CN109802231B - 基于人工磁导体的宽带电磁偶极子天线 - Google Patents
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Abstract
本发明基于人工磁导体的宽带电磁偶极子天线，包含安装在一起的电磁偶极子天线和人工磁导体（AMC）。电磁偶极子天线的电偶极子为印刷于电偶极子介质板上的“开口鱼尾型”电偶极子；磁偶极子印刷于两块平行的磁偶极子介质板上，上方与电偶极子的两臂垂直连接；馈电介质板印刷馈电巴伦，与磁偶极子介质板平行，置于两块磁偶极子介质板中间。人工磁导体（AMC）由人工磁导体介质板及其上印刷的周期性圆形金属贴片和接地金属层构成，与电偶极子平行，置于磁偶极子介质板下方。人工磁导体相当于一块理想磁导体（PMC），取代传统天线的PEC反射板。采用同轴馈电。本发明基于人工磁导体的宽带电磁偶极子天线，增大了天线的前后比，方向图更稳定，具有带宽宽、增益高和易集成的优点。
Description
技术领域
本发明设计电子技术领域，具体涉及基于人工磁导体的宽带电磁偶极子天线。
背景技术
随着移动通信新技术的发展，对基站天线的要求也越来越严格。基站天线逐渐往高增益、多频段、宽带宽、多极化、可重构方向发展。传统的基站天线频带窄、增益低、剖面高，在实际的使用过程中有诸多的不便。
目前最为常用的基站天线结构是偶极子天线，偶极子天线是天线家族中一个非常经典的结构，在日常生活中十分常见。标准偶极子天线具有稳定的全向辐射特性，这对于基站天线实现区域覆盖来说是一个很好的选择。同时，只要在偶极子天线周围加上一定的发射板，偶极子就会成为具有定向辐射特性的天线，这在实际工程应用中是很便利的。随着印刷电路板（PCB）工艺和微带天线技术的发展，以贴片（或微带）作为振子的贴片（或微带）偶极子天线以其低剖面、轻量化、小型化、易集成等众多优点得到了广泛研究与应用。
基于电偶极子和磁偶极子方向图互补的电磁偶极子天线使天线在方向图上得到增强，具有更好的方向性及更好的增益并且有效的增宽了阻抗带宽。解决了传统基站天线带宽窄、增益低、方向性差等问题，近年来得到较好的发展。
为了提高基站天线增益，一般采用增大反射板的方法，但是反射板的增大对基站天线整体尺寸小型化是一个很大的挑战。
近年来，人工电磁材料的提出及研究为实现改善天线性能且不增加天线尺寸和复杂度这一目标提供了新的途径。人工电磁材料作为新型人工电磁材料的一种，目前已经被运用到许多微波、毫米波器件上，其在减小器件尺寸、拓宽工作带宽、改善性能等方面有很好的应用前景。人工磁导体（AMC）是一类人工电磁材料,其结构一般是在不同介质板上周期排列金属贴片组成。这种周期性排列的结构，可以在天线辐射过程中起到理想磁壁的作用。
本发明基于人工磁导体的宽带电磁偶极子天线，具有带宽宽、增益高、前后比大和易集成的优点。
本发明内容，经文献检索，未见与本发明相同的公开报道。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术之不足，设计出基于人工磁导体的宽带电磁偶极子天线。
本发明基于人工磁导体的宽带电磁偶极子天线，包括：电偶极子介质板（1），两块平行的磁偶极子介质板（201、202），馈电介质板（3），人工磁导体介质板（4），其中：
a.电偶极子是印刷在电偶极子介质板（1）上表面的“开口鱼尾型”金属贴片（601、602），在“开口鱼尾型”金属贴片（601、602）上分别开有矩形缝隙（501、502）；印刷在电偶极子介质板（1）上的两条金属细线（901、902）与“开口鱼尾型”金属贴片（601、602）的鱼尾相连；在电偶极子介质板（1）的中央打有一个馈电矩形通孔（7）；在馈电矩形通孔（7）四周打有4个安装矩形通孔（8）；
b.磁偶极子介质板（201、202）的一个表面印刷有金属层；两块磁偶极子介质板（201、202）通过安装矩形通孔（8）与电偶极子介质板垂直放置，形成磁偶极子；磁偶极子与电偶极子通过安装矩形通孔（8）相连接；
c.电偶极子介质板（1）上印刷的电偶极子与磁偶极子介质板（201、202）上的磁偶极子共同构成电磁偶极子天线的辐射单元；
d.馈电介质板（3）平行放置于两块磁偶极子介质板（201、202）中间，馈电巴伦（10、11)采用多节阻抗变换微带线，对称地印刷在馈电介质板（3）的两面，但两面印刷的多节阻抗变换微带线的结构不同；馈电巴伦（10、11)通过馈电矩形通孔与电偶极子的两个臂（601、602）相连；既实现了平衡馈电作用，又实现了阻抗匹配作用；
e.人工磁导体介质板（4）上表面印刷有周期性圆形金属贴片（12），下表面印刷接地金属层（14）；人工磁导体介质板（4）与电偶极子平行，置于磁偶极子介质板下方；
f.人工磁导体介质板（4）及其上印刷的周期性圆形金属贴片（12）和接地金属层构成人工磁导体（AMC）；AMC相当于一块理想磁导体（PMC），取代传统天线的PEC反射板，增强天线的增益和带宽；
g.电偶极子介质板（1），磁偶极子介质板（201、202），馈电介质板（3），人工磁导体介质板（4）均采用相同介电常数的介质板；电偶极子介质板（1）的尺寸小于人工磁导体介质板（4）的尺寸。
如上所述的基于人工磁导体的宽带电磁偶极子天线，磁偶极子介质板（201、202）上磁偶极子的宽度减小时，天线的两个谐振频点的间距加大，天线带宽增加；随着磁偶极子宽度的增加，低频谐振频点的匹配变好。
如上所述的基于人工磁导体的宽带电磁偶极子天线，调整馈电巴伦不同部分的尺寸可以调整天线的匹配效果。
如上所述的基于人工磁导体的宽带电磁偶极子天线，与传统加载金属反射板的天线相比，加载AMC的天线的阻抗匹配更好，前后比更高，消减了副瓣，增强了天线的辐射能力。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1，解决了传统后波辐射大，方向图不稳定，高交叉极化及前后比大的问题。
2，具有成本低，易组装，结构简洁的优点
3，带宽宽，增益高，易集成。
4，减少了背瓣，增加了谐振效率，增加了谐振频点，增加了前后比。
附图说明
图1为本发明的基于人工磁导体的宽带电磁偶极子天线的整体结构图。
图2为本发明的基于人工磁导体的宽带电磁偶极子天线的电偶极子介质板的上表面图。
图3为本发明的基于人工磁导体的宽带电磁偶极子天线的磁偶极子介质板的印刷金属层的表面图。
图4为本发明的基于人工磁导体的宽带电磁偶极子天线的馈电巴伦结构图。
图5为本发明的基于人工磁导体的宽带电磁偶极子天线的印刷AMC金属层的结构图。
图6为本发明的基于人工磁导体的宽带电磁偶极子天线的印刷AMC金属层的接地金属层结构图。
图7为本发明的基于人工磁导体的宽带电磁偶极子天线与采用PEC为反射板的天线S参数比较图。
图8为本发明基于人工磁导体的宽带电磁偶极子天线与采用PEC为反射板的天线前后比比较图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细说明。
如图1所示，本发明基于人工磁导体的宽带电磁偶极子天线，包括：电偶极子介质板（1），两块磁偶极子介质板（201、202），馈电介质板（3），人工磁导体介质板（4），其中：
a. 电偶极子是印刷在电偶极子介质板（1）上表面的“开口鱼尾型”金属贴片（601、602），在“开口鱼尾型”金属贴片（601、602）上分别开有矩形缝隙（501、502）；印刷在电偶极子介质板（1）上的两条金属细线（901、902）与“开口鱼尾型”金属贴片（601、602）的鱼尾相连；在电偶极子介质板（1）的中央打有一个馈电矩形通孔（7）；在馈电矩形通孔（7）四周打有4个安装矩形通孔（8）;
b. 磁偶极子介质板（201、202）的一个表面印刷有金属层；两块磁偶极子介质板（201、202）通过安装矩形通孔（8）与电偶极子介质板垂直放置，形成磁偶极子；磁偶极子与电偶极子通过安装矩形通孔（8）相连接;
c. 电偶极子介质板（1）上印刷的电偶极子与磁偶极子介质板（201、202）上的磁偶极子共同构成电磁偶极子天线的辐射单元;
d.馈电介质板（3）平行放置于两块磁偶极子介质板（201、202）中间，馈电巴伦（10、11)采用多节阻抗变换微带线，对称地印刷在馈电介质板（3）的两面，但两面印刷的多节阻抗变换微带线的结构不同；馈电巴伦（10、11)通过馈电矩形通孔与电偶极子的“开口鱼尾型”金属贴片（601、602）相连，既实现了平衡馈电作用，又实现了阻抗匹配作用；
e.人工磁导体介质板（4）上表面印刷有周期性圆形金属贴片（12），下表面印刷接地金属层（14）；人工磁导体介质板（4）与电偶极子平行，置于磁偶极子介质板下方；
f.人工磁导体介质板（4）及其上印刷的周期性圆形金属贴片（12）和接地金属层构成人工磁导体（AMC）；AMC相当于一块理想磁导体（PMC），取代传统天线的PEC反射板，增强天线的增益和带宽；
g.电偶极子介质板（1），磁偶极子介质板（201、202），馈电介质板（3），人工磁导体介质板（4）均采用相同介电常数的介质板；电偶极子介质板（1）的尺寸小于人工磁导体介质板（4）的尺寸。
如上所述的基于人工磁导体的宽带电磁偶极子天线，磁偶极子介质板（201、202）上磁偶极子的宽度减小时，天线的两个谐振频点的间距加大，天线带宽增加；随着磁偶极子宽度的增加，低频谐振频点的匹配变好。
如上所述的基于人工磁导体的宽带电磁偶极子天线，调整馈电巴伦不同部分的尺寸可以调整天线的匹配效果。
如上所述的基于人工磁导体的宽带电磁偶极子天线，与传统加载金属反射板的天线相比，加载AMC的天线的阻抗匹配更好，前后比更高，消减了副瓣，增强了天线的辐射能力。
图7和图8分别是采用介电常数为4.4的FR4介质板制作的本发明基于AMC的电磁偶极子天线的的采用传统PEC做反射板和采用本发明AMC做反射板的S参数、前后比和增益的对比图。。该天线的-10dB阻抗带宽为53.17%（1.8GHz-3.1GHz）,带内增益约为8.9dBi。与传统采用PEC反射板的天线比较，带内匹配性能更好，前后比增加了0.9dB以上。
上面对本发明的较佳实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (3)
1.基于人工磁导体的宽带电磁偶极子天线，包括：电偶极子介质板(1)，两块磁偶极子介质板(201、202)，馈电介质板(3)，人工磁导体介质板(4)，其中：
电偶极子是印刷在电偶极子介质板(1)上表面的两个“开口鱼尾型”金属贴片(601、602)，在“开口鱼尾型”金属贴片(601、602)上分别开有矩形缝隙(501、502)；在电偶极子介质板(1)上印刷有两条金属细线(901、902)，金属细线(901、902)的两端分别与两个“开口鱼尾型”金属贴片(601、602)的鱼尾相连；在电偶极子介质板(1)的中央打有一个馈电矩形通孔(7)；在馈电矩形通孔(7)四周打有4个安装矩形通孔(8)；
磁偶极子介质板(201、202)的一个表面印刷有金属层；两块磁偶极子介质板(201、202)通过安装矩形通孔(8)与电偶极子介质板垂直放置，形成磁偶极子；磁偶极子与电偶极子通过安装矩形通孔(8)相连接；
电偶极子介质板(1)上印刷的电偶极子与磁偶极子介质板(201、202)上的磁偶极子共同构成电磁偶极子天线的辐射单元；
馈电介质板(3)平行放置于两块磁偶极子介质板(201、202)中间，通过馈电矩形通孔(7)与电偶极子的“开口鱼尾型”金属贴片(601、602)相连；馈电巴伦(10、11)分别采用多节阻抗变换微带线，对称地印刷在馈电介质板(3)的两面，既实现了平衡馈电作用，又实现了阻抗匹配作用；
人工磁导体介质板(4)上表面印刷有周期性圆形金属贴片结构(12)，下表面印刷接地金属层(14)，形成对天线辐射起反射作用的人工磁导体，增强了天线的增益和带宽；人工磁导体介质板(4)与电偶极子平行，置于磁偶极子介质板下方；
电偶极子介质板(1)，磁偶极子介质板(201、202)，馈电介质板(3)，人工磁导体介质板(4)均采用相同介电常数的介质板；电偶极子介质板(1)的尺寸小于人工磁导体介质板(4)的尺寸；基于人工磁导体的宽带电磁偶极子天线采用介电常数为4.4的FR4介质板制作。
2.根据权利要求1所述的基于人工磁导体的宽带电磁偶极子天线，其特征在于：磁偶极子介质板(201、202)上磁偶极子的宽度减小时，天线的两个谐振频点的间距加大，天线带宽增加。
3.根据权利要求1所述的基于人工磁导体的宽带电磁偶极子天线，其特征在于：磁偶极子介质板(201、202)上磁偶极子的宽度增加时，低频谐振频点的匹配变好。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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