CN106067602B - 双极化滤波天线阵列 - Google Patents

Abstract

本发明提供了双极化滤波天线阵列，包括依次层叠设置的第一金属层、第一基板、第二金属层、第二基板、第三金属层、第三基板、第四金属层、第四基板以及第五金属层；第一基板上开设有多个第一金属化通孔，第二基板上开设有多个第二金属化通孔，第三基板上开设有多个第三金属化通孔，第四基板上开设有多个第四金属化通孔；该多个第一金属化通孔、第一金属层、第二金属层围成第一谐振腔，该多个第二金属化通孔、第二金属层、第三金属层围成第二谐振腔，该多个第三金属化通孔、第三金属层以及第四金属层围成第三谐振腔、第四谐振腔、第五谐振腔以及第六谐振腔。本发明具有损耗更小、结构更紧凑、系统的效率更高的有益效果。

Description

双极化滤波天线阵列

技术领域

本发明涉及微波通信领域，特别是涉及一种双极化滤波天线阵列。

背景技术

对与无线通信中的基站，仅使用单一线极化的天线是不够的。双极化天线由于能够减弱多径效应衰弱、增加信道通信容量、实现频率复用以及形成极化多样体系，而在基站中被广泛应用。

但是，传统的双极化天线只负责辐射两种正交极化的波束，仅仅作为辐射电磁波而存在，使得系统中还必须在天线之前加入将工作频率以外的信号滤除的滤波电路，增加了系统体积和系统的损耗。同时，在现代基站中，波束形成技术正成为趋势。为了减少所需的发射机数量，由数个天线单元组成的小型天线阵列成为必须。

结合以上三点需求，设计一种即能够实现双极化辐射，又能够实现滤波功能，还以阵列形式存在的双极化滤波天线阵列就显得十分有意义。

发明内容

本发明实施例提供一种双极化滤波天线阵列；以解决现有技术中的技术问题。

本发明实施例提供一种双极化滤波天线阵列，包括依次层叠设置的第一金属层、第一基板、第二金属层、第二基板、第三金属层、第三基板、第四金属层、第四基板以及第五金属层；所述第一基板上开设有多个第一金属化通孔，第二基板上开设有多个第二金属化通孔，第三基板上开设有多个第三金属化通孔，第四基板上开设有多个第四金属化通孔；

该多个第一金属化通孔、第一金属层、以及第二金属层围成第一谐振腔，该多个第二金属化通孔、第二金属层、以及第三金属层围成第二谐振腔，该多个第三金属化通孔、第三金属层以及第四金属层围成大小相同且呈矩形阵列分布的第三谐振腔、第四谐振腔、第五谐振腔以及第六谐振腔；该多个第四金属化通孔、第四金属层以及第五金属层围成大小相同且呈矩形阵列分布的第七谐振腔、第八谐振腔、第九谐振腔以及第十谐振腔；

该第一金属层上设置有用于向该第一谐振腔馈电的第一馈电微带线以及第二馈电微带线，该第二金属层上设置有用于将第一谐振腔器与第二谐振腔器耦合连接的第一矩形耦合缝隙以及第二矩形耦合缝隙，该第三金属层上设置有分别用于将第三谐振腔、第四谐振腔、第五谐振腔以及第六谐振腔与该第二谐振腔分别耦合级联的第三矩形耦合缝隙、第四矩形耦合缝隙、第五矩形耦合缝隙以及第六矩形耦合缝隙，该第四金属层上设置有第七圆形耦合缝隙、第八圆形耦合缝隙、第九圆形耦合缝隙、第十圆形耦合缝隙、第十一圆形耦合缝隙、第十二圆形耦合缝隙、第十三圆形耦合缝隙以及第十四圆形耦合缝隙，其中，该第七圆形耦合缝隙、第八圆形耦合缝隙分别用于将所述第六谐振腔与所述第七谐振腔器耦合级联，该第九圆形耦合缝隙、第十圆形耦合缝隙用于将第八谐振腔与第三谐振腔耦合级联，该第十一圆形耦合缝隙、该第十二圆形耦合缝隙用于将第四谐振腔与该第九谐振腔耦合级联，该第十三圆形耦合缝隙以及第十四圆形耦合缝隙用于将该第五谐振腔与第十谐振腔耦合级联；该第五金属层上设置有分别用于将第七谐振腔、第八谐振腔、第九谐振腔、以及第十谐振腔中的信号辐射出去的第一十字辐射缝隙、第二十字辐射缝隙、第三十字辐射缝隙、第四十字辐射缝隙，第一十字辐射缝隙、第二十字辐射缝隙、第三十字辐射缝隙、第四十字辐射缝隙均分别由两条尺寸相同且相互正交的矩形耦合缝隙形成。

在所述的双极化滤波天线阵列中，所述第一谐振腔、第二谐振腔、第三谐振腔、第四谐振腔、第五谐振腔、第六谐振腔、第七谐振腔、第八谐振腔、第九谐振腔、第十谐振腔均为矩形谐振腔。

在所述的双极化滤波天线阵列中，所述第一谐振腔在所述第一金属层上的投影为正方形，该第一馈电微带线和第二馈电微带线临近该正方形的两个相邻的顶角上。

在所述的双极化滤波天线阵列中，所述第一矩形耦合缝隙和第二矩形耦合缝隙尺寸相同且相互正交，该正交中心、第一谐振腔的中心以及第二谐振腔的中心共线。

在所述的双极化滤波天线阵列中，所述第三矩形耦合缝隙、第四矩形耦合缝隙、第五矩形耦合缝隙、第六矩形耦合缝隙的尺寸相同，第二谐振腔在该第三金属层上的投影的中心对称分布。

在所述的双极化滤波天线阵列中，所述第七圆形耦合缝隙、第八圆形耦合缝隙、第九圆形耦合缝隙、第十圆形耦合缝隙、第十一圆形耦合缝隙、第十二圆形耦合缝隙、第十三圆形耦合缝隙、第十四圆形耦合缝隙的尺寸相同，其中第七圆形耦合缝隙、第八圆形耦合缝隙相对第七谐振腔在该第四金属层上的投影的对角线对称分布，第九圆形耦合缝隙、第十圆形耦合缝隙相对第八谐振腔在该第四金属层上的投影对角线对称分布，其中，第十一圆形耦合缝隙、第十二圆形耦合缝隙相对第九谐振腔在该第四金属层上的投影对角线对称分布，第十三圆形耦合缝隙、第十四圆形耦合缝隙相对在该第四金属层上的投影对角线对称分布。

在所述的双极化滤波天线阵列中，第一十字辐射缝隙的正交中心与该第七谐振腔在该第五金属层上的投影的中心重合，第二十字辐射缝隙的正交中心与该第八谐振腔在该第五金属层上的投影的中心重合，第三十字辐射缝隙的正交中心与该第九谐振腔在该第五金属层上的投影的中心重合，第四十字辐射缝隙的正交中心与该第十谐振腔在该第五金属层上的投影的中心重合。

相较于现有技术的，实施本发明具有以下有益效果：

本发明不但能够实现双极化辐射，具有较好的输入端口隔离度及较低的辐射交叉极化，同时由于本发明将滤波电路和天线阵列这种辐射电路集成在一起设计，其中的第七、八、九、十谐振腔既作为最后一级谐振器而存在，并且通过辐射缝隙向外辐射信号，从而使得相比与单独设计天线和滤波电路再集成在一起的设计而言，损耗更小、结构更紧凑、系统的效率更高。

附图说明

图1是本发明一优选实施例中的双极化滤波天线阵列侧面结构示意图。

图2是本发明一优选实施例中的双极化滤波天线阵列的分解结构示意图。

图3是图2所示实施例中的双极化滤波天线阵列的第一金属层及第一谐振腔结构示意图。

图4是图2所示实施例中的双极化滤波天线阵列的第二金属层及第二谐振腔结构示意图。

图5是图2所示实施例中的双极化滤波天线阵列的第三金属层及第三谐振腔结构示意图。

图6是图2所示实施例中的双极化滤波天线阵列的第四金属层及第四谐振腔结构示意图。

图7是图2所示实施例中的双极化滤波天线阵列的第五金属层结构示意图。

图8是本发明一实施实例的S参数仿真及测试结果。

图9是本发明一实施实例的在第一馈电微带线馈电时远场辐射方向图的仿真及测试结果。

图10是本发明一实施实例的在第二馈电微带线馈电时远场辐射方向图的仿真及测试结果。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的首选实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例一

请参照图1至图7，在本优选实施例中，该双极化滤波天线阵列包括依次层叠设置的第一金属层5、第一基板1、第二金属层6、第二基板2、第三金属层7、第三基板3、第四金属层8、第四基板4以及第五金属层9；所述第一基板1上开设有多个第一金属化通孔22，第二基板2上开设有多个第二金属化通孔23，第三基板3上开设有多个第三金属化通孔24，第四基板4上开设有多个第四金属化通孔25。其中，第一基板1、第二基板2、第三基板3、第四基板4全部采用Ferro A6材料制成，厚度均为0.5mm，第一金属化通孔22、第二金属化通孔23、第三金属化通孔24、第四金属化通孔25的直径均为0.15mm。

该多个第一金属化通孔22、第一金属层5、以及第二金属层6围成第一谐振腔12，腔体尺寸为3.81mm×3.81mm。

该多个第二金属化通孔23、第二金属层6、以及第三金属层7围成第二谐振腔13，腔体尺寸为3.76mm×3.76mm。

该多个第三金属化通孔24、第三金属层7以及第四金属层8围成大小相同且呈矩形阵列分布的第三谐振腔14、第四谐振腔15、第五谐振腔16以及第六谐振腔17；该四个谐振腔的腔体尺寸相同，均为3.82mm×3.82mm。

该多个第四金属化通孔25、第四金属层8以及第五金属层9围成大小相同且呈矩形阵列分布的第七谐振腔18、第八谐振腔19、第九谐振腔20以及第十谐振腔21。该四个谐振腔的腔体尺寸相同，均为4.74mm×4.74mm。

该第一金属层5上设置有用于向该第一谐振腔12馈电的第一馈电微带线10以及第二馈电微带线11。优选地，该第一谐振腔12在第一金属层5上的投影为正方形，该第一馈电微带线10和第二馈电微带线11分别临近该正方形的两个相邻的顶角设置。

该第二金属层6上设置有用于将第一谐振腔12与第二谐振腔13耦合连接的第一矩形耦合缝隙26以及第二矩形耦合缝隙27。第一矩形耦合缝隙26以及第二矩形耦合缝隙27的尺寸相同，且相互正交，该正交中心、第一谐振腔12的中心以及第二谐振腔13的中心共线。第一矩形耦合缝隙26以及第二矩形耦合缝隙27尺寸相同，均为0.15mm×0.63mm。

该第三金属层7上设置有分别用于将第三谐振腔14、第四谐振腔15、第五谐振腔16以及第六谐振腔17与该第二谐振腔分13别耦合级联的第三矩形耦合缝隙28、第四矩形耦合缝隙29、第五矩形耦合缝隙30以及第六矩形耦合缝隙31。所述第三矩形耦合缝隙28、第四矩形耦合缝隙29、第五矩形耦合缝隙30、第六矩形耦合缝隙31的尺寸相同，关于第二谐振腔13在该第三金属层7上的投影的中心对称分布。并且，该第三矩形耦合缝隙28以及第五矩形耦合缝隙30共线，第四矩形耦合缝隙29以及第六矩形耦合缝隙31共线。第三矩形耦合缝隙28、第四矩形耦合缝隙29、第五矩形耦合缝隙30以及第六矩形耦合缝隙31的尺寸相同，均为0.15mm×1.1mm。

该第四金属层8上设置有第七圆形耦合缝隙32、第八圆形耦合缝隙33、第九圆形耦合缝隙34、第十圆形耦合缝隙35、第十一圆形耦合缝隙36、第十二圆形耦合缝隙37、第十三圆形耦合缝隙38以及第十四圆形耦合缝隙39，其中，该第七圆形耦合缝隙32、第八圆形耦合缝隙33分别用于将所述第六谐振腔17与所述第七谐振腔18耦合级联，该第九圆形耦合缝隙34、第十圆形耦合缝隙35用于将第八谐振腔19与第三谐振腔14耦合级联，该第十一圆形耦合缝隙36、该第十二圆形耦合缝隙37用于将第四谐振腔15与该第九谐振腔20耦合级联，该第十三圆形耦合缝隙38以及第十四圆形耦合缝隙39用于将该第五谐振腔16与第十谐振腔21耦合级联。该多个圆形耦合缝隙的直径均为0.54mm。

该第五金属层9上设置有分别用于将第七谐振腔18、第八谐振腔19、第九谐振腔20、以及第十谐振腔21中的信号辐射出去的第一十字辐射缝隙41、第二十字辐射缝隙42、第三十字辐射缝隙43、第四十字辐射缝隙44，第一十字辐射缝隙41、第二十字辐射缝隙42、第三十字辐射缝隙43、第四十字辐射缝隙44均分别由两条尺寸相同且相互正交的矩形耦合缝隙形成，并且正交的矩形耦合缝隙的尺寸均为0.2mm×4mm。第一十字辐射缝隙41、第二十字辐射缝隙42、第三十字辐射缝隙43、第四十字辐射缝隙44呈矩形阵列分布。

优选地，第一谐振腔12、第二谐振腔13、第三谐振腔14、第四谐振腔15、第五谐振腔16、第六谐振腔17、第七谐振腔18、第八谐振腔19、第九谐振腔20、第十谐振腔21均为矩形谐振腔。

第三矩形耦合缝隙28、第四矩形耦合缝隙29、第五矩形耦合缝隙30、第六矩形耦合缝隙31的尺寸相同，关于第二谐振腔13在该第三金属层7上的投影的中心对称分布。

优选地，第七圆形耦合缝隙32、第八圆形耦合缝隙33、第九圆形耦合缝隙34、第十圆形耦合缝隙35、第十一圆形耦合缝隙36、第十二圆形耦合缝隙37、第十三圆形耦合缝隙38、第十四圆形耦合缝隙39的尺寸相同，其中第七圆形耦合缝隙、第八圆形耦合缝隙相对第七谐振腔18在该第四金属层8上的投影的对角线对称分布，第九圆形耦合缝34隙、第十圆形耦合缝隙35相对第八谐振腔19在该第四金属层8上的投影对角线对称分布，其中第十一圆形耦合缝隙36、第十二矩形圆形缝隙37相对第九谐振腔20在该第四金属层8上的投影对角线对称分布，第十三圆形耦合缝隙38、第十四圆形耦合缝隙39相对在该第四金属层8上的投影对角线对称分布。

第一十字辐射缝隙41的正交中心与该第七谐振腔18在该第五金属层9上的投影的中心重合，第二十字辐射缝隙42的正交中心与该第八谐振腔19在该第五金属层9上的投影的中心重合，第三十字辐射缝隙43的正交中心与该第九谐振腔20在该第五金属层9上的投影的中心重合，第四十字辐射缝隙44的正交中心与该第十谐振腔21在该第五金属层9上的投影的中心重合。

可以理解地，本实施例中所涉及的各个尺寸参数只是一种优选实施方式下的情况，其不应该作为限制本发明保护范围的条件，其各个尺寸参数可以根据实际需要进行对应的变换。

本发明不但能够实现双极化辐射，具有较好的输入端口隔离度及较低的辐射交叉极化，同时由于本发明将滤波电路和天线阵列这种辐射电路集成在一起设计，其中的第七、八、九、十谐振腔既作为最后一级谐振器而存在，并且通过辐射缝隙向外辐射信号，从而使得相比与单独设计天线和滤波电路再集成在一起的设计而言，损耗更小、结构更紧凑、系统的效率更高。

图8为双极化滤波天线阵列S参数仿真与测试结果。可以看到，该滤波天线工作于中心频率为37GHz的530MHz带宽内。工作带宽内的隔离度优于30dB。

图9和图10分别为双极化滤波天线阵列在使用第一馈电微带线和第二馈电微带线时，在中心频率处的远场方向图的仿真与测试结果。可以看到，无论是仿真还是测试，所发明天线阵列的交叉极化水平均低于20dB。以上测试结果均能满足无线通信中，基站对于所使用天线的指标要求。

综上所述，虽然本发明已以优选实施例揭露如上，但上述优选实施例并非用以限制本发明，本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围以权利要求界定的范围为准。

Claims (7)

1.一种双极化滤波天线阵列，其特征在于，包括依次层叠设置的第一金属层、第一基板、第二金属层、第二基板、第三金属层、第三基板、第四金属层、第四基板以及第五金属层；所述第一基板上开设有多个第一金属化通孔，第二基板上开设有多个第二金属化通孔，第三基板上开设有多个第三金属化通孔，第四基板上开设有多个第四金属化通孔；

该多个第一金属化通孔、第一金属层、以及第二金属层围成第一谐振腔，该多个第二金属化通孔、第二金属层、以及第三金属层围成第二谐振腔，该多个第三金属化通孔、第三金属层以及第四金属层围成大小相同且呈矩形阵列分布的第三谐振腔、第四谐振腔、第五谐振腔以及第六谐振腔；该多个第四金属化通孔、第四金属层以及第五金属层围成大小相同且呈矩形阵列分布的第七谐振腔、第八谐振腔、第九谐振腔以及第十谐振腔；

该第一金属层上设置有用于向该第一谐振腔馈电的第一馈电微带线以及第二馈电微带线，该第二金属层上设置有用于将第一谐振腔与第二谐振腔耦合连接的第一矩形耦合缝隙以及第二矩形耦合缝隙，该第三金属层上设置有分别用于将第三谐振腔、第四谐振腔、第五谐振腔以及第六谐振腔与该第二谐振腔分别耦合级联的第三矩形耦合缝隙、第四矩形耦合缝隙、第五矩形耦合缝隙以及第六矩形耦合缝隙，该第四金属层上设置有第七圆形耦合缝隙、第八圆形耦合缝隙、第九圆形耦合缝隙、第十圆形耦合缝隙、第十一圆形耦合缝隙、第十二圆形耦合缝隙、第十三圆形耦合缝隙以及第十四圆形耦合缝隙，其中，该第七圆形耦合缝隙、第八圆形耦合缝隙分别用于将所述第六谐振腔与所述第七谐振腔器耦合级联，该第九圆形耦合缝隙、第十圆形耦合缝隙用于将第八谐振腔与第三谐振腔耦合级联，该第十一圆形耦合缝隙、该第十二圆形耦合缝隙用于将第四谐振腔与该第九谐振腔耦合级联，该第十三圆形耦合缝隙以及第十四圆形耦合缝隙用于将该第五谐振腔与第十谐振腔耦合级联；该第五金属层上设置有分别用于将第七谐振腔、第八谐振腔、第九谐振腔、以及第十谐振腔中的信号辐射出去的第一十字辐射缝隙、第二十字辐射缝隙、第三十字辐射缝隙、第四十字辐射缝隙，第一十字辐射缝隙、第二十字辐射缝隙、第三十字辐射缝隙、第四十字辐射缝隙均分别由两条尺寸相同且相互正交的矩形耦合缝隙形成；

其中第七圆形耦合缝隙、第八圆形耦合缝隙相对第七谐振腔在该第四金属层上的投影的对角线对称分布，第九圆形耦合缝隙、第十圆形耦合缝隙相对第八谐振腔在该第四金属层上的投影对角线对称分布，其中，第十一圆形耦合缝隙、第十二圆形耦合缝隙相对第九谐振腔在该第四金属层上的投影对角线对称分布，第十三圆形耦合缝隙、第十四圆形耦合缝隙相对在该第四金属层上的投影对角线对称分布。

2.根据权利要求1所述的双极化滤波天线阵列，其特征在于，所述第一谐振腔、第二谐振腔、第三谐振腔、第四谐振腔、第五谐振腔、第六谐振腔、第七谐振腔、第八谐振腔、第九谐振腔、第十谐振腔均为矩形谐振腔。

3.根据权利要求1所述的双极化滤波天线阵列，其特征在于，所述第一谐振腔在所述第一金属层上的投影为正方形，该第一馈电微带线和第二馈电微带线临近该正方形的两个相邻的顶角上。

4.根据权利要求1所述的双极化滤波天线阵列，其特征在于，所述第一矩形耦合缝隙和第二矩形耦合缝隙尺寸相同且相互正交，该正交中心、第一谐振腔的中心以及第二谐振腔的中心共线。

5.根据权利要求1所述的双极化滤波天线阵列，其特征在于，所述第三矩形耦合缝隙、第四矩形耦合缝隙、第五矩形耦合缝隙、第六矩形耦合缝隙的尺寸相同，第二谐振腔在该第三金属层上的投影中心对称分布。

6.根据权利要求1所述的双极化滤波天线阵列，其特征在于，所述第七圆形耦合缝隙、第八圆形耦合缝隙、第九圆形耦合缝隙、第十圆形耦合缝隙、第十一圆形耦合缝隙、第十二圆形耦合缝隙、第十三圆形耦合缝隙、第十四圆形耦合缝隙的尺寸相同。

7.根据权利要求1所述的双极化滤波天线阵列，其特征在于，第一十字辐射缝隙的正交中心与该第七谐振腔在该第五金属层上的投影的中心重合，第二十字辐射缝隙的正交中心与该第八谐振腔在该第五金属层上的投影的中心重合，第三十字辐射缝隙的正交中心与该第九谐振腔在该第五金属层上的投影的中心重合，第四十字辐射缝隙的正交中心与该第十谐振腔在该第五金属层上的投影的中心重合。