一种新型高隔离度全双工天线架构及天线的制作方法

1.本发明涉及天线技术领域，具体是涉及一种新型高隔离度全双工天线架构及天线。


背景技术：

2.随着科技经济的发展，互联网在人们的日常生活中扮演了越来越重要的角色。并且随着通信技术的发展，互联网的终端由电脑主导逐渐过渡到由智能手机、平板电脑和传感器等无线设备主导。无线通信需求的空前增长进一步推动研发具有更高数据速率、频谱效率以及更低延迟的无线通信技术。
3.传统的3g和4g通信系统都已经无法满足日益增加的无线通信需求，新的5g移动通信技术成为了当下研究的热点之一。imt-2020推进组在5g网络架构设计白皮书中提出了100mbps—1gbps的用户体验速率的指标要求。为满足这一指标要求，5g使用大规模mimo技术、非正交多址技术、全双工通信技术、新型调制解调技术、新型编码技术等无线传输技术。旨在为用户提供更高的传输速率和更低的传输延迟。
4.5g无线接入技术有望解决频谱资源的短缺，其中，全双工通信技术被认为是5g时代最希望得到突破的技术之一。传统的通信系统多采用半双工工作方式，即收发双方通过占用不同的频率资源或者时间资源来实现信号的上下行通信，该方式能有效避免上下行通信之间的干扰，但会造成通信资源的浪费。同时同频全双工通信技术是一种在同一频带上同时进行发送和接收的双向通信技术。从理论上讲，与传统的半双工系统相比，其吞吐量翻了一倍，能够使频谱资源得到充分利用。鉴于这项技术的功能，全双工通信被认为是5g系统的关键技术
5.但是，在全双工通信系统中，发射信号的功率要远大于感兴趣的接收信号，这会使得接收机无法正常工作。于是全双工通信技术的最大挑战是要保证发射机和接收机之间较高的隔离度。一般来说，全双工通信系统的隔离度是由传播域(天线域)、射频域和数字域贡献的。其中，通过增加天线收发端口的隔离度，可以减缓对后面自干扰消除等阶段的要求。有助于实现相对简单的全双工无线通信系统。除了高隔离度，全双工天线还需要考虑收发天线的极化方式，远场辐射的方向图以及工作的带宽。基于此，研究全双工天线对提高全双工通信系统的性能有重大价值。


技术实现要素：

6.为解决上述技术问题，提供一种新型高隔离度全双工天线架构及天线，本技术方案拥有较高的收发隔离度，实现发射线极化、接收圆极化，其中，发射线极化可以应用于通信领域，而接收圆极化在雷达、遥感等领域有着较大的应用潜力。
7.为达到以上目的，本发明采用的技术方案为：
8.一种新型高隔离度全双工天线架构，包括：
9.相互垂直的x方向和y方向；
10.两个第一子天线，每个所述第一子天线均设置有一个发射端口和一个接收端口；
11.两个第二子天线，每个所述第二子天线均设置有一个接收端口；
12.两个所述第一子天线和两个所述第二子天线均y轴对称设置，且所述第一子天线和第二子天线在y方向齐平。
13.优选的，两个所述第一子天线的发射端口的极化方向均为x方向，且两个所述第一子天线的发射端口的馈电方向、相位都相反。
14.优选的，两个所述第一子天线的接收端口的极化方向均为y方向，且两个所述第一子天线的发射端口的馈电方向、相位都相同；
15.两个所述第二子天线的接收端口的极化方向均为x方向，且两个所述第二子天线的发射端口的馈电方向、相位都相反。
16.一种新型高隔离度全双工天线，基于上述的新型高隔离度全双工天线架构，包括：
17.接地金属板，所述接地金属板两端分别设置有馈电网络介质基板和天线介质基板，所述馈电网络介质基板上设置有馈电网络，所述天线介质基板上设置有四个贴片天线；
18.其中，两个所述贴片天线为第一子天线，两个所述贴片天线为第二子天线。
19.可选的，所述贴片天线的中心频率为.ghz，所述贴片天线-db匹配带宽为mhz。
20.可选的，所述第一子天线下端设置有两个连接引脚，所述第二子天线下端设置有一个连接引脚，所述连接引脚穿过接地金属板并与馈电网络电性连接。
21.可选的，所述馈电网络介质基板上设置有与第一子天线一一对应的两个第一端子区和与第二子天线一一对应的两个第二端子区；
22.所述馈电网络包括tx导电迹线和rx导电迹线，所述tx导电迹线末端分别延伸至两个所述第一端子区内部并连接有发射连接端子，所述rx导电迹线末端分别延伸至两个所述第一端子区内部和两个所述第二端子区内部并连接有接收连接端子。
23.可选的，所述tx导电迹线由tx微带线和一个tx功分器组成，所述tx功分器将tx微带线分路为两路，两路所述tx微带线分别延伸至两个所述第一端子区内部并与发射连接端子电性连接；
24.所述rx导电迹线由rx微带线和三个rx功分器组成，三个所述rx功分器将rx微带线分路为四路，四路所述分别延伸至两个所述第一端子区内部和两个所述第二端子区内部并与接收连接端子电性连接，两个所述第一端子区内部的接收连接端子的馈电方向相同，两个所述第二端子区内部的接收连接端子的馈电方向相反。
25.可选的，两个所述第一端子区内部的发射连接端子的馈电方向相反，两个所述第一端子区内部的接收连接端子的馈电方向相同；
26.两个所述第二端子区内部的接收连接端子的馈电方向相反。
27.可选的，所述第一子天线的两个连接引脚分别与对应的第一端子区内部的发射连接端子和接收连接端子电性连接；
28.所述第二子天线的连接引脚与对应的第二端子区内部的接收连接端子电性连接。
29.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
30.本发明提出了一种新的全双工天线架构，其收发端口之间具有较高的隔离度，通过设置多个天线的馈电方向和相位，可以实现天线的极化模式为发射线极化、接收圆极化；
31.同时，本发明使用天线单元之间的耦合在馈电网络中互相抵消来实现自解耦，轴
对称设计的天线阵列使得天线单元之间的耦合对应相等，相等的耦合信号在馈电网络处会彼此抵消，从而实现天线的自解耦，相比而言天线的口径尺寸要小很多，可满足天线结构的小型化设计需求。
附图说明
32.图1为本发明提出的天线阵列结构示意图；
33.图2为设计天线实例的结构3d示意图；
34.图3为天线结构的俯视图和侧视图；
35.图4为馈电网络的俯视图；
36.图5是天线单元的模型和仿真的回波损耗结果图；
37.图6是天线的仿真轴比结果图；
38.图7是天线的s参数仿真结果图；
39.图8为天线的收发增益仿真结果图；
40.图9为天线在5.8ghz的发射方向图仿真结果；
41.图10为天线在5.8ghz的接收方向图仿真结果；
42.图11为两个贴片天线相距2个波长时的耦合结果图；
43.图中标号为：
44.1、贴片天线；2、天线介质基板；3、馈电网络；4、馈电网络介质基板；5、接地金属板。
具体实施方式
45.以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。
46.参照图1所示，图1中箭头代表子端口的馈电方向，数字表示馈电相位；
47.一种新型高隔离度全双工天线架构，包括：
48.相互垂直的x方向和y方向；
49.两个第一子天线，每个所述第一子天线均设置有一个发射端口和一个接收端口；
50.两个第二子天线，每个所述第二子天线均设置有一个接收端口；
51.两个所述第一子天线和两个所述第二子天线均y轴对称设置，且所述第一子天线和第二子天线在y方向齐平。
52.两个所述第一子天线的发射端口的极化方向均为x方向，且两个所述第一子天线的发射端口的馈电方向、相位都相反。
53.两个所述第一子天线的接收端口的极化方向均为y方向，且两个所述第一子天线的发射端口的馈电方向、相位都相同；
54.两个所述第二子天线的接收端口的极化方向均为x方向，且两个所述第二子天线的发射端口的馈电方向、相位都相反。
55.参照图1所示，天线由四个相同的贴片天线构成；其中两个第一子天线有两个馈电端口对应发射(端口a和端口b)和接收(端口c和端口d)，剩余两个子天线仅仅有单独的接收端口(端口e和端口f)，四个贴片天线的位置关于y轴对称。
56.发射端口a和b的极化方向都为x方向，并且馈电方向、相位都相反，于是端口a和端
口b激励的发射辐射场叠加，发射端工作在线极化模式；而对于接收端，两个馈电端口e、f在x方向上，差分馈电使得辐射场叠加，而另外两个馈电端口c、d在y方向上，它们的馈电方向、相位都相等，产生y方向的辐射场。两种幅度相等、相位相差90
°
并且方向相互正交的线极化合成为圆极化。通过设置每个子端口的馈电相位和极化方向，该天线的工作模式为发射线极化、接收圆极化。
57.该天线的收发耦合分析如下：阵列的对称性使得部分子微带天线的耦合信号相等(cca＝cdb，cda＝ccb)，这两类耦合在馈电网络处由于馈电相位相差180
°
而互相抵消，残余的耦合是天线h面之间的耦合(cea、cfa)，通过调整贴片天线之间的间距，可以使得两种耦合(cea、cfa)相位接近，同时，通过对天线的耦合模式进行分析，这两种耦合的耦合模式接近，于是耦合幅度也接近，在馈电网络带来180
°
的相位差，这两种耦合也能起到一定的抵消效果。
58.总的来说，通过天线阵列结构、每个子端口馈电相位和馈电方向的设计，实现了收发端口之间的自解耦，得到一个高收发隔离度的天线。同时天线的工作模式是发射线极化、接收圆极化。
59.其中，需要说明的是，图中的x方向和y方向并不指代具体的空间方向。
60.进一步的，请参阅图2-4所示，本方案还提出一种新型高隔离度全双工天线，接地金属板5，接地金属板5两端分别设置有馈电网络介质基板4和天线介质基板2，馈电网络介质基板4上设置有馈电网络3，天线介质基板2上设置有四个贴片天线1；
61.其中，两个贴片天线1为第一子天线，两个贴片天线1为第二子天线。
62.第一子天线下端设置有两个连接引脚，第二子天线下端设置有一个连接引脚，连接引脚穿过接地金属板5并与馈电网络3电性连接。
63.馈电网络介质基板4上设置有与第一子天线一一对应的两个第一端子区和与第二子天线一一对应的两个第二端子区；
64.馈电网络3包括tx导电迹线和rx导电迹线，tx导电迹线末端分别延伸至两个第一端子区内部并连接有发射连接端子，rx导电迹线末端分别延伸至两个第一端子区内部和两个第二端子区内部并连接有接收连接端子。
65.tx导电迹线由tx微带线和一个tx功分器组成，tx功分器将tx微带线分路为两路，两路tx微带线分别延伸至两个第一端子区内部并与发射连接端子电性连接；
66.rx导电迹线由rx微带线和三个rx功分器组成，三个rx功分器将rx微带线分路为四路，四路分别延伸至两个第一端子区内部和两个第二端子区内部并与接收连接端子电性连接，两个第一端子区内部的接收连接端子的馈电方向相同，两个第二端子区内部的接收连接端子的馈电方向相反。
67.两个第一端子区内部的发射连接端子的馈电方向相反，两个第一端子区内部的接收连接端子的馈电方向相同；
68.两个第二端子区内部的接收连接端子的馈电方向相反。
69.第一子天线的两个连接引脚分别与对应的第一端子区内部的发射连接端子和接收连接端子电性连接；
70.第二子天线的连接引脚与对应的第二端子区内部的接收连接端子电性连接。
71.测试例：
72.对上述天线结构进行电磁仿真测试：
73.其中单个贴片天线1的回波损耗结果如图5所示，从图5的结果可以看出贴片天线1的中心频率为5.8ghz，贴片天线1在-10db匹配带宽为400mhz
74.天线的仿真轴比结果如图6所示，从图6的结果可以看出天线的发射是线极化而接收是圆极化；
75.天线的s参数仿真结果如图7所示，从图7中的结果可以看出天线的-40db隔离带宽为200mhz(5.7ghz-5.9ghz)；
76.天线的收发增益仿真结果如图8所示，从图8的结果中可以看出天线的增益在频带内都大于10db；
77.天线在5.8ghz的发射方向仿真结果和接收方向仿真结果分别如图9和图10所示；图9展示了良好的发射线极化方向图性能，图10展示了良好的接收圆极化方向图性能。
78.两个微带贴片天线相距2个波长时的耦合结果图如图11所示。为实现40db的隔离带宽，需要使用的天线单元间距为两个波长。与之相比的是，本方案提出的天线结构的天线单元间距为0.7个波长，减小了天线所占的空间大小，提高了系统的集成度。
79.综合来看，从电磁仿真的结果显示：本方案提出的天线结构的-10db匹配带宽约为400mhz(5.6ghz-6ghz)，中心频率为5.8ghz。在工作频带内，该天线工作在发射线极化、接收圆极化模式，同时，该天线的增益在工作频带内都高于10db。而隔离带宽(隔离度大于40db的带宽)是200mhz(5.7ghz-5.9ghz)。
80.综上所述，本发明的优点在于：实现发射线极化、接收圆极化，拥有较高的收发隔离度，可有效的实现天线的自解耦，满足天线结构的小型化设计需求。
81.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

技术特征：
1.一种新型高隔离度全双工天线架构，其特征在于，包括：相互垂直的x方向和y方向；两个第一子天线，每个所述第一子天线均设置有一个发射端口和一个接收端口；两个第二子天线，每个所述第二子天线均设置有一个接收端口；两个所述第一子天线和两个所述第二子天线均y轴对称设置，且所述第一子天线和第二子天线在y方向齐平。2.根据权利要求1所述的一种新型高隔离度全双工天线架构，其特征在于：两个所述第一子天线的发射端口的极化方向均为x方向，且两个所述第一子天线的发射端口的馈电方向、相位都相反。3.根据权利要求2所述的一种新型高隔离度全双工天线架构，其特征在于，两个所述第一子天线的接收端口的极化方向均为y方向，且两个所述第一子天线的发射端口的馈电方向、相位都相同；两个所述第二子天线的接收端口的极化方向均为x方向，且两个所述第二子天线的发射端口的馈电方向、相位都相反。4.一种新型高隔离度全双工天线，基于权利要求1-3任一项所述的新型高隔离度全双工天线架构设计，其特征在于，包括：接地金属板(5)，所述接地金属板(5)两端分别设置有馈电网络介质基板(4)和天线介质基板(2)，所述馈电网络介质基板(4)上设置有馈电网络(3)，所述天线介质基板(2)上设置有四个贴片天线(1)；其中，两个所述贴片天线(1)为第一子天线，两个所述贴片天线(1)为第二子天线。5.根据权利要求4所述的一种新型高隔离度全双工天线，其特征在于，所述贴片天线(1)的中心频率为5.8ghz，所述贴片天线(1)-10db匹配带宽为400mhz。6.根据权利要求5所述的一种新型高隔离度全双工天线，其特征在于，所述第一子天线下端设置有两个连接引脚，所述第二子天线下端设置有一个连接引脚，所述连接引脚穿过接地金属板(5)并与馈电网络(3)电性连接。7.根据权利要求6所述的一种新型高隔离度全双工天线，其特征在于，所述馈电网络介质基板(4)上设置有与第一子天线一一对应的两个第一端子区和与第二子天线一一对应的两个第二端子区；所述馈电网络(3)包括tx导电迹线和rx导电迹线，所述tx导电迹线末端分别延伸至两个所述第一端子区内部并连接有发射连接端子，所述rx导电迹线末端分别延伸至两个所述第一端子区内部和两个所述第二端子区内部并连接有接收连接端子。8.根据权利要求7所述的一种新型高隔离度全双工天线，其特征在于：所述tx导电迹线由tx微带线和一个tx功分器组成，所述tx功分器将tx微带线分路为两路，两路所述tx微带线分别延伸至两个所述第一端子区内部并与发射连接端子电性连接；所述rx导电迹线由rx微带线和三个rx功分器组成，三个所述rx功分器将rx微带线分路为四路，四路所述分别延伸至两个所述第一端子区内部和两个所述第二端子区内部并与接收连接端子电性连接，两个所述第一端子区内部的接收连接端子的馈电方向相同，两个所述第二端子区内部的接收连接端子的馈电方向相反。9.根据权利要求8所述的一种新型高隔离度全双工天线，其特征在于：
两个所述第一端子区内部的发射连接端子的馈电方向相反，两个所述第一端子区内部的接收连接端子的馈电方向相同；两个所述第二端子区内部的接收连接端子的馈电方向相反。10.根据权利要求9所述的一种新型高隔离度全双工天线，其特征在于：所述第一子天线的两个连接引脚分别与对应的第一端子区内部的发射连接端子和接收连接端子电性连接；所述第二子天线的连接引脚与对应的第二端子区内部的接收连接端子电性连接。

技术总结
本发明公开了一种新型高隔离度全双工天线架构及天线，涉及天线技术领域，包括：两个第一子天线，每个所述第一子天线均设置有一个发射端口和一个接收端口；两个第二子天线，每个所述第二子天线均设置有一个接收端口；两个所述第一子天线和两个所述第二子天线均y轴对称设置，且所述第一子天线和第二子天线在y方向齐平。两个所述第一子天线的发射端口的极化方向均为x方向，且两个所述第一子天线的发射端口的馈电方向、相位都相反。本发明的优点在于：实现发射线极化、接收圆极化，拥有较高的收发隔离度，可有效的实现天线的自解耦，满足天线结构的小型化设计需求。结构的小型化设计需求。结构的小型化设计需求。


技术研发人员：许炯沛 徐骁 董蜀峰
受保护的技术使用者：深圳金英拓联科技有限公司
技术研发日：2023.05.19
技术公布日：2023/8/6