一种紧密排列的低互耦贴片天线的制作方法

1.本发明涉及贴片天线技术领域，特别涉及一种紧密排列的低互耦贴片天线。


背景技术：

2.贴片天线由于结构简单、平面尺寸小、制造工艺成熟等优点，在微波及毫米波频段中被广泛应用。当多个贴片天线组成多单元贴片天线阵列时，可以提升信道容量和信号传输可靠性，有利于高效地利用频谱资源。同时，贴片天线单元之间的间距决定了多单元贴片天线阵列的总体尺寸，紧密排列的多单元贴片天线阵列有利于无线设备的小型化。然而天线单元之间的互耦通常会随着阵元间距的减小而恶化，导致天线阵列的辐射性能及系统信道容量的恶化。因此，有必要探求一种紧密排列的低互耦贴片天线。
3.现有的贴片天线去互耦技术，大多对应于单元边距0.1-0.3λ
0 (λ0为中心频率对应的自由空间波长)，当单元间距进一步减小至紧密排列时（＜0.05λ0），由于去耦功能失效、尺寸过大无法放置等原因而无法实现。可以应用在紧密排列贴片天线去互耦方法有如下三种。第一种是在贴片天线单元周围共面添加电磁带隙周期性结构或是上层增加超表面周期性结构。第二种是在贴片天线单元间跨接加载集中参数电感元件。第三种是在馈电网络中组合叠加额外的去耦网络。以上三种方法都需要额外的天线寄生结构、元件或网络，将使天线的结构复杂化、尺寸增加、工作频率受限、或者损耗增加。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是提供一种紧密排列的低互耦贴片天线，以解决现有技术中紧密排列的低互耦贴片天线都需要增加额外结构的问题。
5.为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种紧密排列的低互耦贴片天线，包括：第一介质基板；主辐射单元组，所述主辐射单元组设置在所述第一介质基板的第一表面，所述主辐射单元组包括至少两个主辐射单元；第二介质基板；次辐射单元组，所述次辐射单元组设置在所述第一介质基板的第二表面与所述第二介质基板的第一表面之间，所述次辐射单元组包括至少两个次辐射单元；接地单元，所述接地单元设置在所述第二介质基板的第二表面；导电结构组，所述导电结构组用于连接所述主辐射单元和所述次辐射单元；馈电结构，所述馈电结构设置在所述主辐射单元第二表面且依次穿过所述第一介质基板、第二介质基板和所述接地单元并延伸出所述接地单元。
6.进一步的：所述主辐射单元组包括两个结构相同的主辐射单元：第一主辐射单元和第二主辐射单元，所述第一主辐射单元和所述第二主辐射单元在所述第一介质基板的第一表面左右对称设置，两个主辐射单元之间的距离l小于0.05λ0，其中λ0为中心频率对应的
自由空间波长。
7.所述次辐射单元组包括两个结构相同的次辐射单元：第一次辐射单元和第二次辐射单元，所述第一次辐射单元和所述第二次辐射单元在所述第二介质基板的第一表面左右对称设置，两个次辐射单元之间的距离也为l，且所述主辐射单元与所述次辐射单元的长度相同。
8.进一步的：所述主辐射单元的长度为0.1λ
g-0.15λg，所述次辐射单元的长度为0.2λ
g-0.25λg，其中λg为中心频率对应的导波波长。
9.进一步的：所述导电结构组包括三个导电结构：第一导电结构、第二导电结构和第三导电结构，三个导电结构沿着主辐射单元和次辐射单元的交叉边缘设置。
10.进一步的：三个导电结构的第一端靠近所述主辐射单元的第一边水平设置，且所述第一导电结构的第一端位于所述主辐射单元纵向中心线上，所述第二导电结构的第一端和所述第三导电结构的第一端分别位于所述主辐射单元相邻的两个角上。
11.进一步的：三个导电结构的第二端靠近所述次辐射单元的第二边水平设置，且所述第一导电结构的第二端位于所述次辐射单元纵向中心线上，所述第二导电结构的第二端和所述第三导电结构的第二端分别位于所述次辐射单元相邻的两个角上。
12.进一步的：所述主辐射单元和所述次辐射单元均为金属结构。
13.进一步的：所述接地单元包括金属大地。
14.进一步的：所述导电结构包括金属通孔。
15.进一步的：所述馈电结构包括金属探针。
16.采用上述技术方案，由于设置有主辐射单元组和次辐射单元组，通过导电结构连接主辐射单元组和次辐射单元组，构成工作在准tm
01
模式的贴片天线，利用天线两侧不同初始相位的极化电场分量及紧密排列条件下主辐射单元组和次辐射单元组不同耦合相位，得到两个相互抵消的耦合路径，形成工作频带内的互耦零点，最终实现具有结构简单、整体尺寸小、工作频率不受限、无额外损耗等特点的紧密排列低互耦贴片天线。
附图说明
17.图1为本发明实施例的贴片天线的俯视图；图2为本发明实施例中图1中单点划线a-a'的剖视图；图3为本发明实施例的贴片天线中次辐射单元组的结构示意图；图4为本发明实施例的贴片天线的仿真s参数图；图5为本发明现有技术中1*2贴片天线的仿真s参数图；图6为本发明实施例的贴片天线的仿真方向图；图7为本发明现有技术中1*2贴片天线的仿真方向图；图中，1-第一介质基板，2-主辐射单元，21-第一主辐射单元，22-第二主辐射单元，3-次辐射单元，31-第一次辐射单元，32-第二次辐射单元，4-第二介质基板，5-金属大地，6-导电结构，61-第一导电结构，62-第二导电结构，63-第三导电结构，7-金属探针，71-金属探针通孔。
具体实施方式
18.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
19.应当理解的是，说明书中的用辞仅用于描述特定的实施例，并不旨在限定本发明。说明书使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)除非另外定义，均具有本领域技术人员通常理解的含义。为简明和/或清楚起见，公知的功能或结构可以不再详细说明。
20.说明书使用的单数形式“一”、“所述”和“该”除非清楚指明，均包含复数形式。说明书使用的用辞“包括”、“包含”和“含有”表示存在所声称的特征，但并不排斥存在一个或多个其它特征。说明书使用的用辞“和/或”包括相关列出项中的一个或多个的任意和全部组合。
21.在说明书中，诸如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“高”、“低”等的空间关系用辞可以说明一个特征与另一特征在附图中的关系。应当理解的是，空间关系用辞除了包含附图所示的方位之外，还包含装置在使用或操作中的不同方位。例如，在附图中的装置倒转时，原先描述为在其它特征“下方”的特征，此时可以描述为在其它特征的“上方”。装置还可以以其它方式定向(旋转90
°
或在其它方位)，此时将相应地解释相对空间关系。
22.应当理解的是，虽然术语第一、第二等可以在本文中用于描述各种元件，但是这些元件不应受这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个元件和另一个元件。例如，第一元件可以被称为第二元件，并且类似地，第二元件可以被称为第一元件，而不偏离本发明的范围。如本文所使用的，术语“和/或”包括相关联的列出项目中的一个或多个的任何和所有组合。
23.在所有附图中，相同的附图标记表示相同的元件。在附图中，为清楚起见，某些特征的尺寸可以进行变形。
实施例
24.图1示出了本发明实施例的贴片天线的俯视图，图2为图1中单点划线a-a'的剖视图。
25.如图1和图2所示，贴片天线包括两层介质基板和由两层介质基板分开的三层金属层。
26.上述两层介质基板自上而下分别为第一介质基板1和第二介质基板4，两层介质基板形状尺寸相同且中心同轴重叠，各介质基板分别具有第一表面和与第一表面相对置的第二表面，在本发明的实施例中，第一表面为图2中披露的上表面，第二表面为图2中披露的下表面。
27.在本发明的实施例中，两层介质基板均为方形介质基板，介质基板的材料为现有技术中常用的介质基板，在此不做限定。
28.在第一介质基板1的上表面设置有主辐射单元2组，在本发明的实施例中，主辐射单元2组包括两个紧密排列的主辐射单元2：第一主辐射单元21和第二主辐射单元22，第一主辐射单元21和第二主辐射单元22在第一介质基板1的上表面左右对称设置，两个主辐射单元2之间的距离l小于0.05λ0，其中λ0为中心频率对应的自由空间波长。
29.现有技术中，当两个辐射单元间距进一步减小至紧密排列时（＜0.05λ0），一般都需要额外增加结构实现互耦，而在本发明的实施例中，正是针对两辐射单元间距小于0.05λ0的情况设计的。
30.优选的，两个主辐射单元2之间的距离l为0.002λ0。
31.在本发明的实施例中，两个主辐射单元2为结构相同的金属结构，因此在此仅描述第一主辐射单元21的结构，第一主辐射单元21和第二主辐射单元22在第一介质基板1上自左至右依次分布，在本发明的另一个实施例中，第一主辐射单元21和第二主辐射单元22在第一介质基板1上也可以自上而下分布。
32.而且第一主辐射单元21和第二主辐射单元22均位于第一介质基板1水平中心线下偏下的位置，如图所示。
33.在本发明的实施例中，将第一主辐射单元21靠近第一介质基板1水平中心线的一边定义为第一边，在第一主辐射单元21上靠近第一边的位置设置有金属探针7，且金属探针7还位于第一主辐射单元21的垂直中心线上。
34.两个主辐射单元2的长度为0.1λ
g-0.15λg，在本发明的实施例中，两个主辐射单元2的长度为0.1λg，其中λg为中心频率对应的导波波长。
35.在第一介质基板1与第二介质基板4之间设置有次辐射单元3组，如图3所示，在本发明的实施例中，次辐射单元3组包括第一次辐射单元31和第二次辐射单元32，第一次辐射单元31和第二次辐射单元32在第二介质基板4的上表面左右对称设置，且两个次辐射单元3之间的距离也为l，即两个次辐射单元3之间的距离为0.002λ0。
36.在本发明的实施例中，两个次辐射单元3为结构相同的金属结构，因此在此仅描述第一次辐射单元31的结构，第一次辐射单元31和第二次辐射单元32在第二介质基板4上自左至右依次分布，在本发明的另一个实施例中，第一次辐射单元31和第二次辐射单元32在第二介质基板4上也可以自上而下分布。
37.而且第一次辐射单元31和第二次辐射单元32均位于第二介质基板4偏上的位置，如图所示。
38.在本发明的实施例中，将第一次辐射单元31靠近第一介质基板1水平中心线的一边定义为第二边，在第二介质基板4上靠近第二边的位置设置有金属探针通孔71。
39.实际上，金属探针7是设置在主辐射单元2第二表面且依次穿过第一介质基板1、第二介质基板4和最底下的金属层并延伸出最底下的金属层。
40.两个次辐射单元3的长度为0.2λ
g-0.25λg，在本发明的实施例中，次辐射单元3的长度为0.2λg。
41.主辐射单元2与此辐射单元之间通过导电结构6组连接，在本发明的实施例中，以第一主辐射单元21与第一次辐射单元31之间的连接为例进行说明：导电结构6组包括三个导电结构6：第一导电结构61、第二导电结构62和第三导电结构63，三个导电结构6沿着主辐射单元2和次辐射单元3的交叉边缘设置，且三个导电结构6均在天线内垂直设置。
42.三个导电结构6的第一端靠近主辐射单元2的第一边水平设置，且第一导电结构61的第一端位于主辐射单元2纵向中心线上，第二导电结构62的第一端和第三导电结构63的第一端分别位于主辐射单元2相邻的两个角上。
43.即第一导电结构61的第一端与金属探针7均位于主辐射单元2纵向中心线上，且第
一导电结构61的第一端位于金属探针7与第一导电结构61第一边之间。
44.三个导电结构6的第二端靠近次辐射单元3的第二边水平设置，且第一导电结构61的第二端位于次辐射单元3纵向中心线上，第二导电结构62的第二端和第三导电结构63的第二端分别位于次辐射单元3相邻的两个角上。
45.第二介质基板4的下表面设置有接地单元，在本发明的实施例中，接地单元为金属大地5。金属大地5的形状与两个个介质基板的形状相同，尺寸一致，即金属大地5也为方形结构。
46.在本发明的实施例中，导电结构6均为金属通孔，金属通孔为本领域常用的技术方案，在此不再赘述。
47.本发明的天线，使用时，当对第一主辐射单元21馈入信号，而第二主辐射单元22接匹配负载时，信号通过第一主辐射单元21的金属探针7进行馈电，激励第一主辐射单元21、并经由三个导电结构6激励第一次辐射单元31，形成单元1的辐射；单元1在辐射的同时，通过两个路径耦合：路径1为单元1的第一主辐射单元21至单元2的第二主辐射单元22；路径2为单元1的第一次辐射单元31至单元2的第二次辐射单元32，将部分信号叠加至单元2上形成互耦，该互耦越弱对单元2自身的辐射影响越小。
48.当对单元2馈入信号而单元1接匹配负载时，过程与上述相同。
49.本发明中两个贴片天线单元，都工作在准tm
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模式，在金属贴片与金属大地5之间的电场沿极化方向呈现一个半波分布，两侧电场极化分量强度相近。在三个导电结构6的连线面上，电场呈现均匀同向分布。在贴片天线e面馈电处，存在方向相对的水平电场分布，用于馈电处的同轴电场转化为贴片电场，完成馈电及阻抗匹配。以三个导电结构6连线为界，主辐射单元2的电场主要集中在两层介质基板内，而次辐射单元3的电场主要集中第二介质基板4内，因此天线极化方向两侧形成不同的等效对地电容。不同的等效对地电容使得两侧的极化电场分量具有不同的初始相位。同时在紧密排列条件下，两个单元的两个主辐射单元2之间的耦合与两个次辐射单元3之间的耦合具有不同的耦合相位。最终，不同的极化电场初始相位差与不同耦合部位的耦合相位差叠加后形成两个耦合路径的抵消效果，可以在工作频带内形成互耦零点，降低整个工作频带的耦合。
50.通过控制导电结构6的高度即主辐射单元2与次辐射单元3的间距及导电结构6的位置可控制互耦零点出现的位置，控制主辐射单元2与次辐射单元3沿极化方向的长度可控制中心频率。
51.仿真实验实施例1中采用工作频率为3.5ghz，10db匹配带宽为1.89%，紧耦合条件下匹配频带内互耦水平低于-15.5db，中心频率处互耦水平为-20db的参数进行仿真实验。
52.图4为实施例的贴片天线的仿真s参数图，图5为现有技术中1*2贴片天线的仿真s参数图；s11为输入反射系数，s21为传输系数。
53.图4与图5对比可知相比传统1*2贴片天线本发明实施例的贴片天线的匹配和互耦得到了较大改善。
54.图6为实施例的贴片天线的仿真方向图，图7为现有技术中1*2贴片天线的仿真方向图；图6-a为单元1的e面和h面图，图6-b为单元2的e面和h面图，图7-a为传统1*2贴片天线的e面和h面图，图7-b为传统1*2贴片天线的e面和h面图。
55.从图6可以得到单元1的e面和h面的3-db波束宽度范围分别为89.5
°
和98.5
°
，单元2的e面和h面的3-db波束宽度范围分别为89.5
°
和98.5
°
。图6与图7对比可知相比传统1*2贴片天线本发明实施例的贴片天线在紧密排列下方向图畸变的现象得到了极大改善。
56.从图6和图7中可见，第一辐射单元的e面和h面的3-db波束宽度范围分别为99.1
°
和89.3
°
，叉极化水平分别为-51.7 db和-18.9 db。第二辐射单元2的e面和h面的3-db波束宽度范围分别为105.1
°
和89.9
°
，叉极化水平分别为-54.5 db和-18.8 db。
57.以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。