CN112186339A - 一种宽频圆极化磁电偶极子天线 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种宽频圆极化磁电偶极子天线,通过设置金属寄生环,在不改变天线主体结构的前提下,大幅度提升天线的圆极化带宽。同时,本申请的宽频圆极化磁电偶极子天线采用缝隙耦合的馈电方法,采用介质基板下表面的金属馈电条带将耦合信号通过矩形槽耦合至金属地板上方的水平金属贴片和垂直金属贴片上,并在金属贴片模组周围设置金属寄生环为磁电偶极子天线引入了新的圆极化谐振模,使得该天线在宽频的工作带宽内具有较好的圆极化特性。另外,通过这种金属寄生环的结构设置不会对天线的结构产生影响,而且,在保持宽频圆极化带宽的前提下,工作频段内增益浮动较小,具有宽频的增益带宽和较好的平坦增益。

Description

一种宽频圆极化磁电偶极子天线
技术领域
本申请涉及微波射频技术领域,尤其涉及一种宽频圆极化磁电偶极子天线。
背景技术
随着无线通信技术的快速发展,对宽频天线的要求越来越高。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5G通信***,基站通信***和无线局域网。
传统的磁电偶极子天线主要辐射线极化波,无法辐射圆极化波,但圆极化天线可以接收任意方向的来波,同时可以避免多径干扰带来的极化不匹配问题。为了使磁电偶极子天线获取圆极化性能,可以采用在水平偶极子之间增加连接条带的方法,但仍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。
同时,目前的圆极化天线的增益带宽较窄,且在工作频段内增益浮动较大,增益平坦度较差。
因此,如何设计出结构简单、具备较宽的轴比带宽和增益带宽且能获得较好的圆极化特性从而满足宽频无线通信***的需求的磁电偶极子天线,是具有重要的意义。
发明内容
本申请提供了一种宽频圆极化磁电偶极子天线,用于解决现有的磁电偶极子天线结构复杂、圆极化特性较差、增益带宽较窄且增益平坦度较差的技术问题。
有鉴于此,本申请提供了一种宽频圆极化磁电偶极子天线,包括:介质基板;
所述介质基板上表面设有金属地板;
金属地板上方设有金属寄生环,所述金属寄生环的四角均设有金属柱,所述金属寄生环通过所述金属柱与所述金属地板短路连接;
金属寄生环内设有金属贴片模组,所述金属贴片模组为四个,四个所述金属贴片模组呈两行两列布置,所述金属贴片模组包括水平金属贴片和垂直金属贴片,所述水平金属贴片通过所述垂直金属贴片与所述金属地板短路连接,任意两个对角设置的所述水平金属贴片通过所述金属连接条带相连接;
两行所述金属贴片模组或两列所述金属贴片模组之间的所述金属地板上开有矩形槽;
所述介质基板下表面印刷有金属馈电条带,所述金属馈电条带通过所述矩形槽与所述金属贴片模组耦合连接,所述金属馈电条带设有馈电端口。
优选地,所述矩形槽长度为38mm,宽度为1.5mm。
优选地,所述金属寄生环与所述水平金属贴片的高度一致。
优选地,所述金属馈电条带设于所述两行所述金属贴片模组或两列所述金属贴片模组之间,所述金属馈电条带与矩形槽的长度方向正交。
优选地,所述水平金属贴片和所述垂直金属贴片的连接处均设于远离所述金属寄生环的一端。
优选地,所述垂直金属贴片设有八个,每两个所述垂直金属贴片与所述水平金属贴片连接,且两个所述垂直金属贴片之间设有间隙。
优选地,所述馈电端口外部连接有SMA接头。
优选地,所述金属寄生环的内环四角均设有斜边,任一对角设置的所述斜边长度大于另一对角设置的所述斜边长度。
优选地,所述金属寄生环的内环为多边形结构。
优选地,所述金属寄生环的外环为矩形结构。
从以上技术方案可以看出,本申请实施例具有以下优点:
本申请提供的一种宽频圆极化磁电偶极子天线,结构简单,设计合理,通过设置金属寄生环,在不改变天线主体结构的前提下,大幅度提升天线的圆极化带宽。同时,本申请的宽频圆极化磁电偶极子天线采用缝隙耦合的馈电方法,采用介质基板下表面的金属馈电条带将耦合信号通过矩形槽耦合至金属地板上方的水平金属贴片和垂直金属贴片上,并在金属贴片模组周围设置金属寄生环为磁电偶极子天线引入了新的圆极化谐振模,圆极化带宽由12.4%提升到44.7%,使得该天线在宽频的工作带宽内具有较好的圆极化特性。另外,通过这种金属寄生环的结构设置不会对天线的结构产生影响,而且,在保持宽频圆极化带宽的前提下,工作频段内增益浮动较小,1-dB增益带宽达到49.5%,在3.62-5.55GHz频段范围内,增益变化值小于1dB,具有宽频的增益带宽和较好的平坦增益。
附图说明
图1为本申请实施例提供的一种宽频圆极化磁电偶极子天线的立体结构示意图;
图2为本申请实施例提供的一种宽频圆极化磁电偶极子天线的侧视结构示意图;
图3为本申请实施例提供的一种宽频圆极化磁电偶极子天线的轴比随频率变化对比曲线图;
图4为本申请实施例提供的一种宽频圆极化磁电偶极子天线的S参数随频率变化曲线图;
图5为本申请实施例提供的一种宽频圆极化磁电偶极子天线的轴比随频率变化曲线图;
图6为本申请实施例提供的一种宽频圆极化磁电偶极子天线的增益随频率变化曲线图;
图7为本申请实施例提供的一种宽频圆极化磁电偶极子天线在3.7GHz时XOZ面辐射方向图;
图8为本申请实施例提供的一种宽频圆极化磁电偶极子天线在4.5GHz时XOZ面辐射方向图;
图9为本申请实施例提供的一种宽频圆极化磁电偶极子天线在5.3GHz时XOZ面辐射方向图;
图10为本申请实施例提供的一种宽频圆极化磁电偶极子天线在3.7GHz时YOZ面辐射方向图;
图11为本申请实施例提供的一种宽频圆极化磁电偶极子天线在4.5GHz时YOZ面辐射方向图;
图12为本申请实施例提供的一种宽频圆极化磁电偶极子天线在5.3GHz时YOZ面辐射方向图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案,下面将结合本申请实施例中的附图,对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅是本申请一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例,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,都属于本申请保护的范围。
为了便于理解,请参阅图1~图2,本申请提供的一种宽频圆极化磁电偶极子天线,包括:介质基板1;
介质基板1上表面设有金属地板2;
金属地板2上方设有金属寄生环30,金属寄生环30的四角均设有金属柱31,金属寄生环30通过金属柱31与金属地板2短路连接;
金属寄生环30内设有金属贴片模组,金属贴片模组为四个,四个金属贴片模组呈两行两列布置,金属贴片模组包括水平金属贴片40和垂直金属贴片41,水平金属贴片40通过垂直金属贴片41与金属地板2短路连接,任意两个对角设置的水平金属贴片40通过金属连接条带42相连接;
两行金属贴片模组或两列金属贴片模组之间的金属地板2上开有矩形槽5;
介质基板1下表面印刷有金属馈电条带60,金属馈电条带60通过矩形槽5与金属贴片模组耦合连接,金属馈电条带60设有馈电端口61。
需要说明的是,本实施例的工作原理是外部通过馈电端口61输入馈电信号,馈电信号经过金属馈电条带60后,通过矩形槽5耦合至金属贴片模组上,从而完成馈电。
在本实施例中,结构简单,设计合理,通过设置金属寄生环30,在不改变天线主体结构的前提下,大幅度提升天线的圆极化带宽。同时,该天线采用缝隙耦合的馈电方法,即通过介质基板1下表面的金属馈电条带60通过矩形槽5耦合能量至金属地板2上方的水平金属贴片40和垂直金属贴片41上,金属寄生环30的设置为磁电偶极子天线引入了新的圆极化谐振模,使得该天线在宽频的工作带宽内具有较好的圆极化特性。另外,该天线所采用的金属寄生环30不会对天线的结构产生影响,而且,在保持宽频圆极化带宽的前提下,工作频段内增益浮动较小,具有宽频的增益带宽和较好的平坦增益。
以上为本申请提供的一种宽频圆极化磁电偶极子天线的一个实施例,以下为本申请提供的一种宽频圆极化磁电偶极子天线的另一个实施例。
为了便于理解,请参阅图1~图2,本申请提供的一种宽频圆极化磁电偶极子天线,包括:介质基板1;
介质基板1上表面设有金属地板2;
金属地板2上方设有金属寄生环30,金属寄生环30的四角均设有金属柱31,金属寄生环30通过金属柱31与金属地板2短路连接;
金属寄生环30内设有金属贴片模组,金属贴片模组为四个,四个金属贴片模组呈两行两列布置,金属贴片模组包括水平金属贴片40和垂直金属贴片41,水平金属贴片40通过垂直金属贴片41与金属地板2短路连接,任意两个对角设置的水平金属贴片40通过金属连接条带42相连接;
两行金属贴片模组或两列金属贴片模组之间的金属地板2上开有矩形槽5;
介质基板1下表面印刷有金属馈电条带60,金属馈电条带60通过矩形槽5与金属贴片模组耦合连接,金属馈电条带60设有馈电端口61。
进一步地,介质基板1采用介电常数为2.2的F4B基板,其厚度为1.5mm。
进一步地,金属地板2、金属寄生环30与金属馈电条带60均采用铜材质。
进一步地,矩形槽5长度为38mm,宽度为1.5mm。
进一步地,金属寄生环30与水平金属贴片40的高度一致。
在本实施例中,金属寄生环30与水平金属贴片40的高度为18mm。
进一步地,金属馈电条带60设于两行金属贴片模组或两列金属贴片模组之间,金属馈电条带60与矩形槽5的长度方向正交。
可以理解的是,金属馈电条带60与矩形槽5的长度方向正交,可以提高耦合强度。
进一步地,水平金属贴片40和垂直金属贴片41的连接处均设于远离所述金属寄生环30的一端。
在本实施例中,水平金属贴片40和垂直金属贴片41的连接处呈中心对称。
进一步地,垂直金属贴片41设有八个,每两个垂直金属贴片41与水平金属贴片40连接,且两个垂直金属贴片41之间设有间隙。
进一步地,馈电端口61外部连接有SMA接头。
进一步地,金属寄生环30的内环四角均设有斜边,任一对角设置的斜边长度大于另一对角设置的斜边长度。
需要说明的是,通过设置金属寄生环30的内环四角斜边具有不对称性,可以提高圆极化带宽,圆极化带宽可至少提升到44.7%,使得该天线在宽频的工作带宽内具有较好的圆极化特性。
进一步地,金属寄生环30的内环为多边形结构。
进一步地,金属寄生环30的外环为矩形结构。
以下通过仿真结果对本实施例进一步说明。
如图3所示,其表示为本申请提出的具有宽频圆极化特性的磁电偶极子天线在设置和未设置金属寄生环的不同情况下的轴比参数随着频率变化的对比曲线图。
当对角设置的水平金属贴片通过金属连接条带相连接,使天线在3.6GHz处产生最小轴比点。根据图3可以看出,在未设置金属寄生环时,天线轴比低于3dB的频率范围为3.49-3.95GHz,因此,此时的3dB轴比带宽为12.4%;通过设置金属寄生环后,天线在4.5GHz和5.3GHz的频率处产生了额外的轴比最小点,此时,轴比小于3dB的频率范围为3.49-5.5GHz,此时,3dB轴比带宽为44.7%,天线在4.5GHz和5.3GHz分别产生两个最小轴比点,因此,可以看出,在设置金属寄生环后,3dB轴比带宽从12.4%提升到44.7%,而原有天线结构及尺寸未发生变化。
图4是本申请提出的天线测量的S参数随频率变化曲线图。通过图4可以看出,天线|S11|小于-10dB的频率范围为3.4-6.0GHz,即天线的阻抗带宽为3.4-6.0GHz,相对带宽为55.3%,覆盖较宽的无线通信频段范围。
图5为是本申请提出的天线测量的轴比随频率变化曲线图。通过图5可以看出,天线轴比低于3dB的频率范围为3.62-5.55GHz,即天线的轴比带宽为3.62-5.55GHz,相对带宽为42.1%,且测量结果与仿真结果基本一致。
图6是本申请提出的天线测量的增益随频率变化曲线图。通过图6可以看出,本天线测量的最大增益为9.2dBi,1dB增益带宽即增益大于8.2dBi的频率范围为3.5-5.8GHz,相对带宽为49.5%,在3.62-5.55GHz工作频段内,增益最小值为8.2dBi,增益最大值为9.2dBi,因此,增益变化值小于1dB,表明该天线在工作频段内具有平坦的天线增益。
图7、图8和图9分别是本申请提出的天线在3.7GHz,4.5GHz和5.3GHz时天线在XOZ面的方向图。图10、图11和图12分别是本申请提出的天线在3.7GHz,4.5GHz和5.3GHz时天线在YOZ面的方向图。从图7~12可以看出,在最大辐射方向0度方向,右旋圆极化分量分别为-18dBi、-19dBi、-25dBi、-26dBi、-20dBi和-21dBi,因此,左旋圆极化分量0dBi至少比右旋圆极化分量大18dB,且在整个工作频段内方向图较为稳定,说明本申请所提出的天线具备良好的辐射稳定性。
在本申请所提供的几个实施例中,应该理解到,所揭露的装置和方法,可以通过其它的方式实现。例如,以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的,例如,所述单元的划分,仅仅为一种逻辑功能划分,实际实现时可以有另外的划分方式,例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个***,或一些特征可以忽略,或不执行。另一点,所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口,装置或单元的间接耦合或通信连接,可以是电性,机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的,作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元,即可以位于一个地方,或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外,在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中,也可以是各个单元单独物理存在,也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现,也可以采用软件功能单元的形式实现。

Claims (10)

1.一种宽频圆极化磁电偶极子天线,其特征在于,包括:介质基板;
所述介质基板上表面设有金属地板;
所述金属地板上方设有金属寄生环,所述金属寄生环的四角均设有金属柱,所述金属寄生环通过所述金属柱与所述金属地板短路连接;
所述金属寄生环内设有金属贴片模组,所述金属贴片模组为四个,四个所述金属贴片模组呈两行两列布置,所述金属贴片模组包括水平金属贴片和垂直金属贴片,所述水平金属贴片通过所述垂直金属贴片与所述金属地板短路连接,任意两个对角设置的所述水平金属贴片通过所述金属连接条带相连接;
两行所述金属贴片模组或两列所述金属贴片模组之间的所述金属地板上开有矩形槽;
所述介质基板下表面印刷有金属馈电条带,所述金属馈电条带通过所述矩形槽与所述金属贴片模组耦合连接,所述金属馈电条带设有馈电端口。
2.根据权利要求1所述的宽频圆极化磁电偶极子天线,其特征在于,所述矩形槽长度为38mm,宽度为1.5mm。
3.根据权利要求1所述的宽频圆极化磁电偶极子天线,其特征在于,所述金属寄生环与所述水平金属贴片的高度一致。
4.根据权利要求1所述的宽频圆极化磁电偶极子天线,其特征在于,所述金属馈电条带设于所述两行所述金属贴片模组或两列所述金属贴片模组之间,所述金属馈电条带与矩形槽的长度方向正交。
5.根据权利要求1所述的宽频圆极化磁电偶极子天线,其特征在于,所述水平金属贴片和所述垂直金属贴片的连接处均设于远离所述金属寄生环的一端。
6.根据权利要求1或5所述的宽频圆极化磁电偶极子天线,其特征在于,所述垂直金属贴片设有八个,每两个所述垂直金属贴片与所述水平金属贴片连接,且两个所述垂直金属贴片之间设有间隙。
7.根据权利要求1所述的宽频圆极化磁电偶极子天线,其特征在于,所述馈电端口外部连接有SMA接头。
8.根据权利要求1所述的宽频圆极化磁电偶极子天线,其特征在于,所述金属寄生环的内环四角均设有斜边,任一对角设置的所述斜边长度大于另一对角设置的所述斜边长度。
9.根据权利要求8所述的宽频圆极化磁电偶极子天线,其特征在于,所述金属寄生环的内环为多边形结构。
10.根据权利要求1或9所述的宽频圆极化磁电偶极子天线,其特征在于,所述金属寄生环的外环为矩形结构。
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