一种具有高隔离度和低交叉极化水平的天线对

1.本发明属于通信技术领域，涉及一种天线，具体地说涉及一种具有高隔离度和低交叉极化水平的天线对。


背景技术：

2.作为通信系统中最前端的器件，天线性能的优劣会直接影响通信系统的整体性能，随着无线通信技术的快速发展，为满足收发信号的需要和通信容量的需求，多天线技术在各种类型的无线通信/感应系统中得到了广泛应用。例如，通常情况下，连续波雷达感应系统需要至少两个天线，其中一个用于发射电磁波，另一个用于接收反射回来的电磁波，用于发射电磁波的天线与用于接收反射电磁波的天线之间的间距和隔离度会直接影响雷达感应系统的性能。
3.近年来，本领域国内外研究学者做了大量研究工作，以解决改善两个紧凑摆放的天线间的隔离度的问题，如文献《improving isolation between closely spaced patch antennas using interdigital lines》(h.qi,et al.,ieee antennas and wireless propagation letters,vol.15,pp.286
–
289,2016)公开了：在两个矩形贴片天线的非辐射边加载交指解耦结构，可有效地解决相邻两个天线的能量互偶问题，带内的隔离度由原来的6db被提高至20db以上。然而，这一文献公开的技术内容客观存在如下技术问题：交指解耦结构的引入改变了极化电流分布，使得天线的交叉极化水平急剧升高。文献《two-port same-polarized patch antenna based on two out-of-phase tm10 modes for access-point mimo antenna application》(k.-l.wong,et al.,ieee antennas and wireless propagation letters,vol.20,no.4,pp.572-576,april 2021)公开了：通过增加矩形贴片天线的剖面高度，使得由探针1激励的tm01模的电场零点偏离中心位置，在该位置上引入第二个激励端口，激励起与其反相的tm01模，达到了端口隔离度高、辐射方向图极化相同的目的。但是该天线存在剖面过高，且两天线的辐射波束向相反的方向偏移、难以满足无线通信/感应系统对结构和性能的要求的问题。
4.有鉴于此，有必要对现有技术的多天线技术予以进一步改进。


技术实现要素：

5.为此，本发明所要解决的技术问题在于现有多天线技术存在交叉极化水平高、两天线辐射波束方向相反、难以满足无线通信/感应系统应用，从而提出一种同时具有高隔离度和低交叉极化水平且辐射波束极化形式相同且形状一致的天线对。
6.为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：
7.本发明提供一种具有高隔离度和低交叉极化水平的天线对，其包括介质基板，所述介质基板表面设置有间隔分布的第一辐射贴片和第二辐射贴片，所述第一辐射贴片与所述第二辐射贴片的截面图形为半圆环状，所述介质基板远离所述第一辐射贴片和第二辐射贴片的一侧设置有一金属地板，所述第一辐射贴片通过第一短路销钉组和第一馈电探针与
所述金属地板连接，所述第二辐射贴片通过第二短路销钉组和第二馈电探针与所述金属地板连接；所述第一辐射贴片与所述第二辐射贴片之间通过间隔设置的第一支节与第二支节连接。
8.作为优选，所述介质基板为圆形板，所述第一辐射贴片和第二辐射贴片设置于所述介质基板表面中央，且所述第一辐射贴片与所述第二辐射贴片相对于所述介质基板的圆心呈中心对称，所述第一辐射贴片与所述第二辐射贴片相对于所述介质基板的x轴向的直径所在的平面和y轴向的直径所在的平面均呈对称设置。
9.作为优选，所述金属地板与所述介质基板间隔设置，且所述金属地板为圆形板，其直径与所述介质基板的直径相同。
10.作为优选，所述介质基板和所述金属地板的直径大于所述第一辐射贴片和所述第二辐射贴片的外径。
11.作为优选，所述第一短路销钉组与所述第二短路销钉组相对于所述介质基板y轴向的直径所在的平面对称设置；所述第一短路销钉组包括间隔设置的第一短路销钉和第二短路销钉，所述第一短路销钉与所述第二短路销钉相对于所述第一辐射贴片x轴向的直径所在的平面对称设置，且所述第一短路销钉、第二短路销钉一端连接于所述第一辐射贴片，另一端贯穿所述介质基板连接于所述金属地板；所述第二短路销钉组包括间隔设置的第三短路销钉和第四短路销钉，所述第三短路销钉与所述第四短路销钉相对于所述第二辐射贴片的x轴向的直径所在的平面对称设置，且所述第三短路销钉、第四短路销钉一端连接于所述第二辐射贴片，另一端贯穿所述介质基板连接于所述金属地板。
12.作为优选，所述第一馈电探针一端连接于所述第一辐射贴片，另一端贯穿所述介质基板和金属地板连接于第一激励源；所述第二馈电探针一端连接于所述第二辐射贴片，另一端贯穿所述介质基板和金属地板连接于第二激励源。
13.作为优选，所述第一支节与所述第二支节的截面图形呈矩形，所述矩形的长度为所述第一辐射贴片与所述第二辐射贴片的间距，所述矩形的宽度小于所述天线工作波长的十分之一。
14.作为优选，所述介质基板与所述金属地板平行设置，且所述介质基板与所述金属地板之间具有空气介质层。
15.作为优选，所述第一馈电探针与所述第一激励源通过第一sma接头连接，所述第二馈电探针与所述第二激励源通过第二sma接头连接。
16.作为优选，所述第一辐射贴片、所述第二辐射贴片的材质为铜。
17.本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
18.本发明提供的具有高隔离度和低交叉极化水平的天线对，包括介质基板，介质基板表面设置有间隔分布的第一辐射贴片和第二辐射贴片，第一辐射贴片与所述第二辐射贴片的截面图形为半圆环状，介质基板远离第一辐射贴片和第二辐射贴片的一侧设置有一金属地板，第一辐射贴片通过第一短路销钉组和第一馈电探针与金属地板连接，第二辐射贴片通过第二短路销钉组和第二馈电探针与金属地板连接；第一辐射贴片与所述第二辐射贴片之间通过间隔设置的第一支节与第二支节连接。第一辐射贴片、第二辐射贴片设置为相对设置的两个半圆环状结构，且通过第一支节和第二支节将第一辐射贴片与第二辐射贴片连接，半圆环形的第一辐射贴片和第二辐射贴片工作于全波模式，第一支节和第二支节的
设置使得两个馈电端口差分和共模激励下的谐振频率重叠，并保证良好的匹配，从而第一辐射贴片和第二辐射贴片在带内的隔离度得到了有效提升；通过上述设置，使得差分和共模激励下的模式q值接近相同，可进一步保证第一辐射贴片和第二辐射贴片在更宽的频率范围内具有高隔离度。另外，通过引入第一短路销钉组和第二短路销钉组，可以有效减弱x轴方向的极化电流，降低了交叉极化水平。
附图说明
19.为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
20.图1是本发明实施例提供的具有高隔离度和低交叉极化水平的天线对的俯视图；
21.图2是本发明实施例提供的具有高隔离度和低交叉极化水平的天线对的侧视图；
22.图3是本发明实施例提供的具有高隔离度和低交叉极化水平的天线对的反射系数和传输系数测试图；
23.图4是本发明实施例提供的具有高隔离度和低交叉极化水平的天线对在设置第一短路销钉组、第二短路销钉组前后h面上的交叉极化辐射方向图；
24.图5是本发明实施例提供的具有高隔离度和低交叉极化水平的天线对中第一辐射贴片的e面和h面辐射方向图；
25.图6是本发明实施例提供的具有高隔离度和低交叉极化水平的天线对中第二辐射贴片的e面和h面辐射方向图。
26.图中附图标记表示为：1-介质基板；2-第一辐射贴片；3-第二辐射贴片；4-金属地板；5-第一短路销钉组；501-第一短路销钉；502-第二短路销钉；6-第一馈电探针；7-第二短路销钉组；701-第三短路销钉；702-第四短路销钉；8-第二馈电探针；9-第一支节；10-第二支节；11-第一sma接头；12-第二sma接头。
具体实施方式
27.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
28.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是本发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
29.本发明的“第一”、“第二”等，仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
30.在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
31.实施例
32.本实施例提供一种具有高隔离度和低交叉极化水平的天线对，请参阅图1-图2，该具有高隔离度和低交叉极化水平的天线对包括介质基板1，介质基板1的表面设置有间隔且相对设置的第一辐射贴片2和第二辐射贴片3，其中第一辐射贴片2和第二辐射贴片3的截面图形为半圆环状，第一辐射贴片2与第二辐射贴片3的圆心在水平方向相邻设置，使得第一辐射贴片2与第二辐射贴片3相对设置，形成一组天线对，介质基板1远离第一辐射贴片2和第二辐射贴片3的一侧设置有一金属地板4，第一辐射贴片2通过第一短路销钉组5和第一馈电探针6与金属地板4连接，第二辐射贴片3通过第二短路销钉组7和第二馈电探针8与金属地板4连接，第一辐射贴片2与第二辐射贴片3通过间隔设置的第一支节9和第二支节10连接。
33.本实施例提供的具有高隔离度和低交叉极化水平的天线对，其高隔离度和低交叉极化水平是通过如下方式实现的：通过在介质基板1的表面设置间隔且相对设置的半圆环性第一辐射贴片2和第二辐射贴片3，并通过间隔设置的第一支节9和第二支节10将第一辐射贴片2与第二辐射贴片3连接，半圆环形的第一辐射贴片2和第二辐射贴片3工作于全波模式，通过引入第一支节9和第二支节10，使得两个馈电端口差分和共模激励下的谐振频率重叠，并能保证良好的匹配，此时第一辐射贴片2和第二辐射贴片3在带内的隔离度得到了有效提升，同时，差分和共模激励下的模式q值近乎相同，从而进一步保证了第一辐射贴片2和第二辐射贴片3在更宽的频率范围内都具有较高的隔离度。另外，工作于全波模式的半圆环状第一辐射贴片2和第二辐射贴片3，其正交分解在x轴方向的极化电流的辐射会增大h面的交叉极化水平，而本实施例中，通过采用第一短路销钉组5和第二短路销钉组7，分别使第一辐射贴片2和第二辐射贴片3与金属地板4连接，可有效减弱x轴方向上的极化电流，从而达到降低交叉极化水平的效果。
34.本实施例中，半圆形的第一辐射贴片2和第二辐射贴片3结构相同，且位置对称，具体地，介质基板1为圆形板，第一辐射贴片2和第二辐射贴片3相对设置于圆形介质基板1的中央，且第一辐射贴片2和第二辐射贴片3的圆心具有间隔，使得第一辐射贴片2和第二辐射贴片3间隔设置，第一辐射贴片2和第二辐射贴片3相对于介质基板1的圆心呈中心对称设置，且第一辐射贴片2与第二辐射贴片3相对于介质基板x轴向的直径所在的平面、y轴向的直径所在的平面呈对称设置(如图1所示)，可以理解地，x轴方向指图1中标示的水平方向，y轴方向指图1中指示的竖直方向。如此设置，使得第一辐射贴片2和第二辐射贴片3在结构上完全对称，进而使第一辐射贴片2和第二辐射贴片3的反射系数完全重叠。
35.第一辐射贴片2和第二辐射贴片3通过第一支节9和第二支节10连接，第一支节9和第二支节10平行且等距分布于介质基板1的x轴方向直径的两侧，第一支节9、第二支节10的截面图形均呈矩形，两个矩形结构和尺寸相同，且相对于介质基板1的x轴方向的直径所在的平面对称设置，矩形第一支节9、第二支节10的长度均为第一辐射贴片2与第二辐射贴片3之间的间距，宽度小于天线工作波长的十分之一，本实施例中具体优选为1-2mm，形成宽度较窄的支节结构。
36.金属地板4设置于介质基板1远离第一辐射贴片2和第二辐射贴片3的一侧，即如图2所示，第一辐射贴片2、第二辐射贴片3设置于介质基板1的顶面，金属地板4间隔设置于介质基板1的底部，且金属地板4与介质基板1平行设置，金属地板4的形状与介质基板1相同，
也为圆形板，金属地板4的直径与介质基板1的直径相同，从而使金属地板4与介质基板1形状、尺寸均相同。介质基板1和金属地板4的直径尺寸大于第一辐射贴片2和第二辐射贴片3的外直径，从而第一辐射贴片2与第二辐射贴片3以及二者之间的间隔的面积之和小于介质基板1的面积。
37.为使第一辐射贴片2、第二辐射贴片3与金属地板4之间保持良好的电连接，第一短路销钉组5包括间隔设置的第一短路销钉501和第二短路销钉502，第一短路销钉501与第二短路销钉502相对于第一辐射贴片2、第二辐射贴片3以及介质基板1的x轴方向的直径所在的平面对称设置，第一短路销钉501和第二短路销钉502均一端连接于第一辐射贴片2，另一端贯穿介质基板1连接于金属地板4，从而使第一短路销钉501、第二短路销钉502的上下表面分别与第一辐射贴片2和金属地板4实现良好的电连接。
38.第二短路销钉组7包括间隔设置的第三短路销钉701和第四短路销钉702，第三短路销钉701与第四短路销钉702相对于第一辐射贴片2、第二辐射贴片3以及介质基板1的x轴方向的直径所在的平面对称设置，且第一短路销钉501、第二短路销钉502的间距与第三短路销钉701和第四短路销钉702的间距相同，使得第一短路销钉组5与第二短路销钉组7相对于介质基板1的y轴方向的直径所在的平面对称设置。第三短路销钉701、第四短路销钉702一端连接于第二辐射贴片3，另一端贯穿介质基板1连接于金属地板4，从而使第三短路销钉701、第二短路销钉702的上下表面分别与第二辐射贴片3和金属地板4实现良好的电连接。
39.第一辐射贴片2、第二辐射贴片3还分别通过第一馈电探针6和第二馈电探针8与金属地板4连接，在x轴方向，第一馈电探针6设置于第一短路销钉组5远离第二辐射贴片3的一侧，第二馈电探针8设置于第二短路销钉组7远离第一辐射贴片2的一侧，第一馈电探针6、第二馈电探针8相对于介质基板1的y轴方向直径所在的平面对称设置。第一馈电探针6一端连接于第一辐射贴片2，另一端贯穿介质基板1和金属地板4连接于第一激励源，第二馈电探针8一端连接于第二辐射贴片3，另一端贯穿介质基板1和金属地板4连接于第二激励源，形成天线的馈电结构。其中，为实现与外部激励源的连接，第一馈电探针6通过第一sma接头11连接于第一激励源，第二馈电探针8通过第二sma接头12连接于第二激励源。第一馈电探针6顶部连接于第一辐射贴片2，底部依次贯穿介质基板1和金属地板4后连接于第一sma接头11，第二馈电探针8顶部连接于第二辐射贴片3，底部依次贯穿介质基板1和金属地板4后连接于第二sma接头12。
40.通过第一短路销钉组5、第二短路销钉组7、第一馈电探针6、第二馈电探针8上下两端的支撑连接，使得介质基板1与金属地板4间隔且平行设置，在介质基板1与金属地板4之间的间隔中，填充有空气介质层。
41.为实现良好的隔离性、低交叉极化水平，本实施例中，第一辐射贴片2、第二辐射贴片3采用铜材质，第一支节9和第二支节10可采用具有导电性能的金属材质，本实施例中也优选为铜材质。
42.实验例
43.1、测试上述实施例提供的具有高隔离度和低交叉极化水平的天线对的反射系数和传输系数，测试结果如图3所示，图中，曲线s11指第一辐射贴片2的端口反射系数曲线，曲线s22为第二辐射贴片3的端口反射系数曲线，从图3可以看出，由于第一辐射贴片2、第二辐射贴片3完全对称设置，使得两个辐射贴片形成的两个天线反射系数完全重叠，即曲线s11
与s22是重叠的，并在3.6ghz频率附近实现了良好的匹配。曲线s21为第一辐射贴片2到第二辐射贴片3的端口传输系数曲线，。从两天线的传输系数可看出，两个天线在工作频带内的传输系数值均小于-30db，说明了第一辐射贴片2、第二辐射贴片3所形成的两个天线实现了非常好的端口隔离，能够良好地满足雷达感应系统对性能的要求。
44.2、测试上述实施例提供的具有高隔离度和低交叉极化水平的天线对分别在设置第一短路销钉组5、第二短路销钉组7的前后，h面(磁面)上的交叉极化辐射方向图，测试结果如图4所示，从图4可以看出，设置第一短路销钉组5和第二短路销钉组7后，h面上的交叉极化水平降低了8.8db，交叉极化水平得到了有效抑制。
45.3、分别测试第一辐射贴片2的e面(电面)和h面(磁面)辐射方向图，测试结果如图5所示，分别测试第二辐射贴片3的e面和h面辐射方向图，测试结果如图6所示。从图5-图6的测试图可看出，第一辐射贴片2和第二辐射贴片3的辐射波束均朝正上方辐射，峰值增益高达10.2dbi，除此之外，由于在天线中设置了第一短路销钉组5和第二短路销钉组7，第一辐射贴片2和第二辐射贴片3在h面上的交叉极化比大于20db。
46.由上述测试结果可看出，本实施例提供的具有高隔离度和低交叉极化水平的天线对，第一辐射贴片2、第二辐射贴片3能够在紧凑的放置条件下，实现了高端口隔离度、高辐射增益、高极化纯度、低交叉极化水平的技术效果，同时还具有辐射波束极化相同、形状一致等优势，从而能够满足雷达感应系统对结构和性能的要求。
47.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。