CN107104272A - 宽带双极化电磁偶极子天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种宽带双极化电磁偶极子天线。该天线基于电磁偶极子互补工作原理，使用正交的领结型缝隙加载贴片构成电偶极子，使用距离地面四分之一波长的垂直贴片和其中间的地板构成磁偶极子，实现天线宽带双极化的特性。采用弯折的型馈电结构来实现馈电，该馈电结构具有实现由同轴线到辐射终端的能量传输，耦合以及调节阻抗实现天线阻抗匹配的功能。放置于天线下面的金属反射盒子有着改善天线的方向图并且保护天线稳定性的作用。该天线不仅可以在较宽的工作频带实现阻抗匹配良好，同时也具有高隔离度，高增益，E面、H面方向图一致等特性。本发明提出的新型电磁偶极子天线不仅结构简单，能够可以减小天线的安装费用与安装空间，具有重要的实际应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及双极化天线技术领域，尤其涉及新型宽带双极化电磁偶极子天线。
背景技术
双极化天线因其极化多样性，可以有效地在有限的安装空间内扩展信道容量，大大缓解通信系统中的多径衰落的问题而在近些年得到普遍的应用。传统的采用探针激励的微带天线，虽然可以实现双极化的特性，但是这种双探针激励出来的工作频带一般很窄，这也是其在实际应用中遇到的最大的瓶颈。
利用电磁偶极子互补原理实现宽带双极化电磁偶极子天线，相比于传统的探针激励的微带天线，可以大大提高天线的工作带宽，这种天线巧妙地利用电偶极子与磁偶极子在E面，H面方向图互补的特性，适当调节电偶极子与磁偶极子的相对位置，实现E面和H面方向图一致的特性。同时，相比于传统探针激励的双极化微带天线，该天线采用正交的Γ型馈线结构，大大提高双极化天线的隔离度，另外，天线增益也有很大的提高。
宽带双极化电磁偶极子天线结构简单，加工成本低，不但可以节省设备安装的空间，还可以大大减小天线的制作成本。因此对这种天线进行研究从而获得更高性能的天线技术指标具有重要的实际工程价值。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供一种新型宽带双极化电磁偶极子天线，通过采用缝隙加载，使用宽带电偶极子和与之互补磁偶极子，折叠的Γ型馈线结构实现天线的宽带双极化性能。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
新型宽带双极化电磁偶极子天线，所述天线包括正交的领结型电磁偶极子，所述每个电磁偶极子包括一个电偶极子，一个磁偶极子，所述电偶极子包括一对正交领结型贴片，所述磁偶极子包括与领结型短边相连的垂直贴片以及两者之间的地磁偶极子高度为四分之一波长，调整电偶极子与磁偶极子位置使其正交放置，实现天线宽带双极化的特性。
所述电磁偶极子采用弯折的Γ型馈电结构来实现馈电，所述馈电结构包括三部分：馈线的第一部分是与地板底部的同轴接接的垂直部分；与第一部分相连同时分别朝上下两个相反方向弯折的水平部分为第二部分；第三部分为连接在所述第二部分上的末端的垂直贴片；其中，同轴接头与馈线通过锡焊进行连接，馈线的三个部分是一个整体贴片，经过冲压弯折技术成型。
进一步的，所述电偶极子上开有对称缝隙，利用缝隙加载技术可以增加高频谐振性能。
进一步的，所述Γ馈线的第二部分通过反复向上向下弯折，用于提高天线的隔离度。
进一步的，在所述天线的四周设置与天线等高的金属围栏以及在所述天线底部设置金属底面，整体形成上部开口的金属盒子。
进一步的，所述磁偶极子中垂直贴片底部开有矩形凹槽，用来提高天线良好的方向图特性。
进一步的，所述金属盒子为铜制。本发明具有如下创新：
1.本发明主要提出一种新型宽带双极化电磁偶极子天线，通过电磁偶极子天线互补原理实现天线宽带双极化，高隔离度，高增益，E面H面方向图良好的一致性。
2.结构简单：结构为金属构造，简单紧凑，方便加工。
3.创新性强，技术前瞻性好：本发明在使用正交的领结型缝隙加载贴片构成电偶极子，实现了宽带特性，同时使用弯折的馈电结构提高提高天线的隔离度，创新性强；其可与PCB技术配合使用，实现低剖面等功能，拓展了基站天线的应用范围，具有很好的技术前瞻性。
4.宽带高隔离度高增益：宽带双极化天线能够实现相对带宽83.3％，E、H面方向图一致性良好，整个工作频带内天线的增益在7dBi以上，且增益稳定。
5.加工成本低：整个天线单元采用0.2毫米厚度的黄铜加工，成本低。
附图说明
图1为本发明电磁偶极子天线整体图；
图2、图3分别为电磁偶极子天线的主视图和侧视图；
图4为本发明正交的Γ型馈电结构示意图；
图5为本发明S11与S22结果图；
图6为本发明隔离度结果图；
图7为本发明天线增益图；
图8为本发明天线前后比图；
图9、图10、图11分别为天线在2.4GHz,3.4GHz,4.4GHz工作方向图。
具体实施方式
本发明基于电磁偶极子互补理论，利用正交的领结型缝隙加载贴片构成电偶极子，同时，距离地四分之一波长的垂直贴片与其之间的地板构成磁偶极子，实现宽带双极化的特性。另外采用弯折的Γ型馈电结构来实现馈电，该馈电结构具有实现同轴线到辐射终端的能量传输，耦合，以及调节阻抗实现天线阻抗匹配的功能。Γ型馈电结构底端与地板底部的同轴接头连接。天线四周添加金属围栏，其高度与天线高度相同，该结构也可以起到在恶劣环境保护天线结构稳定性的作用。
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
如图1所示，本发明包括相互正交的一对电磁偶极子天线，其中每一个电磁偶极子包含一个水平的领结型电偶极子，一个磁偶极子以及放置于其中间的Γ型馈线。其中电偶极子的短边处有两片垂直贴片与之相连，贴片高度距离地面四分之一波长的距离，这两个垂直贴片和地板加上适当的激励构成一个磁偶极子。领结型电偶极子上面开有对称型的缝隙，利用缝隙加载技术可以增加高频谐振性能，使天线在整个频段内都能有一个良好的工作特性。Γ型馈线与同轴接头连接的部分与相邻的垂直短路贴片构成一个阻抗近似50欧姆的传输线，馈线的水平部分采用正交方式放置，同时为了增加双极化天线的隔离度，该部分分别向上下相反的方向进行弯折。另外，也可以采用减小馈线水平宽度，增加厚度的办法来增加天线的隔离度。天线放置于距离其四分之一个波长距离的地板(80mm×80mm)上，反射板可以大大减小天线的后瓣辐射，使天线的定向性变好。为了得到更好的E面，H面方向图的一致性，天线四周添加与天线等高的金属围栏(O×oh＝80mm×24mm)，该围栏同时可以起到保护天线结构的作用。
如图2所示，天线采用0.2mm厚度的黄铜制作，领结型电偶极子有两个等腰梯形组成，梯形上底长w2＝14mm,下底长w1＝20mm,梯形高l1＝18mm。梯形中间被挖去一个凹字型的槽，中间部分呈现出来的也是一个小的梯形,小梯形上底长w3＝4mm,下底长w4＝6mm,梯形高l3＝6mm。馈线水平部分分三段呈对称结构，第一部分长度f1＝4mm,第二部分长度f2＝12mm,第三部分与第一部分等长，整个馈线的宽度相同都为f3＝4mm。图3为天线侧视图，从图中可以看出天线垂直贴片高度为n1＝24mm,贴片下面挖去的矩形高n2＝8mm,宽n3＝4mm。
图4为本发明中正交Γ型馈电结构，两个馈电结构一高一低错落分布，较高馈线的传输部分高度为h2＝20.5mm，电容调节部分(第三部分)为h3＝5mm,水平部分向上突起高度为h5＝1.5mm；较低馈线的传输部分高度为h1＝18.5mm，向下凹进去的部分h4＝1.5mm,电容调节部分也是5mm。
图5为本发明宽带双极化电磁偶极子天线的S参数，从图中可以看出，端口1激励时，天线1端口反射系数S11小于-10dB时，相对带宽为88％(2.1-5.4GHz)；端口2激励时，天线2端口反射系数S11小于-10dB时，相对带宽为84.1％(2.08-5.1GHz)；两端口共同工作带宽可以实现相对工作带宽为83.3％(2.1-5.1GHz)，天线的工作带宽较宽。
图6为本发明宽带双极化电磁偶极子天线的隔离度，从图中可以看出在工作频带内，天线的隔离度(S21)可以达到-17dB以下，尤其在2.25GHz以后的工作频带内，天线的S21在-20dB以下，实现了天线的高隔离度。
图7为本发明宽带双极化电磁偶极子天线的增益，从图中可以看出在工作频带内，天线的增益在7dBi以上，同时最大增益可以达到9.6dBi,天线具有高增益的特点。
图8为本发明宽带双极化电磁偶极子天线的前后比，在工作频带内，天线的均在15dB以上，天线的后瓣辐射小，定向辐射特性好。
天线在2.4GHz,3.4GHz,4.4GHz工作的方向图分别在图9至图11中，可以看出在这些频点，天线的E面，H面都具有良好的一致性，3dB波束宽度在三个频点也较宽，同时天线的交叉极化很低，符合双极化天线的设计指标。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.宽带双极化电磁偶极子天线，其特征在于，所述天线包括正交的领结型电磁偶极子，所述每个电磁偶极子包括一个电偶极子，一个磁偶极子，所述电偶极子包括一对正交领结型贴片，所述磁偶极子包括与领结型短边相连的垂直贴片以及两者之间的地，磁偶极子高度为四分之一波长，调整电偶极子与磁偶极子位置使其正交放置，实现天线宽带双极化的特性。
2.根据权利要求1所述的宽带双极化电磁偶极子天线，其特征在于，型馈电结构中垂直于地面的较长贴片的正下方地板上开有孔洞，地板背部的同轴接头通过孔洞与馈电结构焊接相连。
3.根据权利要求1所述的宽带双极化电磁偶极子天线，其特征在于，所述电磁偶极子采用弯折的型馈电结构来实现馈电，所述馈电结构包括三部分：馈线的第一部分是与地板底部的同轴接接的垂直部分；与第一部分相连同时分别朝上下两个相反方向弯折的水平部分为第二部分；第三部分为连接在所述第二部分上的末端的垂直贴片；其中，同轴接头与馈线通过锡焊进行连接，馈线的三个部分是一个整体贴片，经过冲压弯折技术成型。
4.根据权利要求1所述的宽带双极化电磁偶极子天线，其特征在于，所述电偶极子上开有对称缝隙，利用缝隙加载技术可以增加高频谐振性能。
5.根据权利要求1所述的宽带双极化电磁偶极子天线，其特征在于，所述馈线的第二部分通过反复向上向下弯折，用于提高天线的隔离度。
6.根据权利要求1至4任一项所述的宽带双极化电磁偶极子天线，其特征在于，在所述天线的四周设置与天线等高的金属围栏以及在所述天线底部设置金属底面，整体形成上部开口的金属盒子。
7.根据权利要求1所述的宽带双极化电磁偶极子天线，其特征在于，所述磁偶极子中垂直贴片底部开有矩形凹槽，用来提高天线良好的方向图特性。
8.根据权利要求5所述的宽带双极化电磁偶极子天线，其特征在于，所述金属盒子为铜制。
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