CN108923129A - 多谐振点垂直极化磁流端射天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了多谐振点垂直极化磁流端射天线，包括不带地共面波导、金属短路柱、介质基板和磁流单元组；不带地共面波导设置于介质基板的底部，磁流单元组通过四个金属短路柱接触不带地共面波导的导带；不带地共面波导包括金属板和导带，金属板与导带在同一平面,导带的末端与金属板断开；磁流单元组包括四个磁流单元，四个磁流单元的谐振频率分别为5.6GHz、6GHz、6.3GHz、6.5GHz,磁流单元包括第一短路金属片、第二短路金属片和矩形贴片，矩形贴片一侧的两端分别设置第一短路金属片和第二短路金属片,解决了现有技术中无法实现天线水平放置时可垂直极化、谐振点少和带宽窄的问题。

Description

多谐振点垂直极化磁流端射天线

技术领域

本发明涉及天线领域，特别是多谐振点垂直极化磁流端射天线。

背景技术

天线作为通信系统中发射和接收电磁波的部分，其性能对整体系统的发挥起着重要的作用。在现代通信中，垂直极化的天线沿地平面传播衰减较小，且以其垂直极化特性，收发设备朝向任何方向均可接收。所以，垂直极化天线常用于地波通信系统中。端射天线具有高增益、优良方向性的特点，常用于车载、电视、雷达等领域。

当端射天线与地面平行放置时，实现垂直极化困难，天线大多为水平极化，传播衰减快，如八木天线、对数周期天线。2013年，QuanXue等人在《IEEE Transactions OnAntennas And Propagation》“Microstrip Magnetic Dipole Yagi Array AntennaWithEndfire Radiation and Vertical Polarization”中首次提出磁流单元八木天线，实现了与地面平行放置时的垂直极化端射特性。此后，国内外围绕磁流单元展开了大量研究，如相控阵、方向图可重构天线。

但这些文献均只能激励一个磁流单元，仅有一个谐振点，天线带宽窄。然而随着时代的进步，人们需要能够高速高质量传输语音、文字、图像、文件的无线通信系统，为此就不得不提高信道容量，展宽带宽是一种提高信道容量的解决方案。因此，设计出能实现多谐振点垂直极化的端射天线，对当前业界发展有着重大意义。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了多谐振点垂直极化磁流端射天线，解决了现有技术中无法实现天线水平放置时可垂直极化、谐振点少和带宽窄的问题。

本发明采用的技术方案是：多谐振点垂直极化磁流端射天线，包括不带地共面波导、金属短路柱、介质基板和磁流单元组；不带地共面波导设置于介质基板的底部，磁流单元组通过四个金属短路柱接触不带地共面波导的导带；

不带地共面波导包括金属板和导带，金属板与导带在同一平面,所述导带的末端与金属板断开；磁流单元组包括四个磁流单元，磁流单元组谐振频率分别为5.6GHz、6GHz、6.3GHz、6.5GHz,所述磁流单元包括第一短路金属片、第二短路金属片和矩形贴片，矩形贴片一侧的两端分别设置第一短路金属片和第二短路金属片,第一短路金属片和第二短路金属片贯穿设置于介质基板,矩形贴片的一侧与不带地共面波导的金属板连接，矩形贴片的另一侧设置于介质基板的上表面。

本发明多谐振点垂直极化磁流端射天线的有益效果如下：

通过共面波导馈电，可以激励多个谐振频率磁流单元，同时其余磁流单元可起到反射器和引向器的作用，一方面，提出了一种实现宽带磁流端射天线的方法，另一方面各磁流单元组工作时有反射、引向作用，不用额外添加单元。

附图说明

图1为本发明多谐振点垂直极化磁流端射天线的总结构图。

图2为本发明多谐振点垂直极化磁流端射天线的共面波导结构图。

图3为本发明多谐振点垂直极化磁流端射天线的磁流单元结构图。

图4为本发明多谐振点垂直极化磁流端射天线的反射系数仿真曲线图。

图5为本发明多谐振点垂直极化磁流端射天线的5.6GHz的E面辐射方向图。

图6为本发明多谐振点垂直极化磁流端射天线的6GHz的E面辐射方向图。

图7为本发明多谐振点垂直极化磁流端射天线的6.3GHz的E面辐射方向图。

图8为本发明多谐振点垂直极化磁流端射天线的6.5GHz的E面辐射方向图。

附图标记：1-不带地共面波导、2-金属短路柱、3-介质基板、4-1-第一短路金属片、4-2-第二短路金属片、5-矩形贴片。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

多谐振点垂直极化磁流端射天线，包括不带地共面波导1、金属短路柱2、介质基板3和磁流单元组；不带地共面波导1设置于介质基板3的底部，磁流单元组通过四个金属短路柱2接触不带地共面波导1的导带；

不带地共面波导1包括金属板和导带，导带的末端与金属板断开；

磁流单元组包括四个磁流单元，磁流单元组谐振频率分别为5.6GHz、6GHz、6.3GHz、6.5GHz,磁流单元包括第一短路金属片4-1、第二短路金属片4-2和矩形贴片5，矩形贴片5一侧的两端分别设置第一短路金属片4-1和第二短路金属片4-2,第一短路金属片4-1和第二短路金属片4-2贯穿设置于介质基板3,矩形贴片5的一侧与不带地共面波导1的金属板连接，矩形贴片5的另一侧设置于介质基板3的上表面。

磁流单元组通过四个金属短路柱2连接在不带地共面波导1的导带上，用于激励磁流单元。

两磁流单元间间距的计算公式为：

式中，c为光速，以此计算出f分别为5.6GHz、6GHz、6.3GHz、6.5GHz时，单元间间距长度分别为d₁、d₂、d₃，ε_e为有效介电常数。

磁流单元的谐振频率由磁流单元的尺寸决定，谐振频率的大小与磁流单元的尺寸成反比。

磁流单元谐振频率计算公式为：

f＝r^k*f₁+(1-r^k)*f₂

式中，r＝w/l₁，k＝l₁/l₂，f₁＝v(h+l₂)/4，f₂＝v(h+l₁+l₂-w)/4，c为光速，ε为介质基板相对介电常数，l₁表示矩形辐射贴片长边长度、l₂表示短边长度、w为短路金属片宽度、v为介质中光速、h为介质基板厚度。

不带地共面波导的有效介电常数ε_e可由准静态法求得，其公式为：

式中，k＝w_cpw/(w_cpw+2*g)，w_cpw为共面波导导带宽度，g为共面波导沟槽宽度，h为介质基板厚度。

多谐振点垂直极化磁流端射天线的制造方法，包括以下步骤：

步骤S1：将不带地共面波导设置在介质基板的底部；

步骤S2：将磁流单元组的第一短路金属片和第二短路金属片贯穿设置于介质基板；

步骤S3：通过金属短路柱连接磁流单元组与不带地共面波导。

本实施方案在实施时，如图1所示，本发明包括不带地共面波导1、金属短路柱2、介质基板3和磁流单元组，磁流单元组通过四个金属短路柱与共面波导导带相连接。

如图2所示的共面波导，导带长度67.4mm，导带宽度为3mm，沟槽宽度0.5mm，可以计算出各个谐振频率产生180相位差的长度，以此来设计各磁流单元间距。同时，共面波导特性阻抗Z₀可由保角变换法计算得到，实现良好的阻抗匹配，其公式如下：

其中，Z₀₁为共面波导介质基板相对介电常数为1时的特性阻抗，ε_e为有效介电常数。介质采用ArlonDi880，相对介电常数为2.2，长度90mm，宽度60mm，厚度为2mm。

如图3所示的第一磁流单元，其长边长度为50mm，短边长度为8.4mm。

上述磁流单元表面电流分布，平行于窄边。由电磁场等效理论，可以等效为平行长边的磁流。金属短路柱直径为1.3mm，距长边边缘约2mm，微调位置可调节阻抗匹配。中部缺口尺寸为7.3mm。其余磁流单元尺寸可通过缩放得到，已验证磁流单元谐振频率与尺寸成一种线性关系，尺寸越小，单元谐振频率越高。各磁流单元间距技术方法，

如图4所示，本天线的回波损耗曲线图，天线带宽为5.5-6.55GHz，并且可以看出四个磁流单元的谐振频率分别为5.6GHz，6GHz，6.3GHz，6.5GHz；磁流单元尺寸与磁流单元谐振频率计算公式具有良好的一致性。

图5至图8所示，分别为5.6GHz，6GHz，6.3GHz，6.5GHz谐振频率的E面仿真辐射方向图。

Claims (7)

1.多谐振点垂直极化磁流端射天线，其特征在于，包括不带地共面波导(1)、金属短路柱(2)、介质基板(3)和磁流单元组；所述不带地共面波导(1)设置于介质基板(3)的底部，所述磁流单元组通过四个金属短路柱(2)接触不带地共面波导(1)的导带；

所述不带地共面波导(1)包括金属板和导带，所述金属板与导带在同一平面，所述导带的末端与金属板断开；

所述磁流单元组包括四个磁流单元，所述四个磁流单元的谐振频率分别为5.6GHz、6GHz、6.3GHz、6.5GHz，所述磁流单元包括第一短路金属片(4-1)、第二短路金属片(4-2)和矩形贴片(5)，所述矩形贴片(5)一侧的两端分别设置第一短路金属片(4-1)和第二短路金属片(4-2)，所述第一短路金属片(4-1)和第二短路金属片(4-2)贯穿设置于介质基板(3)，所述矩形贴片(5)的一侧与不带地共面波导(1)的金属板连接，所述矩形贴片(5)的另一侧设置于介质基板(3)的上表面。

2.根据权利要求1所述的多谐振点垂直极化磁流端射天线，其特征在于，所述磁流单元组通过四个金属短路柱(2)连接在不带地共面波导(1)的导带上，用于激励磁流单元。

3.根据权利要求1所述的多谐振点垂直极化磁流端射天线，其特征在于，所述两磁流单元间间距的计算公式为：

式中，c为光速，ε_e为有效介电常数。

4.根据权利要求3所述的多谐振点垂直极化磁流端射天线，其特征在于，所述磁流单元的谐振频率由磁流单元的尺寸决定，谐振频率的大小与磁流单元的尺寸成反比。

5.根据权利要求3所述的多谐振点垂直极化磁流端射天线，其特征在于，所述磁流单元谐振频率计算公式为：

f＝r^k*f₁+(1-r^k)*f₂

式中，r＝w/l₁，k＝l₁/l₂，f₁＝v(h+l₂)/4，f₂＝v(h+l₁+l₂-w)/4，c为光速，ε为介质基板相对介电常数，l₁表示矩形辐射贴片长边长度、l₂表示短边长度、w为短路金属片宽度、v为介质中光速、h为介质基板厚度。

6.根据权利要求3所述的多谐振点垂直极化磁流端射天线，其特征在于，不带地共面波导的有效介电常数ε_e可由准静态法求得，其公式为：

式中，k＝w_cpw/(w_cpw+2*g)，w_cpw为共面波导导带宽度，g为共面波导沟槽宽度，h为介质基板厚度。

7.根据权利要求1所述的多谐振点垂直极化磁流端射天线的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：将不带地共面波导设置在介质基板的底部；

步骤S2：将磁流单元组的第一短路金属片和第二短路金属片贯穿设置于介质基板；

步骤S3：通过金属短路柱连接磁流单元组与不带地共面波导。