一种贴片天线与单极子天线交叉排布的高隔离混合阵列的制作方法

1.本发明属于电磁场与微波技术领域，涉及一种贴片天线与单极子天线交叉排布的高隔离混合阵列，具体是一种工作频率可控，天线阵列单元数任意的贴片天线与单极子天线交叉排布的高隔离混合阵列。


背景技术：

2.在现代无线通信领域中，天线阵列有着广泛的应用。在相控阵系统中，天线阵列可用于实现高增益波束的扫描。在多输入多输出(multi-inputmulti-output，mimo)系统中，天线阵列可用于实现并行传输，进而提高通信速率，增大信道容量，以及降低通信时延。近年来随着无线通信领域的不断发展，mimo技术也越来越多的被应用于移动终端以及基站的天线设计。
3.由于阵列天线单元通常被放置在一个空间有限的设备中，天线排布一般比较紧凑(半波长)，因此天线单元之间存在不可避免的电磁耦合。天线之间的相互耦合会降低天线辐射效率，恶化匹配条件，扭曲辐射模式。对于相控阵来说，天线耦合会严重降低波束增益恶化扫描性能。对于mimo天线来说，天线单元之间的耦合会导致mimo系统性能变差，吞吐量降低。研究一种适用于天线阵列的解耦技术是十分有必要的。
4.目前已有的解耦技术包括缺陷地结构(defectedgroundstructure，dgs)，中和线，寄生结构，解耦网络等。缺陷地结构的原理是通过引入dgs来抑制地板上的耦合电流的产生来抑制互耦；中和线是通过减少天线的耦合路径来减少互耦的产生；寄生结构一般不与天线直接相连，而是通过自身与天线之间的耦合效应来削弱天线之间的耦合；解耦网络则是通过加入额外的解耦网络以及匹配网络来达到解耦的目的。
5.上述解耦技术虽然都能达到减少天线单元之间互耦的目的，但都存在一定的不足之处，或是加入复杂的结构，或是解耦的效果并不好，并且这些解耦技术对于被解耦的天线阵列有天线单元数的限制，显然这些解耦技术均不太适用于具体的任意单元数高隔离度的天线阵列设计中。
6.随着5g无线通信技术的不断发展，对于天线性能、天线数量的要求会越来越高，而天线单元之间的互相耦合会成为无线通信技术继续发展的一个大的阻碍，因此一种结构简单，加工方便、隔离度高、效率高的天线阵列的实现变得尤为重要。
7.本发明提出了一种贴片天线与单极子天线交叉排布的高隔离混合阵列，单极子天线与贴片天线之间会产生互耦，各贴片天线之间也会产生互耦，利用交叉排布的方式来使这两种耦合相互抵消从而实现各端口隔离度的提升。本发明所提出的混合天线阵列的工作频率可调，天线单元的数目任意，解耦的效果好，并且由于各同类天线单元之间的距离相等，同类型天线单元模型相同，使得制作难度大大降低。整个混合阵列主要由金属制成，没有介质损耗，因此所实现的辐射效率高。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种贴片天线与单极子天线交叉排布的高隔离混合阵列。
9.为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：
10.一种贴片天线与单极子天线交叉排布的高隔离混合阵列，包括n 1个单极子天线、n个贴片天线、以及系统地板，n＞1；单极子天线与贴片天线交叉等距排布，每个贴片天线通过探针与位于系统地板上的馈电端口直接连接，每个单极子天线直接与系统地板相连，通过与相邻的贴片天线之间产生的耦合能量来进行间接馈电；其中贴片天线与系统地板间隔有空气层。
11.贴片天线与馈电端口相连属于直接馈电，单极子天线是未接馈电端口而是通过贴片天线的耦合能量来进行馈电。两个贴片天线之间由于间距较近会产生互耦c1，耦合电场方向是由激励单元指向耦合单元。贴片天线和单极子天线之间会产生互耦c2，耦合电场方向是由作为激励单元的贴片天线指向作为耦合单元的单极子天线。当将单极子天线与贴片天线放置在一起时，两种耦合c1、c2相互叠加进而抵消，从而使两个贴片天线之间的耦合降低。
12.作为优选，相邻单极子天线之间的距离小于半波长；相邻贴片天线之间的距离小于半波长；单极子天线与相邻贴片天线间的距离小于0.1波长，目的是为了便于贴片天线间接耦合馈电周围的单极子天线。
13.作为优选，单极子天线与相邻贴片天线间等距排布。
14.作为优选，所述贴片天线开有矩形槽，用于有效减小贴片天线的长度。
15.更为优选，所述贴片天线上矩形槽关于横轴呈轴对称分布，位置距离贴片天线的边沿约为0.1波长。
16.作为优选，所述贴片天线距离系统地板的距离为0.1波长，该高度直接决定贴片天线与单极子天线之间的耦合强度，使其能够更加精确的控制贴片天线与单极子天线之间的耦合强度。
17.作为优选，单极子天线的长度小于0.25波长，单极子天线的长度决定贴片混合天线单元之间的隔离度。
18.作为优选，单极子天线、贴片天线、探针采用金属材质。
19.本发明混合天线阵列的地板具有以下特征，地板以上的结构全部由金属结构构成，天线本身不存在介质损耗，因此天线的辐射效率特别高(》90％)。其次混合阵列的工作频率主要由贴片天线的长度决定，单极子天线的长度对混合阵列的工作频率有轻微影响作用。相邻两个贴片天线之间具有高隔离度(均大于20db)。
20.上述混合天线阵列中单极子天线与贴片天线的数量可以为任意个，天线阵列可向两侧无限延伸。
21.本发明的解耦原理是利用单极子天线与贴片天线之间的耦合来抵消贴片天线之间固有的耦合，从而达到提高隔离度的作用。具体是利用n个贴片天线与n 1个单极子天线交叉等距排布形成混合阵列，该混合阵列对每两个端口之间的耦合都有降低的作用，交叉等距排布中的交叉具体是指单极子天线与贴片天线交叉插空式排布，等距具体是指同类型的天线单元之间的距离是相同的。解耦效果则由单极子天线的长度来决定。
22.本发明的有益效果是：天线单元交叉等距排布使得天线混合阵列结构紧凑有序，易于天线阵列的设计以及加工；天线单元的数量可以任意，因此可以适用于大规模天线阵列；天线工作频率可调，可以根据实际情况来对工作频率进行调节以适用不同的应用场合；并且本发明各天线单元的辐射效率非常高。
附图说明
23.图1是贴片天线阵列与单极子天线阵列组成混合阵列的示意图；其中(a)为贴片天线阵列，(b)为单极子天线阵列，(c)为混合阵列；
24.图2(a)是贴片天线与单极子天线交叉等距排布的高隔离混合阵列的立体结构示意图；
25.图2(b)是贴片天线与单极子天线交叉等距排布的高隔离混合阵列的侧视结构示意图；
26.图2(c)是贴片天线与单极子天线交叉等距排布的高隔离混合阵列的俯视结构示意图；
27.图2(d)是贴片天线的尺寸标注图；
28.图3是贴片天线与单极子天线交叉等距排布的高隔离混合阵列解耦原理示意图；其中(a)为贴片天线阵列，(b)为单极子天线阵列，(c)为混合阵列；
29.图4(a)是传统贴片天线阵列的的s参数图(作为对照)；
30.图4(b)是贴片天线与单极子天线交叉等距排布阵列的s参数图；
31.图5(a)是贴片天线与单极子天线交叉等距排布阵列xoy平面的辐射方向图；
32.图5(b)是贴片天线与单极子天线交叉等距排布阵列yoz平面的辐射方向图。
33.其中，1为系统地板，2为单极子天线，3为贴片天线，4为馈电端口，5为探针；
具体实施方式
34.为了将本发明的目的、技术方案及优点阐述的更加清楚明白，通过结合具体实施例并结合附图，对本发明进行进一步说明，但本发明并不限于这些实施例。
35.图1(a)为传统若干个贴片天线构成的贴片天线阵列，图1(b)为传统若干个单极子天线构成的单极子天线阵列，图1(c)为由贴片天线阵列与单极子天线阵列交叉等距排布构成高隔离混合阵列，包括n 1个单极子天线1、n个贴片天线2、以及系统地板1，n＞1；单极子天线与贴片天线交叉等距排布，每个贴片天线通过探针5连接位于系统地板上的微带线馈电端口4直接进行馈电，每个单极子天线直接与系统地板相连，通过与相邻的贴片天线之间产生的耦合能量来进行间接馈电；其中贴片天线与系统地板间隔有空气层。
36.如图2(a-d)为本实施例中具体由4个贴片天线以及5个单极子天线交叉等距排布构成。
37.其中单极子天线之间间距d1＝40mm，单极子天线2与贴片天线3之间距离d2＝6mm。其中各参数具体尺寸为：贴片的长l＝35mm，宽w＝27.77mm；矩形槽的长ls＝26.3mm，宽ws＝3mm；金属探针5的直径rf＝1.5mm；微带线的长le＝35mm，宽we＝2.9mm；馈电端口的长为we，宽为wf＝0.5mm。其中对贴片天线进行挖槽处理是为了变相增大贴片天线的尺寸，贴片天线是通过铜棒连接微带线再与馈电端口4相连进行馈电的。
38.图3为贴片天线与单极子天线交叉等距排布的高隔离混合阵列解耦原理示意图。贴片天线与馈电端口相连属于直接馈电，单极子天线是未接馈电端口而是通过贴片天线的耦合能量来进行馈电。两个贴片天线之间由于间距较近会产生互耦c1，耦合电场方向是由激励单元指向耦合单元(由左边指向右边)。贴片天线和单极子天线之间会产生互耦c2，在单极子右侧的耦合电场方向是由右边指向左边。当将单极子天线与贴片天线放置在一起时，两种耦合可以相互叠加进而抵消，从而使两个贴片天线之间的耦合降低。这种交叉等距排布对于各天线的放置位置以及天线各部分的具体尺寸有一定的要求，具体为两单极子天线和两贴片天线之间的距离均应小于半波长，且贴片天线和与其相邻的单极子天线之间的距离应当小于0.1波长，此外对于单极子天线的长度应小于0.25波长，空气贴片天线的长度应当小于0.1波长，在贴片天线上挖的矩形槽应关于横轴呈轴对称分布。对于单极子天线长度的改变可以改变混合天线阵列的解耦效果，当单极子天线的长度为0.18波长时解耦效果达到最好；改变贴片天线的长度可以改变混合天线阵列工作频率，当空气贴片天线的长度为0.4波长时混合天线阵列的工作频率为3.5ghz。
39.图4(a)为四单元贴片天线阵列的s参数图。可以看出，在3.5ghz的频率下单独的贴片天线阵列的各天线之间的隔离度都很低仅为10db左右,并且在工作频率下的端口匹配也并不好均在大于-20db。
40.图4(b)为四单元为贴片天线与单极子天线交叉等距排布的高隔离混合阵列的s参数图。可以从图中看出在工作频率3.5ghz各端口的匹配均低于-30db,且混合阵列的各端口的隔离度也提升至20db以上,实现了隔离度的大幅度提高，能够明显看出混合阵列较传统贴片阵列耦合大幅降低。
41.图5为四单元贴片天线与单极子天线交叉等距排布的高隔离混合阵列在xoy平面和yoz平面的辐射方向图，可以看出大角度增益由有明显的增强，因此该发明还可以用作宽角度扫描相控阵。
42.本发明为一种贴片天线与单极子天线交叉等距排布的高隔离混合阵列，通过采用单极子天线与贴片天线之间交叉等距排布的方式来实现端口的高隔离度，与其他解耦方法相比，本发明的解耦效果好，所有端口的隔离都能在20db以上，天线效率高，天线增益有所提高，天线阵列的单元数可以任意，解耦效果可以通过单极子天线的长度来调控，混合阵列的工作频率也可以自由调控。由于这些优点的存在可以更好的应用于解决目前天线阵列存在的的高耦合问题。
43.以上所述仅为本发明的一个实施例，只是用于帮助理解本发明的方法以及核心思想。应当指出，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。