CN108346859A - 一种采用人工磁导体的小型宽带圆极化微带天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种采用人工磁导体的小型宽带圆极化天线，天线主要包括三个部分：人工磁导体（Artificial Magnetic Conductor，AMC）结构、介质基板层以及圆极化辐射贴片单元。基于本发明的方法所设计的天线可以采用印刷电路板工艺制作，并具有低剖面与小型化的优点。综合考虑驻波小于‑10dB的阻抗带宽、3dB轴比带宽以及3dB增益带宽，该天线能够实现相对带宽大于10%的宽带圆极化辐射。

Description

一种采用人工磁导体的小型宽带圆极化微带天线
技术领域
本发明涉及一种应用前景广泛的采用人工磁导体(Artificial MagneticConductor，AMC)技术的小型宽带圆极化天线，属于天线技术领域
背景技术
天线是无线通信系统的重要组成部分。无线通信的快速发展，对体积小、成本低以及更宽带宽的天线产生迫切需求。
圆极化天线能够接收来自任意天线的任意极化电磁波，可以有效地提高接收和辐射效率，因此被广泛地应用于电子侦察与干扰领域中。圆极化天线可以利用喇叭天线、微带天线或背腔天线等多种天线形式实现。随着现代无线通信的快速发展，对低剖面、易于平面集成、单向辐射、小型化、宽带化的圆极化天线产生了很大需求。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的问题与不足，本发明采用AMC技术，提供一种可以满足无线通信系统需要的、易于设计和加工、低剖面且易于平面集成的小型宽带圆极化天线。通过同轴探针直接对圆极化辐射单元进行馈电，圆极化辐射单元直接辐射的电磁波和经过AMC结构反射的电磁波可以在远场处综合得到所需的宽带圆极化辐射。该天线具有单馈点、小型化、宽带化、易于设计和加工等优点
技术方案：一种采用人工磁导体的小型宽带圆极化天线，包括AMC结构、介质基板层、圆极化辐射贴片单元、馈电点、金属接地层以及同轴射频连接器。
所述AMC结构的单元结构为在对称性周期结构正方形贴片的双边加载矩形缝隙而构成非对称性周期结构，从而实现了对X方向和Y方向极化波不同的反射相位；
所述介质基板层包括两种不同介电常数和高度的介质基板，分别为上层介质基板和下层介质基板，该天线由上层介质基板和下层介质基板混压而成，这两种基板之间无需保留空隙。所述AMC结构为M×N个AMC单元结构排列组成的AMC结构，AMC结构设在上层介质基板和下层介质基板之间。所设计的M×N单元的AMC结构相当于一个圆极化辐射转换器，加载该结构的线极化辐射单元在远场将会产生圆极化辐射。所述宽带圆极化天线带宽特征的实现是将圆极化辐射贴片单元与所述AMC结构相结合而成。利用所设计的AMC单元结构可以实现对X方向极化波和Y方向极化波的反射相位分别为+90°和-90°，从而加载该M×N单元的AMC结构的线极化辐射贴片可以在远场实现圆极化辐射，其中M和N分别为沿着XOY平面的X轴和Y轴的AMC单元结构的数量。如果将该M×N个AMC单元结构与圆极化辐射贴片单元相结合，可得到更宽的轴比带宽。
所述圆极化辐射贴片单元设在上层介质基板的上表面，金属接地层设在下层介质基板的下表面，金属接地层下表面设有同轴射频连接器，同轴射频连接器通过馈电点与圆极化辐射贴片单元连接。
所述圆极化辐射贴片单元由切角的正方形辐射贴片加载一段微带馈线组成。
所述AMC单元结构尺寸和圆极化辐射贴片单尺寸同天线工作的频率有关，可通过常见的近似公式计算得出并进行仿真优化获得。可通过更改AMC单元结构尺寸及圆极化辐射贴片单元的尺寸，应用于不同频点的圆极化天线。
有益效果：与现有微带贴片圆极化天线相比，本发明具有如下优点：
1)该天线采用AMC结构与圆极化辐射贴片单元相结合，带来了宽带圆极化特征，有较宽的驻波和轴比带宽，且在宽带的轴比带宽内，右旋圆极化增益稳定，波动不超过1dBic。
2)该天线设计成本低廉，加工简单且加工完成后不需要额外调试。
3)该天线的整体尺寸相对较小、重量轻且平面结构简单、易于集成。
附图说明
图1为本发明天线中所设计的AMC单元结构同相反射相位带隙仿真模型结构示意图；
图2为本发明天线中的4×4单元的AMC结构示意图及具体尺寸；
图3为本发明天线单元的俯视图及具体尺寸；
图4为本发明天线单元的侧视图及具体尺寸；
图5为本发明天线圆极化辐射贴片单元示意图及具体尺寸；
图6为本发明天线的驻波，轴比和增益随频率变化的仿真和实测示意图；
图7为本发明天线在2.9GHz处XOZ平面的实测轴比方向图；
图8为本发明天线在2.9GHz处YOZ平面的实测轴比方向图；
图9为本发明天线在3.0GHz处XOZ平面的实测轴比方向图；
图10为本发明天线在3.0GHz处YOZ平面的实测轴比方向图；
图11为本发明天线在3.2GHz处XOZ平面的实测轴比方向图；
图12为本发明天线在3.2GHz处YOZ平面的实测轴比方向图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
采用人工磁导体的小型宽带圆极化天线，包括设计的AMC结构模型的优化和圆极化辐射贴片单元的设计。天线最终采用印刷电路板(Printed Circuit Board，PCB)工艺加工。
如图4所述，具体包括：AMC结构、介质基板层、圆极化辐射贴片单元1、馈电点3、金属接地层6以及同轴射频连接器7。
介质基板层包括两种不同介电常数和高度的介质基板，分别为上层介质基板4和下层介质基板5，该天线由上层介质基板4和下层介质基板5混压而成，这两种基板之间无需保留空隙。AMC结构为M×N个AMC单元结构2排列组成的AMC结构，AMC结构设在上层介质基板4和下层介质基板5之间。M×N单元的AMC结构相当于一个圆极化辐射转换器，加载该结构的线极化辐射单元在远场将会产生圆极化辐射。
其中M和N分别为沿着XOY平面的X轴和Y轴的AMC单元结构2的数量。将该M×N个AMC单元结构2与圆极化辐射贴片单元1相结合，可得到更宽的轴比带宽。
图1为所设计的AMC单元结构的仿真模型，通过在包裹AMC单元结构的腔体四面分别设置两组相对应的主从边界条件，在腔体顶端平面设置Floquet端口11，并使用端口的内嵌(Deembed)功能将参考平面平移到AMC单元结构的表面，从而计算所得到的结果即为无限周期的AMC结构所对应的反射相位带隙。其中，8为主从边界条件1，9为主从边界条件2，10为地板，11为Floquet端口。
在具体实施方案中，假设M＝N＝4。图2为所设计的4×4单元AMC结构示意图，d表示4×4单元的AMC结构加载的圆形缝隙的直径(大于馈电点3的通孔直径)，主要目的是为了让同轴探针直接对圆极化辐射贴片单元1进行馈电，而不接触到4×4单元的AMC结构，防止引起短路。
圆极化辐射贴片单元1设在上层介质基板4的上表面，金属接地层6设在下层介质基板5的下表面，金属层6下表面设有同轴射频连接器7，同轴射频连接器7通过馈电点3与圆极化辐射贴片单元1连接。馈电点3的通孔贯穿圆极化辐射贴片单元1、上层介质基板4、AMC结构、下层介质基板5和金属接地层6。
圆极化辐射贴片单元1由切角的正方形辐射贴片加载一段微带馈线组成。
本发明中的AMC单元结构2基本图形为双边加载矩形缝隙的正方形金属贴片，通过改变加载的矩形缝隙的尺寸(长度为a3，宽度为a4)、正方形单元尺寸(边长为a2)和正方形金属贴片(边长为a1)，即可改变X方向极化波的反射相位。通过改变正方形单元尺寸(边长为a2)和正方形金属贴片(边长为a1)，即可改变Y方向极化波的反射相位。本发明中的AMC单元结构2可以实现在某一频点处，X方向极化波和Y方向极化波的反射相位分别为90°和-90°。下面将详细地叙述加载本发明设计的AMC结构的线极化辐射贴片单元可以在远场辐射圆极化波的原理。
将线极化辐射贴片单元相对于4×4单元的AMC结构边缘沿着Z轴旋转45°(设定线极化辐射贴片单元所处平面为XOY平面，其电磁波辐射方向为Z轴)。通过适当仿真优化线极化辐射贴片单元的几何参数，利用以下原理即可在远场得到圆极化辐射：
其中，表示远场处的电磁波的电场。入射波表示直接辐射到远场处的入射波，表示经过4×4单元的AMC结构反射到远场处的反射波，E0表示电场幅度，k是自由空间的波数，h是一般辐射贴片单元与4×4单元的AMC结构之间的距离，是与X轴的单位向量，是与Y轴的单位向量，z表示电磁波在Z轴上的传播距离，j为虚数的单位，θx和θy分别为对应X和Y方向极化的入射波经过4×4单元的AMC结构反射后的相位变化量。
所设计的AMC单元结构2的反射相位满足：
θx＝90°，θy＝-90° (式2)
那么当h→0时，将(式2)代入(式1)，可得：
由(式3)可知，如果电磁波沿+Z方向传播，那么可以在远场得到一个右旋圆极化波。因此加载所设计的4×4单元的AMC结构的线极化辐射贴片单元能够辐射圆极化波，而且能够实现低剖面的效果，达到天线小型化的目的。
同时如果要实现比较宽的圆极化带宽，那么需要将所设计的AMC结构与圆极化辐射贴片单元1相结合，图3和图4分别是本发明天线的俯视图和侧视图。
图5是本发明所采用的圆极化辐射贴片单元1。圆极化辐射贴片为切角的正方形贴片(正方形贴片的边长为Lpatch，切角的边长为K)，在切角正方形贴片中线边缘沿着馈电点方向加载一段微带馈线(长度为Ls，宽度为Ws)。加载微带馈线的主要作用是得到更好的阻抗匹配。其圆极化辐射贴片单元1的尺寸同天线的工作频率有关，可通过常见的近似公式计算得出并进行仿真优化获得。
x和y表示馈电点3的位置参数，对馈电点3位置进行适当的优化从而得到更好的阻抗匹配。
h1和h2分别为上下两层介质基板(上层介质基板4和下层介质基板5)的高度，设计小型宽带圆极化天线，需要仿真优化选取适当高度和介电常数的介质基板。
采用电磁仿真软件对天线尺寸进行优化，得到天线尺寸参数如表-1所示。各参数代表的意义已在上文说明。
测试对象是利用PCB技术实现的工作在3GHz的采用人工磁导体的小型宽带圆极化天线。其上层介质基板4的板材为FR4，其介电常数为4.4，其下层介质基板5的板材为Taconic CER-10中的0.1250”，这种Cer-0.1250”介质基板的介电常数为10.2±0.50。
测试结果如图6至图12所示。图6为本发明的驻波，轴比和增益随频率变化的仿真和实测示意图。图7为本发明2.9GHz处XOZ平面的实测轴比方向图；图8为本发明在2.9GHz处YOZ平面的实测轴比方向图；图9为本发明在3.0GHz处XOZ平面的实测轴比方向图；图10为本发明在3.0GHz处YOZ平面的实测轴比方向图；图11为本发明在3.2GHz处XOZ平面的实测轴比方向图；图12为本发明在3.2GHz处YOZ平面的实测轴比方向图。由实测结果图可见，所设计的宽带圆极化天线实现了41.3％(2.48GHz～3.72GHz)的-10dB阻抗带宽，14.0％(2.86GHz～3.26GHz)的3dB轴比带宽，以及5.35dBic的右旋圆极化峰值增益。
表-1优化的天线尺寸参数
参数 数值(mm) 参数 数值(mm)
L 40.0 a1 9.0
Lpatch 14.0 a2 10.0
K 8.6 a3 6.0
x 7.0 a4 1.2
y 0.6 d 2.4
h1 1.6 Ws 3.0
h2 3.18 Ls 4.1

Claims (7)

1.一种采用人工磁导体的小型宽带圆极化天线，其特征在于：包括AMC结构、介质基板层、圆极化辐射贴片单元、馈电点、金属接地层以及同轴射频连接器；
所述AMC结构的单元结构为在对称性周期结构正方形贴片的双边加载矩形缝隙而构成非对称性周期结构，从而实现了对X方向和Y方向极化波不同的反射相位；
所述介质基板层包括上层介质基板和下层介质基板；AMC结构设在上层介质基板和下层介质基板之间；所述圆极化辐射贴片单元设在上层介质基板的上表面，金属接地层设在下层介质基板的下表面，金属接地层下表面设有同轴射频连接器，同轴射频连接器通过馈电点与圆极化辐射贴片单元连接。
2.如权利要求1所述的采用人工磁导体的小型宽带圆极化天线，其特征在于：AMC结构的单元结构为双边加载矩形缝隙的正方形金属贴片，通过改变加载的矩形缝隙的尺寸、正方形单元尺寸和正方形金属贴片尺寸，改变X方向极化波的反射相位，通过改变正方形单元尺寸和正方形金属贴片尺寸，改变Y方向极化波的反射相位。
3.如权利要求1所述的采用人工磁导体的小型宽带圆极化天线，其特征在于：所述上层介质基板和下层介质基板的介电常数和高度均不同。
4.如权利要求1所述的采用人工磁导体的小型宽带圆极化天线，其特征在于：所述AMC结构为M×N个AMC单元结构排列组成的AMC结构，其中M和N分别为沿着XOY平面的X轴和Y轴的AMC单元结构的数量。
5.如权利要求1所述的采用人工磁导体的小型宽带圆极化天线，其特征在于：所述宽带圆极化天线带宽特征的实现是将圆极化辐射贴片单元与所述AMC结构相结合而成。
6.如权利要求1所述的采用人工磁导体的小型宽带圆极化天线，其特征在于：所述圆极化辐射贴片单元由切角的正方形辐射贴片加载一段微带馈线组成。
7.如权利要求1所述的采用人工磁导体的小型宽带圆极化天线，其特征在于：所述AMC单元结构尺寸和圆极化辐射贴片单尺寸同天线工作的频率有关，通过近似公式计算得出。
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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109638425A (zh) * 2018-12-21 2019-04-16 西安电子科技大学 小型宽频带宽波束背腔平面单臂螺旋天线
CN109786956A (zh) * 2019-01-24 2019-05-21 厦门大学嘉庚学院 生长方形缝隙分形阵列超宽频带天线
CN110518362A (zh) * 2019-09-03 2019-11-29 山东大学 一种基于超构材料的微带天线及应用
CN112563738A (zh) * 2020-11-02 2021-03-26 中山大学 包含周期性漏波结构的圆极化天线及其制造方法
CN113328243A (zh) * 2021-06-21 2021-08-31 华南理工大学 一种圆极化天线、移动终端及应用
WO2024015826A1 (en) * 2022-07-12 2024-01-18 Commscope Technologies Llc Radiating element for base station antenna and base station antenna

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103531904A (zh) * 2013-11-01 2014-01-22 南开大学 一种60吉赫兹梯形单极子片上集成天线与实现方法
US20140097995A1 (en) * 2012-04-03 2014-04-10 William E. McKinzie, III Artificial magnetic conductor antennas with shielded feedlines
CN203747043U (zh) * 2014-01-07 2014-07-30 东南大学 一种圆极化的高增益低剖面谐振天线
CN104269607A (zh) * 2014-09-05 2015-01-07 华南理工大学 一种基于人工磁导体结构的宽频带偶极子天线
JP2015070541A (ja) * 2013-09-30 2015-04-13 マスプロ電工株式会社 アンテナ装置

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140097995A1 (en) * 2012-04-03 2014-04-10 William E. McKinzie, III Artificial magnetic conductor antennas with shielded feedlines
JP2015070541A (ja) * 2013-09-30 2015-04-13 マスプロ電工株式会社 アンテナ装置
CN103531904A (zh) * 2013-11-01 2014-01-22 南开大学 一种60吉赫兹梯形单极子片上集成天线与实现方法
CN203747043U (zh) * 2014-01-07 2014-07-30 东南大学 一种圆极化的高增益低剖面谐振天线
CN104269607A (zh) * 2014-09-05 2015-01-07 华南理工大学 一种基于人工磁导体结构的宽频带偶极子天线

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
SOTARO MARUYAMA等: "An Interpretative Study on Circularly Polarized Patch Antenna Using Artificial Ground Structure", 《IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION》 *
王剑: "基于InP工艺的60GHz片上集成天线研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库》 *

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109638425A (zh) * 2018-12-21 2019-04-16 西安电子科技大学 小型宽频带宽波束背腔平面单臂螺旋天线
CN109786956A (zh) * 2019-01-24 2019-05-21 厦门大学嘉庚学院 生长方形缝隙分形阵列超宽频带天线
CN110518362A (zh) * 2019-09-03 2019-11-29 山东大学 一种基于超构材料的微带天线及应用
CN112563738A (zh) * 2020-11-02 2021-03-26 中山大学 包含周期性漏波结构的圆极化天线及其制造方法
CN113328243A (zh) * 2021-06-21 2021-08-31 华南理工大学 一种圆极化天线、移动终端及应用
CN113328243B (zh) * 2021-06-21 2023-09-26 华南理工大学 一种圆极化天线、移动终端及应用
WO2024015826A1 (en) * 2022-07-12 2024-01-18 Commscope Technologies Llc Radiating element for base station antenna and base station antenna

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