0.061λ、0.117λ≤d2≤0.121λ。
14.在一个实施例中，所述辐射贴片的投影均落在所述金属地板上；所述介质层由介电常数为ε1的介质板构成，介质板的厚度为h1，长和宽都为c；金属地板附于介质板下方，长和宽也都为c，其中，4.3≤ε1≤4.5，0.057λ≤h1≤0.06λ，0.64λ≤c≤0.82λ。
15.本发明还提供了一种具有高通信容量的相控阵天线，由沿一条直线排列的八个所述的具有高隔离度的多端口微带贴片天线单元组成，每两个相邻天线单元之间设置一组缝隙，每组缝隙有两个对称的t型缝隙，t型缝隙的中间枝节为其短臂，底部枝节为其长臂，每组的两个t型缝隙仅其短臂布置于每两个相邻天线单元之间。
16.在一个实施例中，八个所述天线单元沿直线排列，相邻两个天线单元之间的间距为l，其中，0.488λ≤l≤0.49λ。
17.在一个实施例中，所述t型缝隙的长臂长度为w1，短臂长度为w2，两臂宽度均为w3，其中，0.126λ≤w1≤0.131λ，w2＝w1/2，0.011λ≤w3≤0.013λ。
18.在一个实施例中，所述介质层由介电常数为ε2的介质板构成，介质板厚度为h2，长和宽分别为l1和l2；金属地板附于介质板下方，长和宽分别为l1和l2，其中，4.3≤ε2≤4.5，0.057λ≤h2≤0.06λ，5.1λ≤l1≤5.4λ，1.6λ≤l2≤1.9λ。
19.与现有技术相比，本发明的有益效果是：形成一种高通讯容量的多端口天线单元及相控阵，未引入任何去耦元件或去耦电路，天线单元由于有四个通道，因此其通讯容量高，由于cm1和cm2叠加产生电场抵消效果，因此端口间隔离度高，相控阵天线由于有四个通道，因此通信容量高，由于使用了t型缝隙，因此扫描角度大，同时具有剖面低、结构简单，加工方便等特点，具有很大的实用意义。
附图说明
20.图1为本发明的一种具有高隔离度的多端口微带贴片天线单元的俯视示意图。
21.图2为本发明的一种具有高隔离度的多端口微带贴片天线单元的层状结构示意图。
22.图3是本发明实施例的一种具有高隔离度的四端口微带贴片天线单元的仿真和实测的s参数曲线图，其中，1端口和2端口分别为左上和右上小单元的两个端口，3端口和4端口分别为左下和右下小单元的两个端口。
23.图4是本发明实施例的一种具有高隔离度的四端口微带贴片天线单元的辐射方向图，其中，(a)为在3.5ghz处仿真和实测的45度面辐射方向图，(b)为在3.5ghz处仿真和实测的-45度面辐射方向图。
24.图5是本发明实施例的一种具有高隔离度的宽带四端口微带贴片天线在工作频带内的仿真和实测的增益曲线图。
25.图6为本发明的一种具有高通信容量的相控阵天线的俯视示意图。
26.图7为本发明的一种具有高通信容量的相控阵天线的层状结构示意图。
27.图8是本发明实施例的一种具有高通信容量的1*8相控阵天线的扫描方向图，其中，(a)为在3.5ghz处仿真和实测的扫描角为-70度时的辐射方向图，(b)为在3.5ghz处仿真和实测的扫描角为0度时的辐射方向图，(c)为在3.5ghz处仿真和实测的扫描角为45度时的辐射方向图。
28.其中，1-馈电点，2-短路金属组，3-辐射贴片，4-介质板，5-金属地板，6-t型缝隙。
具体实施方式
29.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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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做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。
30.实施例1
31.请参阅图1以及图2，一种具有高隔离度的多端口微带贴片天线单元，包括依次层叠的辐射贴片3、介质层4和金属地板5。在此基础上，该天线单元增设了加载部件。辐射贴片3通过加载部件与金属地板5连接。
32.辐射贴片3由四个小单元组成，每个小单元对应设置一个端口；加载部件的数目与小单元的数目相同并一一对应。即，加载部件亦有四个，每个小单元通过一个加载部件与金属地板5连接。各小单元呈正方形，边长为a；四个小单元关于天线中心呈旋转对称分布，本实施例中，为正方形阵列分布形式，相邻两个小单元之间的间距为b。该四个小单元在任意一个端口激励时在所需频段可以激励起2个模式，沿着从低频指向高频的方向，2个模式分别为cm1、cm2。天线的中心工作频率波长为λ，则辐射贴片3的参数需满足：0.208λ≤a≤0.215λ，0.218λ≤b≤0.224λ。
33.本发明中，每个加载部件为一组短路金属组2，各短路金属组2用于拉近cm1和cm2谐振频率。即短路金属组2设置有四组，分别位于四个所述小单元上，具体地，每组短路金属组2位于一个小单元的一条对角线上，四组短路金属组关于天线中心呈旋转对称分布。
34.示例地，本实施例中，每组短路金属组2由四个短路金属组成，在一个小单元上，两个短路金属在小单元的上半部分，另外两个短路金属在小单元的下半部分，并且位于上半
部分的两个和位于下半部分的两个关于小单元的另一条对角线对称。
35.由于cm1和cm2两个模式的叠加，能够在小单元的部分区域产生电场抵消效果。当左上小单元被激励时，在右下小单元的沿短路部件组所在直线分开的下三角区域能够实现电场抵消，因此右下小单元上的馈电点应放置在上述下三角区域，可以实现对角端口间的去耦。
36.因此，本实施例所形成的高通讯容量的多端口天线单元，未引入任何去耦元件或去耦电路，天线单元通讯容量高、端口间隔离度高，同时具有剖面低、结构简单，加工方便等特点，具有很大的实用意义。
37.实施例2
38.在上述实施例1结构的基础上，短路金属为直径r1的金属柱，每组短路金属组2中有四个金属柱，呈一字型排列，位于小单元上半部分的两个金属柱之间的间距和位于下半部分的两个金属柱之间的间距为都为d1，且最靠近小单元中心的两个金属柱之间的间距为d2，则其尺寸需满足：0.012λ≤r1≤0.014λ、0.058λ≤d1≤0.061λ、0.117λ≤d2≤0.121λ。在此结构下，谐振频率距离较远的cm1和cm2能够得到显著的靠近，通过cm1和cm2两个模式的叠加，产生的电场抵消效果能够有效抑制端口间的隔离度。
39.实施例3
40.在上述实施例1或实施例2结构的基础上，还增设了用于向辐射贴片3馈电的探针，探针与辐射贴片3之间的连接点为馈电点1，馈电点1共有四个，分别位于四个小单元上，每个馈电点1位于小单元除短路金属组2所在对角线以外的另一条对角线上，且四个馈电点1关于天线中心呈旋转对称。在此结构下，由于四个馈电点以及四个小单元的较好的对称性，有利于天线四个端口的同时匹配。
41.实施例4
42.在上述实施例3结构的基础上，馈电点1到小单元较近的顶点的距离为d3，馈电点1到小单元较远的顶点的距离为d4，其参数满足：0.111λ≤d3≤0.113λ，0.187λ≤d4≤0.189λ。馈电位置影响天线阻抗特性，在此结构和参数下，天线实现了较好的匹配。
43.实施例5
44.在上述实施例1或实施例2或实施例3或实施例4结构的基础上，辐射贴片3的投影均落在金属地板5上；介质层4由介电常数为ε1的介质板构成，介质板的厚度为h1，长和宽都为c；金属地板5附于介质板下方，长和宽也都为c，其参数满足：4.3≤ε1≤4.5，0.057λ≤h1≤0.06λ，0.64λ≤c≤0.82λ。介质板的介电常数和介质板的厚度能够有效影响天线的尺寸以及带宽。在此介质板介电常数下，天线的尺寸能够维持在0.47λ以下，以便于作为相控阵单元的使用。在此厚度下，天线能够实现5％以上的相对带宽。
45.实施例6
46.请参阅图6以及图7，一种具有高通信容量的相控阵天线，由沿一条直线排列的八个上述微带贴片天线单元组成，每两个相邻天线单元之间设置一组缝隙，即，一共七组缝隙，均设置在金属地板5上，每组缝隙有两个对称的t型缝隙6。t型缝隙的中间枝节为其短臂，底部枝节为其长臂，每组的两个t型缝隙6仅其短臂布置于每两个相邻天线单元之间。
47.由于cm1和cm2两个模式的叠加，能够在阵列中每个单元的部分区域产生电场抵消效果。当每个单元中的左上小单元被激励时，在右下小单元的沿短路部件组所在直线分开
的下三角区域能够实现电场抵消，因此右下小单元上的馈电点应放置在上述下三角区域，可以实现阵列每个单元对角端口间的去耦。
48.由于t型缝隙能够起到带阻的作用从而抑制单元间的相互耦合，进一步实现阵列扫描角度的提升。
49.由于单元的高通讯容量特性，阵列也具有高通讯容量的特性。因此，本实施例所形成的相控阵，具有阵列通讯容量高、端口间隔离度高，同时具有扫描角度大、剖面低、结构简单，加工方便等特点，具有很大的实用意义。
50.实施例7
51.在实施例6结构的基础上，八个天线单元沿直线排列，相邻两个单元之间的间距为l，其参数满足：0.488λ≤l≤0.49λ。当单元间距较小时，单元间隔离度会变得较差，而当单元间距较大时，相控阵扫描时的栅瓣又会变大。因此，选择合适的单元间距可以在保证一定的隔离度的条件下实现较小的栅瓣。在此结构和参数下，阵列实现了较好的隔离度和较小的栅瓣。
52.实施例8
53.在实施例6或实施例7结构的基础上，t型缝隙6的长臂长度为w1，短臂长度为w2，两臂宽度均为w3，其参数满足：0.126λ≤w1≤0.131λ，w2＝w1/2，0.011λ≤w3≤0.013λ。t型缝隙能够使单元间的隔离度得到有效降低，从而提升阵列的扫描范围。在此结构和参数下，天线实现了较大的扫描角。
54.实施例9
55.在实施例6或实施例7或实施例8结构的基础上，辐射贴片3的投影均落在金属地板5上；介质层4由介电常数为ε2的介质板构成，介质板厚度为h2，长和宽分别为l1和l2；金属地板5附于介质板下方，长和宽分别为l1和l2，其参数满足：4.3≤ε2≤4.5，0.057λ≤h2≤0.06λ，5.1λ≤l1≤5.4λ，1.6λ≤l2≤1.9λ。介质板的介电常数和介质板的厚度能够有效影响天线的尺寸以及带宽。在此介质板介电常数下，天线单元的尺寸能够维持在0.47λ以下，以便于作为相控阵单元的使用。在此厚度下，相控阵能够实现5％以上的相对带宽。
56.为进一步论述本发明的有益效果，利用仿真软件和测试方法对一个具有上述结构的四端口天线以及由此组成的相控阵进行s参数、天线方向图及增益的仿真和测试，测试结果如图3至5及图8所示。
57.图3为对实施例5(即实施例1到5的基础上)天线单元仿真和测试得到的s参数随工作频率变化的曲线。从图3中可以看出，端口表现出良好的匹配特性。仿真结果中端口反射系数低于-10db的频段为3.32ghz-3.64ghz；测试结果中端口反射系数低于-10db的频段为3.25ghz-3.60ghz，所测得的结果与仿真结果吻合较好，均满足3.4ghz-3.6ghz的频率范围。仿真和测试的端口间隔离度均表明，对角位置的两个端口之间(如1端口和4端口)的隔离度已经提升到16.5db以上。
58.图4是实施例5(即实施例1到5的基础上)的仿真和测试的45度面和-45度面的辐射方向图，其中，(a)为在3.5ghz处仿真和实测的45度面辐射方向图，(b)为在3.5ghz处仿真和实测的-45度面辐射方向图；从图4可以看出天线在频带内获得了顶端的辐射方向图，增益方向图分布较为稳定，工作性能稳定。
59.图5为实施例5(即实施例1到5的基础上)天线工作频带内的仿真和实测的增益曲
线图，如图5所示，天线在低频段最大增益仿真结果约为6.5dbi。
60.图8为实施例9(即实施例6到9的基础上)中相控阵的扫描方向图，如图8所示，当天线的扫描角为-70度时，天线的主波束增益为8.7dbi；当天线的扫描角为0度时，天线的主波束增益为11.7dbi；当天线的扫描角为45度时，天线的主波束增益为8.7dbi。天线能够实现-70度至45度的3db扫描角。
61.综上所述，本发明提供的一种具有高隔离度的宽带多端口微带贴片天线，具有通讯容量高，剖面低，结构简单，加工方便；无需引入额外的去耦元件或者电路，有效地去除多天线之间的耦合，在频段内增益保持在5dbi左右，增益方向图分布较为稳定、工作性能稳定。其次，本发明提供的一种具有高通信容量的相控阵天线，与单元相同，具有剖面低，结构简单，加工方便等特点，能够实现-70度到45度的扫描角度，工作性能稳定，具有很大的实用意义。
62.以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。