本發(fā)明屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種同極化微帶雙工天線陣列。

背景技術(shù)：

天饋系統(tǒng)是無線通信系統(tǒng)的最前端，是無線通信系統(tǒng)不可缺少的關(guān)鍵部件。天饋系統(tǒng)包括天線、濾波器和雙工器，傳統(tǒng)方法是三者單獨(dú)設(shè)計(jì)，然后用射頻電纜進(jìn)行連接。缺點(diǎn)是三者都需要獨(dú)自的匹配網(wǎng)絡(luò)與50歐姆饋線進(jìn)行匹配，帶來體積大、總量重的問題，同時(shí)，過多的匹配網(wǎng)絡(luò)帶來了損耗大的缺點(diǎn)。

隨著無線通信的發(fā)展，通信系統(tǒng)越來越趨向于小型化和集成化，因此，一體化的天饋系統(tǒng)具有極大的需求。雙工天線將天線、濾波器、雙工器等前端器件聯(lián)合進(jìn)行設(shè)計(jì)，能夠使得射頻前端系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加緊湊，減少不必要的損耗引入，使得通信系統(tǒng)的小型化和集成化更加容易實(shí)現(xiàn)。

在現(xiàn)有的技術(shù)中，具有能夠?qū)崿F(xiàn)雙工功能(發(fā)射接收信號(hào)同時(shí)進(jìn)行)的天線主要為雙極化天線，該類型的天線發(fā)射及接受信號(hào)采用不同的極化方式，天線的發(fā)射接收能工作在相同的頻段或者不同的頻段。然而，在大部分的通信系統(tǒng)中，發(fā)射和接收往往要求是同極化的，而且要求發(fā)射和接收的方向圖盡可能一致。因此，研制同極化的雙工天線就很有必要。

目前，同極化雙工天線的設(shè)計(jì)主要利用微帶貼片或者槽結(jié)構(gòu)輻射兩個(gè)相同極化的模式。通過模式間的隔離，或者在饋電網(wǎng)絡(luò)中添加諧振結(jié)構(gòu)，與輻射結(jié)構(gòu)組成濾波天線，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)同極化工作頻率間的端口隔離度。目前提出的同極化雙工天線，發(fā)射與接收兩個(gè)頻率的間隔比較大，端口隔離度一般在20-30dB之間，而且天線的增益在5dBi以下。因此，目前的同極化雙工天線總體來說存在端口隔離度不高，天線收發(fā)頻率間隔較大，天線的增益不高的缺點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供一種同極化微帶雙工天線陣列，與現(xiàn)有的同極化雙工天線相比，天線的發(fā)射與接收頻率間隔較近，天線發(fā)射接收的端口隔離度高，并且天線的增益較高。

本發(fā)明的目的通過以下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：同極化微帶雙工天線陣列，包括兩個(gè)相同的對稱放置的微帶貼片天線和一個(gè)帶有雙工功能的反相功率分配網(wǎng)絡(luò)，所述反相功率分配網(wǎng)絡(luò)包括功率分配微帶線、發(fā)送微帶帶阻濾波器、發(fā)送阻抗變換微帶線、接收微帶帶阻濾波器和接收阻抗變換微帶線；發(fā)送微帶帶阻濾波器的一端與發(fā)送端口相連，另一端通過發(fā)送阻抗變換微帶線與功率分配微帶線相連；接收微帶帶阻濾波器的一端與接收端口相連，另一端通過接收阻抗變換微帶線與功率分配微帶線相連。

優(yōu)選的，所述發(fā)送微帶帶阻濾波器通過發(fā)送阻抗變換微帶線與功率分配微帶線在距離功率分配微帶線中心點(diǎn)λ_g發(fā)/4處相連，λ_g發(fā)為發(fā)送信號(hào)在功率分配微帶線上的波長。

優(yōu)選的，所述接收微帶帶阻濾波器通過接收阻抗變換微帶線與功率分配微帶線在功率分配微帶線中心點(diǎn)的另一側(cè)而且距離中心點(diǎn)λ_g收/4處相連，λ_g收為接收信號(hào)在功率分配微帶線上的波長。

具體的，所述同極化微帶雙工天線陣列，還包括兩個(gè)平行放置的上層介質(zhì)基板和下層介質(zhì)基板，下層介質(zhì)基板的上表面覆蓋有金屬的反射地板，底面設(shè)置反相功率分配網(wǎng)絡(luò)；微帶貼片天線包括印刷在上層介質(zhì)基板上表面的兩個(gè)矩形金屬貼片和激勵(lì)微帶貼片天線的T形探針，所述T形探針由印刷在上層介質(zhì)基板表面的金屬微帶和接在金屬微帶中心的金屬探針組成，金屬探針的另一端分別穿過反射地板和下層介質(zhì)基板上的通孔與功率分配微帶線的兩端相連。

優(yōu)選的，發(fā)送微帶帶阻濾波器由兩段末端開路微帶線和一段連接微帶線組成，連接微帶線兩端分別接兩個(gè)末端開路微帶線，末端開路微帶線和連接微帶線的長度和寬度使得頻率為f_發(fā)的發(fā)送信號(hào)能夠通過、而頻率為f_收的接收信號(hào)不能通過。

優(yōu)選的，接收微帶帶阻濾波器由兩段末端開路微帶線和一段連接微帶線組成，連接微帶線兩端分別接兩個(gè)末端開路微帶線，末端開路微帶線和連接微帶線的長度和寬度使得頻率為f_收的接收信號(hào)能夠通過、而頻率為f_發(fā)的發(fā)送信號(hào)不能通過。

更進(jìn)一步的，發(fā)送微帶帶阻濾波器和接收微帶帶阻濾波器的工作通帶與阻帶頻率相反。

優(yōu)選的，發(fā)送阻抗變換微帶線的長度和寬度滿足以下要求：保證對于頻率為f_收的接收信號(hào)而言，其在發(fā)送端口接匹配負(fù)載時(shí)，與功率分配微帶線的連接端的阻抗接近開路。從而不影響頻率為f_收接收信號(hào)在功率分配微帶線上的傳輸。

優(yōu)選的，接收阻抗變換微帶線的長度和寬度滿足以下要求：保證對于頻率為f_發(fā)的發(fā)送信號(hào)而言，其在接收端口接匹配負(fù)載時(shí)，與功率分配微帶線的連接端的阻抗接近開路。從而不影響頻率為f_發(fā)發(fā)送信號(hào)在功率分配微帶線上的傳輸。

更進(jìn)一步的，所述發(fā)送阻抗變換微帶線和接收阻抗變換微帶線是左右兩段工作在不同頻率下的長度為λ_g收/4及λ_g發(fā)/4的50Ω阻抗變換線。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果：

1、本發(fā)明將陣列天線的功率分配網(wǎng)絡(luò)與雙工網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)結(jié)合在一起，設(shè)計(jì)了一個(gè)既具有雙工功能、又具有功率分配功能的雙工功率分配網(wǎng)絡(luò)。因此天線的結(jié)構(gòu)比較緊湊。同時(shí)通過在發(fā)送端口設(shè)置發(fā)送微帶帶阻濾波器，在接收端口設(shè)置接收微帶帶阻濾波器，實(shí)現(xiàn)了發(fā)送與接收端口間的高隔離度。同時(shí)，本發(fā)明通過設(shè)計(jì)天線陣列，提高了天線的增益。

2、本發(fā)明發(fā)射與接收的信號(hào)均通過T型探針上的微帶與貼片天線進(jìn)行耦合，其極化方向與耦合微帶的方向相同，實(shí)現(xiàn)了發(fā)射接收同極化。

3、本發(fā)明發(fā)送接收互擾小，通過在發(fā)送微帶帶阻濾波器與功率分配微帶線間插入發(fā)送阻抗變換微帶線，發(fā)射支路不會(huì)對功率分配微帶線上的接收信號(hào)產(chǎn)生影響。通過在接收微帶帶阻濾波器與功率分配微帶線間插入接收阻抗變換微帶線，能夠使得在發(fā)送端口(端口1)工作時(shí)，接收支路不會(huì)對功率分配微帶線上的發(fā)送信號(hào)產(chǎn)生影響。因此，發(fā)送接收之間的互擾較小。

4、現(xiàn)有的同極化雙工天線，通常是基于帶通濾波器的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，而帶通濾波器通帶較關(guān)注于通帶內(nèi)的設(shè)計(jì)，在距離通帶比較近的帶外，抑制信號(hào)通過的效果一般不是很好，因此發(fā)送接收的頻率間隔一般較遠(yuǎn)，以獲得較好的端口隔離度。而本發(fā)明采用帶阻濾波器的方法設(shè)計(jì)同極化雙工天線，其在距離通帶較近的帶外，抑制信號(hào)通過的效果較好，因此能實(shí)現(xiàn)比較小的發(fā)送接收頻率間隔，并保持較好的發(fā)射接收隔離特性。

附圖說明

圖1為本實(shí)施例的總示意圖以及主要組成部分的編號(hào)標(biāo)注；

圖2為本實(shí)施例的總示意圖以及細(xì)化的編號(hào)標(biāo)注；

圖3為本實(shí)施例天線的正面剖視圖；

圖4為本實(shí)施例上層介質(zhì)基板的俯視圖；

圖5為本實(shí)施例上層介質(zhì)基板的仰視圖；

圖6為本實(shí)施例下層介質(zhì)基板的俯視圖；

圖7為本實(shí)施例下層介質(zhì)基板的仰視圖；

圖8為本實(shí)施例上層介質(zhì)基板上表面結(jié)構(gòu)的尺寸標(biāo)注圖；

圖9為本實(shí)施例上層介質(zhì)基板下表面結(jié)構(gòu)的尺寸標(biāo)注圖；

圖10為本實(shí)施例下層介質(zhì)基板上表面結(jié)構(gòu)的尺寸標(biāo)注圖；

圖11為本實(shí)施例發(fā)送帶阻濾波器實(shí)例的仿真S參數(shù)曲線圖；

圖12為本實(shí)施例接收帶阻濾波器實(shí)例的仿真S參數(shù)曲線圖；

圖13為本實(shí)施例發(fā)送變換微帶線連接發(fā)送微帶帶阻濾波器的仿真S參數(shù)、以及發(fā)送端口(端口1)接匹配負(fù)載后的阻抗圖；

圖14為本實(shí)施例接收變換微帶線連接接收微帶帶阻濾波器的仿真S參數(shù)、以及接收端口(端口2)接匹配負(fù)載后的阻抗圖；

圖15為本實(shí)施例天線的測試S參數(shù)曲線圖；

圖16(a)為本實(shí)施例天線端口2(2.2GHz)激勵(lì)的E面測試方向圖；

圖16(b)為本實(shí)施例天線端口2(2.2GHz)激勵(lì)的H面測試方向圖；

圖17(a)為本實(shí)施例天線端口1(2.4GHz)激勵(lì)的E面測試方向圖；

圖17(b)為本實(shí)施例天線端口1(2.4GHz)激勵(lì)的H面測試方向圖；

圖18為本實(shí)施例天線的測試增益隨頻率變化曲線。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。

參照圖1，圖2及圖3，本實(shí)施例同極化微帶雙工天線陣列，包括兩個(gè)相同的對稱放置的微帶貼片天線1和一個(gè)帶有雙工功能的反相功率分配網(wǎng)絡(luò)2，所述反相功率分配網(wǎng)絡(luò)2包括功率分配微帶線3、發(fā)送微帶帶阻濾波器4、發(fā)送阻抗變換微帶線6、接收微帶帶阻濾波器5和接收阻抗變換微帶線7。

發(fā)送微帶帶阻濾波器4的一端與發(fā)送端口(端口1)相連，另一端通過發(fā)送阻抗變換微帶線6與功率分配微帶線3在距離功率分配微帶線中心點(diǎn)λ_g發(fā)/4處相連，λ_g發(fā)為發(fā)送信號(hào)在功率分配微帶線3上的波長。

接收微帶帶阻濾波器5的一端與接收端口(端口2)相連，另一端通過接收阻抗變換微帶線7與功率分配微帶線3在功率分配微帶線中心點(diǎn)的另一側(cè)而且距離中心點(diǎn)λ_g收/4處相連，λ_g收為接收信號(hào)在功率分配微帶線3上的波長。

發(fā)送阻抗變換微帶線6和接收阻抗變換微帶線7是左右兩段工作在不同頻率下的長度為λ_g收/4及λ_g發(fā)/4的50Ω阻抗變換線。微帶阻抗變換線6，7之后分別是兩段低阻抗傳輸線21，22，隨后通過兩段50Ω的傳輸線25，26連接到射頻系統(tǒng)的兩個(gè)端口。四段加載的L型終端開路枝節(jié)線19、20、23、24分別加載在兩段低阻抗線21，22的兩端，與兩段低阻抗線組成了發(fā)送接收端口的兩個(gè)帶阻濾波器。兩個(gè)帶阻濾波器的工作通帶與阻帶頻率正好相反。

發(fā)送微帶帶阻濾波器4由兩段末端開路的微帶線19、23和一段連接微帶線21組成，連接微帶線21兩端分別接兩個(gè)開路微帶線19、23。末端開路微帶線19、23和連接微帶線21的長度和寬度通過合理選擇使得在頻率為f_發(fā)的發(fā)送信號(hào)能夠通過、而頻率為f_收的接收信號(hào)不能通過。作為一個(gè)實(shí)例，當(dāng)要求f_發(fā)＝2.4GHz，f_收＝2.2GHz時(shí)，可以采用相對介電常數(shù)為2.55、厚度為h＝0.8mm的介質(zhì)板做基板，開路微帶線19的長度取25.7mm、寬度取0.5mm，開路微帶線23的長度取26.5mm、寬度取0.5mm，連接微帶線21的長度取25.7mm、寬度取7mm，圖11是這個(gè)時(shí)候的發(fā)送微帶帶阻濾波器的S參數(shù)，可以看到在頻率為2.4GHz時(shí)其S12為-1.94dB、在頻率為2.2GHz時(shí)其S12為-35.45dB，實(shí)現(xiàn)了通過發(fā)送信號(hào)而阻隔接收信號(hào)的功能。

接收微帶帶阻濾波器5由兩段末端開路的微帶線20、24和一段連接微帶線22組成，連接微帶線22兩端分別接兩個(gè)開路微帶線20、24。末端開路微帶線20、24和連接微帶線22的長度和寬度通過合理選擇使得在頻率為f_收的接收信號(hào)能夠通過、而頻率為f_發(fā)的發(fā)送信號(hào)不能通過。作為一個(gè)實(shí)例，當(dāng)要求f_發(fā)＝2.4GHz，f_收＝2.2GHz時(shí)，可以采用相對介電常數(shù)為2.55、厚度為h＝0.8mm的介質(zhì)板做基板，開路微帶線20的長度取26.5mm、寬度取0.5mm，開路微帶線24的長度取25.9mm、寬度取0.5mm，連接微帶線22的長度取25.5mm、寬度取13mm，圖12是這個(gè)時(shí)候的接收微帶帶阻濾波器的S參數(shù)，可以看到在頻率為2.2GHz時(shí)其S12為-1.22dB、在頻率為2.4GHz時(shí)其S12為-38.07dB，實(shí)現(xiàn)了通過接收信號(hào)而阻隔發(fā)送信號(hào)的功能。

發(fā)送阻抗變換微帶線6通過適當(dāng)選取其長度和寬度，保證對于頻率為f_收的接收信號(hào)而言，其在與功率分配微帶線3的連接端的阻抗(發(fā)送端口(端口1號(hào))接匹配負(fù)載時(shí))為很大(接近開路)，從而不影響頻率為f_收接收信號(hào)在功率分配微帶線3上的傳輸。作為一個(gè)實(shí)例，當(dāng)要求f_發(fā)＝2.4GHz，f_收＝2.2GHz時(shí)，可以采用相對介電常數(shù)為2.55、厚度為h＝0.8mm的介質(zhì)板做基板，發(fā)送阻抗變換微帶線6的長度取24mm、寬度取2.25mm，連接上上述的發(fā)送微帶帶阻濾波器的實(shí)例，其S參數(shù)、以及發(fā)送端口(端口1)接匹配負(fù)載后的阻抗如圖13所示?？梢钥吹?，在f_收＝2.2GHz時(shí)，阻抗大于1000歐姆，而對于頻率為f_發(fā)＝2.4GHz的發(fā)送信號(hào)則衰減很少。

接收阻抗變換微帶線7通過適當(dāng)選取其長度和寬度，保證對于頻率為f_發(fā)的發(fā)送信號(hào)而言，其在與功率分配微帶線3的連接端的阻抗(接收端口(端口2)接匹配負(fù)載時(shí))為很大(接近開路)，從而不影響頻率為f_發(fā)發(fā)送信號(hào)在功率分配微帶線3上的傳輸。作為一個(gè)實(shí)例，f_發(fā)＝2.4GHz，f_收＝2.2GHz時(shí)，可以采用相對介電常數(shù)為2.55、厚度為h＝0.8mm的介質(zhì)板做基板，接收阻抗變換微帶線7的長度取20mm、寬度取2.25mm，連接上上述的接收微帶帶阻濾波器的實(shí)例，其S參數(shù)、以及接收端口(端口2)接匹配負(fù)載后的阻抗如圖14所示。可以看到，在f_收＝2.4GHz時(shí)，阻抗大于1000歐姆，而對于頻率為f_發(fā)＝2.2GHz的接收信號(hào)則衰減很少。

所述同極化微帶雙工天線陣列，還包括兩個(gè)平行放置的上層介質(zhì)基板8和下層介質(zhì)基板10，下層介質(zhì)基板10的上表面覆蓋有金屬的反射地板9，底面設(shè)置本天線的反相功率分配網(wǎng)絡(luò)2。

所述微帶貼片天線1包括印刷在上層介質(zhì)基板8上表面的兩個(gè)矩形金屬貼片11，12和激勵(lì)微帶貼片天線的T形探針。所述T形探針由印刷在上層介質(zhì)基板8下表面的金屬微帶13、14和接在金屬微帶13、14中心的金屬探針15、16組成，金屬探針15、16的另一端分別穿過反射地板9和下層介質(zhì)基板10上的通孔17、18與功率分配微帶線3的兩端相連。

當(dāng)發(fā)送時(shí)，發(fā)送信號(hào)從發(fā)送端口(端口1)送入，經(jīng)過發(fā)送微帶帶阻濾波器4和發(fā)送阻抗變換微帶線6送入功率分配微帶線。經(jīng)過功率分配微帶線的信號(hào)被以相同的幅度、相反的相位(相位相差180度)分配到兩個(gè)T型的探針13、14、15、16處，并通過T型探針上的微帶13、14耦合給輻射貼片11、12。由于兩個(gè)貼片11、12對稱放置并激勵(lì)，通過微帶13、14耦合的電磁波會(huì)在兩個(gè)貼片處再次產(chǎn)生180度的相位差，使得兩個(gè)輻射貼片輻射11、12的信號(hào)相位相同，能夠在天線的正Z方向同向疊加，產(chǎn)生較高的天線增益。天線輻射的電磁波極化方向與耦合微帶13、14長邊的方向相同。

當(dāng)接收時(shí)，接收信號(hào)從兩個(gè)輻射貼片天線11、12處接收，并耦合給T型探針13、14、15、16。接收電磁波的極化方向與耦合微帶13、14長邊的方向相同。接收信號(hào)經(jīng)過T型探針13、14、15、16后被送入到功率分配微帶線3的兩端。此時(shí)，功率分配微帶線3兩端的信號(hào)也是幅度相等，相位相差180度。功率分配微帶線3兩端的信號(hào)分別經(jīng)過相位180度的功率分配微帶線到達(dá)接收阻抗變換微帶線7時(shí)剛好以相同的相位疊加，隨后經(jīng)過接收阻抗變換微帶線7和接收微帶帶阻濾波器5，從接收端口(端口2)輸出。

圖4、5、6、7分別為兩個(gè)介質(zhì)基板上下表面的電氣結(jié)構(gòu)圖，條紋填充部分為導(dǎo)體銅覆蓋的結(jié)構(gòu)，其余部分為介質(zhì)基板。

圖8、9、10為各部分電氣結(jié)構(gòu)的尺寸標(biāo)注圖。

結(jié)合圖2，圖8，圖9，圖10的尺寸標(biāo)注，本實(shí)施例中天線的具體參數(shù)如下：兩個(gè)介質(zhì)板均為FR4板，厚度c為0.8mm，寬度b為130mm，長度a為200mm。兩個(gè)介質(zhì)板之間的高度h為6mm。矩形貼片的邊長1a、1b分別為49mm、50mm，間距1c為49.5mm。兩個(gè)用于耦合的細(xì)長微帶長2a，寬2b，間距2c分別為2mm，6.5mm，69.5mm。功率分配網(wǎng)絡(luò)成左右對稱，其主要尺寸3a，4a，5a，6a，3b分別為28.5mm，21.78mm，22.73mm，27.3mm，1.27mm。兩段50Ω的阻抗變換線的長度7a和8a分別為24mm及20mm，寬度7b為2.25mm。四段末端開路的L型枝節(jié)線的寬度4b均為0.5mm，長度9a，10a，13a，14a分別為25.7mm，26.5mm，26.5mm，25.9mm。兩段低阻抗傳輸?shù)拈L度11a，12a和寬度5b，6b分別為25.7mm，25.5mm，7mm，13mm。連接到端口的兩段傳輸線的長度28.83mm，33.03mm，寬度分別為2.25mm。該天線的端口1工作在2.4GHz的頻帶，作為發(fā)送端口。端口2工作在2.2GHz的頻帶，作為接收端口。在兩個(gè)頻帶內(nèi)，兩個(gè)端口的隔離度均大于33dB，如圖15。兩個(gè)工作頻帶范圍內(nèi)，天線的增益基本上都大于9.5dBi，交叉極化大于20dB，如天線的仿真測試方向圖16、17所示。在天線的端口2工作時(shí)，天線在端口2工作頻率2.2GHz處的增益為10dBi，而在端口1工作頻率2.4GHz處的增益則迅速下降到了-25dBi以下，增益差達(dá)到了30dB以上，如圖18。同理，在天線的端口1工作時(shí)，天線在端口1工作頻率2.4GHz處的增益為9.8dBi，而在端口2工作頻率2.2GHz處的增益也迅速下降到了-25dBi以下，增益差達(dá)到了30dB以上，如圖18。這側(cè)面證明了雙工天線兩個(gè)端口間具有較高的端口隔離度。

上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。