一种圆极化旁瓣抑制的贴片阵列天线

技术领域

本申请涉及天线技术领域，特别是一种圆极化旁瓣抑制的贴片阵列天线。

背景技术

电子收费系统，智能家居和工业互联网等场景用到的无线覆盖网络都基于专用短程通信技术。这几种短距通信场景中往往会遇到多信道的情况，例如在高速公路上存在并排的若干个收费系统，以及在大型智能工厂中存在并发的流水线等。基于上述实际情况，相邻信道由于距离较近会出现相互干扰。为了使客服信道之间不产生互相干扰，首先需要精确控制阵列天线的波束宽度，其次需要抑制高电平值的旁瓣。

现有的圆极化贴片阵列天线的实际测试的旁瓣电平值约为-12 dB，这样的旁瓣电平值会将来自相邻信道的干扰引入主瓣，严重地降低了信号分辨率。降低旁瓣电平值的一个有效方法是改变阵列天线的物理结构，例如改变具背腔缝隙阵列天线的阵间距，对贴片阵列天线加载互补开口谐振环，或者使阵列单元具有非均匀大小和稀疏数组。尽管如此，当需要同时优化多个参数时，这种方法会大大增加数组设计的复杂度，导致加工难度较大、生产成本较高。

发明内容

鉴于所述问题，提出了本申请以便提供克服所述问题或者至少部分地解决所述问题的一种圆极化旁瓣抑制的贴片阵列天线，包括：

一种圆极化旁瓣抑制的贴片阵列天线，包括：天线阵列、介质结构、馈电网络和若干馈电探针；

所述天线阵列和所述馈电网络相对设置在所述介质结构的两侧；所述天线阵列包括四个天线阵元；每个所述天线阵元包括以直角形式排列的三个天线单元；其中，各所述天线阵元中位于直角顶点处的所述天线单元均匀分布在第一圆周上，其余所述天线单元均匀分布在第二圆周上；所述第一圆周与所述二圆周的圆心相同；所述第一圆周的半径小于所述二圆周的半径；所述馈电网络上设有与每一所述天线单元对应的输出端口；若干所述馈电探针穿设在所述介质结构的内部；每一所述天线单元通过一所述馈电探针与对应位置的所述输出端口连接；

当射频信号输入各个所述天线阵元时，所述馈电网络依据所述天线单元与所述圆心的距离，将所述射频信号的能量分成不同大小，按照顺时针或逆时针的方向依次输送到所述天线阵元中的各个所述天线单元。

优选的，所述天线单元为正方形的贴片天线；所述天线单元的一组对角上设有倒角；同一所述天线阵元中相邻的所述天线单元依次相差90°设置。

优选的，所述天线单元包括依次首尾相连的第一边、第二边、第三边和第四边；所述第一边、所述第二边、所述第三边和所述第四边的长度分别为13.5mm；所述倒角分别设置在所述第一边与所述第二边相交的端部以及所述第三边与所述第四边相交的端部；所述倒角的半径为1.5mm；所述天线单元上设有与所述馈电探针位置相对应的馈电点；所述馈电点设置在所述第一边和所述第三边的中心线上，并且与所述第四边相距4.6mm。

优选的，所述第一圆周的半径为所述第二圆周的半径的1/2；相邻的所述天线阵元依次相差90°设置。

优选的，相邻的所述天线单元的距离为27mm。

优选的，所述馈电网络包括第一微带线、第二微带线和T型功分器；所述天线阵元中分布在所述第二圆周上的两个所述天线单元通过所述第一微带线并联组成第一并联结构，所述第一并联结构与分布在所述第一圆周上的所述天线单元通过所述第二微带线并联组成第二并联结构；各个所述第二并联结构通过所述T型功分器并联至信号端口；

当所述射频信号由所述信号端口输入各个所述天线阵元时，所述T型功分器对各个所述第二并联结构进行功率分配，所述第二微带线对所述第一并联结构和分布在所述第一圆周上的所述天线单元进行相位补偿，所述第一微带线对分布在所述第二圆周上的两个所述天线单元进行相位补偿，使所述射频信号的能量分成不同大小，按照顺时针或逆时针的方向依次输送到所述天线阵元中的各个所述天线单元。

优选的，所述天线阵元中分布在所述第一圆周上的所述天线单元与分布在所述第二圆周上的两个所述天线单元的馈电功分比为3.4:1。

优选的，所述介质结构包括上层介质板、下层介质板、接地板和连接柱；

所述上层介质板与所述下层介质板平行设置并且通过所述连接柱连接；所述上层介质板背向所述下层介质板的一侧设有所述天线阵列；所述下层介质板朝向所述上层介质板的一侧设有所述接地板，背向所述上层介质板的一侧设有所述馈电网络；每一所述馈电探针的一端分别与一所述天线单元连接，另一端分别穿过所述上层介质板、所述接地板和所述下层介质板与所述馈电网络连接。

优选的，所述上层介质板和所述下层介质板的长度分别为108mm，宽度分别为108mm。所述上层介质板的厚度为1mm；所述下层介质板的厚度为1mm；所述上层介质板与所述下层介质板相距0.036mm。

优选的，所述上层介质板为F4B板；所述下层介质板为FR4板；所述天线阵列和所述接地板分别为铜板。

本申请具有以下优点：

在本申请的实施例中，通过天线阵列、介质结构、馈电网络和若干馈电探针；所述天线阵列和所述馈电网络相对设置在所述介质结构的两侧；所述天线阵列包括四个天线阵元；每个所述天线阵元包括以直角形式排列的三个天线单元；其中，各所述天线阵元中位于直角顶点处的所述天线单元均匀分布在第一圆周上，其余所述天线单元均匀分布在第二圆周上；所述第一圆周与所述二圆周的圆心相同；所述第一圆周的半径小于所述二圆周的半径；所述馈电网络上设有与每一所述天线单元对应的输出端口；若干所述馈电探针穿设在所述介质结构的内部；每一所述天线单元通过一所述馈电探针与对应位置的所述输出端口连接；当射频信号输入各个所述天线阵元时，所述馈电网络依据所述天线单元与所述圆心的距离，将所述射频信号的能量分成不同大小，按照顺时针或逆时针的方向依次输送到所述天线阵元中的各个所述天线单元；所述贴片阵列天线具有优异的圆极化性能，同时具有较高的增益和较好的旁瓣抑制效果，可以有效降低多信道应用场景下信号互相干扰和耦合的现象；并且，所述贴片阵列天线加工简单，成本较低，在短距无线通信的应用场景中可以起到重要作用。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对本申请的描述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申请的一些实施例，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是本申请一实施例提供的一种贴片阵列天线的结构示意图。

图2是本申请一实施例提供的一种贴片阵列天线的另一结构示意图（正面）。

图3是本申请一实施例提供的一种贴片阵列天线又一的结构示意图（背面）。

图4是本申请一实施例提供的一种贴片阵列天线中天线阵列、馈电网络和馈电探针的结构示意图。

图5是本申请一实施例提供的一种贴片阵列天线中天线单元的结构示意图。

图6是本申请一实施例提供的一种贴片阵列天线的加工实物图（正面）。

图7是本申请一实施例提供的一种贴片阵列天线的加工实物图（背面）。

图8是本申请一实施例提供的一种圆极化贴片阵列天线的结构示意图。

图9是本申请一实施例提供的一种圆极化贴片阵列天线和五个接收天线的结构示意图。

图10是本申请一实施例提供的一种圆极化贴片阵列天线的增益随角度变化的仿真曲线。

图11是本申请一实施例提供的一种贴片阵列天线的增益随角度变化的仿真曲线。

图12是本申请一实施例提供的一种贴片阵列天线的仿真和测量S11曲线。

图13是本申请一实施例提供的一种贴片阵列天线的顶点增益与轴比随频率变化的仿真和测量曲线。

图14是本申请一实施例提供的一种贴片阵列天线的仿真和测量辐射方向图（φ =0°平面）

图15是本申请一实施例提供的一种贴片阵列天线的仿真和测量辐射方向图（φ =90°平面）

图16是本申请一实施例提供的一种贴片阵列天线的轴比随角度变化的仿真和测量曲线。

说明书附图中的附图标记如下：

100、天线阵列；200、介质结构；300、馈电网络；400、馈电探针。

具体实施方式

为使本申请的所述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

参照图1-7，示出了本申请一实施例提供的一种圆极化旁瓣抑制的贴片阵列天线，包括：天线阵列100、介质结构200、馈电网络300和若干馈电探针400；

所述天线阵列100和所述馈电网络300相对设置在所述介质结构200的两侧；所述天线阵列100包括四个天线阵元；每个所述天线阵元包括以直角形式排列的三个天线单元；其中，各所述天线阵元中位于直角顶点处的所述天线单元均匀分布在第一圆周上，其余所述天线单元均匀分布在第二圆周上；所述第一圆周与所述二圆周的圆心相同；所述第一圆周的半径小于所述二圆周的半径；所述馈电网络300上设有与每一所述天线单元对应的输出端口；若干所述馈电探针400穿设在所述介质结构200的内部；每一所述天线单元通过一所述馈电探针400与对应位置的所述输出端口连接；

当射频信号输入各个所述天线阵元时，所述馈电网络300依据所述天线单元与所述圆心的距离，将所述射频信号的能量分成不同大小，按照顺时针或逆时针的方向依次输送到所述天线阵元中的各个所述天线单元。

在本申请的实施例中，通过天线阵列100、介质结构200、馈电网络300和若干馈电探针400；所述天线阵列100和所述馈电网络300相对设置在所述介质结构200的两侧；所述天线阵列100包括四个天线阵元；每个所述天线阵元包括以直角形式排列的三个天线单元；其中，各所述天线阵元中位于直角顶点处的所述天线单元均匀分布在第一圆周上，其余所述天线单元均匀分布在第二圆周上；所述第一圆周与所述二圆周的圆心相同；所述第一圆周的半径小于所述二圆周的半径；所述馈电网络300上设有与每一所述天线单元对应的输出端口；若干所述馈电探针400穿设在所述介质结构200的内部；每一所述天线单元通过一所述馈电探针400与对应位置的所述输出端口连接；当射频信号输入各个所述天线阵元时，所述馈电网络300依据所述天线单元与所述圆心的距离，将所述射频信号的能量分成不同大小，按照顺时针或逆时针的方向依次输送到所述天线阵元中的各个所述天线单元，所述贴片阵列天线具有优异的圆极化性能（圆极化轴比带宽在5.8GHz时实现了720MHz，其相应的圆极化轴比为0.3dB），同时具有较高的增益和较好的旁瓣抑制效果（在方位角φ=0°的平面上具有15.3dBi的增益，并且，在方位角φ=90°的平面上具有低于-30dB的副瓣），可以有效降低多信道应用场景下信号互相干扰和耦合的现象；并且，所述贴片阵列天线加工简单，成本较低，在短距无线通信的应用场景中可以起到重要作用。

下面，将对本示例性实施例中一种圆极化旁瓣抑制的贴片阵列天线作进一步地说明。

所述贴片阵列天线包括四个天线行，第一和第四天线行分别包括二个所述天线单元；第二和第三天线行分别包括所述四个天线单元；第二天线行的第一所述天线单元和第三天线行的第一所述天线单元位于同一列；第二天线行的第四所述天线单元和第三天线行的第四所述天线单元位于同一列；第一天线行的第一所述天线单元、第二天线行的第二所述天线单元、第三天线行的第二所述天线单元和第四天线行的第一所述天线单元位于同一列；第一天线行的第二所述天线单元、第二天线行的第三所述天线单元、第三天线行的第三所述天线单元和第四天线行的第二所述天线单元位于同一列。

本实施例中，所述天线单元为正方形的贴片天线；所述天线单元的一组对角上设有倒角；同一所述天线阵元中相邻的所述天线单元依次相差90°设置。具体地，第一天线行的第一所述天线单元、第二天线行的第一所述天线单元、第二天线行的第三所述天线单元、第三天线行的第二所述天线单元、第三天线行的第四所述天线单元和第四天线行的第二所述天线单元在所述介质结构200的第一对角线方向上的一组对角设有倒角；第一天线行的第二所述天线单元、第二天线行的第二所述天线单元、第二天线行的第四所述天线单元、第三天线行的第一所述天线单元、第三天线行的第三所述天线单元和第四天线行的第一所述天线单元在所述介质结构200的第二对角线方向上的一组对角设有倒角。通过在所述天线单元的一组对角上设置倒角，可以使正方形的所述天线单元产生圆极化的电磁波辐射；通过使相邻的所述天线单元依次相差90°设置，可以实现良好的圆极化性能。

本实施例中，所述天线单元包括依次首尾相连的第一边、第二边、第三边和第四边；所述第一边、所述第二边、所述第三边和所述第四边的长度分别为13.5mm；所述倒角分别设置在所述第一边与所述第二边相交的端部以及所述第三边与所述第四边相交的端部；所述倒角的半径为1.5mm；所述天线单元上设有与所述馈电探针400位置相对应的馈电点；所述馈电点设置在所述第一边和所述第三边的中心线上，并且与所述第四边相距4.6mm。如图5所示，所述天线单元表面的圆点为所述天线单元的所述馈电点；所述天线单元的边长Wp为13.5mm，所述倒角的半径s为1.5mm，所述馈电点与所述第四边的距离Lf为4.6mm。

本实施例中，所述第一圆周的半径为所述第二圆周的半径的1/2；相邻的所述天线阵元依次相差90°设置。

本实施例中，相邻的所述天线单元的距离为27mm。

本实施例中，所述馈电网络300包括第一微带线、第二微带线和T型功分器；所述天线阵元中分布在所述第二圆周上的两个所述天线单元通过所述第一微带线并联组成第一并联结构，所述第一并联结构与分布在所述第一圆周上的所述天线单元通过所述第二微带线并联组成第二并联结构；各个所述第二并联结构通过所述T型功分器并联至信号端口；

当所述射频信号由所述信号端口输入各个所述天线阵元时，所述T型功分器对各个所述第二并联结构进行功率分配，所述第二微带线对所述第一并联结构和分布在所述第一圆周上的所述天线单元进行相位补偿，所述第一微带线对分布在所述第二圆周上的两个所述天线单元进行相位补偿，使所述射频信号的能量分成不同大小，按照顺时针或逆时针的方向依次输送到所述天线阵元中的各个所述天线单元。

通过所述T型功分器和所述微带线使所述射频信号的能量分成不同大小，按照顺时针或逆时针的方向依次输送到所述天线阵元中的各个所述天线单元，可以有效收窄天线波束角度，并降低天线旁瓣电平。

本实施例中，所述天线阵元中分布在所述第一圆周上的所述天线单元与分布在所述第二圆周上的两个所述天线单元的馈电功分比为3.4:1。

本实施例中，所述介质结构200包括上层介质板、下层介质板、接地板和连接柱；

所述上层介质板与所述下层介质板平行设置并且通过所述连接柱连接；所述上层介质板背向所述下层介质板的一侧设有所述天线阵列100；所述下层介质板朝向所述上层介质板的一侧设有所述接地板，背向所述上层介质板的一侧设有所述馈电网络300；每一所述馈电探针400的一端分别与一所述天线单元连接，另一端分别穿过所述上层介质板、所述接地板和所述下层介质板与所述馈电网络300连接。

本实施例中，所述上层介质板和所述下层介质板的长度分别为108mm，宽度分别为108mm。所述上层介质板的厚度为1mm；所述下层介质板的厚度为1mm；所述上层介质板与所述下层介质板相距0.036mm。所述贴片阵列天线尺寸紧凑，可应用于不同场景。

本实施例中，所述上层介质板为F4B板；所述下层介质板为FR4板；所述天线阵列100和所述接地板分别为铜板。具体地，所述上层介质板的相对介电常数为2.65，损耗角正切为0.001；所述下层介质板的相对介电常数为4.3，损耗角正切为0.025；所述介质板的正切损耗角较小，有利于提升天线阵的增益和辐射效率；所述贴片阵列天线基于印刷电路板制备，具有低成本和易于加工等特点。

作为对照，提供一种圆极化贴片阵列天线，如图8所示，其包括以4×4的阵列形式排布的16个所述天线单元，并且采用等幅同相的馈电方式，其仿真的旁瓣电平值在-13.2dB，在前文中已经提出，-12dB左右的旁瓣对于多信道的系统而言始终存在着较高的干扰。

为测试作为对照的所述圆极化贴片阵列天线与本申请中所述贴片阵列天线的增益性能，引入五个线极化天线作为接收天线（p0、p1、p2、p3、p4、p5），如图9所示，使得五个接收天线呈球形分布θ=±43°方向的发射阵列远场在φ=0°和φ=90°平面中。

作为对照的所述圆极化贴片阵列天线的增益随角度变化的仿真曲线如图10所示；本申请中所述贴片阵列天线的增益随角度变化的仿真曲线如11所示；可以看出，去除4×4阵列的四个角单元后，本申请中所述贴片阵列天线的增益水平几乎不变，并且，本申请中所述贴片阵列天线在两个主平面（即φ=0°和φ=90°平面）上的副瓣电平水平均低于-30dB，这表明天线的高增益性能在去掉四个角单元后不受影响，并且全部所述天线单元的数量减少了25%，使得待设计的所述馈电网络300复杂度大大缓解，而且简化了生产流程，降低了生产成本。

本申请中所述贴片阵列天线的仿真和测量S11曲线如图12所示；可以看出，所述贴片阵列天线测得的带宽为620MHz，在5.8GHz时具有良好的阻抗匹配。

本申请中所述贴片阵列天线的顶点增益与轴比随频率变化的仿真和测量曲线如图13所示；可以看出，轴比<3dB的测量带宽为5.50-6.22GHz，5.8GHz处的轴比为0.3dB，表明所述贴片阵列天线在5.8GHz时具有良好的圆极化性能。此外，所述贴片阵列天线的仿真增益为15.8dBi，在5.8GHz时测得的增益为15.3dBi。

所述贴片阵列天线的阻抗带宽(10.6%)和轴比带宽(12.4%)不是很宽，因为激励的优化分布由频带的中心频率确定，因此，所述贴片阵列天线只有适用于窄带应用，例如基于多层的宽带馈电网络结构或一些超材料技术。

本申请中所述贴片阵列天线的仿真和测量的辐射方向图如图14和图15所示，其中，图14为φ=0°平面，图15为φ=90°平面；可以看出，在φ=0°平面上，所述贴片阵列天线测得的半功率波束宽度为28°，在φ=90°平面上，测得的半功率波束宽度为30°，测量与仿真结果基本一致。在φ=0°平面上，测得的旁瓣电平为–30dB，在φ=90°平面上，测得的旁瓣电平为–32dB，测量结果略高于仿真结果，可能由制造误差导致。

本申请中所述贴片阵列天线的轴比随角度变化的仿真和测量曲线如图16所示，可以看出，在φ=0°平面上测得的3dB轴比波束宽度为74°，并且在φ=90°上测得的3-dB轴比波束宽度为64°。

综上所述，所述贴片阵列天线具有紧凑的尺寸和较宽度3dB轴比带宽，同时具有低旁瓣和高增益性能，可以用于短距离的实时通信的场景，例如车载电子收费，近距离高分辨率成像，智能家居和工业互联网等场景，尤其是车载电子收费场景，所述贴片阵列天线可以达到预期的远场性能并满足ETC（Electronic Toll Collection，电子不停车收费）系统的要求，可以保证车辆的稳健性能通讯。

尽管已描述了本申请实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请实施例范围的所有变更和修改。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

以上对本申请所提供的一种圆极化旁瓣抑制的贴片阵列天线，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。