CN107134648A - 一种l波段宽带双极化电磁偶极子天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种L波段宽带双极化电磁偶极子天线，该天线包括四个电磁偶极子臂、两个Г形条状馈电探针、地平反射面和引向圆盘，所述四个电磁偶极子臂、第一Г形条状馈电探针和第二Г形条状馈电探针均位于地平反射面和引向圆盘之间，第一Г形条状馈电探针和第二Г形条状馈电探针交叉设置，二者之间的夹角为90°，四个电磁偶极子臂均匀设置在两个Г形条状馈电探针的周围，其中第一电磁偶极子臂和第三电磁偶极子臂构成一对电磁偶极子臂，第二电磁偶极子臂和第四电磁偶极子臂构成另一对电磁偶极子臂，每对电磁偶极子臂均在同一直线上，两对电磁偶极子臂所在的直线相互垂直。本发明天线在较宽的频带内均具有良好的接收性能。

Description

一种L波段宽带双极化电磁偶极子天线

技术领域

本发明涉及天线领域，特别是一种L波段宽带双极化偶极子天线。

背景技术

随着无线通信技术的应用和发展，特别是移动通信和高速数字无线通信的发展，频谱成为一种非常重要和稀缺的资源。从厘米波段到毫米波段，很多频段已经被开发并用于各种电视系统、无线通信和侦查系统，例如UHF/VHF电视系统、手机系统、全球卫星定位系统(GPS)、蓝牙、无线局域网(WLAN)、超宽带(UWB)和自动雷达等。由于工作在不同频带的无线移动通信系统的增加，在一栋建筑内需要安装多个天线来接收不同的无线移动通信系统的信号。而天线数量的显著增加将产生一系列的问题，如：增加生产成本、增大室内基站的容量和电磁兼容(EMC)问题等。所以，将不同的通信网络整合到一个系统里使用数量较少的宽带或超宽带天线逐渐成为一种趋势。

在此基础上，人们提出了许多不同的研究方法。比如像对数周期天线、喇叭天线和反射器天线，虽然它们已经应用于通信领域，但是其结构笨重，使用起来不方便；贴片天线也在现代无线通信系统中有广泛应用，它可以提供一个单向模式，其优点为：低剖面、重量轻和制造方便，但是其阻抗带宽不够。有人提出一种背腔的偶极子天线，该天线也能解决上述问题并且有宽的带宽和良好的辐射方向图特性，但是该天线结构复杂，且宽边辐射方向图不稳定。

发明内容

本发明所解决的技术问题是提供一种尺寸小、增益高、两端口隔离度好、频带宽、交叉极化低的双极化天线。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种L波段宽带双极化电磁偶极子天线，所述天线包括四个电磁偶极子臂、第一Г形条状馈电探针、第二Г形条状馈电探针、地平反射面和引向圆盘，所述四个电磁偶极子臂、第一Г形条状馈电探针和第二Г形条状馈电探针均位于地平反射面和引向圆盘之间，第一Г形条状馈电探针和第二Г形条状馈电探针交叉设置，二者之间的夹角为90°，四个电磁偶极子臂均匀设置在两个Г形条状馈电探针的周围，该四个电磁偶极子臂分别是第一电磁偶极子臂、第二电磁偶极子臂、第三电磁偶极子臂、第四电磁偶极子臂，其中第一电磁偶极子臂和第三电磁偶极子臂构成一对电磁偶极子臂，第二电磁偶极子臂和第四电磁偶极子臂构成另一对电磁偶极子臂，每对电磁偶极子臂均在同一直线上，两对电磁偶极子臂所在的直线相互垂直；

所述四个电磁偶极子臂的结构均相同，每个电磁偶极子臂均为三次弯折结构，包括依次连接的底部结构、竖直臂、水平臂和倾斜臂，底部结构和竖直臂相互垂直，水平臂和竖直臂也相互垂直，倾斜臂与水平臂的夹角为钝角。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明将电偶极子与磁偶极子有机地结合起来，形成电磁偶极子，极大地拓宽了天线的频带，并采用两个线极化电磁偶极子交叉放置的方式实现了双极化；2)本发明的天线尺寸小，极化隔离度优异，适合用作双极化相控阵的阵列单元以及无线通信的收发天线；3)本发明的电磁偶极子天线背向辐射低、天线增益稳定、辐射方向图对称、波束宽度宽。

附图说明

图1为本发明L波段宽带双极化电磁偶极子天线的45°角3D视图。

图2为本发明实施例所述天线的俯视与侧视图，其中(A)为天线整体俯视图，(B)为去掉引向圆盘的天线俯视图，(C)为天线侧视图。

图3为本发明天线的一个偶极子臂的侧视图。

图4为本发明天线中Г形探针的俯视与侧视图，其中(A)为俯视图，(B)为45°角侧视图，(C)和(D)分别为单个探针的侧视图。

图5为本发明天线的S参数曲线图。

图6为本发明天线在中心频率1.25GHz的三维和二维方向图，其中(A)为三维方向图，(B)为二维方向图。

图7为本发明天线轴向增益随频率变化的曲线图。

图8为本发明天线在工作频率1.25GHz时形成两种线极化与两种圆极化的主极化与交叉极化方向图，其中(A)和(B)是天线形成第一种线极化时，E面与H面的主极化和交叉极化的二维方向图，(C)和(D)是天线形成第二种线极化时，E面与H面的主极化和交叉极化的二维方向图，(E)和(F)是天线形成左旋圆极化时，Phi＝0°面与Phi＝90°面的主极化和交叉极化的二维方向图，(G)和(H)是天线形成右旋圆极化时，Phi＝0°面与Phi＝90°面的主极化和交叉极化的二维方向图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式进行描述。

结合图1、图2、图3和图4，一种L波段宽带双极化电磁偶极子天线，所述天线包括四个电磁偶极子臂、第一Г形条状馈电探针7、第二Г形条状馈电探针8、地平反射面5和引向圆盘6，所述四个电磁偶极子臂、第一Г形条状馈电探针7和第二Г形条状馈电探针8均位于地平反射面5和引向圆盘6之间，第一Г形条状馈电探针7和第二Г形条状馈电探针8交叉设置，二者之间的夹角为90°，四个电磁偶极子臂均匀设置在两个Г形条状馈电探针的周围，该四个电磁偶极子臂分别是第一电磁偶极子臂1、第二电磁偶极子臂2、第三电磁偶极子臂3、第四电磁偶极子臂4，其中第一电磁偶极子臂1和第三电磁偶极子臂3构成一对电磁偶极子臂，第二电磁偶极子臂2和第四电磁偶极子臂4构成另一对电磁偶极子臂，每对电磁偶极子臂均在同一直线上，两对电磁偶极子臂所在的直线相互垂直；两对电磁偶极子臂交叉设置可以实现双极化。

所述四个电磁偶极子臂的结构均相同，每个电磁偶极子臂均为三次弯折结构，包括依次连接的底部结构1-a、竖直臂1-b、水平臂1-c和倾斜臂1-d，底部结构1-a和竖直臂1-b相互垂直，水平臂1-c和竖直臂1-b也相互垂直，倾斜臂1-d与水平臂1-c的夹角为钝角。其中水平臂1-c和倾斜臂1-d为电偶极子，竖直臂1-b为磁偶极子，底部结构1-a为用于固定天线的结构。由于阵列天线的互耦效应与阵元间距和单元天线大小有关，倾斜臂1-d可以减小天线尺寸，进而减弱相邻单元的耦合影响。

小圆形铜盘4用于提高轴向增益并且可以改善宽带阻抗匹配。

地平反射面5为圆形，其圆心与引向圆盘6的圆心在同一竖直线上。水平黄铜盘作为反射地平面，可以减少背向辐射。

第一Г形条状馈电探针7和第二Г形条状馈电探针8的交叉点与引向圆盘6的圆心在同一竖直线上。

两个不同高度的Г形条状探针7和8由两次弯折90°的金属铜条构成。探针分为三部分，第一部分是与同轴线连接的垂直部分，它与相邻的垂直短路贴片组成了特性阻抗50Ω的传输线。第二部分是呈感性的水平馈线部分，它通过电磁耦合作用将信号能量传递至电磁偶极子。第三部分和相邻的垂直贴片组成了末端开路的传输线，该部分呈容性，合理调节其长度可以有效地将第二部分的感性抵消。

第一电磁偶极子臂1、第三电磁偶极子臂3和第一Г形条状馈电探针7位于同一直线上，第二电磁偶极子臂2、第四电磁偶极子臂4和第二Г形条状馈电探针8也位于同一直线上。

每个电磁偶极子臂的水平臂均通过六角尼龙柱与引向圆盘6相连，Г形条状馈电探针的水平部分通过六角尼龙柱与地平反射面5相连。

第一Г形条状馈电探针7的长边与设置在地平反射面5底部的第一50ΩSMA母头9内芯相连，第二Г形条状馈电探针8的长边与设置在地平反射面5底部的第二50ΩSMA母头10内芯相连，第一Г形条状馈电探针7的竖直长边长度大于第二Г形条状馈电探针8的竖直长边长度。两个50ΩSMA母头用于对天线馈电。合理调整两个端口的幅度与相位，即可实现两种线极化与两种圆极化。

倾斜臂1-d与水平臂1-c的夹角为145°。

底部结构1-a上开有螺孔。

四个电磁偶极子臂的材料为紫铜，第一Г形条状馈电探针7和第二Г形条状馈电探针8的材料为紫铜，地平反射面5和引向圆盘6的材料为黄铜。

下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述：

实施例

L波段宽带双极化电磁偶极子天线的电磁偶极子臂尺寸形状均一致，四个部分宽度均为15mm，厚度均为2mm，以第一电磁偶极子臂1为例，底部结构1-a长15mm；竖直臂1-b长62mm；水平臂1-c长7mm；倾斜臂1-d长50mm；地平反射面5半径为120mm，厚4mm；引向圆盘6半径为35mm，厚1mm，与水平臂1-c的竖直距离为12mm；两个Г形条状馈电探针均由厚度0.5mm，宽度4mm的铜条弯曲形成，第一Г形条状馈电探针7的竖直长边长59mm，竖直短边长45mm，水平部分长20mm；第二Г形条状馈电探针8的竖直长边长56mm，竖直短边长42mm，水平部分长20mm。

对上述天线进行建模仿真。

图5是其S参数曲线图，通过曲线可知天线在1GHz-1.9GHz的范围内均能保证回波损耗小于-10dB，在1.25GHz工作频点处回波损耗优于-15dB；两个端口有很高的隔离度，在工作频带内优于-30dB。

图6是天线在等幅相位差90°的两端口同时激励下在1.25GHz频点下形成右旋圆极化的二维与三维方向图。由图可知该天线轴向增益达到8.37dBi，3dB波束宽度达到73.3°。

图7是天线轴向增益随频率变化的曲线。由图可知，该天线在0.9GHz-1.7GHz的频率范围内增益均大于7dBi，增益高，传输远，非常适合工程应用。

图8是天线在工作频率1.25GHz形成双极化时的主极化与交叉极化方向图。图8中的(A)(B)和图8中的(C)(D)是分别单独激励一个端口形成的线极化方向图。图8中的(E)(F)和图8中的(G)(H)是分别形成左旋与右旋圆极化的方向图。由图可知，该天线交叉极化小，极化性能较为优异，极化隔离度高。

仿真结果表明，该电磁偶极子天线性能优良，各方面参数均符合天线指标定义，其尺寸小、频带宽、增益高、波束宽、方向图稳定、双极化等特点在具体应用中具有突出优点。

Claims (9)

1.一种L波段宽带双极化电磁偶极子天线，其特征在于，所述天线包括四个电磁偶极子臂、第一Г形条状馈电探针[7]、第二Г形条状馈电探针[8]、地平反射面[5]和引向圆盘[6]，所述四个电磁偶极子臂、第一Г形条状馈电探针[7]和第二Г形条状馈电探针[8]均位于地平反射面[5]和引向圆盘[6]之间，第一Г形条状馈电探针[7]和第二Г形条状馈电探针[8]交叉设置，二者之间的夹角为90°，四个电磁偶极子臂均匀设置在两个Г形条状馈电探针的周围，该四个电磁偶极子臂分别是第一电磁偶极子臂[1]、第二电磁偶极子臂[2]、第三电磁偶极子臂[3]、第四电磁偶极子臂[4]，其中第一电磁偶极子臂[1]和第三电磁偶极子臂[3]构成一对电磁偶极子臂，第二电磁偶极子臂[2]和第四电磁偶极子臂[4]构成另一对电磁偶极子臂，每对电磁偶极子臂均在同一直线上，两对电磁偶极子臂所在的直线相互垂直；

所述四个电磁偶极子臂的结构均相同，每个电磁偶极子臂均为三次弯折结构，包括依次连接的底部结构[1-a]、竖直臂[1-b]、水平臂[1-c]和倾斜臂[1-d]，底部结构[1-a]和竖直臂[1-b]相互垂直，水平臂[1-c]和竖直臂[1-b]也相互垂直，倾斜臂[1-d]与水平臂[1-c]的夹角为钝角。

2.根据权利要求1所述的L波段宽带双极化电磁偶极子天线，其特征在于，地平反射面[5]为圆形，其圆心与引向圆盘[6]的圆心在同一竖直线上。

3.根据权利要求2所述的L波段宽带双极化电磁偶极子天线，其特征在于，第一Г形条状馈电探针[7]和第二Г形条状馈电探针[8]的交叉点与引向圆盘[6]的圆心在同一竖直线上。

4.根据权利要求2或3所述的L波段宽带双极化电磁偶极子天线，其特征在于，第一电磁偶极子臂[1]、第三电磁偶极子臂[3]和第一Г形条状馈电探针[7]位于同一直线上，第二电磁偶极子臂[2]、第四电磁偶极子臂[4]和第二Г形条状馈电探针[8]也位于同一直线上。

5.根据权利要求2或3所述的L波段宽带双极化电磁偶极子天线，其特征在于，每个电磁偶极子臂的水平臂均通过六角尼龙柱与引向圆盘[6]相连，Г形条状馈电探针的水平部分通过六角尼龙柱与地平反射面[5]相连。

6.根据权利要求2或3所述的L波段宽带双极化电磁偶极子天线，其特征在于，第一Г形条状馈电探针[7]的竖直长边与设置在地平反射面[5]底部的第一50Ω SMA母头[9]内芯相连，第二Г形条状馈电探针[8]的竖直长边与设置在地平反射面[5]底部的第二50Ω SMA母头[10]内芯相连，第一Г形条状馈电探针[7]的竖直长边长度大于第二Г形条状馈电探针[8]的竖直长边长度。

7.根据权利要求1所述的L波段宽带双极化电磁偶极子天线，其特征在于，倾斜臂[1-d]与水平臂[1-c]的夹角为145°。

8.根据权利要求1所述的L波段宽带双极化电磁偶极子天线，其特征在于，底部结构[1-a]上开有螺孔。

9.根据权利要求1所述的L波段宽带双极化电磁偶极子天线，其特征在于，四个电磁偶极子臂的材料为紫铜，第一Г形条状馈电探针[7]和第二Г形条状馈电探针[8]的材料为紫铜，地平反射面[5]和引向圆盘[6]的材料为黄铜。