应用于双极化天线阵列的去耦天线罩及天线装置的制作方法

1.本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种应用于双极化天线阵列的去耦天线罩及天线装置。


背景技术：

2.5g通信系统中运用了许多新的关键技术，大规模天线阵列(massive mimo)技术便是其中之一。massive mimo技术的一个最大的特点就是要在有限的空间内排列尽可能多的天线振子，而在基站架设的过程中，考虑到实际空间情况以及成本，给天线预留的空间位置往往是固定的，所以massive mimo技术对天线阵列就提出了小型化、紧凑排列的要求。但天线振子数量的增加以及其间距的缩小，势必会恶化相邻端口之间的隔离度，从而影响通信系统的信道容量和通信质量。因此如何在保证天线阵列辐射特性不变的前提之下改善阵列相邻端口之间的隔离度，在工程应用上具有重要意义。目前应用较多的去耦结构有对消型、带阻滤波型、模式变换型，以上这些去耦结构在改善隔离度的同时往往会恶化其他指标，比如回波损耗、交叉极化、方向图等，这就使得通信系统的性能在不同程度上受到影响。
3.如中国专利申请号是“cn201711063649.8”、名称为“一种利用电磁超材料的mimo天线去耦方法”中，介绍了一种利用电磁超材料的mimo天线去耦方法，具体做法是在两个天线单元之间的耦合效应最强的区域适当的连接去耦超材料单元，所谓去耦超材料单元是具有特定结构的金属微带贴片。但该技术由于需要在天线单元之间添加额外的去耦结构，这种去耦方法对天线单元之间的距离也有一定的要求，其不能小于去耦超材料单元的尺寸，否则将无法利用这种去耦方法。
4.再如“ka频段阵列天线的去耦结构设计”中公开的一种应用于ka频段的新型去耦结构，是在两个天线单元之间通过建立“d”形共面紧凑型电磁带隙(uc-ebg)结构达到去耦效果，但这种去耦结构产生了感应电流之后会向外辐射电磁场，这势必会影响天线阵原本的辐射特性。


技术实现要素：

5.本发明实施例的主要目的在于提出一种应用于双极化天线阵列的去耦天线罩，在保证天线阵列辐射特性不变的前提下提高天线阵列中相邻天线单元端口间的隔离度，且不影响天线阵列本身的辐射特性，此外，本发明还提供一种具有上述去耦天线罩的天线装置。
6.为实现上述目的，本发明提供的应用于双极化天线阵列的去耦天线罩包括：用于安置在天线阵列上方的天线罩；设置在天线罩上的金属贴片阵列，其每个金属贴片单元由亚波长结构的电磁超材料制成，用于减少天线阵列中相邻天线单元之间的耦合波。
7.其中，所述天线罩和所述天线阵列之间的距离为天线工作波长的0.15-0.45倍。
8.其中，所述金属贴片阵列中的相邻两行金属贴片单元之间的行距为天线工作波长的0.09-0.13倍。
9.其中，所述金属贴片阵列中的相邻两列金属贴片单元之间的列距为天线工作波长
的0.09-0.13倍。
10.其中，所述天线阵列中各天线单元上方分布的金属贴片单元的数量相同。
11.其中，所述金属贴片单元为呈十字形的贴片单元、呈圆形的贴片单元、呈方形的贴片单元、呈环形的贴片单元中的一种或多种。
12.其中，所述呈十字形的贴片单元包括：用于提供反射波的主要反射片；用于减小耦合波或者用于调整反射波的多个辅助反射片。
13.优选的，所述多个辅助反射片设置在所述主要反射片的外周。
14.其中，所述主要反射片包括交叉成十字形的四条臂，所述多个辅助反射片包括分别位于所述主要反射片四条臂延长线上的四个辅助反射片。
15.此外，本发明还提供一种天线装置，包括双极化天线阵列和如上所述的去耦天线罩。
16.本发明提出的应用于双极化天线阵列的去耦天线罩和天线装置，具有如下优点：
17.本发明的去耦天线罩，能够在保证天线阵列辐射特性不变的前提下提高天线阵列中端口间隔离度，具有一定的普遍性，
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45
°
双极化的天线皆可使用，且对于不同频率的天线阵列，相应改变天线罩与天线阵列的间距以及金属贴片阵列中相邻贴片单元的间距即可实现提高隔离度的目的，并且，在提高隔离度的同时还不影响天线阵列本身的辐射特性，从而不会恶化通信系统的性能。
附图说明
18.图1是本发明实施例的去耦天线罩的工作示意图；
19.图2是本发明十字形贴片单元的结构示意图；
20.图3是本发明十字形贴片单元去耦天线罩的工作原理示意图；
21.图4是采用图2所示贴片单元时反射损耗s11参数的仿真结果示意图；
22.图5是采用图2所示贴片单元时相邻天线单元间同极化隔离度的仿真结果示意图；
23.图6是采用图2所示贴片单元时同一天线单元中异极化隔离度的仿真结果示意图；
24.图7是采用图2所示贴片单元时方向图e面(即phi＝0
°
切面)和h面(即phi＝90
°
切面)的对比图；
25.图8是本发明实施例天线罩与天线阵列间距的示意图；
26.图9是本发明实施例金属贴片阵列中相邻贴片单元的行距与列距的示意图；
27.图10是本发明方形的环形贴片单元的结构示意图；
28.图11是本发明圆形贴片单元的结构示意图；
29.图12是本发明圆环形贴片单元的结构示意图；
30.图13是本发明十字形与方形贴片单元组合形成的复合型贴片单元的结构示意图；
31.图14是本发明方形与环形贴片单元组合形成的复合型贴片单元的结构示意图。
具体实施方式
32.如图1所示，为本发明提供的应用于双极化天线阵列的去耦天线罩的工作示意图，由图可知，本发明的去耦天线罩包括：用于安置在天线阵列上方的天线罩2；设置在天线罩2上的金属贴片阵列，其每个金属贴片单元1由亚波长结构的电磁超材料制成(采用现技术材
料)，用于减少天线阵列中相邻天线单元3之间的耦合波。
33.本发明的去耦天线罩在传统天线罩上添加周期性的金属贴片单元(周期性是指多个金属贴片单元以一定的行距和列距均布在天线罩上)，这些贴片单元由亚波长结构的电磁超材料制成，通过调节这些金属贴片单元的行距、列距以及天线罩与天线阵列间的间距，保证天线单元辐射特性与电特性基本不变的前提下，增加天线阵列中相邻天线单元的隔离度。
34.其中，去耦天线罩的工作示意图如图1、图3所示，图中天线罩2可采用厚度为3mm的聚四氟乙烯板材f4b，相对介电常数为2.2，天线罩2上设置金属贴片阵列，包括多个金属贴片单元1，为了使金属贴片单元对原始天线阵列的辐射特性的干扰最小化，尽可能避免共振效应，在设计金属贴片阵列的时候尽量采用由多个小型金属贴片单元组合而成的形式，而不是采用连成一片的大面积贴片，因为当金属贴片单元的最大尺寸小于天线工作波长的三分之一时，能最大程度的避免共振效应。天线罩下方是需要去耦的天线阵列，其天线单元为
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45
°
双极化天线单元，工作频段可采用2515—2675mhz。本发明去耦天线罩可直接应用于上述频段的同类型天线阵列。
35.天线罩与天线阵列之间的间距h对于去耦的效果有着很大的影响，h决定了反射波(即图3中波束(4)和波束(5)的相位)，只有反射波的相位与天线单元间耦合波的相位相差180
°
时天线罩才能最大程度的降低耦合度。因此，本发明中，天线罩2和天线阵列之间的距离h(如图8所示)采用天线单元3波长的0.15-0.45倍。
36.而金属贴片阵列中相邻金属贴片单元的行距与列距在一定程度上也会影响天线罩的去耦性能，因此，设计时，本发明中金属贴片阵列中的相邻两行金属贴片单元1之间的行距d2采用天线单元3波长的0.09-0.13倍，金属贴片阵列中的相邻两列金属贴片单元之间的列距d1(如图9所示)也为天线工作波长的0.09-0.13倍，且金属贴片单元与金属贴片单元之间的行距、列距可以相等，也可以不等。
37.为了使天线阵列中各天线单元辐射特性与电特性基本相同，在安置金属贴片单元时，尽量使天线阵列中各天线单元上方分布的金属贴片单元的数量相同。
38.其中，本发明金属贴片单元可以采用多种形状，下面，结合部分实施例对本发明去耦天线罩的结构进行详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
39.实施例1
40.本实施例应用于双极化天线阵列的去耦天线罩包括：天线罩2；设置在天线罩2上的金属贴片阵列。金属贴片阵列中的每个金属贴片单元1采用呈十字形的贴片单元，包括：主要反射片11、多个辅助反射片12，且多个辅助反射片12设置在主要反射片11的外周且以一定间隔均匀分布。
41.具体的，本实施例去耦天线罩的工作原理示意图如图3所示，天线罩采用一层低损耗、低介电常数的基板制成(即上述聚四氟乙烯板材f4b)，在天线罩的上面(远离天线阵列的表面)印有多个周期性的金属反射片(即金属贴片单元)，该金属反射片包括主要反射片11、多个辅助反射片12。
42.如图2所示，本实施例主要反射片11包括交叉成十字形的四条臂，而多个辅助反射片包括分别位于主要反射片11四条臂延长线上的四个辅助反射片12，且每个辅助反射片12
与四条臂中位置相对应的一条臂之间具有一定间距，使得本实施例的金属贴片单元大致可以看做是在一个交叉形十字的四条长臂上分别开出四条相同缝隙的结构。
43.其中，本实施例将整个金属贴片单元分为主要反射片和辅助反射片两个部分，这两个部分对于天线罩去耦分别发挥着不同的作用，主要反射片11被设计用来提供主要的反射波，通常与耦合波具有相同的极化方向，辅助反射片12被设计用来减小强度较弱的耦合波，比如交叉极化中的耦合波，或者被用来调整主要的反射波。
44.从图3中我们可以看出，对于一个带有去耦天线罩的天线阵列，从天线单元(即port1)辐射出来的能量(1)将会被分为如下四个部分：穿过天线罩向远区空间辐射的能量(2)；主要反射片会将一部分能量(3)反射回辐射天线单元port1；主要反射片会将一部分能量(4)反射至耦合单元port2；辅助反射片也会反射一部分能量(5)至耦合单元port2。设计去耦天线罩的目的就是为了减少两个相邻天线单元之间的耦合波(6)，同时不能够使非相邻单元(如port1与port3)之间原本很弱的耦合波(7)出现恶化的情况。
45.因此，在应用时，合理设计金属反射片的尺寸、形状，可以在有耦合效应的天线单元端口附近产生大小适度的衍射波，以消除耦合波，同时将对原始天线阵列中天线单元的干扰降至最低。
46.下面简单的表述去耦天线罩的工作原理：去耦天线罩为天线阵列中相邻的具有较强耦合效应的天线单元之间提供了另外的信号通道，可以通过设计天线罩上金属反射片的行距、列距(设计时，行距和列距可分别在10—15mm的范围内，此时天线单元间有最优的隔离度)以及天线罩与天线阵列之间的距离(设计时，距离h可在20-50mm的范围内)使得这条信号通道与耦合波具有相同的强度和相反的相位，这样一来就可以消除相邻天线单元之间的耦合。
47.本发明在三维电磁仿真软件里建立本实施例去耦天线罩的模型进行仿真，发现本实施例的去耦天线罩具有一定的普遍性，可以应用于固定频段的同极化类型的天线阵列。仿真时采用的天线阵列由
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45
°
双极化，工作频段2515—2675mhz的天线组成。主要反射片中可连成一条直线的两条臂的总长d、辅助反射片与主要反射片对应的一条臂的间距s、辅助反射片的长度w和宽度l可分别采用如下数值：w＝1.5mm，l＝1.2mm，s＝1.8mm，d＝4mm，其中，主要反射片中各臂的宽度与辅助反射片的宽度相等。而去耦天线罩与天线阵列之间的距离h是一个影响很大的参数，它可以影响衍射波到达耦合端口时的相位，只有使得衍射波与耦合波的相位相反，大小相同，才能最大程度上的消除耦合波，因此，天线罩与天线阵列之间的距离h选为40mm，相邻行、列间的金属反射片的行距、列距均为11mm。
48.图4示出采用本实施例上述数值时金属贴片单元时的反射损耗s11参数的仿真结果，图中线条b与线条a分别为加载天线罩之后和加载天线罩之前的结果，对比可以看出加载天线罩使得天线阵列的工作频段扩展了50mhz左右；图5是相邻天线单元间同极化隔离度的仿真结果，图中线条b与线条a分别为加载天线罩之后和加载天线罩之前的结果，对比可以看出在天线工作频段内去耦天线罩使相邻天线单元间同极化隔离度下降了3.4db左右；图6是同一天线单元中异极化隔离度的仿真结果，图中线条b与线条a分别为加载天线罩之后和加载天线罩之前的结果，对比可以看出在天线工作频段内去耦天线罩使同一天线单元中异极化隔离度下降了3.7db左右；图7是方向图e面和h面的对比，图中线条a是加天线罩之前的结果，线条b是加载天线罩之后的结果，对比可以看出天线罩对方向图有一定的修正作
用。
49.以上仿真结果表明，本实施例基于电磁超材料的去耦天线罩具有良好的去耦效果，并且对天线阵列的辐射特性影响甚微。
50.综上，本实施例的去耦天线罩，能够在保证天线阵列辐射特性不变的前提下提高天线阵列中天线端口间的隔离度，具有一定的普遍性，
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双极化的天线皆可使用，针对不同频率的天线阵列只需要相应的改变金属反射片的行距与间距以及天线罩与天线阵列的距离即可。针对工作频率是2515mhz—2675mhz的天线阵列，本实施例天线罩的使用可使天线工作带宽增加50mhz，使相邻端口同极化隔离度提高3.4db左右，使同一天线中异极化隔离度提高3.7db左右，并且没有影响天线阵列本身的辐射特性。
51.实施例2
52.本实施例应用于双极化天线阵列的去耦天线罩的结构基本与实施例1的相同，不同之处在于，本实施例金属贴片阵列中的每个金属贴片单元采用如图11所示的环形贴片单元4，且该单元呈方形。
53.具体的，如图10所示，本实施例的环形贴片单元由四个l形的贴片臂围绕而成，且相邻的l形贴片臂之间具有一定的缝隙。将本实施例的环形贴片单元印在天线罩上时，天线罩与天线阵列间的距离、相邻贴片单元之间的行距、间距也满足上述要求。
54.实施例3
55.本实施例应用于双极化天线阵列的去耦天线罩的结构基本与实施例1的相同，不同之处在于，本实施例金属贴片阵列中的每个金属贴片单元采用如图11所示的圆形贴片单元。将本实施例的圆形贴片单元印在天线罩上时，天线罩与天线阵列间的距离、相邻贴片单元之间的行距、间距也满足上述要求。
56.实施例4
57.本实施例应用于双极化天线阵列的去耦天线罩的结构基本与实施例1的相同，不同之处在于，本实施例金属贴片阵列中的每个金属贴片单元采用如图12所示的圆环形贴片单元。将本实施例的圆环形贴片单元印在天线罩上时，天线罩与天线阵列间的距离、相邻贴片单元之间的行距、间距也满足上述要求。
58.实施例5
59.本实施例应用于双极化天线阵列的去耦天线罩的结构基本与实施例1的相同，不同之处在于，本实施例金属贴片阵列中的每个金属贴片单元为复合型贴片单元，该复合型贴片单元可为上述实施例中贴片单元中的两种或多种组合而成。
60.具体的，如图13所示，本实施例的复合型贴片单元为将实施例1的十字形贴片单元与方形贴片单元组合而成，包括：呈十字形的贴片单元和环绕在十字形贴片单元外周的正方形贴片单元7(即正方形反射片)，即，本实施例的复合型贴片单元包括：具有交叉成十字形的四条臂的主要反射片11、分别位于主要反射片11四条臂的延长线上的四个辅助反射片12、分别位于主要反射片11四条臂的对角线上的四个正方形贴片单元7。其中，每个辅助反射片12与四条臂中位置相对应的一条臂之间具有一定间距，且四个正方形贴片单元与十字形贴片单元组合后的形状呈正方形。
61.将本实施例的复合型贴片单元印在天线罩上时，天线罩与天线阵列间的距离、相邻贴片单元之间的行距、间距也满足上述要求。
62.实施例6
63.本实施例应用于双极化天线阵列的去耦天线罩的结构基本与实施例2的相同，不同之处在于，本实施例金属贴片阵列中的每个金属贴片单元也为复合型贴片单元，该复合型贴片单元为将实施例2中的环形贴片单元与正方形贴片单元组合而成。
64.具体的，如图14所示，本实施例的金属贴片单元包括由四个l形的贴片臂围绕而成的环形贴片单元4和位于环形贴片单元4中心的正方形贴片单元7，环形贴片单元中每相邻的l形贴片臂之间具有一定的缝隙。
65.将本实施例的复合型贴片单元印在天线罩上时，天线罩与天线阵列间的距离、相邻贴片单元之间的行距、间距也满足上述要求。
66.实施例7
67.本实施例提供一种天线装置，其包括双极化天线阵列和去耦天线罩，天线阵列位于去耦天线罩的下方，其中，双极化天线阵列和去耦天线罩均采用上述的结构，在此不再详述。
68.本发明的去耦天线罩及天线装置，解决了现有技术去耦天线中的去耦结构对天线阵子本身形式具有特殊要求、天线阵子(即天线单元)之间的距离需要大于去耦结构的尺寸才能够达到去耦的目的、天线阵子本身的辐射特性会受到去耦结构的影响并恶化通信系统性能的问题，并达到能够在保证天线阵列辐射特性不变的前提下提高阵列中端口间的隔离度，具有一定的普遍性，使
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双极化的天线皆可使用，对于不同频率的天线阵列只需要相应的改变金属反射片的行距、间距与天线罩与天线阵列间的距离即可的技术效果。
69.以上参照附图说明了本发明的优选实施例，并非因此局限本发明的权利范围。本领域技术人员不脱离本发明的范围和实质内所作的任何修改、等同替换和改进，均应在本发明的权利范围之内。