CN110336121A - 一种宽带圆极化电磁偶极子天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种宽带圆极化电磁偶极子天线，包括金属地板、电磁偶极子、馈电结构、L形金属板和四个L形寄生枝节，金属地板采用矩形结构，电磁偶极子包括关于金属地板中心法线旋转对称的两个偶极子臂，偶极子臂由与金属地板垂直固定的第一矩形金属板以及与第一矩形金属板垂直连接的第二矩形金属板组成，馈电结构采用Γ形结构，固定在金属地板板面的中心位置，且位于两个偶极子臂之间，用于向两个偶极子臂耦合馈电。本发明解决电磁偶极子天线阻抗带宽和轴比带宽窄，增益低的技术问题，可用于移动基站与室内分布系统等无线通信系统中。

Description

一种宽带圆极化电磁偶极子天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体涉及一种宽带圆极化电磁偶极子天线，可用于移动基站与室内分布系统等无线通信系统中。
背景技术
随着无线通信技术的快速发展，无线通信系统对天线的要求也在不断地提高，为了同时容纳原有的频段和不断增加的频段，例如PCS，LTE，WLAN，Sub 6G等，天线应该具有更宽的工作频带。天线按照极化特性可分为线极化、圆极化和椭圆极化三种，其带宽是指天线在能满足设计指标要求的频率范围内的主要性能参数，如输入阻抗、方向图、增益、主瓣宽度和副瓣电平等，一般情况下，天线性能参数是随频率而变化的，因而天线带宽就取决于各项性能参数的频率特性。对于圆极化天线，其极化特性往往是限制工作带宽的主要因素。
圆极化可以抑制多径干扰，减轻极化失配，并且抵抗法拉第旋转效应，且圆极化天线发射的信号可以被任意极化方式的天线接收到，由于这些优良的特点，圆极化天线在航空航天，电子对抗等诸多领域得到了广泛的应用。
电磁偶极子天线由于利用了电偶极子和磁偶极子在辐射远场方向图E面和H面的互补特性，实现了在两个极化面相同的辐射方向图，同时具有低后瓣，低交叉极化，稳定的增益等一系列良好的特性，但是现有技术也存在着许多的不足之处，首先，仅采用最基本的偶极子结构使得其阻抗带宽和轴比带宽较窄，仅能覆盖最基本的通信频段。此外，由于仅采用了单一的反射板结构，使得其增益较低，极大地限制了其应用范围。
例如申请公布号为CN107069205A，发明名称为“新型宽带低剖面圆极化电磁偶极子天线”专利申请，公开了一种新型宽带低剖面圆极化电磁偶极子天线，该天线使用单馈电方式实现低剖面圆极化电磁偶极子天线，整个结构采用四层PCB组合，第一至第四层PCB版均为矩形，同时利用电偶极子，磁偶极子旋转对称的方式实现了天线左旋圆极化特性，其阻抗带宽为26％，轴比带宽为23％，增益5.6dBi。该发明虽然剖面较低，但其阻抗带宽和轴比带宽均较窄，且增益较低。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术上的不足，提出一种宽带圆极化电磁偶极子天线，可用于解决现有技术中存在的天线阻抗带宽和轴比带宽较窄和增益较低的技术问题。本发明为了实现上述目的，采用以下技术方案：
为实现上述目的，本发明采取的技术方案包括金属地板1、电磁偶极子2和馈电结构3；所述金属地板1采用矩形结构；所述电磁偶极子2包括关于金属地板1中心法线旋转对称的两个偶极子臂，所述偶极子臂由与金属地板1垂直固定的第一矩形金属板21以及与第一矩形金属板21垂直连接的第二矩形金属板22组成；所述馈电结构3采用Γ形结构，固定在金属地板1板面的中心位置，且位于两个偶极子臂之间，用于向两个偶极子臂耦合馈电；其特征在于：所述金属地板1的一对对角所在的恻棱上分别固定有L形金属板4，与金属地板1形成金属背腔，用于提高天线的增益；所述金属背腔内的金属地板1上固定有关于金属地板1中心法线旋转对称的四个L形寄生枝节5，用于拓宽天线的阻抗带宽和轴比带宽；所述电磁偶极子2位于金属背腔内，该电磁偶极子2包含的第二矩形金属板22的一条对角线的一个角的位置设置有三角形切角，另一个角的位置设置有矩形切角，且矩形切角位于该第二矩形金属板22与第一矩形金属板21连接的棱上，用于进一步拓宽天线的阻抗带宽和轴比带宽。
上述一种宽带圆极化电磁偶极子天线，所述两个偶极子臂，其关于金属地板1中心法线旋转对称的旋转角度为180°。
上述一种宽带圆极化电磁偶极子天线，所述第二矩形金属板22，其上设置的三角形切角的长度为Chamfer，10.5mm≤Chamfer≤11.5mm，矩形切角的尺寸为SL×SW， 39mm≤SL≤41mm，5mm≤SW≤6mm。
上述一种宽带圆极化电磁偶极子天线，所述L形金属板4由与金属地板1垂直固定的第三矩形金属板41以及与第三矩形金属板41垂直连接的第四矩形金属板42组成，第三矩形金属板41的尺寸为GL1×GH1，180mm≤GL1≤190mm，29mm≤GH1≤30mm；第四矩形金属板42的尺寸为GH1×GW1，29mm≤GH1≤30mm，130mm≤GW1≤140mm。
上述一种宽带圆极化电磁偶极子天线，所述四个L形寄生枝节5分别位于金属地板1板面的两条对角线上，其由与金属地板1垂直固定的第五矩形金属板51以及与第五矩形金属板51垂直连接的第六矩形金属板52组成；第五矩形金属板51的尺寸为PH×PW，9mm≤PW≤11mm，18mm≤PH≤19mm；第六矩形金属板52的尺寸为PL ×PW，20mm≤PL≤21mm，9mm≤PW≤11mm。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1、本发明由于采用了四个L形寄生枝节，其顺序旋转放置在金属地板板面上且分别位于金属地板板面的两条对角线上，在低频处产生了新的阻抗谐振频点和轴比谐振频点，拓宽了天线的阻抗带宽和轴比带宽，与现有技术中相比，有效扩展天线的实际应用范围。
2、本发明由于采用了两个关于金属地板中心法线旋转对称的偶极子臂，在偶极子臂包括的第二矩形金属板的一条对角线的一个角的位置设置有三角形切角，另一个角的位置设置有矩形切角的技术方案，引入新的阻抗频点和轴比频点，进一步拓宽了天线的阻抗带宽和轴比带宽，与现有技术中相比，有效扩展天线的实际应用范围。
3、本发明由于采用了在金属地板的一对对角所在的恻棱上分别固定有L形金属板，与金属地板形成金属背腔的技术方案，在高频处产生了新的阻抗谐振频点和轴比谐振频点，同时增强了天线的主方向辐射，克服了现有技术中天线阻抗带宽和轴比带宽窄，增益低的技术问题，更进一步的拓宽了天线的阻抗带宽和轴比带宽，同时有效提高了天线的增益，扩展天线的实际应用范围。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是图1的俯视图；
图3是图1的主视图；
图4是本发明实施例1的S11参数仿真结果图；
图5是本发明实施例1的轴比参数仿真结果图；
图6是本发明实施例1的增益仿真结果图；
图7是本发明实施例1在1.9GHz，2.7GHz和3.4GHz的辐射方向图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明进行进一步详细描述：
实施例1
参照图1，一种宽带圆极化电磁偶极子天线，包括金属地板1、电磁偶极子2、馈电结构3、L形金属板4和四个L形寄生枝节5。
所述金属地板1采用矩形结构，其一对对角所在的恻棱上分别固定有L形金属板4，与金属地板1形成金属背腔，当天线主体辐射时，由于电磁耦合作用，金属背腔被激励，相当于第二辐射体，因此在高频处引入了新的阻抗谐振频点和轴比谐振频点，有效地拓宽了天线在高频处的阻抗带宽和轴比带宽，同时还可以提高天线的增益。所述L形金属板4由与金属地板1垂直固定的第三矩形金属板41以及与第三矩形金属板41垂直连接的第四矩形金属板42组成，参照图1，第三矩形金属板41的尺寸为 GL1×GH1，180mm≤GL1≤190mm，29mm≤GH1≤30mm，第四矩形金属板42的尺寸为 GH1×GW1，29mm≤GH1≤30mm，130mm≤GW1≤140mm，本实施例中取GL1＝141mm， GH1＝29.5mm，GW1＝97mm。
所述金属背腔内的金属地板1上固定有关于金属地板1中心法线旋转对称的四个L形寄生枝节5，它们的引入可以改善天线在低频处的阻抗匹配特性与辐射特性，使得天线在低频处增加了新的阻抗谐振频点和轴比谐振频点，有效的展宽了天线在低频处的阻抗和轴比带宽。所述四个L形寄生枝节5分别位于金属地板1板面的两条对角线上，其由与金属地板1垂直固定的第五矩形金属板51以及与第五矩形金属板51垂直连接的第六矩形金属板52组成，参照图2，第六矩形金属板52的尺寸为PL×PW， 20mm≤PL≤21mm，9mm≤PW≤11mm，本实施例中取PL＝20.7mm，PW＝10mm。参照图3，第五矩形金属板51的尺寸为PH×PW，9mm≤PW≤11mm，18mm≤PH≤19mm，本实施例中取PH＝18.5mm，PW＝10mm。
所述电磁偶极子2包括关于金属地板1中心法线旋转对称的两个偶极子臂，旋转角度为180°，所述偶极子臂由与金属地板1垂直固定的第一矩形金属板21以及与第一矩形金属板21垂直连接的第二矩形金属板22组成，所述电磁偶极子2位于金属背腔内，该电磁偶极子2包含的第二矩形金属板22的一条对角线的一个角的位置设置有三角形切角，另一个角的位置设置有矩形切角，且矩形切角位于第一矩形金属板 21与第二矩形金属板22连接的棱上，用于进一步拓宽天线的阻抗带宽和轴比带宽。参照图2，所述两个相同结构的第二矩形金属板22之间相互平行，且关于金属地板1 的中心旋转对称分布，其中金属地板1的长GL＝181mm，宽GW＝137mm，第二矩形金属板22的长L＝90mm，宽W＝22.2mm，所述三角形切角的长度 10.5mm≤Chamfer≤11.5mm，所述矩形切角的尺寸为SL×SW，39mm≤SL≤41mm， 5mm≤SW≤6mm，本实施例中取Chamfer＝10.9mm，SL＝40mm，SW＝5.6mm，所述第一矩形金属板21的长度为W1＝50mm。参照图3，所述第一矩形金属板21的高度为 H＝30mm。
所述馈电结构3采用Γ形结构，固定在金属地板1板面的中心位置，且位于两个偶极子臂之间，用于向两个偶极子臂耦合馈电。
实施例2，本实施例与实施例1的结构相同，仅对如下参数作了调整：
本发明中的所述第三矩形金属板41的尺寸为GL1×GW1，GL1取值为180mm， GW1取值为130mm，第四矩形金属板42的尺寸为GH1×GW1，GH1取值为29mm， GW1取值为130mm；第二矩形金属板22包含的三角形切角长度为Chamfer，Chamfer 取值为10.5mm，第二矩形金属板22包含的矩形切角的尺寸为SL×SW，SL取值为39mm， SW取值为5mm；所述第五矩形金属板51的尺寸为PH×PW，PH取值为18mm，PW 取值为9mm，第六矩形金属板52的尺寸为PL×PW，PL取值为20mm，PW取值为 9mm。
实施例3
实施例3，本实施例与实施例1的结构相同，仅对如下参数作了调整：
本发明中的所述第三矩形金属板41的尺寸为GL1×GW1，GL1取值为190mm， GW1取值为140mm，第四矩形金属板42的尺寸为GH1×GW1，GH1取值为30mm， GW1取值为140mm；第二矩形金属板22包含的三角形切角长度为Chamfer，Chamfer 取值为11.5mm，第二矩形金属板22包含的矩形切角的尺寸为SL×SW，SL取值为41mm， SW取值为6mm；所述第五矩形金属板51的尺寸为PH×PW，PH取值为19mm，PW 取值为11mm，第六矩形金属板52的尺寸为PL×PW，PL取值为21mm，PW取值为 11mm；
以下结合仿实验，对本发明的技术效果作进一步描述：
1、仿真条件和内容：
1.1)利用商业仿真软件HFSS对实施例1天线的S11参数在1-4.5GHz范围内进
行仿真计算。
1.2)利用商业仿真软件HFSS对上述实施例天线的增益在1-4.5GHz范围内进行仿真计算。
1.3)利用商业仿真软件HFSS对上述实施例天线的增益在1-4.5GHz范围内进行仿真计算。
1.4)利用商业仿真软件HFSS对上述实施例天线在1.9GHz，2.7GHz和3.4GHz
处的辐射方向图进行仿真计算。
2、仿真结果分析：
参照图4，图中纵坐标表示天线的回波损耗S11，横坐标表示频率，单位为GHz，本发明宽带圆极化电磁偶极子天线在工作频段内出现了5个谐振点，天线端口反射系数S11小于-10dB时的阻抗相对带宽为89.6％(1.55-4.07GHz)。
参照图5，图中纵坐标表示天线的轴比AR，单位为dB，横坐标表示频率，单位为GHz，本发明宽带圆极化电磁偶极子天线的3dB轴比相对带宽为75％(1.73-3.81 GHz)。
参照图6，图中纵坐标表示天线的增益，单位为dB，横坐标表示频率，单位为 GHz，天线在整个工作频带上具有稳定的增益。
参照图7，本发明天线在1.9GHz，2.4GHz和3.4GHz处的xoz面和yoz面具有良好的一致性，实现了天线右旋圆极化特性，且具有稳定的定向辐射特性和低交叉极化特性。其中：
图7(a)是本实施例在1.9GHz时的xoz面和yoz面的辐射方向图
图7(b)是本实施例在2.7GHz时的xoz面和yoz面的辐射方向图
图7(c)是本实施例在3.4GHz时的xoz面和yoz面的辐射方向图
以上描述和实施例仅为本发明的优选实施方式，不构成对本发明的任何限制，应当指出：对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种宽带圆极化电磁偶极子天线，包括金属地板(1)、电磁偶极子(2)和馈电结构(3)；所述金属地板(1)采用矩形结构；所述电磁偶极子(2)包括关于金属地板(1)中心法线旋转对称的两个偶极子臂，所述偶极子臂由与金属地板(1)垂直固定的第一矩形金属板(21)以及与第一矩形金属板(21)垂直连接的第二矩形金属板(22)组成；所述馈电结构(3)采用Γ形结构，固定在金属地板(1)板面的中心位置，且位于两个偶极子臂之间，用于向两个偶极子臂耦合馈电；其特征在于：所述金属地板(1)的一对对角所在的恻棱上分别固定有L形金属板(4)，与金属地板(1)形成金属背腔，用于提高天线的增益；所述金属背腔内的金属地板(1)上固定有关于金属地板(1)中心法线旋转对称的四个L形寄生枝节(5)，用于拓宽天线的阻抗带宽和轴比带宽；所述电磁偶极子(2)位于金属背腔内，该电磁偶极子(2)包含的第二矩形金属板(22)的一条对角线的一个角的位置设置有三角形切角，另一个角的位置设置有矩形切角，且矩形切角位于该第二矩形金属板(22)与第一矩形金属板(21)连接的棱上，用于进一步拓宽天线的阻抗带宽和轴比带宽。
2.根据权利要求1所述的一种宽带圆极化电磁偶极子天线，其特征在于，所述两个偶极子臂，其关于金属地板(1)中心法线旋转对称的旋转角度为180°。
3.根据权利要求1所述的一种宽带圆极化电磁偶极子天线，其特征在于，所述第二矩形金属板(22)，其上设置的三角形切角的长度为Chamfer，10.5mm≤Chamfer≤11.5mm，矩形切角的尺寸为SL×SW，39mm≤SL≤41mm，5mm≤SW≤6mm。
4.根据权利要求1所述的一种宽带圆极化电磁偶极子天线，其特征在于，所述L形金属板(4)由与金属地板(1)垂直固定的第三矩形金属板(41)以及与第三矩形金属板(41)垂直连接的第四矩形金属板(42)组成，第三矩形金属板(41)的尺寸为GL1×GH1，180mm≤GL1≤190mm，29mm≤GH1≤30mm；第四矩形金属板(42)的尺寸为GH1×GW1，29mm≤GH1≤30mm，130mm≤GW1≤140mm。
5.根据权利要求1所述的一种宽带圆极化电磁偶极子天线，其特征在于，所述四个L形寄生枝节(5)分别位于金属地板(1)板面的两条对角线上，其由与金属地板(1)垂直固定的第五矩形金属板(51)以及与第五矩形金属板(51)垂直连接的第六矩形金属板(52)组成；第五矩形金属板(51)的尺寸为PH×PW，9mm≤PW≤11mm，18mm≤PH≤19mm；第六矩形金属板(52)的尺寸为PL×PW，20mm≤PL≤21mm，9mm≤PW≤11mm。
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