CN102882004A - 一种电磁耦极子天线 - Google Patents

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Abstract

本发明设计了一种电磁耦极子天线，包括天线辐射单元和金属地，天线辐射单元主要包括垂直电振子、水平磁振子，垂直电振子和水平磁振子一起构成的电磁耦合结构。该天线具有体积小和低轮廓等优点。

Description

一种电磁耦极子天线
技术领域
本发明专利涉及一种电磁耦极子天线，尤其是用于移动通信***的小型化无线天线。
背景技术
移动通信技术的迅速发展和应用，有力地推动了现代通信向小型化、集成化、多功能(多频段、多极化和多用途)的方向发展。天线作为无线通信***中最重要的部件之一，它的尺寸成为制约通信***进一步小型化的瓶颈之一，因而设计小型化、集成化、多功能天线己成为当前天线界研究的重点。
国内外在小型化多频段天线方面有很多文献，其中，《信息技术》在2011年12月25日刊登有一篇文章《小型化基站天线带来的影响》最有代表性，该文主要介绍了一种可用于806～960MHz、1710～2170MHz和1710～2170MHz的三频段基站天线，该天线的体积为：1340mm×380mm×100mm。但对于天线小型化要求日益提高的新型通信***，该天线的体积仍然过大，需要进一步研究小型化天线，特别是研究具有低轮廓特性的小型化天线，以便方便天线的架设和安装。
《A Dual-Polarized Magneto-Electric Dipole With Dielectric Loading》是在IEEE TRANS ON AP，VOL.57,NO.3,MARCH 2009发表的一篇论文。该论文中电磁极子天线结构如图1所示，该结构包括了一个常规电极子102以及一个L型的磁耦极子103，101为金属地，104为射频电信号通过SMA连接器的接口。
如图1所示的天线虽然厚度较大，加工困难。
发明内容
本发明实施例提供一种电磁耦极子天线，包括天线辐射单元和金属地，天线辐射单元主要包括垂直电振子、水平磁振子，垂直电振子和水平磁振子一起构成的电磁耦合结构。
本发明设计了一种电磁耦极子天线，可用于无线通信***，该天线体积较小，轮廓低，可覆盖多个频段也可以优化覆盖特定频段。
本发明天线主要包括天线辐射单元、金属地以及二者之间的电磁耦合结构。
天线辐射单元包括垂直电振子组和水平磁振子组。所述垂直电振子和水平磁振子之间通过介质实现电磁耦合；金属地可以是平面地结构也可以是其它非平面地结构；
垂直电振子组主要包括n1个T形馈电结构。每个T形馈电结构由顶部加载的水平片状导体结构以及与其垂直电气相连的金属棒状结构组成。在具体实施中，垂直电振子数目n1以及棒状结构和片式结构可以进行优化。
水平磁振子组包括若干个水平封闭平面金属环状结构，或者由与上述环状结构相连的十字形导带结构。其中每个水平磁振子主要包括一层或多层金属导带。其中的每层金属导带可由一个封闭平面金属环组成，各层金属导带间可以包含介质填充材料，可以通过金属过孔电气连接。
天线工作过程是，p1个激励源通过加载在地板与T型结构底部间的空间结构实现对电偶极子的电磁激励，该T形馈电结构的片状部分通过介质与水平磁振子进行电磁耦合，通过上述二者的联合作用，实现电磁振子的电磁能量辐射。
上述发明所涉及的小型化电磁耦极子天线，其逻辑示意图如图10所示。
本发明天线低轮廓的机理：由电磁场的二重性原理可知，良导体平面上方水平磁极子的镜像磁流与该水平磁极子磁流（简称源磁流）方向相同，因此，它在激励源所在半空间产生的电磁场可由源磁流及其镜像磁流所组成的2元阵表征，当该2元阵的间距小于半波长时，即磁极子与良导体间距小于四分之一波长，上述阵列产生的电磁场是增强性叠加的。因此，在良导体上方采用水平磁极子，可以实现低轮廓。
本发明天线宽带的机理是：由若干个水平封闭平面金属环或者由与上述环状结构相连的十字形导带构成的水平磁振子是一个多模辐射器，多模辐射器的每1个辐射模式都有1个谐振频率与之对应。其中，水平磁振子的金属环周长的一半长度对应于本辐射器的最低谐振频率；而与上述环状结构相连的十字形导带长度的一半对应于本辐射器的最高谐振频率；因此，本发明的水平磁振子能实现宽频段电磁辐射。另一方面，垂直电振子可视为其顶部电磁加载的单极子天线，用于传输和辐射电磁波。由于加载效应明显，因此垂直电振子与水平磁振子之间的电磁耦合是该天线内部能量传输的主要因素，该电磁耦合同时也在垂直电振子与水平磁振子之间起着阻抗变化的作用，因而展宽了该天线的阻抗带宽。
本发明天线+-45度双极化机理：本发明采用了以几何中心点为对称中心、水平方向角度依次相差90度的4个端口馈电结构，同时采用对角端口为一组差分激励端口对的激励方式，保证了+-45度双极化的电磁波辐射。
本发明天线保形能力机理：为了进一步增加辐射单元的方向图频率带宽，即增加辐射单元的方向图保形能力，采用了在八边形金属环的顶层加具有中心圆孔的八边形金属贴片，从而使原来被限制在八边形金属环面的电流路径增加为八边形金属环面电流路径和八边形金属贴片电流路径，从而增加了辐射单元表面电流的流动路径数目，促进了天线方向图对不同频率的保形能力提升。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的类似方案。
图1是现有技术电磁极子天线示意图。
图2是实施例的电磁耦极子天线物理示意图。
图3是实施例的垂直电振子示意图。
图4是实施例的水平磁振子去除上层金属导带的结构示意图。
图5是实施例的水平磁振子的上层金属导带示意图。
图6是实施例的电磁耦极子天线驻波比曲线。
图7是实施例的电磁耦极子天线在1.8GHz时的增益方向图。
图8是实施例的电磁耦极子天线在2.1GHz时的增益方向图。
图9是实施例的电磁耦极子天线在2.4GHz时的增益方向图。
图10是电磁耦极子天线工作原理示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明设计了一种电磁耦极子天线，可用于基站等无线通信***，该天线的体积可以缩小到：65mm×65mm×23mm，可覆盖1.8GHz、2.1GHz、2.4GHz等多个频段。
由图2所示，本发明的一个实施例包括天线辐射单元210和金属地220两部分。天线辐射单元210包括垂直电振子组230、水平磁振子组240。垂直电振子组230和水平磁振子组240构成电磁耦合结构250。
金属地220为一个正方形平面结构，尺寸可以为150mm×150mm×1mm。
图3所示为4个垂直电振子组成的垂直电振子组。每个垂直电振子为一个T型结构330，T型结构330由顶部加载的水平片状导体结构331以及与其垂直电气相连的金属棒状结构332组成，实施例中金属棒状结构332可以为半径为1.29mm的圆柱体，其高度为17.6mm。片状导体结构331可以为半径5.3mm厚为0.5mm的圆盘。
由图4所示，水平磁振子为水平封闭平面金属环状结构。图中仅示出了水平磁振子的一个八边形的金属环441和下层金属导带442。下层金属导带442为十字形状。金属环441的外径为27.4mm和宽度为3.64mm。
由图5所示，水平磁振子的上层金属导带543，也是十字形导带。上层金属导带543的末端为过孔544，通过过孔544与金属环441构成电气连接。参考图2，在上述两层金属导带之间填充有介电常数为2.55的介质材料。
本实施例电磁耦极子天线的驻波比：S11参数曲线如附图6所示，在1.8GHz、2.1GHz、2.4GHz等核心频点上均低于-10dB通过馈电网络可以调整到-14以下,满足宏蜂窝基站天线的需求。
图7、图8和图9分别上述天线的1.8GHz、2.1GHz、2.4GHz的增益方向图。
如图10为另一实施例电磁耦极子天线工作原理示意图。垂直电振子组1030主要包括n1个T型结构。在具体实施中，垂直电振子数目n1可以有适当的调整。金属棒状结构和水平片状导体结构的形状可以有适当的调整。
水平磁振子组1040可以包括一个金属环和一个金属导带，金属导带为十字形。其中的金属环可以由一层金属构成，也可以由多层金属构成，各层金属间可以包含有介质填充材料。一个金属导带可以只包括一层金属，也可以有两层金属，甚至多层金属，导带的各层金属间可以包含介质填充材料。金属导带和金属环通过过孔电气连接。
水平磁振子组也可以由多个水平封闭平面金属环状结构构成。
所述垂直电振子和水平磁振子之间通过介质实现电磁耦合。金属地可以是平面结构也可以是其它非平面结构。
天线工作过程如下：p1个激励源通过加载在金属地1020与T型结构实现对电耦极子的电磁激励，该T型结构的水平片状导体结构通过介质与水平磁振子进行电磁耦合，通过上述二者的联合作用，实现电磁振子的电磁能量辐射。
本领域普通技术人员可以理解，本文中所公开的结构仅为示例性质。除了上述例举的内容之外，根据具体应用场合的需要，所述结构可以有适当变动。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同结构来实现，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
尽管已示出和描述了本发明的一些实施例，但本领域技术人员应理解，在不脱离本发明的原理和精神的情况下，可对这些实施例进行各种修改，这样的修改应落入本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种电磁耦极子天线，包括天线辐射单元和金属地，其特征在于，天线辐射单元主要包括垂直电振子、水平磁振子，垂直电振子和水平磁振子一起构成的电磁耦合结构。
2.如权利要求1所述的天线，其特征在于，所述垂直电振子包括若干个垂直电振子，其中每个垂直电振子由一个T型结构构成。
3.如权利要求2所述的天线，其特征在于，所述T型结构由顶部加载的水平片状导体结构以及与其垂直电气相连的金属棒状结构组成。
4.如权利要求1所述的天线，其特征在于，所述水平磁振子包括水平封闭平面的金属环状结构和与所述金属环状结构相连的金属导带。
5.如权利要求1所述的天线，其特征在于，所述垂直电振子和水平磁振子之间通过介质实现电磁耦合。
6.如权利要求1所述的天线，其特征在于，金属地可以是平面结构也可以是其它非平面结构。
7.如权利要求1所述的天线，其特征在于，有多个垂直电振子，一起组成垂直电振子组。
8.如权利要求1或者7所述的天线，其特征在于，有一个或者多个水平磁振子，组成水平磁振子组。
9.如权利要求4所述的天线，其特征在于，所述水平封闭平面金属环状结构，可以包括位于顶层的外边为八边形内边为圆形的金属环带以及包括位于底层的内接十字型导带的八边形金属环。
10.如权利要求9所述的天线，其特征在于，所述顶层金属环带与所述底层内接十字型导带的金属环之间可以通过4个连接导体呈电气连接状态。
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