CN115911868A - 用于全双工通信的高隔离宽带双极化介质贴片天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于全双工通信的高隔离宽带双极化介质贴片天线，该天线由边缘刻蚀一对槽的矩形介质贴片和两层基板组成。介质贴片放置在顶层基板上并由三个端口激发。在X极化方向，使用单端口来激发基模TM₁₀模式和高次模TE₁₂模式，用于宽带发射机工作。对于Y极化方向，采用差分馈电结构来激发简并的TM₀₁模式和反相TM₀₂模式，用于宽带接收机工作。金属地板放置在两层基板之间，在其上刻蚀了两组缝隙，用于介质贴片谐振器和位于下层基板底部的金属微带线之间的孔径耦合。

Description

用于全双工通信的高隔离宽带双极化介质贴片天线

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及用于全双工通信的高隔离宽带双极化介质贴片天线。

背景技术

当下可以使用的频谱资源非常有限，随着无线通信的快速发展，这些频谱资源变得日益拥挤，如何提高频谱利用率成为关键的研究课题。目前，大多数无线通信系统兼具发射信号和接收信号的终端(比如，基站、继电器以及移动终端)。这些通信系统大多是时分或频分双工通信系统，也就是说这些终端在发射信号和接收信号时不在同一时间或频段内进行。而同时同频全双工通信系统则不同，它可以保证发射信号和接收信号同时并在同一个频率上完成，从而使得数据流的传输速度、无线通信系统的通信容量、频谱利用率翻倍。作为全双工系统的前端，采用高隔离天线是工程应用中实现高质量通信的关键。天线分离、近场抵消、寄生结构以及在天线之间放置吸波器等技术都可以实现高隔离。这些技术通常采用多个分离的天线或较大而复杂的天线结构，导致物理尺寸庞大。

双极化天线由于采用共享辐射孔径进行小型化的优点以及正交偏振之间存在自然隔离而受到广泛关注。为满足全双工应用的高隔离要求，广泛研制了各种低剖面差分馈电的双极化天线。但是以上这些设计都是以金属为基础的，工作模式多为单模，工作带宽较窄，不适合高速大容量的应用背景。最近，一种新型的馈电结构—磁回路可以实现带宽的增强，由磁馈电和电馈电组成的天线实现了较宽的带宽，但是端口隔离仅超过20dB。此外，在馈电贴片上叠加超表面结构，实现了28.4％的带宽，然而，高剖面仍然是一个限制因素，而复杂性也随着架空结构的引入而增加。

介质谐振器天线也适用于双极化设计，在过去的几十年里得到了广泛的研究。介质贴片天线是介质谐振器天线和微带贴片天线在外形、效率和增益等方面的最佳折衷，是为了克服传统介质谐振器天线外形高、增益差的局限性而研制的。更重要的是，介质贴片谐振器的高次模可以实现带宽的扩展，这得益于继承自介质谐振器的多模特性。在文献S.-C.Tang,X.-Y.Wang,W.-W.Yang and J.-X.Chen,“Wideband low-profile dielectricpatch antenna and array with anisotropic property,”IEEE Trans.AntennasPropag.,vol.68,no.5,pp.4091-4096, May.2020.中，通过引入镀银槽，可以将高次模下移至接近基模，从而实现线极化天线的带宽扩展。据我们所知，双极化介质贴片天线的设计很少。文献X.-Y. Wang,S.-C.Tang and J.-X.Chen,“Differential-fed dual-polarizeddielectric patch antenna with gain enhancement based on higher order modes,”IEEE Antennas Wireless Propag.Lett.,vol.19,no.3,pp.502-506,March.2020.中的双极化介质贴片天线利用差分馈电技术实现了34dB的高隔离。虽然引入的接地棒可以结合介质贴片的高次模，但带宽只能扩展到4.88％。目前还没有设计出同时具有宽带性能和高隔离度的双极化介质贴片天线。

发明内容

本发明的目的在于：克服上述现有技术的缺陷，提出一种用于全双工通信的高隔离宽带双极化介质贴片天线，该天线充分利用介质贴片谐振器的多模特性，通过调整介质贴片的长宽比，可以降低高次TE₁₂模式，使其靠近基模TM₁₀模式，从而实现X极化方向的宽带性能。同时，通过在介质贴片边缘刻蚀的一对槽和改进的耦合缝隙分别实现TM₀₁模的上移和反相TM₀₂模的下移从而实现Y极化方向的宽带性能。通过差分馈电方案实现了天线的高隔离。

为实现本发明目的，本发明提出的用于全双工通信的高隔离宽带双极化介质贴片天线，该天线由边缘刻蚀一对槽的矩形介质贴片和两层基板组成。介质贴片放置在顶层基板上并由三个端口激发。在X极化方向，使用单端口来激发基模TM₁₀模式和高次模TE₁₂模式，用于宽带发射机(Tx)工作。对于Y极化方向，采用差分馈电结构，通过一对差分输入端口来激发简并的TM₀₁模式和反相TM₀₂模式，用于宽带接收机(Rx)工作。金属地反射地板放置在两层基板之间，在其上刻蚀了两组缝隙，用于介质贴片谐振器和位于下层基板底部的金属微带线之间的孔径耦合，其中，单馈输入馈线对应的耦合缝隙用于X极化方向的孔径耦合，差分输入馈线对应的耦合缝隙由一对背对背的U型缝隙组成，用于Y极化方向的孔径耦合。

本发明通过差分馈电方案实现了天线的高隔离。通过调整介质贴片的长宽比，可以降低高次TE₁₂模式，使其靠近基模TM₁₀模式，从而实现X极化方向的宽带性能。同时，通过在介质贴片边缘刻蚀的一对槽和金属反射地板上改进的U型耦合缝隙分别实现TM₀₁模的上移和反相TM₀₂模的下移，从而实现Y极化方向的宽带性能。

该天线具有带宽较宽、隔离度高、剖面低、结构简单等优点，在全双工系统中具有广阔的应用前景。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是本发明宽带双极化介质贴片天线立体图。

图2是本发明宽带双极化介质贴片天线结构示意图。

图3是本发明宽带双极化介质贴片天线的仿真回波损耗及端口隔离。

图4是本发明宽带双极化介质贴片天线两个端口的仿真增益。

图5是本发明宽带双极化介质贴片天线单馈输入端口在5.29GHz处的仿真方向图。

图6是本发明宽带双极化介质贴片天线差分输入端口在5.2GHz处的仿真方向图。

图中标号示意如下：

1-介质贴片，2-凹槽，3-顶层基板，4-金属反射地板，5-直线型耦合缝隙， 6-U型耦合缝隙，7-底层基板，8-单馈微带馈线，9-差分微带馈线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

参见图1是本发明实施的用于全双工通信的高隔离宽带双极化介质贴片天线的示意图。本发明实施双极化介质贴片天线包括自下而上依次层叠设置的底层基板7、金属反射地4、顶层基板3和介质贴片1。介质贴片1为矩形介质贴片，通过胶水粘在顶层基板3上的中心处，的短边位于在X极化方向上。介质贴片1短边的边缘刻蚀有一对凹槽2，凹槽2关于介质贴片1垂直中分面对称。底层基板7的下表面设有用于单馈微带馈线8和差分微带馈线9，单馈微带馈线 8和差分微带馈线9都由靠近输入端口的50Ω传输线和一段用于匹配的λ/4阻抗变换线组成，50Ω传输线与信号输入端口相连接。底层基板7为双面印刷电路板，双面印刷电路板的顶层为金属反射地板4，底层为单馈微带馈线8和差分微带馈线9，单馈微带馈线8沿X极化方向设置，差分微带馈线9沿Y极化方向设置。金属反射地4上刻蚀有两组耦合缝隙：第一组耦合缝隙为一根直线型耦合缝隙5，直线型耦合缝隙5位于金属反射地的中心且沿Y极化方向设置(直线型耦合缝隙5与单馈微带馈线8正交)；第二组耦合缝隙为一对分设于直线型耦合缝隙5两端且与差分微带馈线9正交的一对背对背的U型耦合缝隙6。

底层基板7的下表面边缘还设置有与单馈微带馈线8连接的单馈输入端口 S1，以及与差分微带馈线9连接的差分输入端口S2+、S2-。

在X极化方向，通过单馈微带馈线8激发基模TM₁₀模式和高次模TE₁₂模式，用于宽带发射机工作；在Y极化方向，通过差分微带馈线9激发简并的TM₀₁模式和反相TM₀₂模式，用于宽带接收机工作。

本发明实施例对天线各部分的尺寸进行优化，具体的天线的参数见下表：

参数	<![CDATA[L<sub>g</sub>]]>	<![CDATA[W<sub>g</sub>]]>	h	<![CDATA[l<sub>d</sub>]]>	<![CDATA[w<sub>d</sub>]]>	<![CDATA[h<sub>d</sub>]]>	<![CDATA[l<sub>c</sub>]]>	<![CDATA[w<sub>c</sub>]]>
									值(mm)	55	60	0.813	36.8	26	1.5	8	4
参数	<![CDATA[l<sub>s1</sub>]]>	<![CDATA[w<sub>s1</sub>]]>	<![CDATA[l<sub>s2</sub>]]>	<![CDATA[l<sub>s3</sub>]]>	<![CDATA[w<sub>s2</sub>]]>	<![CDATA[d<sub>s</sub>]]>	<![CDATA[w<sub>f1</sub>]]>	<![CDATA[w<sub>f2</sub>]]>
									值(mm)	8.3	0.9	6.9	2.2	1	20	1.5	1.4

表中，h为顶层基板3和底层基板7的高度，l_d为介质贴片的长度，w_d为介质贴片的宽度，h_d为介质基板的厚度，l_c为凹槽的长度，w_c为凹槽的宽度，l_s1为直线型耦合缝隙5的长度，w_s1为直线型耦合缝隙5的宽度，l_s2和l_s3为U型耦合缝隙6的长度，w_s2为U型耦合缝隙6的宽度，d_s为U型耦合缝隙6耦合缝隙之间的距离。

设计中采用的基板是Rogers RO4003，其介电常数为ε_r＝3.38，损耗角正切为tanδ＝2.7×10^-3，顶层基板3及底层基板7的体积为L_g×W_g×h，底层基板7为双面印刷电路板，双面印刷电路板7的上表面为金属反射地4，下表面为微带馈线。

图3为本实例宽带双极化介质贴片天线的仿真反射系数及端口间隔离，单馈输入端口S1带宽为25.2％，差分输入端口S2带宽为17％。端口间隔离度大于52dB。

图4为本实例宽带双极化介质贴片天线两个端口的仿真增益，单馈输入端口S1带内最大增益为8.4，差分输入端口S2带内最大增益为7.6dBi。

图5图6为单馈输入端口S1和差分输入端口S2的仿真E面和H面辐射方向图，从图中可知：天线的交叉极化比主极化至少低20dB，同时可以推测出天线在整个频率调谐范围中都能展示出稳定的宽边辐射方向图。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于全双工通信的高隔离宽带双极化介质贴片天线，包括自下而上依次层叠设置的底层基板（7），金属反射地板（4）、顶层基板（3）和介质贴片（1），其特征在于：所述底层基板（7）下表面设置有沿X极化方向的单馈微带馈线（8）和沿Y极化方向一对差分微带馈线（9），所述金属反射地板（4）开设有与对应微带馈线正交的耦合缝隙（5、6）；在X极化方向，通过单馈微带馈线（8）激发基模TM₁₀模式和高次模TE₁₂模式，用于宽带发射机工作；在Y极化方向，通过差分微带馈线（9）激发简并的TM₀₁模式和反相TM₀₂模式，用于宽带接收机工作。

2.根据权利要求1所述的用于全双工通信的高隔离宽带双极化介质贴片天线，其特征在于：所述介质贴片（1）为矩形介质贴片，其垂直中分面对称地设置有一对凹槽（2），耦合缝隙（5、6）包括位于金属反射地板（4）中央的与单馈微带馈线（8）正交的直线型耦合缝隙（5）和分设于直线型耦合缝隙（5）两端且与差分微带馈线（9）正交的一对背对背的U型耦合缝隙（6）。

3.根据权利要求2所述的用于全双工通信的高隔离宽带双极化介质贴片天线，其特征在于：所述介质贴片（1）的短边位于在X极化方向上，所述凹槽（2）开设于介质贴片（1）的短边一侧。

4.根据权利要求1所述的用于全双工通信的高隔离宽带双极化介质贴片天线，其特征在于：底层基板（7）的下表面边缘还设置有与单馈微带馈线（8）连接的单馈输入端口（S1），以及与差分微带馈线（9）连接的差分输入端口（S2+、S2-）。

5.根据权利要求4所述的用于全双工通信的高隔离宽带双极化介质贴片天线，其特征在于：所述单馈微带馈线（8）和差分微带馈线（9）由50Ω传输线和一段用于匹配的λ/4阻抗变换线组成，所述50Ω传输线与信号输入端口相连接。

6.根据权利要求1所述的用于全双工通信的高隔离宽带双极化介质贴片天线，其特征在于：所述底层基板（7）为双面印刷电路板，双面印刷电路板的顶层为金属反射地板（4），底层为单馈微带馈线（8）和差分微带馈线（9）。

7.根据权利要求1所述的用于全双工通信的高隔离宽带双极化介质贴片天线，其特征在于：所述介质贴片（1）通过胶水粘在顶层基板（3）上表面的中心处。

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