[發明專利]高隔離度雙極化環縫微帶天線單元

在審

• 申請號: 201710045810.2
• 申請日: 2017-01-20
• 公開（公告）號: CN106935963A
• 公開（公告）日: 2017-07-07
• 發明（設計）人: 胡大成;何凌云;王軍會;何海丹;張云;任燕飛
• 申請（專利權）人: 西南電子技術研究所（中國電子科技集團公司第十研究所）
• 主分類號: H01Q1/36
• 分類號: H01Q1/36;H01Q1/38;H01Q1/50;H01Q1/52;H01Q15/24;H01Q19/02
• 代理公司: 成飛(集團)公司專利中心51121
• 代理人: 郭純武

技術領域

本發明涉及一種主要應用于移動通訊系統基站的低剖面高隔離雙極化環縫微帶天線。

背景技術

天線是當代無線通信系統中不可或缺的部分。隨著現代無線通信技術的快速發展,全球定位系統(GPS)、衛星通信、合成孔徑雷達(SAR)、無線個人通信(WLAN)等領域都需要重量輕、剖面低、易共形的雙極化天線。而微帶天線天線具有饋電方式和極化形式多樣化的優點,并且易與饋電網絡和有源電路集成一體化。而隨著PCB工藝的不斷發展，系統集成度的要求越來越高，微帶天線以其低成本，低剖面，易集成的優點而被廣泛運用于現今各種無線通信設備中。但是，由于傳統微帶天線本身具有的高Q值特性，低功率，低效率，低極化純度，饋電網絡寄生輻射以及很窄的頻率帶寬(一般只有百分之幾的相對帶寬)工作缺陷，使得傳統的饋電方式對阻抗帶寬的展寬略顯乏力。為了克服電波在無線信道傳播環境中的多徑衰落，提高信道容量，雙極化天線廣泛應用于現今各種無線通信系統中。在某些應用系統中，移動通訊系統要求基站天線具有高端口隔離度與低交叉極化和穩定的寬帶特性，包括增益、波束寬度和輻射方向圖特性在相對帶寬百分幾至幾十的頻帶內相對穩定；其次，現在的基站系統都采用極化分集的方式來增加信道容量，要求天線陣具有雙極化特性，對2個極化的輸入端口隔離度和交叉極化電平都有一定的要求。首要任務是實現高端口隔離度指標，其次是實現低交叉極化電平。天線陣的端口隔離度取決于每個單元的端口隔離度；最后，為了減少信道間的相互干擾，還對天線的無源交調也有要求，具體視發射功率值而定。現在市場上可買到的基站天線主要采用2類天線方案，即電偶極子天線和貼片天線。它們各有優點，但電偶極子天線存在剖面高(約四分之一個波長)的缺點，而貼片天線也存在帶寬窄和端口隔離度低的問題。由于天線的輻射可以看成是貼片上分布的電流元在遠場的輻射的迭加。為了得到好的交叉極化特性需要貼片上的電流分布更規則，也就是希望貼片下能產生規整的場分布。由于希望得到規整的場分布，因此雙極化貼片單元常用二維對稱的結構，諸如:方形輻射貼片、圓形貼片、方環形貼片、圓環形貼片等。圓形貼片一般工作于TM₁₁模，輻射貼片則工作于基模TM₀₁。圓貼片中，偏離中軸的電流可分解為平行主極化分量與垂直主極化分量。垂直主極化分量除了在輻射正方向上左右相消，在其余方向上均會抬高交叉極化電平。另外，在探針激勵的單層圓貼片中，為了阻抗匹配，一般會將饋點移向貼片中心。饋點越向內移，阻抗越小，但是交叉極化電平越高，這是由于圓貼片的中心對稱結構造成的，在加工不完善情況下更可能造成極化旋轉。而方貼片則無此之虞，因此大多數有低交叉極化電平要求的天線都采用方形的輻射貼片。在饋電方面，現有技術通常用兩個正交端口來激勵兩個正交模式，實現雙極化。常規激勵方法包括探饋、口徑耦合、臨近耦合、共面微帶線4種。但是，任何一種天線饋電方式必然會在饋點改變貼片腔內的邊界條件，例如:口徑耦合的槽改變了原本“電壁”的特性，探針的同軸內芯則相當于加入一根豎直的“電壁”，帶來場的不連續性，擾亂場的分布，這是需要竭力避免的。微帶天線的基片選取是多種多樣的，如果對天線性能要求較高，一般選取介電常數較低，厚度較大的基片，但隨著基片厚度的增加，表面波效應會產生，這些表面波會消耗掉原有的用于輻射的部分功率。而且，這些在基片內部傳播的表面波會在地平面、基片的截斷面以及表面不連續處出發生輻射，從而惡化原有方向圖和極化特性。在保持微帶天線較大帶寬的同時，通常使用腔體結構來消除表面波效應，如分別使用金屬分隔腔和波導結構來作為縫隙陣列和貼片陣列的背腔以抑制表面波。微帶天線有很多種饋電方法，其中以微帶線饋、同軸探針饋、口徑耦合還有鄰近耦合等四種饋電方法使用最為廣泛。口徑耦合的高隔離雙極化微帶天線由于貼片的表面電流是由縫隙輻射的極化場感應而產生的，所以其分布可以充分地反映極化純度。由于地平面上縫隙周邊的電流成環狀，使貼片上的感應電流也呈現環流狀，電流方向一致性較差因而線極化純度也比較差。而且，在貼片的中心和邊緣部分的電流是反向的，它們的遠場輻射會在正Z軸方向互相抵消，這會導致天線的增益降低。微帶饋線是一條導電條帶，通常要比貼片細很多，而且非常易于加工。這種饋電方式在進行阻抗匹配時只要適當調節微帶線嵌入貼片的深度就能很好的完成匹配工作，但這種方式會隨著基片厚度增加而激起表面波效應進而消耗輻射功率，降低天線效率，其阻抗帶寬一般只有2％-5％左右。同軸探針饋微帶天線時，內導體接貼片，外導體接地平面，也非常易于加工制造，但是帶寬也較窄。微帶線和同軸探針饋電這兩種方式由于其固有的非對稱性而容易產生高次模，進而會產生較大的交叉極化輻射。

發明內容