具有高極化隔離度的雙極化陣列天線的製作方法

2023-04-24 01:45:51 1

本發明涉及一種天線結構，特別是一種可應用於5G通信系統的具有高極化隔離度的雙極化陣列天線。

背景技術：

多輸入多輸出技術可以通過增加信道數來增大數據的容量，提高系統的自適應性，相比於增大頻段和功率的傳統做法有著巨大的優勢，成為即將到來的5G通信技術的重要組成部分。目前，隨著多輸入多輸出技術的進一步發展，對於元器件的互耦抑制提出了越來越高的要求。

現在已經有很多有效提升互耦抑制(極化隔離度)的方法，然而大部分的方法只能應用於單極化陣列天線；對於互耦抑制網絡，其所能提供的工作帶寬很窄，無法應用於寬帶的陣列天線。因此，設計一款可以應用於寬帶、雙極化緊湊陣列天線的互耦抑制結構顯得十分的重要。

技術實現要素：

鑑於此，本發明的目的是提供一種具有高極化隔離度的雙極化陣列天線，該天線利用超材料結構，通過在陣列天線陣元間添加互耦抑制結構，有效的提升了天線的極化隔離度，並且天線的其它性能保持良好。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的，一種具有高極化隔離度的雙極化陣列天線，包括兩輻射貼片、設置於兩輻射貼片之間的π形互耦抑制結構、寄生耦合的地板和接地容性加載環，所述接地容性加載環垂直的設置於寄生耦合的地板上，所述π形互耦抑制結構與接地容性加載環相互垂直設置。

進一步，該陣列天線還包括由上至下設置的上層介質基板、多層印刷電路板和下層金屬載板，所述上層介質基板和多層印刷電路板間形成空氣層，接地容性加載環位於空氣層內；兩輻射貼片設置於上層介質基板上，π形互耦抑制結構垂直的設置於上層介質基板上；所述寄生耦合的地板設置於多層印刷電路板的上層介質板上，寄生耦合的地板通過金屬柱與多層印刷電路板的下層地板連接，下層地板位於多層印刷電路板的下層介質板的下表面；接地容性加載環垂直的設置於寄生耦合的地板上；所述寄生耦合的地板上還設置有位於接地容性加載環兩側的溝槽結構。

進一步，所述π形互耦抑制結構包括多個平行設置的π形互耦抑制單元，所述接地容性加載環包括多個平行設置的接地容性加載環單元，所述π形互耦抑制單元與接地容性加載環單元垂直放置。

進一步，所述π形互耦抑制單元包括第一介質基板和對稱設置於第一介質基板兩側的第一枝節與第二枝節，所述第一枝節包括沿第一介質基板上邊緣設置的枝節I、垂直於枝節I且由枝節I向第一介質基板下邊緣延伸的枝節II、垂直於枝節II且由枝節II向第一介質基板左邊緣延伸的枝節III、垂直於枝節I且由枝節I向第一介質基板上邊緣延伸的枝節IV和垂直於枝節IV且由枝節IV向第一介質基板右邊緣延伸的枝節V。

進一步，所述枝節II與所述枝節IV關於第一枝節的縱向中軸線對稱，所述枝節III與枝節V關於第一枝節的縱向中軸線對稱。

進一步，所述接地容性加載環單元包括第二介質基板和設置於第二介質基板上的呈長方形的第三枝節，所述第三枝節的左側中部設置有裂口，所述第三枝節的上側中部向下彎折形成第一彎折部，所述第三枝節的下側中部向上彎折形成第二彎折部，所述第一彎折部與第二彎折部之間具有一定間隙；所述裂口的上端向右水平延伸形成枝節A，所述裂口的下端向右水平延伸形成枝節B。

進一步，所述裂口的寬度大於第一彎折部與第二彎折部之間的距離。

進一步，所述第一介質基板具有延伸部，所述延伸部由第一介質基板向下延伸至空氣層；所述延伸部上設置有多個用於接合第二介質基板的第一溝槽，所述第一溝槽由延伸部下邊緣向上邊緣延伸。

進一步，：所述第二介質基板上設置有第二溝槽，所述第二溝槽由第二介質基板的上邊沿向中間延伸。

進一步，所述多層印刷電路板上層介質板與下層介質板通過半固化片粘結組合而成；上下兩介質板之間設置有微帶饋線，所述微帶饋線通過穿過下層金屬載板的SMP連接器內芯進行饋電。

由於採用了上述技術方案，本發明具有如下的優點：

(1)天線為雙極化陣列天線，可以有效的增大所應用系統的數據容量，提高系統的自適應性；

(2)天線具有良好的匹配，可以涵蓋3.3-3.7GHz，百分比帶寬為11.4％，良好的應用於下一代移動通信技術；

(3)利用超材料技術，通過在陣列天線陣元間添加互耦抑制結構，使得天線的極化隔離度得到了約6dB的提升，交叉極化比保持良好；

(4)天線陣列布局為三角陣，陣元中心間距僅為0.631倍的自由空間工作波長，結構緊湊。

附圖說明

為了使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明作進一步的詳細描述，其中：

圖1為本發明具有高極化隔離度的雙極化陣列天線的整體結構三維視圖；

圖2為本發明具有高極化隔離度的雙極化陣列天線互耦抑制結構整體三維視圖；

圖3為本發明具有高極化隔離度的雙極化陣列天線單個π形互耦抑制結構的側視圖；

圖4為本發明具有高極化隔離度的雙極化陣列天線單個接地容性加載環的側視圖；

圖5為圖2的正視圖；

圖6為圖2的側視圖；

圖7為本發明具有高極化隔離度的雙極化陣列天線的溝槽單元的俯視圖；

圖8為本發明具有高極化隔離度的雙極化陣列天線陣元的各埠電壓駐波係數比曲線和陣元內部異極化(S12,S34)隔離度曲線圖；

圖9為本發明具有高極化隔離度的雙極化陣列天線兩陣元間的同極化隔離度(S13,S24)和異極化隔離度(S14,S23)曲線圖。

具體實施方式

以下將結合附圖，對本發明的優選實施例進行詳細的描述；應當理解，優選實施例僅為了說明本發明，而不是為了限制本發明的保護範圍。

圖1為本發明具有高極化隔離度的雙極化陣列天線的整體結構三維視圖，圖2為本發明具有高極化隔離度的雙極化陣列天線互耦抑制結構整體三維視圖。如圖1、2所示，該具有高極化隔離度的雙極化陣列天線包括由上至下設置的上層介質基板、多層印刷電路板7和下層金屬載板，所述上層介質基板和多層印刷電路板間形成空氣層3；所述上層介質基板上設置有兩輻射貼片1和垂直於上層介質基板設置的π形互耦抑制結構2，兩輻射貼片分別位於π形互耦抑制結構2的兩側並關於π形互耦抑制結構對稱；所述多層印刷電路板7的上層介質板上設置有寄生耦合的地板4，寄生耦合的地板通過金屬柱與印刷電路板的下層地板連接，下層地板位於多層印刷電路板的下層介質板的下表面，所述地板4上設置有兩個溝槽結構和垂直於地板設置的接地容性加載環5，兩個溝槽結構分別位於接地容性加載環的兩側，接地容性加載環5位於空氣層3內；所述π形互耦抑制結構2與接地容性加載環5相互垂直設置。

本發明通過在陣列天線陣元間添加互耦抑制結構，有效的提升了天線的極化隔離度，並且天線的其它性能保持良好。

其中，所述π形互耦抑制結構2包括多個平行設置的π形互耦抑制單元，所述接地容性加載環5包括多個平行設置的接地容性加載環，所述π形互耦抑制單元與接地容性加載環垂直放置。所述π形互耦抑制單元的方向平行於輻射貼片相鄰的邊所沿方向；接地容性加載環的方向垂直於輻射貼片相鄰的邊所朝方向。

在本實施例中，每組π形互耦抑制單元由蝕刻於介質基板兩面的兩個相同的π形結構組合而成，整體的π形互耦抑制結構由3組π形互耦抑制單元平行排列組成，相鄰兩組結構之間的距離為2.7-3.2mm。所述接地容性加載環由7個平行排列的接地容性加載環組成，相鄰接地容性加載環之間的距離為4.2-4.7mm，金屬柱的半徑為0.3-0.7mm。

圖3為本發明具有高極化隔離度的雙極化陣列天線單個接地容性加載環的側視圖；圖4為本發明具有高極化隔離度的雙極化陣列天線單個π形互耦抑制結構的側視圖；圖5為本發明具有高極化隔離度的雙極化陣列天線互耦抑制結構整體的正視圖；圖6為本發明具有高極化隔離度的雙極化陣列天線互耦抑制結構整體的側視圖。

如圖3所示，所述π形互耦抑制單元包括第一介質基板21和對稱設置於第一介質基板兩側的第一枝節與第二枝節，所述第一枝節包括沿第一介質基板上邊緣設置的枝節I22、垂直於枝節I且由枝節I向第一介質基板下邊緣延伸的枝節II23、垂直於枝節II且由枝節II向第一介質基板左邊緣延伸的枝節III24、垂直於枝節I且由枝節I向第一介質基板上邊緣延伸的枝節IV25和垂直於枝節IV且由枝節IV向第一介質基板右邊緣延伸的枝節V26。

優選的，所述枝節II23與枝節IV25間有一定的距離，具體地，枝節II23位於第一介質基板的左側，枝節IV25位於第一介質基板的右側，且枝節II23與所述枝節IV25關於第一枝節的縱向中軸線對稱，另一方面所述枝節III24與枝節V26關於第一枝節的縱向中軸線對稱。枝節III24的末端與第一介質基板左側邊緣的距離和枝節V26的末端與第一介質基板右側邊緣的距離相等。在本實施例中，第一枝節、枝節I、枝節II、枝節III、枝節IV和枝節V的寬度為0.3-0.7mm。可選地，第一枝節、枝節I、枝節II、枝節III、枝節IV和枝節V的寬度相同，覆銅薄膜厚度相同。

如圖4所示，所述加載環單元包括第二介質基板51和設置於第二介質基板上的呈長方形的第三枝節，所述第三枝節的左側中部設置有裂口52，所述第三枝節的上側中部向下彎折形成第一彎折部53，所述第三枝節的下側中部向上彎折形成第二彎折部54，所述第一彎折部與第二彎折部之間具有一定間隙；所述裂口的上端向右水平延伸形成枝節A55，所述裂口的下端向右水平延伸形成枝節B56。

優選的，所述裂口的寬度大於第一彎折部與第二彎折部之間的距離。

優選的，所述第一介質基板和第二介質基板均為長方形，第一介質基板和第二介質基板的厚度為0.508mm，選用的材料為Arlon AD450，相對介電常數4.5，損耗角正切為0.0035。

如圖5、6所示，作為對本發明的改進，所述第一介質基板具有延伸部28，所述延伸部由第一介質基板向下延伸至空氣層；所述延伸部上設置有多個用於接合第二介質基板的第一溝槽27，所述第一溝槽由延伸部下邊緣向上邊緣延伸。

所述第二介質基板上設置有第二溝槽(圖中未示出)，所述第二溝槽由第二介質基板的上邊沿向中間延伸。需要注意的是，當第二介質基板上也設置有溝槽的時候，溝槽的深度不能過大，防止第二介質基板與第一介質基板在相接時，第一介質基板破壞第二介質基板上的枝節部分。

作為對本實施例的改進，所述溝槽結構包括兩溝槽單元，所述溝槽單元包括兩端部41以及連接兩端部的連接部42，所述端部的端面到連接部逐漸減小，所述溝槽的邊緣設置有若干金屬柱；所述溝槽單元同時關於橫向中軸線與縱向中軸線對稱，溝槽結構的其中一溝槽單元的縱向中軸線與另一溝槽單元的縱向中軸線垂直。

作為對本實施例的改進，所述多層印刷電路板的上層介質板與下層介質板通過半固化片粘結組合而成；上下兩介質板中間設置有微帶饋線，所述微帶饋線6通過穿過下層金屬載板的SMP連接器內芯進行饋電。

作為對本實施例的改進，所述空氣層的厚度為5.8-6.2mm。

在本發明中，所述輻射貼片、寄生耦合的地板、條形微帶饋線均為厚度相同的覆銅薄膜。

為了對本發明所述的具有高極化隔離度的雙極化陣列天線進行優化，使用高頻電磁仿真軟體HFSS15.0進行仿真分析，經過仿真優化之後得到各項參數尺寸如下表所示：

參照附圖3、4，W1代表接地容性加載環的總寬度；L1代表接地容性加載環的高度；g1代表接地容性加載環裂口的寬度；W6代表π形互耦抑制單元上端第一枝節的長度；L4代表π形互耦抑制單元的枝節IV的長度。

表1本發明各參數最佳尺寸表

依照上述參數，使用HFSS對所設計的具有高極化隔離度的雙極化陣列天線的電壓駐波係數比(VSWR)和互耦抑制(同極化、異極化)特性參數進行仿真分析，其分析結果如下：

圖8為本發明的仿真得到的VSWR和各陣元內部異極化特性(S12,S34)隨頻率變化的曲線圖。如圖所示，所設計的天線在滿足VSWR<1.5的情況下，工作帶寬可以涵蓋3.3-3.7GHz，各個陣元內部的異極化隔離度達到31.74dB；圖9為仿真的天線兩個陣元間的同極化(S13,S24)、異極化特性(S14,S23)隨頻率變化的曲線圖。如圖所示，天線在3.3-3.7GHz工作頻段同極化隔離度為25.02dB，兩陣元間異極化隔離度為30.5dB。可見加入互耦抑制結構，在提升陣列天線極化隔離度的同時，本身的匹配等性能都保持良好。

以上所述僅為本發明的優選實施例，並不用於限制本發明，顯然，本領域的技術人員可以對本發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和範圍。這樣，倘若本發明的這些修改和變型屬於本發明權利要求及其等同技術的範圍之內，則本發明也意圖包含這些改動和變型在內。