一种宽带解耦的叠层贴片天线

技术领域

本发明涉及天线技术领域，具体来说，涉及一种宽带解耦的叠层贴片天线。

背景技术

叠层贴片天线不但具有贴片天线结构简单、易集成、成本低的特点，而且相比于单层贴片天线具有工作频带宽、增益高等优点，因而被广泛应用于微波、毫米波天线系统中。将多个叠层贴片天线单元组成多单元叠层贴片天线阵列，可以获得更高增益的定向波束，或者形成多入多出阵列提高系统信道容量。然而，自然形成的多单元叠层贴片天线阵列中，单元间的互耦水平并不能满足通信要求，易于引起天线阵列的有源匹配恶化、方向图变形、扫描角度减小以及系统的误码率高、信道容量恶化等一系列问题。因此，有必要探求降低多单元叠层贴片天线阵列单元间互耦的方法。

现有的可用于叠层贴片天线去互耦的方法主要有两种。第一种是在两单元中间垂直添加高且宽的金属壁阻隔耦合电流，实现工作频带内互耦水平的整体降低，该方案的去互耦效果与金属壁物理参数密切相关，因此需在整体尺寸与去耦水平间作出取舍。第二种是改变顶层基板介电常数并引入空气层，将带外的一个互耦零点移植到匹配带宽内，形成单点匹配与单点去互耦，因此将无法维持叠层贴片的宽带特性。

总体而言，现有的叠层贴片天线去互耦方法存在剖面高、带宽窄、解耦水平低、结构复杂或集成化程度低等问题。因此，有必要发明一种不增加天线剖面高度及结构复杂度的宽带高解耦叠层贴片天线。

发明内容

本发明的目的是提出一种宽带解耦的叠层贴片天线，以解决现有相关技术所存在的上述技术问题。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种宽带解耦的叠层贴片天线，包括顶层金属结构、第一介质基板、第二介质基板以及大地金属基板，所述顶层金属结构包括若干设置于所述第一介质基板上的寄生金属贴片，每个寄生金属贴片上具有双圆孔单圆盘结构，且相邻的两个寄生金属贴片之间的区域设置有对称的半波长金属条带；所述第一介质基板与所述第二介质基板之间与所述顶层金属结构对应处设置有中间层金属结构，所述大地金属基板设置于所述第二介质基板的底部，且所述顶层金属结构、所述第一介质基板、所述中间层金属结构、所述第二介质基板以及所述大地金属基板之间通过金属探针贯穿连接。

其中，所述双圆孔单圆盘结构包括设置于寄生金属贴片顶面的两个圆形孔，其中一圆形孔内设置有金属圆盘。

优选的，所述圆形孔的直径为0.1λ

优选的，所述金属圆盘直径为0.05λ

优选的，所述半波长金属条带宽度为0.04λ

其中，所述中间层金属结构包括与所述寄生金属贴片位置相对应的驱动金属贴片。

其中，所述金属探针连接所述金属圆盘、所述第一介质基板、所述驱动金属贴片、所述第二介质基板以及所述大地金属基板。

有益效果：本发明在叠层贴片天线中构建双圆孔单圆盘结构和一对半波长金属条带，可实现引出4条可控的耦合路径，并利用耦合路径之间的多重抵消，形成三个可控的互耦零点，实现了宽带高解耦水平的叠层贴片天线，且具有结构简单、无剖面增加、易集成等特点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明实施例的宽带解耦1×2的宽带解耦的叠层贴片天线的的结构侧视图；

图2是根据本发明实施例的宽带解耦1×2的宽带解耦的叠层贴片天线的顶层金属结构的结构示意图；

图3是根据本发明实施例的宽带解耦1×2的宽带解耦的叠层贴片天线的中间层金属结构的结构示意图；

图4是根据本发明实施例的宽带解耦1×4的宽带解耦的叠层贴片天线的结构侧视图；

图5是根据本发明实施例的宽带解耦1×4的宽带解耦的叠层贴片天线的顶层金属结构的结构示意图；

图6是根据本发明实施例的宽带解耦1×4的宽带解耦的叠层贴片天线的中间层金属结构的结构示意图；

图7是根据本发明实施例的宽带解耦的叠层贴片天线对负载的耦合路径示意图；

图8是根据本发明实施例的宽带解耦1×2的宽带解耦的叠层贴片天线的匹配及互耦仿真结果示意图；

图9是根据本发明实施例的宽带解耦1×2的宽带解耦的叠层贴片天线在单端口激励条件下的第一个反射零点处的仿真方向图；

图10是根据本发明实施例的宽带解耦1×2的宽带解耦的叠层贴片天线在单端口激励条件下的第二个反射零点处的仿真方向图；

图11是根据本发明实施例的宽带解耦1×4的宽带解耦的叠层贴片天线的匹配及互耦仿真结果示意图。

图中：

1、顶层金属结构；2、第一介质基板；3、第二介质基板；4、大地金属基板；5、寄生金属贴片；6、半波长金属条带；7、中间层金属结构；8、金属探针；9、圆形孔；10、金属圆盘；11、驱动金属贴片。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

根据本发明的实施例，提供了一种宽带解耦的叠层贴片天线。

如图1-6所示，根据本发明实施例的一种宽带解耦的叠层贴片天线，包括顶层金属结构1、第一介质基板2、第二介质基板3以及大地金属基板4，所述顶层金属结构1包括若干设置于所述第一介质基板2上的寄生金属贴片5，每个寄生金属贴片5上具有双圆孔单圆盘结构，且相邻的两个寄生金属贴片5之间的区域设置有对称的半波长金属条带6；所述第一介质基板2与所述第二介质基板3之间与所述顶层金属结构1对应处设置有中间层金属结构7，所述大地金属基板4设置于所述第二介质基板3的底部，且所述顶层金属结构1、所述第一介质基板2、所述中间层金属结构7、所述第二介质基板3以及所述大地金属基板4之间通过金属探针8贯穿连接。

在上述实施例中，所述双圆孔单圆盘结构包括设置于寄生金属贴片5顶面的两个圆形孔9，其中一圆形孔9内设置有金属圆盘10。具体的，所述圆形孔9的直径为0.1λ

在上述实施例中，所述中间层金属结构7包括与所述寄生金属贴片5位置相对应的驱动金属贴片11。对应的，所述金属探针8是连接所述金属圆盘10、所述第一介质基板2、所述驱动金属贴片11、所述第二介质基板3以及所述大地金属基板4的。

具体使用时，如图1-3所示，以宽带解耦1×2的宽带解耦的叠层贴片天线为例，当单元1的端口馈入信号，而单元2的端口接匹配负载时，信号通过单元1的金属探针8激励其中间层金属结构7中对应的驱动金属贴片11及顶层金属结构1中的金属圆盘10。随后，单元1的驱动金属贴片11及金属圆盘10将信号继续耦合至顶层金属结构1中对应的寄生金属贴片5，两层贴片共同辐射构成整个天线单元1的辐射。单元1工作时，信号通过多条受控的耦合路径，耦合至单元2，形成单元1对单元2的互耦。最后形成的整体互耦越弱，两个端口间的相互干扰越小。当单元2的端口馈入信号而单元1的端口接匹配负载时，过程与上述相同。

此外，如图7所示，“负载”指端口连接匹配负载的耦合单元。本发明所提出的宽带解耦叠层贴片天线具有四条耦合路径：路径1为驱动金属贴片11通过近场空间对负载的耦合；路径2为寄生金属贴片5被激励后，在双圆孔单圆盘结构的作用下，通过近场空间对负载的耦合；路径3为驱动金属贴片11通过半波长金属条带6对负载的耦合；路径4为寄生金属贴片5被激励后，在双圆孔单圆盘结构的作用下，通过半波长金属条带6对负载的耦合。

其中，路径1和路径3的反相抵消及路径2和路径4的反相抵消，可在工作频带内形成第一和第二互耦零点，而两层金属贴片之间的反向电流在匹配频带上边沿形成第三互耦零点。以上过程中，天线的寄生金属贴片5的谐振点可以通过调整双圆孔单圆盘结构而保持相对稳定，因此使得天线获得三个互耦零点展宽解耦带宽的同时，维持叠层贴片天线的宽带工作特性，并且整个匹配频带内整体互耦水平较低。

而天线的中心频率主要通过控制驱动金属贴片11和寄生金属贴片5极化方向的长度进行调节，而双圆孔单圆盘结构能对第二个反射零点的频率作适当调节。通过调节半波长金属条带6的长度及其距离寄生金属贴片5的距离，可以控制前两个互耦零点出现的位置及前两个互耦零点间的互耦峰值，而调节双圆孔单圆盘结构的尺寸，可以控制后两个互耦零点出现的位置及后两个互耦零点间的互耦峰值。最终结合对半波长金属条带6、圆形孔9和金属圆盘10尺寸的调节，可综合调控三个互耦零点出现的位置及整体匹配带宽内的互耦水平。

另外，如图4-6所示，本发明的宽带解耦叠层贴片天线也可以组成多元阵，例如1×4单元天线阵列。在多元阵中组合调节圆形孔9、金属圆盘10及半波长金属条带6的尺寸，可综合调控互耦零点出现的位置及匹配带宽内的整体互耦水平。

具体应用时，宽带解耦1×2叠层贴片天线的结构示意图如图1-3所示。采用的介质基板均为RO4003C，两个天线单元中心间距为0.5λ

而该宽带解耦1×2叠层贴片天线单端口激励条件下反射零点处的仿真方向则如图9-10所示。在第一个反射零点3.36GHz处，单元的E面和H面的3-dB波束宽度范围分别为113.8°和93.4°，交叉极化水平分别为-113.4dB和-27.28dB。在第二个反射零点3.57GHz处，单元的E面和H面的3-dB波束宽度范围分别为110.7°和90.6°，交叉极化水平分别为-113.2dB和-27.87dB。

图11展示了宽带解耦1×4叠层贴片天线的匹配及互耦仿真结果。该带解耦1×4叠层贴片天线的中心频率为3.44GHz，10-dB阻抗匹配带宽为9.3％，相邻单元间在匹配频带内的整体互耦水平低于-30dB。

由此可见，借助于本发明的上述技术方案，通过在叠层贴片天线中构建双圆孔单圆盘结构和一对半波长金属条带，可实现引出4条可控的耦合路径，并利用耦合路径之间的多重抵消，形成三个可控的互耦零点，实现了宽带高解耦水平的叠层贴片天线，且具有结构简单、无剖面增加、易集成等特点。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。