全双工通信宽频带波束控制的阵列天线的制作方法

1.本发明属于通信领域，具体涉及一种全双工通信宽频带波束控制阵列天线。


背景技术：

2.在无线通信领域系统中，全双工天线系统由于同时具有接受和发射信道，以及可以增加信道容量和频谱密度受到人们的青睐。但在同时收发的情况下，系统会产很强的自相干扰，其中由于发射信号过强而抑制接收信号，使得全双工数据发射受到挑战。业界目前通常采用三种方法解决上述困扰，第一种消除自相干扰的方法是使用模拟消除机制，例如使用耦合器或使用昂贵且笨重的环行器相位补偿系统抵消接收到的信号；第二种抑制自相干扰的方法是数字消除，数字消除技术是使用特定传输协议或数字域消除自相干扰；第三种抑制自相干扰的最有效和低成本的方法是采用与天线相关的方法进行信号隔离，利用不同的频率进行上行链路和下行链路数据传输（双频），这样的高隔离度的多频带天线可以消除自相干扰。以上三种消除自相干扰的方法在实际使用中还不能彻底消除自行干扰，影响产业发展和行业应用。
3.因此，有必要开发新的天线技术，在全双工天线收发系统中消除自相干扰现象，确保数据收发稳定性。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的问题，本发明提供一种全双工通信宽频带波束控制阵列天线，技术方案如下：一种全双工通信宽频带波束控制的阵列天线，包括天线单元，所述天线单元从上到下依次包括第一堆叠贴片、第二堆叠贴片、h形槽及基板，所述第一堆叠贴片及第二堆叠贴片作为寄生贴片天线用于改善天线单元工作带宽，所述堆叠贴片进一步还设置扩展基板层，所述基板进一步连接微带馈电线，所述微带馈电线嵌设在基板的上表面。
5.进一步的，所述微带馈电线的阻抗为50ω。
6.进一步的，所述h形槽至少为四个并分别连接到微带馈电线。
7.进一步的，所述h 形槽用金属化通孔网络包围，所述金属化通孔的直径和周期分别为 2mm和 3.3mm。
8.进一步的，所述天线 pcb 的设计材料为 fr-4，其相对介电常数为 4.6，厚度为 1.6 mm。
9.进一步的，所述天线单元的整体尺寸为 150 mm
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150 mm。
10.进一步的，所述阵列天线在双端口系统下的馈电方式采用两个耦合器和十六个移相器。
11.进一步的，所述阵列天线的自相干扰隔离值大于60 db。
12.进一步的，所述阵列天线在八端口系统下的馈电方式采用八个耦合器和八个移相器，所述八个耦合器分别为八个天线单元馈电。
13.进一步的，所述耦合器是蛇形槽线混合耦合器。
14.进一步的，所述阵列天线的工作频率范围是 2.15ghz~2.4ghz，耦合器端口的隔离值为70 db。
15.本发明的全双工通信宽频带波束控制阵列天线设计制作成本低，该天线采用新型隔离技术，可提供高端口间隔离，可用于未来的无线网络和射频带内全双工系统，同时简化激励，实现了双差分馈电，系统的自相干扰得到进一步改善，天线单元的隔离值大于60db，具有10%的阻抗带宽，本发明基于此天线单元还进一步提供具备带内全双工波束控制2
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2阵列天线。
附图说明
16.图1a：本发明阵列天线的天线单元结构示意图 。
17.图1b：本发明阵列天线的蛇形槽线混合耦合器结构示意图。
18.图1c：本发明阵列天线的蛇形槽线混合耦合器结构的仰视图。
19.图1d：本发明宽边辐射全双工阵列天线的组合示意图。
20.图1e：本发明宽边辐射全双工阵列天线的剖视图。
21.图2a：本发明全双工阵列天线仿真波束方向图。
22.图2b：本发明的槽线混合耦合器和fd阵列天线的组合仿真示意图。
23.图2c ：本发明天线在2.3 ghz时 2
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2 阵列在 y-z 平面上的仿真波束示意图。
24.图3：本发明阵列天线中单元天线的耦合建模示意图。
25.图4：本发明的阵列天线在采用馈电方案2时的仿真s参数结果。
26.标号及图示说明：第一堆叠贴片10，第二堆叠贴片20，h形槽30，基板40，尼龙螺钉50，微带馈电线401，第一耦合器端口 p1，第二耦合器端口 p2，第三耦合器端口 p3，第四耦合器端口 p4，第一天线单元#1，第二天线单元#2，第三天线单元#3，第四天线单元#4，第一天线端口ap 1，第二天线端口ap 2，第三天线端口ap 3，第四天线端口ap 4，第五天线端口ap5，第六天线端口ap6，第七天线端口ap 7，第八天线端口ap 8，第九天线端口ap9，第十天线端口ap 10，第十一天线端口ap 11，第十二天线端口ap 12，第十三天线端口ap 13，第十四天线端口ap 14，第十五天线端口ap 15，第十六天线端口ap 16。
具体实施方式
27.以下结合附图对本发明的技术方案进行描述，本领域技术人员应该理解，这些实施例并不是将本发明限制于这些实施例，相反，本发明旨在覆盖可包括在由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的替代、修改和等同物。此外，在本发明的以下详细描述中，阐述了许多具体细节以便于提供对本发明的透彻理解，然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实施本发明。
28.请参考图1a本发明阵列天线的天线单元结构示意图，该天线单元从上到下依次包括第一堆叠贴片10、第二堆叠贴片20、h形槽30及基板40，所述第一堆叠贴片10及第二堆叠贴片20作为寄生贴片天线用来改善天线单元工作带宽，所述第一堆叠贴片10作为顶部贴片，进一步还设置扩展基板层（图中未示出），所述微带馈电线401嵌设在基板40的上表面，
所述微带馈电线401的阻抗为50ω，所述h形槽30至少为四个并分别连接到微带馈电线401。
29.本实施例中，天线单元采用尼龙螺钉50进行组合，也可以采用不影响天线性能的固定方式，本发明对此不做限制。为了减少天线的泄漏效应并提高隔离度，所述h 形槽30用金属化通孔网络包围，所述金属化通孔的直径和周期分别为 2mm和 3.3mm。
30.本发明的天线 pcb 设计材料为 fr-4，其相对介电常数为 4.6，厚度为 1.6 mm，所述h形槽30用作激励机制，所述h形槽30的底部贴片正方形尺寸为 48.3mm，顶部贴片为 42.5mm， 这种多层配置可以增加天线系统的带宽，所述天线单元的整体尺寸为 150 mm
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150 mm，该尺寸对应于天线最低工作频率 2.25 ghz 的 1.13λ0 x 1.13 λ0，其中λ0是自由空间波长。在具体的天线设计中，选择相对较大的接地平面尺寸在增加天线增益的同时，还可以降低来自 h 形槽30的任何寄生辐射引起的旁瓣电平 (sll，side lobe levels)，配合扩展基板层有助于改善各层的对齐和定位。
31.本发明的阵列天线系统可以通过两种不同的方式进行馈电：馈电方式一： 作为双端口系统，仅使用两个耦合器和一组功率分配器，结果如图2(b) 本发明的槽线混合耦合器和fd阵列天线的组合仿真示意图所示；馈电方式二：作为一个八端口系统，使用八个耦合器为每个天线单元馈电，如图3本发明阵列天线中单元天线的耦合建模示意图所示。
32.馈电方式一使用功分器实现激励，配置为二端口，因此需要二个混合耦合器和十六个移相器用于波束控制，在外部馈电网络端口采用二端口实现时，自相干扰的隔离值超过 60 db；馈电方式二配置为八端口，因此需要八个耦合器和八个移相器。根据阵列天线的馈电架构以及节省成本的需要，需要较少移相器的馈电方式二应用更广。
33.请参考图1b本发明阵列天线的蛇形槽线混合耦合器结构的俯视图和图1c本发明阵列天线的蛇形槽线混合耦合器结构的仰视图，该蛇形槽线混合耦合器的第一耦合器端口 p1在输出端提供差分相移，第四耦合器端口p 4 提供相等的相移，所有四个耦合器端口p1~p4的反射在第一耦合器端口 p1处最小，匹配1.9 ghz 至2.6 ghz，第四耦合器端口p4匹配 2.1 ghz至3 ghz，最高幅度和相位不平衡分别约为0.1 db和1
°
，第一耦合器端口p1和第四耦合器p4之间的隔离远低于40 db，仿真结果表明本发明的蛇形槽线混合耦合器具备良好的端口隔离和工作带宽，且体积小巧，特别适用于低成本的 fd天线（fiber duct，光纤管道）系统。
34.请参考图1d本发明宽边辐射全双工阵列天线的组合示意图及图1e本发明宽边辐射全双工阵列天线的剖视图，本发明的宽边辐射全双工阵列天线设计为 2
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2结构，其中的贴片辐射元件之间的间距为72 mm，即天线频率为2.4 ghz时对应0.57λ0，扩展接地层的面积为 232 mm2。
35.进一步的，为了减少电缆长度，本领域普通技术人员还可以对馈电系统进行优化，以提供尽可能短的传输线路径，这种优化方案仍然属于本发明的保护范围。
36.请参考图2a本发明全双工阵列天线仿真波束方向图，可以明显看出，本发明的全双工阵列天线仿真波束方向图在阵列天线整个工作频带内的半功率波束宽度小于35
°
，与主波束最大值相比，交叉极化电平超过40 db，具备良好的传输性能。
37.请参考图2b本发明的槽线混合耦合器和fd阵列天线的组合仿真示意图，此外，该阵列天线在大约 2.15 ghz到2.4 ghz频率范围内匹配良好，实现的增益接近12 dbi，耦合器端口的隔离值约为70 db，该阵列天线提供了全双工天线的波束控制能力，进一步参考图
2c 本发明天线在2.3 ghz时 2
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2 阵列在 y-z 平面上的仿真波束示意图，天线频率在23gghz的归一化波束方向图如图2c所示，对于在
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y方向上的波束控制，同时参考图1c本发明宽边辐射全双工天线阵列的组合示意图，天线端口的相位用于第一天线端口ap 1和 第二天线端口ap2、第五天线端口ap5 及第六天线端口 ap6，对于每个单元天线必须保持为 0
°
和 180
°
，而对于 第九天线端口ap9、第十天线端口ap10、第十三天线端口ap13 和 第十四天线端口ap14，应用的相位为0
°
、20
°
、45
°
、65
°
、90
°
及110
°
，特别的，对于端口处大约 65
°
的相移，需要考虑旁瓣电平sll性能，此外，对于增加的 90
°
偏移，旁瓣电平sll在2.4 ghz时达到-7db。在本发明的所有仿真结果中，交叉极化水平均远低于40 db。
38.进一步参考图3本发明阵列天线中单元天线的耦合建模示意图，为了进一步验证本发明的2
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2阵列天线性能，天线系统采用一组八个蛇形槽线混合耦合器进行仿真，如图3所示，组合的s参数表明，对于第一天线单元#1的第一天线端口 ap1 第二天线端口ap2 、第三天线单元#3的第九天线端口ap9 第十天线端口ap10的耦合，天线单元之间的交叉耦合最高，如图4本发明的阵列天线在采用馈电方案二时的仿真s参数结果中的 s31曲线所示，最高为-20 db。
39.进一步的，考虑到全双工工作时正交极化影响，第一天线单元#1的第一天线端口ap1 第二天线端口ap2耦合、第二天线单元#2的第七天线端口ap7 第八天线端口ap8 耦合接近-30 db，如图4本发明的阵列天线在采用馈电方案二时的仿真s参数结果中的 s71曲线所示。
40.图4中，s11曲线表明本发明的阵列天线具备良好的传输行性能，s21是第一天线单元#1的第一天线端口ap1 第二天线端口ap2 与第三天线端口ap3 第四天线端口ap4之间的耦合；s41是第一天线单元#1的第一天线端口 ap1 第二天线端口ap2与第三天线单元#3第九天线端口ap9 第十天线端口ap10之间的耦合；s51是第一天线单元#1的第一天线端口ap1 第二天线端口ap2 与第四天线单元#4的第十三天线端口 ap13 第十四天线端口ap14之间的耦合；s61是第一天线单元#1的第一天线端口ap1 第二天线端口ap2与第四天线单元#4的第十五天线端口ap15 第十六天线端口ap16之间的耦合；s81是第一天线单元#1的第一天线端口ap1 第二天线端口ap2 与第二天线单元#2的第七天线端口ap7 第八天线端口ap8之间的耦合，其中s41曲线与s61曲线重合度较高。
41.由于阵列天线的对称性，本发明的其他天线单元也具有类似的结果，这些结果表明本发明的天线能够进行 fd 波束控制。