CN217158638U

CN217158638U - 一种基于磁电偶极子的超宽带双极化天线

Info

Publication number: CN217158638U
Application number: CN202122870611.XU
Authority: CN
Inventors: 朱海亮; 高路; 刘甘雨; 郑沛; 王开; 邱昱玮
Original assignee: Northwestern Polytechnical University; Beijing Aerospace Changzheng Aircraft Institute
Current assignee: Northwestern Polytechnical University; Beijing Aerospace Changzheng Aircraft Institute
Priority date: 2021-11-22
Filing date: 2021-11-22
Publication date: 2022-08-09
Anticipated expiration: 2031-11-22

Abstract

一种基于磁电偶极子的超宽带双极化天线，上层磁电偶极子为四个金属贴片分别固定在四个金属梯台上，下层磁电偶极子为四个折叠金属贴片固定在对应的四个垂直金属贴片的顶端，垂直金属贴片的底端插入固定在最下方的反射背腔的中心，四个介质贴片粘贴在折叠金属贴片下方的内侧，四个介质方块放置在反射背腔底面的上方，两个正交Γ形馈线放置在相邻垂直金属贴片的空隙中间。本发明解决了超宽带情况下天线阻抗匹配的技术问题，最终实现了具有127％的匹配带宽和5.1‑9.6dB的增益范围的超宽带天线，有效的消减了天线的口径面积，实现超宽带天线的小型化，实现轴比小于3dB的圆极化，具有良好的定向辐射性能、小体积、低背向辐射、低交叉极化水平。

Description

一种基于磁电偶极子的超宽带双极化天线

技术领域

本发明涉及磁电偶极子天线领域，尤其是一种磁电偶极子天线。

背景技术

随着现代无线通信系统的发展，对超宽带双极化天线的需求日益增加。通过将工作在不同频段的多个天线整合为一个，宽带技术将大大降低制造成本和对安装空间的需求。此外，双极化可以增加信道容量并实现极化分集，以减少空间中日趋严重的多径衰落的影响。因此，宽带、双极化和紧凑型天线已成为无线通信领域的研究重点。

磁电偶极子天线，具有较宽的带宽、较低的后向辐射以及稳定的辐射方向图，近年来获得了广泛的关注。目前磁电偶极子天线已经广泛应用于基站通信系统和无线局域网。

然而，随着移动通信系统的迅速发展，现有磁电偶极子天线的频带宽度在很多情况下已经不能满足无线通信的要求。进一步展宽天线频带宽度的难点主要在于：(1) 宽带阻抗匹配难以实现。随着现有的磁电偶极子天线逐渐实现50％-80％的相对阻抗带宽，进一步增加阻抗带宽变得难以实现。(2)展宽频带后天线的轴比变差，无法在较宽的频带范围内获得较好的圆极化特性，同时，圆极化天线结构复杂，不利于后期维护。(3)天线的前后比变差，导致背向辐射较大，影响了增益水平。

因此，如何设计出具备极宽的轴比带宽和增益带宽且能获得较好的双极化特性的磁电偶极子天线，从而满足宽频无线通信系统的需求，具有重要的意义。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于磁电偶极子的超宽带双极化天线。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于磁电偶极子的超宽带双极化天线，包含放置在中心的双层磁电偶极子，两个Γ形正交馈线和一个反射背腔。

所述双层磁电偶极子包含上层磁电偶极子、下层磁电偶极子、介质方块和介质贴片，上层磁电偶极子为四个田字形摆放的上层金属贴片分别固定在四个金属梯台上，且金属梯台的顶端宽度小于上层金属贴片的宽度；下层磁电偶极子为四个折叠金属贴片固定在对应的四个垂直金属贴片的顶端，垂直金属贴片的底端插入固定在最下方的反射背腔的中心，其中折叠金属贴片沿对角线方向经过了两次折叠，而四个垂直金属贴片由垂直的矩形贴片沿垂直中线经过90度弯折形成，垂直金属贴片俯视为L形；上层的金属梯台固定放置在下层的折叠金属贴片内侧；四个介质贴片为三角形，粘贴在折叠金属贴片下方的内侧，紧贴垂直金属贴片且完全占据折叠金属贴片第一次折叠以内的区域；四个介质方块放置在反射背腔底面的上方，紧贴垂直金属贴片，介质方块的边长大于垂直金属贴片的宽度，距离反射背腔内的边界存有距离，在每个介质方块上，紧贴着四个垂直金属贴片分别放置四个方形金属导带，方形金属导带的厚度忽略不计；两个正交Γ形馈线放置在相邻垂直金属贴片的空隙中间。

所述两个正交Γ形馈线由三部分金属柱结构组成，即下方与SMA接头相连的垂直金属柱结构、水平方向金属横柱结构和末端的垂直金属柱结构；两个正交Γ形馈线的水平方向金属横柱结构垂直交叉，具有高度差以避免接触；三部分的金属柱具有相同的宽度，但厚度不同，三部分金属柱之间采用倒角弯折连接，且末端的垂直金属柱结构的长度小于与SMA接头相连的垂直金属柱结构的长度；两个Γ形馈线分别与反射背腔底部的SMA接头相连从而获得信号；使用垂直交叉较低的Γ形馈线的端口1 激发0°线性极化，较高的Γ形馈线的端口2激发-90°线性极化。

所述基于磁电偶极子的超宽带双极化天线的最下方为一个方形的金属反射背腔，高度低于介质方块的高度，边长大于下层介质贴片的边长，2个SMA接头固定于反射背腔的底端。

所述基于磁电偶极子的超宽带双极化天线的金属采用铝，

所述介质方块和介质贴片的介质为FR4。

本发明的有益效果在于将两层不同尺寸的磁电偶极子天线进行垂直叠加，提出了超宽带天线(UWB)一种新的解决方案。与此同时，通过渐变处理Γ形馈线的厚度并且加载介质材料，解决了超宽带情况下天线阻抗匹配的技术问题。最终实现了具有 127％(1-4.5GHz)的匹配带宽和5.1-9.6dB的增益范围的超宽带天线。另一方面，通过两次折叠金属贴片，有效的消减了天线的口径面积，实现了超宽带天线的小型化，最终天线尺寸95mm(0.87λ0)*95mm(0.87λ0)*65mm(0.6λ0)。针对现代移动通信双极化的趋势，本天线在全频带(1-4.5GHz)内可以实现轴比小于3dB的圆极化。仿真和实测结果表明天线具有良好的定向辐射性能、小体积、低背向辐射(前后比大于15dB)、低交叉极化水平(交叉极化小于-20dB)的特点。在圆极化情况下，两个端口之间的隔离度超过15dB。由于以上出色的性能，此天线在各种移动和无线通信中均有着广泛的应用。

附图说明

图1为本发明仿真和实测的天线驻波比图。

图2为本发明仿真和实测的天线增益。

图3为本发明仿真和实测的天线圆极化轴比。

图4为本发明仿真和实测的天线前后比。

图5为本发明实测的归一化辐射方向图，其中包含主极化和交叉极化，8幅图分别为频率1.2、2.2、3.2、4.2GHz的xoz和yoz平面归一化辐射方向图。

图6为基于磁电偶极子的超宽带双极化天线的示意图，其中图(a)为本发明的几何结构，图(b)为天线主视图；图(c)为天线俯视图；图(d)为Γ形馈线的几何结构图。

图7为本发明的测试样机图。

图8为本发明的表面电流密度分布图，其中图(a)为频率1.2GHz时的表面电流密度分布图，图(b)为频率4.2GHz时的表面电流密度分布图，其中最左侧为表面电流幅度区间，为0-6A/m。

其中，1-垂直金属贴片，2-SMA接头，3-反射背腔，4-折叠金属贴片，5-正交Γ形馈线，6-上层金属贴片，7-金属梯台，8-介质贴片，9-金属导带，10-介质方块，11- 与SMA接头相连的垂直金属柱结构、12-水平方向金属横柱结构，13-末端的垂直金属柱结构。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

一种基于磁电偶极子的超宽带双极化天线，包含一对双层磁电偶极子，两个正交的Γ形馈线和一个反射背腔。天线整体的尺寸为95mm(0.87λ₀)*95mm(0.87λ₀)* 65mm(0.6λ₀)。考虑到重量和成本的因素，天线的金属部分均为铝，介质部分为介电常数为4.4的FR4。

如图6(a)所示，天线辐射体放置于反射背腔中心，由分别对应于高频段(约4.2GHz)和低频带(约1.2GHz)的上下两个部分组成。上层的磁电偶极子包含了四个顶部宽度L₃，底部宽度L₂的梯形金属台和放置在梯形台上的四个宽度为L_h，厚度为T_h的方形金属贴片，上层的磁电偶极子整体的高度为H₂。与上层相类似，下层磁电偶极子包含四个宽度为L₁的方形折叠金属贴片，贴片沿对角线方向经过两次折叠产生了两个凹槽，这样在保持其辐射性能的情况下，极大的减小了天线的口径面积 (95mm*95mm)。两个相邻的折叠金属贴片看作是一对电偶极子，通过四个垂直的相互间隔10mm的俯视L形弯折的垂直金属贴片连接到地面。一对垂直金属贴片与其中间的金属地板可以看作是一对磁偶极子。因此，两层金属贴片、垂直金属贴片与其中间的金属地板共同组成了双层的磁电偶极子。上层金属贴片、金属梯台、折叠金属贴片和垂直金属贴片均为铝一体性削切加工制成。四个介质贴片分别放置在四个折叠金属贴片内侧第一个平面的下方，四个介质方块分别紧贴着四个垂直金属贴片放置在反射背腔底部，可以起到展宽带宽的作用。在每个介质方块中距离地板22mm处，紧贴着垂直金属片放置四个厚度可以忽略不计的方形金属导带，其边长为L_p。嵌入在FR4 介电块中的金属导带可被看作是开路枝节，可以通过调整导带的高度和尺寸来进一步优化阻抗匹配。天线底端是一个金属反射背腔，其外部尺寸为95mm*95mm*24mm，厚度为2mm，可以提高增益和优化方向图。最终设计的尺寸如下表所示(单位：毫米)。

本实施例在中心频率为2.75GHz，工作频段为1-4.5GHz时唯一确定，若工作在其他频率，表1中的尺寸将改变。

表1天线尺寸表

参数	G	P	S	H<sub>1</sub>	L<sub>1</sub>	D	T<sub>l</sub>
								数值(毫米)	95	24	10	50	38	11	2
参数	L<sub>2</sub>	L<sub>3</sub>	H<sub>2</sub>	L<sub>h</sub>	T<sub>h</sub>	W	L<sub>p</sub>
								数值(毫米)	12.5	8	15.5	18.5	1.5	11.5	19
参数	H<sub>p</sub>	H<sub>s</sub>	L<sub>s</sub>	D<sub>1</sub>	D<sub>2</sub>	D<sub>3</sub>	D<sub>4</sub>
								数值(毫米)	22	26	35	9	7	11	20

表1中，各个尺寸的定义如下：

G为反射背腔的外边长；

P为反射背腔的内底面到反射背腔的顶部高度；

S为相邻垂直金属贴片之间的距离；

H₁为下层折叠金属贴片到反射背腔内侧底部的高度；

L₁为下层折叠金属贴片的边长；

D为下层折叠金属贴片折叠后的总高度；

T_l为下层折叠金属贴片的贴片厚度；

L₂为上层梯形金属台的底部宽度；

L₃为上层梯形金属台的顶部宽度；

H₂为上层金属贴片上侧到下层折叠金属贴片上侧的高度；

L_h为上层金属贴片的边长；

T_h为上层金属贴片的厚度；

W为垂直金属贴片的宽度；

L_p为金属导带的边长；

H_p为金属导带到反射背腔内侧底部的高度；

H_s为介质方块的高度；

L_s为介质方块的边长；

D₁为下层折叠金属贴片最外侧凸起的对角线长度；

D₂为下层折叠金属贴片两个凹陷的对角线长度；

D₃为下层折叠金属贴片外侧第二凸起的对角线长度；

D₄为下层折叠金属贴片外侧第三凸起的对角线长度。

本天线的两层金属磁电偶极子均由两个正交Γ形金属馈线进行馈电，可以实现良好的阻抗匹配和极宽的带宽，即在1-4.5GHz频率范围内驻波比小于2.2。如图6(d) 所示，每个Γ形馈线由三个部分组成，分别为垂直的金属柱结构，水平的金属柱结构和高为F_d的垂直金属柱结构。与其他设计的直角弯折馈线不同，本发明的Γ形馈线弯折处都采用外径1.5mm，内径1mm的倒角处理，这种渐变设计可以优化阻抗匹配，减少耦合过程中的能量损失。更具体地说，可以将Γ形馈线与支撑金属贴片的垂直金属贴片一起视为带状传输线，因此Γ形馈线厚度的逐渐变化的可导致特性阻抗的逐渐变化，从而实现宽带阻抗匹配。为了保证良好的隔离度，两个Γ形馈线的高度差 F_Δ＝3mm。较低的Γ形馈线(端口1)用于激发0°线性极化，而较高的Γ形馈线(端口2)用于激发-90°线性极化。两个Γ形馈线与反射背腔底部的SMA接头相连接。Γ形馈线的详细尺寸如表2所示(单位：毫米)。

本实施例在中心频率为2.75GHz，工作频段为1-4.5GHz时唯一确定，若工作在其他频率，下表中的尺寸将改变。

表2Γ形馈线的具体参数

参数	F<sub>h</sub>	F<sub>l</sub>	F<sub>d</sub>	F<sub>t1</sub>	F<sub>t2</sub>	F<sub>t3</sub>	F<sub>Δ</sub>
								数值(毫米)	57	36	18	5	2.5	8	3

表2中，各个尺寸的定义如下：

F_h为1端口Γ形馈线中结构1的高度；

F_l为Γ形馈线中结构2的长度；

F_d为Γ形馈线中结构3的高度；

F_t1为Γ形馈线中结构1的宽度；

F_t2为Γ形馈线中结构2的宽度；

F_t3为Γ形馈线中结构3的宽度；

F_Δ为2端口结构2相较于1端口结构2的高度。

本发明仿真和实测的电压驻波比(VSWR)如图1所示。由于测试中输入信号经过一个3-dB的威尔金森功分器分成两路后，经过相移器产生90°的相差通过SMA接头分别馈入Γ形馈线，因此1和2端口具有相同的电压驻波比数据。实测结果表明，本设计的圆极化天线测量和仿真结果均在全部频率范围(1-4.5GHz)内满足 VSWR≤2.2，测量的最大值为2.2。测量结果和仿真结果之间的一致性很好。

本发明仿真和实测的天线增益如图2所示。测量结果表明，本天线测量和仿真的增益分别在5.1-9.6dBi和5.4-10.1dBi内波动。测量的增益略小于仿真增益，这主要是因为介质损耗，但两条曲线整体趋势一致。

本发明仿真和实测的天线圆极化轴比(AR)如图3所示。整个工作频带的圆极化轴比均小于3dB，可以实现很好的圆极化。

本发明仿真和实测的天线前后比(FBR)如图4所示。由于磁电偶极子天线的互补原理和反射背腔的特性，测得的前后比在全频带内大于15dB，说明本发明具有很好的正向辐射特性。

本发明在1.2、2.2、3.2和4.2GHz处测得的主极化和交叉极化归一化方向图如图 5所示。可以看出，天线在整个工作频段内实现了稳定的辐射方向图，同时具有低交叉极化和低反向辐射的特性。1.2和2.2GHz时两个平面中测得的交叉极化电平均小于 -20dB。随着频率的增加，天线不可避免的出现了旁瓣，而本设计的天线有效的压制了旁瓣的产生。与此同时，xoz和yoz平面表现出很好的一致性。

本发明的测试样品实物如图7所示。

图8是在1.2GHz和4.2GHz时，当两个端口都被激励的情况下天线表面电流分布图，其中最左侧为表面电流幅度区间，为0-6A/m。可以看出，在1.2GHz时，表面电流主要集中在下层贴片上，表明下层在电磁波辐射中起主导作用。相比之下，在4.2GHz 时，辐射器的上层金属贴片具有很强的表面电流，这意味着此时上层金属贴片在辐射过程中占主导地位。因此，通过组合具有不同电尺寸的两层磁电偶极子，本发明实现了127.3％的阻抗带宽。

Claims

1.一种基于磁电偶极子的超宽带双极化天线，包括放置在中心的双层磁电偶极子，两个Γ形正交馈线和一个反射背腔，其特征在于：

所述基于磁电偶极子的超宽带双极化天线中，双层磁电偶极子包含上层磁电偶极子、下层磁电偶极子、介质方块和介质贴片，上层磁电偶极子为四个田字形摆放的上层金属贴片分别固定在四个金属梯台上，且金属梯台的顶端宽度小于上层金属贴片的宽度；下层磁电偶极子为四个折叠金属贴片固定在对应的四个垂直金属贴片的顶端，垂直金属贴片的底端插入固定在最下方的反射背腔的中心，其中折叠金属贴片沿对角线方向经过了两次折叠，而四个垂直金属贴片由垂直的矩形贴片沿垂直中线经过90度弯折形成，垂直金属贴片俯视为L形；上层的金属梯台固定放置在下层的折叠金属贴片内侧；四个介质贴片为三角形，粘贴在折叠金属贴片下方的内侧，紧贴垂直金属贴片且完全占据折叠金属贴片第一次折叠以内的区域；四个介质方块放置在反射背腔底面的上方，紧贴垂直金属贴片，介质方块的边长大于垂直金属贴片的宽度，距离反射背腔内的边界存有距离，在每个介质方块上，紧贴着四个垂直金属贴片分别放置四个方形金属导带，方形金属导带的厚度忽略不计；两个正交Γ形馈线放置在相邻垂直金属贴片的空隙中间。

2.根据权利要求1所述的基于磁电偶极子的超宽带双极化天线，其特征在于：

所述两个正交Γ形馈线由三部分金属柱结构组成，即下方与SMA接头相连的垂直金属柱结构、水平方向金属横柱结构和末端的垂直金属柱结构；两个正交Γ形馈线的水平方向金属横柱结构垂直交叉，具有高度差以避免接触；三部分的金属柱具有相同的宽度，但厚度不同，三部分金属柱之间采用倒角弯折连接，且末端的垂直金属柱结构的长度小于与SMA接头相连的垂直金属柱结构的长度；两个Γ形馈线分别与反射背腔底部的SMA接头相连从而获得信号；使用垂直交叉较低的Γ形馈线的端口1激发0°线性极化，较高的Γ形馈线的端口2激发-90°线性极化。

3.根据权利要求1所述的基于磁电偶极子的超宽带双极化天线，其特征在于：

4.根据权利要求1所述的基于磁电偶极子的超宽带双极化天线，其特征在于：

所述基于磁电偶极子的超宽带双极化天线的金属采用铝。

5.根据权利要求1所述的基于磁电偶极子的超宽带双极化天线，其特征在于：

所述介质方块和介质贴片的介质为FR4。