基于极化转换部分反射面的宽带双极化天线阵列去耦结构

1.本发明属于无线通信领域，涉及一种基于极化转换部分反射面的宽带双极化天线阵列去耦结构及方法。


背景技术：

2.5g相关技术正在快速发展与商业化，相比传统通信技术，5g技术面向的是更加高速率、高容量需求的应用场景。mimo采用分集技术，在发射端和接收端放置多个相同的天线，在信道中同时传输多个正交信号，这样收发端对应天线对的数量越高，通信容量也越高。相比于传统天线阵列，mimo具有更多的阵元数，从而更好地实现波束扫描与波束成形技术，以实现多路同时的高速率点对点通信。然而，随着天线数量的增加，基站面板中的天线元件变得相当拥挤,由于天线元件之间的强相互耦合，将严重影响天线的性能。天线互耦会导致端口失配，天线方向图的畸变，降低天线的辐射效率，阵列扫描范围降低等；天线较强的耦合使有源驻波比(active vswr)大幅提高，从而可能影响前端器件的正常工作。因此，解决同频基站阵列的耦合问题，提高天线端口之间的隔离度，非常具有研究价值和应用价值。
3.国内外研究人员针对密集布阵的天线阵列之间的去耦问题已有大量研究，例如电磁带隙结构(ebg)利用其带阻特性，可抑制天线单元之间的表面电流，从而提高天线之间的隔离度；缺陷接地结构(dgs)在天线地板上开槽，通过电流抵消原理来减小天线单元间耦合电流，从而实现天线去耦效果；此类去耦方法是通过直接抑制天线单元间的表面电流或电场来来实现天线去耦效果。但是，此类大多数设计只能实现单极化窄带去耦，此外去耦结构会影响天线单元的辐射方向图。例如频率选择性表面(fss)、阵列去耦表面(ads)和陶瓷覆盖层的去耦方法(csdm)是通过在天线单元上方加载去耦介质层，引入间接耦合场，与原耦合场抵消，从而降低天线之间的耦合。可有效实现宽频带、双极化天线阵列的去耦，对天线的阻抗匹配和辐射特性影响较小。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于针对现有技术存在的双极化天线阵列两个天线单元距离较近时，易产生较强的耦合，从而影响天线阵列各项指标性能的问题，提供基于极化转换部分反射面的宽带双极化天线阵列去耦结构，实现小间距、宽频段、双极化天线端口去耦；以及去耦前后天线单元及阵列的方向图一致性。
5.所述基于极化转换部分反射面的宽带双极化天线阵列去耦结构，从上至下依次为第一去耦层结构、第二去耦层结构、两个天线单元组成的天线阵列、金属反射板；
6.第一去耦层结构、第二去耦层结构组成两层去耦层结构，第一去耦层结构位于天线上方位置，入射波通过去耦层产生两个相互正交的偏振反射波，减小相同极化和正交极化天线阵列的相互耦合；第二去耦层结构位于第一去耦层结构和天线单元的中间位置；所述天线单元是宽频带、双极化、巴伦馈电的偶极子结构；两个天线单元组成的天线阵列设置
在金属反射板的上方；
7.所述第一去耦层结构为极化转换部分反射面单元沿着x轴和y轴排布印刷在大型介质板上，极化转换部分反射面单元之间排布时设有间距，每相邻的极化转换部分反射面单元之间的间距相等；极化转换部分反射面单元结构设有18个，每9个单元放置在每一天线单元辐射体的正上方位置；
8.所述第二去耦层结构为极化转换部分反射面单元旋转45
°
以交叉的排列方式印刷在大型介质板上，极化转换部分反射面单元之间排布时设有间距，极化转换部分反射面单元结构设有10个，每5个单元放置在天线单元辐射体的正上方位置；
9.所述极化转换部分反射面单元由印刷在介质板底层和顶层的金属贴片组成；所述极化转换部分反射面单元的底层金属贴片为唇形的结构，用于将入射波进行部分极化转换；所述极化转换部分反射面单元的顶层金属贴片为方形图案，用于将部分极化转换后的入射波进行反射。
10.所述天线去耦层的介质基板采用fr4板材，厚度可为1.5mm。
11.所述天线去耦层用两层结构来实现良好的宽频带去耦。
12.第一去耦层结构、第二去耦层结构均布置在天线阵列的上方，去耦层结构与天线单元之间的距离可有效调控天线阵列之间的隔离度。
13.所述两层去耦层结构的极化转换部分反射面单元，通过改变极化转换部分反射面单元结构改变其极化转换率，以改变相同极化和正交极化天线阵列之间的相互耦合。
14.应用所述极化转换部分反射面单元，将x极化的入射波转换成y极化的反射波，入射波通过去耦层产生两个相互正交的偏振反射波，从而减小相同极化和正交极化天线阵列的相互耦合。
15.所述天线单元之间的间距为38mm，两个天线单元根据相应的间距沿着x轴水平排布。
16.所述天线单元的工作频段为3.5～4.9ghz。
17.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
18.(1)与已有的天线去耦技术相比，本发明设计的天线去耦技术利用极化转换部分反射面，产生两个相互正交的偏振反射波，从而减小相同极化和正交极化天线阵列的相互耦合。
19.(2)与已有的天线去耦技术相比，本发明设计的天线去耦技术可应用于双极化天线阵列，可以提高相同极化和正交极化天线单元之间的隔离度。
20.(3)与已有的天线去耦技术相比，本发明设计的天线去耦技术可应用于基站频段内的宽带去耦。
21.(4)与已有的天线去耦技术相比，本发明设计的天线去耦技术天线单元的辐射特性影响较小。
附图说明
22.图1是本发明实施例加载去耦结构的天线阵列结构示意图；
23.图2是本发明实施例加载去耦结构的天线阵列侧视图；
24.图3是本发明实施例第一去耦层结构底层示意图；
25.图4是本发明实施例第一去耦层结构顶层示意图；
26.图5是本发明实施例第二去耦层结构底层示意图；
27.图6是本发明实施例第二去耦层结构顶层示意图；
28.图7是本发明实施例极化转换部分反射面单元结构同极化反射系数、交叉极化反射系数仿真结果；
29.图8是本发明实施例极化转换部分反射面单元结构极化转换率仿真结果；
30.图9是未加载去耦结构时天线单元之间相同极化的隔离度示意图；
31.图10是加载去耦结构时天线单元之间相同极化的隔离度示意图；
32.图11是未加载去耦结构时天线单元之间正交极化的隔离度示意图；
33.图12是加载去耦结构时天线单元之间正交极化的隔离度示意图；
34.图13是未加载去耦结构时天线单元e面辐射方向示意图；
35.图14是加载去耦结构时天线单元e面辐射方向示意图；
36.图15是未加载天线去耦结构时天线单元h面辐射方向示意图；
37.图16是加载天线去耦结构时天线单元h面辐射方向示意图。
具体实施方式
38.本发明的目的是提供一种基于极化转换部分反射面的宽带双极化天线阵列去耦结构，可用于提高紧密排列的双极化天线之间的隔离度。
39.下面结合实施例及附图对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
40.本发明提供一种基于极化转换部分反射面的宽带双极化天线阵列去耦结构，该天线去耦结构包括两层去耦层以及两个单元组成的天线阵列；
41.所述一种基于极化转换部分反射面的宽带双极化天线阵列去耦结构的机理，通过极化转换部分反射面，可将x极化的入射波转换成y极化的反射波，入射波通过去耦层产生两个相互正交的偏振反射波，从而减小相同极化和正交极化天线阵列的相互耦合。
42.所述去耦结构包括两层去耦层，两个天线单元组成的天线阵列；所述第一去耦层位于天线上方，产生两个相互正交的偏振反射波，从而减小相同极化和正交极化天线阵列的相互耦合；所述第二去耦层结构位于第一去耦层和天线单元的中间，来实现良好的宽频带去耦；
43.所述去耦结构由fr4介质板以及印刷在介质板上的多个金属贴片组成；介质基板的厚度为1.5mm。
44.以下结合附图进行详细说明。
45.当两个天线单元距离很近时，会产生较强的耦合，从而影响天线阵列各项指标性能，如降低天线的辐射效率，天线方向图的畸变，阵列扫描范围降低等。为了解决这一问题，本发明提出一种基于极化转换反射面的宽带双极化天线阵列去耦结构。
46.如图1所示，本发明实施例所述天线去耦结构包括两层去耦层以及两个天线单元组成的天线阵列，工作在3.5～4.9ghz频段内，所述宽频带、双极化天线单元是巴伦馈电的偶极子结构，第1天线单元1和第2天线单元2沿着x轴水平排布，放置在金属反射板6的上方。
47.如图2所示，所述去耦层放置在天线阵列上方，第一去耦层3放置在天线阵列上方，
第二去耦层4放置在天线阵列和第一去耦层3中间的位置，两层去耦层通过四根尼龙柱5固定，以实现良好的宽频带去耦。
48.如图3和4所示，所述第一去耦层结构为极化转换部分反射面单元沿着x轴和y轴排布印刷在大型介质板上，极化转换部分反射面单元之间排布时设有间距，每相邻的极化转换部分反射面单元之间的间距相等；极化转换部分反射面单元结构设有十八个，每九个单元放置在天线单元辐射体的正上方位置。所述极化转换部分反射面单元结构是由印刷在介质板底层和顶层的金属贴片组成，所述极化转换部分反射面底层的金属贴片7为唇形的结构，将入射波进行部分极化转换；所述极化转换部分反射面顶层的金属贴片8为方形图案，将部分极化转换后的入射波进行反射。根据极化转换部分反射面，可将x极化的入射波转换成y极化的反射波，入射波通过去耦层产生两个相互正交的偏振反射波，与天线单元之间的耦合波抵消，从而减小相同极化和正交极化天线阵列的相互耦合。
49.参考图5和6所示，所述第二去耦层结构为极化转换部分反射面单元旋转45
°
以交叉的排列方式印刷在大型介质板上，极化转换部分反射面单元之间排布时设有间距，极化转换部分反射面单元结构设有十个，每五个单元放置在天线单元辐射体的正上方位置。所述极化转换部分反射面单元结构可由印刷在介质板底层和顶层的金属贴片组成，所述极化转换部分反射面底层的金属贴片7为唇形的结构，将入射波进行部分极化转换；所述极化转换部分反射面顶层的金属贴片8为方形图案，将部分极化转换后的入射波进行反射。加载第二去耦层结构在天线单元阻抗匹配影响较小的情况下，增加多条反射路径，实现良好的阻抗匹配以及宽频带去耦效果。
50.参考图7和8所示，为极化转换部分反射面单元结构的反射系数、传输系数以及极化转换率仿真结果，在工作频段3.5～4.9ghz内，极化转化率大于0.8，极化转换部分反射面能将大部分x极化的入射波转化成y极化的反射波。
51.参考图9所示，在工作频段3.5～4.9ghz内，未加载去耦结构的天线单元之间相同极化的最差隔离度为13.5db；参考图10所示，在工作频段3.5～4.9ghz内，加载去耦结构的天线单元之间相同极化的隔离度整体提高到20db以上，最优的隔离度在4.2gh时大于45db，因此在宽频带内，去耦效果显著。
52.参考图11所示，在工作频段3.5～4.9ghz内，未加载去耦结构的天线单元之间正交极化的最差隔离度为16db；参考图12所示，在工作频段3.5～4.9ghz内，加载去耦结构的天线单元之间正交极化的隔离度整体提高到了20db以上，最优的隔离度在4.1gh时大于45db，因此在宽频带内，去耦效果显著。
53.参考图13和14所示，加载去耦结构前后，天线单元e面辐射方向图一致性高，没有明显的畸变；参考图15和16所示，加载去耦结构前后，天线单元h面辐射方向图一致性高，所述基于极化转换部分反射面的去耦结构对天线单元的辐射特性影响较小。
54.与已有的天线去耦技术相比，本发明设计的基于极化转换部分反射面的宽带双极化天线阵列去耦结构，可应用于双极化天线阵列，来提高相同极化和正交极化天线单元之间的隔离度。在不影响天线单元阻抗匹配、天线单元辐射特性的前提下，可应用于基站频段内的宽带去耦。通过改变极化转换部分反射面尺寸的大小以及去耦层与天线阵列之间的间距，可有效调控天线单元之间的隔离度。
55.上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明实施方式不受本实施例限制，其
他任何未背离本发明的原理和实质下所作的修改、组合和简化等，都包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.基于极化转换部分反射面的宽带双极化天线阵列去耦结构，其特征在于从上至下依次为第一去耦层结构、第二去耦层结构、两个天线单元组成的天线阵列、金属反射板；第一去耦层结构、第二去耦层结构组成两层去耦层结构，第一去耦层结构位于天线上方位置，入射波通过去耦层产生两个相互正交的偏振反射波，减小相同极化和正交极化天线阵列的相互耦合；第二去耦层结构位于第一去耦层结构和天线单元的中间位置；所述天线单元是宽频带、双极化、巴伦馈电的偶极子结构；两个天线单元组成的天线阵列设置在金属反射板的上方；所述第一去耦层结构为极化转换部分反射面单元沿着x轴和y轴排布印刷在大型介质板上，极化转换部分反射面单元之间排布时设有间距，每相邻的极化转换部分反射面单元之间的间距相等；极化转换部分反射面单元结构设有18个，每9个单元放置在每一天线单元辐射体的正上方位置；所述第二去耦层结构为极化转换部分反射面单元旋转45
°
以交叉的排列方式印刷在大型介质板上，极化转换部分反射面单元之间排布时设有间距，极化转换部分反射面单元结构设有10个，每5个单元放置在天线单元辐射体的正上方位置；所述极化转换部分反射面单元由印刷在介质板底层和顶层的金属贴片组成；所述极化转换部分反射面单元的底层金属贴片为唇形的结构，用于将入射波进行部分极化转换；所述极化转换部分反射面单元的顶层金属贴片为方形图案，用于将部分极化转换后的入射波进行反射。2.如权利要求1所述基于极化转换部分反射面的宽带双极化天线阵列去耦结构，其特征在于两层去耦层结构的介质基板均采用fr4板材，厚度为1.5mm。3.如权利要求1所述基于极化转换部分反射面的宽带双极化天线阵列去耦结构，其特征在于所述两层去耦层结构通过尼龙柱固定，用于实现良好的宽频带去耦。4.如权利要求1所述基于极化转换部分反射面的宽带双极化天线阵列去耦结构，其特征在于所述第一去耦层结构、第二去耦层结构均布置在天线阵列的上方，去耦层结构与天线单元之间的距离调控天线单元之间的隔离度。5.如权利要求1所述基于极化转换部分反射面的宽带双极化天线阵列去耦结构，其特征在于所述天线单元之间的间距为38mm，两个天线单元根据相应的间距沿着x轴水平排布。6.如权利要求1所述基于极化转换部分反射面的宽带双极化天线阵列去耦结构，其特征在于两层去耦层结构的极化转换部分反射面单元，通过改变极化转换部分反射面单元结构改变其极化转换率，以改变相同极化和正交极化天线阵列之间的相互耦合。7.如权利要求1所述基于极化转换部分反射面的宽带双极化天线阵列去耦结构，其特征在于应用所述极化转换部分反射面单元，将x极化的入射波转换成y极化的反射波，入射波通过去耦层产生两个相互正交的偏振反射波，从而减小相同极化和正交极化天线阵列的相互耦合。8.如权利要求1所述基于极化转换部分反射面的宽带双极化天线阵列去耦结构，其特征在于所述天线单元的工作频段为3.5～4.9ghz。

技术总结
基于极化转换部分反射面的宽带双极化天线阵列去耦结构，属于无线通信领域。用于提高紧密排列的宽频带、双极化天线之间的隔离度。包括两层去耦层及两个天线单元组成的天线阵列；第一去耦层位于天线上方位置，根据去耦结构的极化转换特性，可将x极化的入射波可以转化成y极化的反射波，入射波通过去耦层产生两个相互正交偏振反射波，与天线单元间的耦合波抵消，减小相同极化和正交极化天线阵列的耦合；第二去耦层结构位于第一去耦层和天线阵列的中间，两层去耦层实现良好宽频带去耦和阻抗匹配；宽频带、双极化天线单元是巴伦馈电的偶极子结构。通过在相邻两天线单元上方放置两层去耦层结构，有效提高天线单元间的隔离度，解决天线阵列耦合问题。决天线阵列耦合问题。决天线阵列耦合问题。


技术研发人员：张垚 何晓玲 黄楷 于大全
受保护的技术使用者：厦门大学
技术研发日：2023.07.18
技术公布日：2023/10/15