一种加载金属壁的共口径宽带同极化介质贴片全双工天线

1.本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种加载金属壁的共口径宽带同极化介质贴片全双工天线。


背景技术：

2.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、寄生结构等技术都可以实现高隔离。这些技术通常结构复杂，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。但该设计的缺点是占用两个极化信道，在实际通信环境中容易受到干扰。因此，结构简单的同极化全双工天线受到了大量的关注。一般来说，同极化天线端口间存在很强的互耦。双基地天线设计是实现高隔离度的最简单方法。通过引入缺陷接地结构，使接收天线与接收天线的中心间距为0.43λ0，隔离度可达40db以上，从而牺牲了平面尺寸，导致结构过大。与双基地天线设计相比，单基地天线设计由于接收端和接收端可以共享辐射口径，因此更加紧凑。共极化贴片天线工作在半tm
10
模式下，结构紧凑，隔离度可达20db以上，但工作在单模，带宽较窄。
3.介质谐振器天线也适用于同极化设计，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。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。现有技术中，目前还没有宽带单极化介质贴片天线的设计。


技术实现要素：

4.本发明针对上述现有技术所存在的问题，提出了一种加载金属壁的共口径宽带同极化介质贴片全双工天线。
5.本发明为实现上述发明目的，采取的技术方案如下：
6.一种加载金属壁的共口径宽带同极化介质贴片全双工天线，包括自下而上依次层叠设置的底层基板、金属反射地、顶层基板及介质贴片，所述介质贴片中心刻蚀有一条缝隙，所述缝隙关于所述介质贴片垂直中分面对称；所述缝隙两端内壁加载有一对金属壁，所述金属壁关于所述缝隙垂直中分面对称；所述底层基板的下表面设有用于耦合馈电的端口
及微带馈线；所述端口包括端口一及端口二；所述金属反射地上刻蚀有一对耦合缝隙；所述微带馈线在金属反射地上的投影与耦合缝隙垂直相交；所述耦合缝隙关于微带馈线在金属反射地上的投影中心线对称。
7.进一步的作为本发明的优选技术方案，所述介质贴片为矩形介质贴片，通过胶水粘在顶层基板上的中心处。
8.进一步的作为本发明的优选技术方案，所述底层基板为双面印刷电路板，所述双面印刷电路板的顶层为金属反射地，底层为微带馈线。
9.进一步的作为本发明的优选技术方案，所述微带馈线由靠近端口的50ω传输线和一段用于匹配的λ/4阻抗变换线组成。
10.进一步的作为本发明的优选技术方案，所述顶层基板为rogers ro3003介质基板。
11.进一步的作为本发明的优选技术方案，所述底层基板为rogers ro4003介质基板。
12.本发明所述的一种加载金属壁的共口径宽带同极化介质贴片全双工天线，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
13.本发明在单体介质贴片的中心引入一条矩形缝隙，降低了该区域的有效介电常数。因此，介质贴片内的两种谐振模式(tm
10
和te
12
模式)的电场分布被移动到未刻蚀缝隙部分，从而在接收端形成弱场区域。接着，矩形缝隙两侧镶嵌的金属壁，进一步提高了两个端口间的隔离。本发明构造了一种采用tm
10
和te
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模式的宽带同极化天线，并在较宽的工作频带内显著提高了发射端口和接收端口之间的隔离度。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
14.图1是本发明宽带同极化介质贴片全双工天线立体图；
15.图2是本发明宽带同极化介质贴片全双工天线结构示意图；
16.图3是本发明宽带同极化介质贴片全双工天线不同阶段的演化流程图；
17.图4是本发明宽带同极化介质贴片全双工天线不同阶段的仿真回波损耗及端口隔离示意图；
18.图5是本发明宽带同极化介质贴片全双工天线的仿真回波损耗及端口隔离示意图；
19.图6是本发明宽带同极化介质贴片全双工天线两个端口的仿真增益示意图；
20.图7是本发明宽带同极化介质贴片全双工天线端口在4.9ghz处的仿真方向图；
21.图8是本发明宽带同极化介质贴片全双工天线端口在5.48ghz处的仿真方向图；
22.附图中，1-介质贴片，2-缝隙，3-金属壁，4-顶层基板，5-金属反射地，6-耦合缝隙，7-底层基板，8-微带馈线。
具体实施方式
23.下面结合附图详细的描述本发明的作进一步的解释说明，以使本领域的技术人员可以更深入地理解本发明并能够实施，但下面通过参考实例仅用于解释本发明，不作为本发明的限定。
24.如图1与图2所示，一种加载金属壁的共口径宽带同极化介质贴片全双工天线，包
括自下而上依次层叠设置的底层基板7、金属反射地5、顶层基板4及介质贴片1，其特征在于，介质贴片1中心刻蚀有一条缝隙2，缝隙2关于介质贴片1垂直中分面对称；缝隙2两端内壁加载有一对金属壁3，金属壁3关于缝隙2垂直中分面对称；底层基板7的下表面设有用于耦合馈电的端口及微带馈线8；端口包括端口一及端口二；金属反射地5上刻蚀有一对耦合缝隙6；微带馈线8在金属反射地5上的投影与耦合缝隙6垂直相交；耦合缝隙6关于微带馈线8在金属反射地5上的投影中心线对称。
25.介质贴片1为矩形介质贴片，通过胶水粘在顶层基板4上的中心处。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5，底层为微带馈线8。微带馈线8由靠近端口的50ω传输线和一段用于匹配的λ/4阻抗变换线组成。
26.本发明由中心刻蚀有一条矩形缝隙2的单体矩形介质贴片1和两层基板组成。介质贴片1放置在顶层基板4上并由两个对称端口激发。在单体介质贴片1的中心引入一条矩形缝隙2，降低了该区域的有效介电常数。因此，介质贴片1内的两种谐振模式(tm
10
和te
12
模式)的电场分布被移动到未刻蚀缝隙部分，从而在接收端形成弱场区域。接着，矩形缝隙2两侧镶嵌的金属壁3，进一步改善了两个端口间的隔离。本发明构造了一种采用tm
10
和te
12
模式的宽带同极化天线，并在较宽的工作频带内显著提高了发射端口和接收端口之间的隔离度。金属反射地5放置在两层基板之间，在其上刻蚀了一对耦合缝隙6，用于介质贴片谐振器和位于底层基板7底部的微带馈线8之间的孔径耦合。
27.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1：
28.表1
29.参数lgwgh1h2ldwd值(mm)60861.5240.8133259参数hdlcwcwslswf值(mm)0.933032.87.10.8
30.表1中，h1为顶层基板4的高度，h2为底层基板7的高度，ld为介质贴片的长度，wd为介质贴片的宽度，hd为介质贴片的厚度，lc为介质贴片上刻蚀的缝隙的长度，wc为缝隙的宽度，ls为耦合缝隙的长度，ws为耦合缝隙的宽度。
31.本发明采用了两层基板，顶层基板4为rogers ro3003，其介电常数为εr＝3，损耗角正切为tanδ＝1.3
×
10-3
，底层基板7为rogers ro4003，其介电常数为εr＝3.38，损耗角正切为tanδ＝2.7
×
10-3
，顶层基板4的体积为lg×
wg×
h1，底层基板7的体积为lg×
wg×
h2。
32.图3为本发明宽带同极化介质贴片全双工天线不同阶段的演化流程图。阶段i为未刻蚀缝隙的介质贴片天线；阶段ii为中间刻蚀有一条矩形缝隙的介质贴片天线；阶段iii为矩形缝隙两侧内壁加载金属壁的介质贴片天线。图4是本实例宽带同极化介质贴片全双工天线不同阶段的仿真回波损耗及端口隔离。可以观察到，两个端口之间的隔离在工作频带内逐渐改善。隔离度从8db(阶段i)显著提高到22db以上(阶段iii)。图5为本实例宽带同极化介质贴片全双工天线的仿真反射系数及端口间隔离，仿真带宽均为16.8％，端口间隔离度大于22db。图6为本实例宽带同极化介质贴片全双工天线两个端口的仿真增益，端口带内最大增益均为7.6dbi。图7与图8为天线端口一和端口二的仿真e面和h面辐射方向图。
33.以上所述的具体实施方案，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方案而已，并非用以限定本发
明的范围，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所做出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。