CN111370861B - 一种低剖面宽带双模压缩偶极子天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种低剖面宽带双模压缩偶极子天线，包括：辐射单元，由第一介质基板以及偶极子天线组成，所述偶极子天线印刷在所述第一介质基板的底面；馈电巴伦，由第二介质基板、第一金属地以及“L”形金属带条，所述第一金属地与所述“L”形金属带条分别印刷在所述第二介质基板的相对两面；以及人工磁导体，所述辐射单元通过所述馈电巴伦设置在所述人工磁导体上。本发明的低剖面宽带双模压缩偶极子天线，利用馈电巴伦进行馈电，使得输入电阻明显减小，解决了二次模的偶极子实部阻抗过高，难以匹配的技术问题，从而实现良好的阻抗匹配。

Description

一种低剖面宽带双模压缩偶极子天线
技术领域
本发明涉及偶极子天线技术领域，具体涉及一种低剖面宽带双模压缩偶极子天线。
背景技术
天线是收发机系统中的重要组成部分，它主要承载着发射与接收电磁波信号的功能，在军用或者民用方面都扮演着重要的角色。
偶极子是各种通信系统中应用最广泛的天线之一。为了提高偶极天线的性能，广大学者对其进行了大量的研究。最近，有学者提出一种压缩偶极子天线。当偶极子被印制在介质基板上,其长度被压缩，相应的压缩系数定义为K,通过选择合适的谐振模式和K值，压缩偶极子可以在更小的物理尺寸下获得较传统偶极子(K＝1)更高的增益。基本的压缩偶极子通常具有较窄的带宽，为了提高其带宽，有学者进一步提出了一种双模压缩偶极子天线。该天线通过在三次模的电压零点加载枝节，可以在不影响三次模工作的前提下，将五次模移向靠近三次模，实现宽带的双模工作。然而，这类采用高阶模式的天线尺寸过大，通常不适合应用于天线阵设计。同时，高阶模(五次模)也会在辐射方向图上引起较大的旁瓣电平(-8至-5dB)，不利于实际应用。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种低剖面宽带双模压缩偶极子天线，利用馈电巴伦进行馈电，使得输入电阻明显减小，解决了二次模的偶极子实部阻抗过高，难以匹配的技术问题，从而实现良好的阻抗匹配。
为了实现以上目的，本发明采取的一种技术方案是：
一种低剖面宽带双模压缩偶极子天线，包括：辐射单元，由第一介质基板以及偶极子天线组成，所述偶极子天线印刷在所述第一介质基板的底面；馈电巴伦，由第二介质基板、第一金属地以及“L”形金属带条组成，所述第一金属地与所述“L”形金属带条分别印刷在所述第二介质基板的相对两面；以及人工磁导体，所述辐射单元通过所述馈电巴伦设置在所述人工磁导体上。
进一步地，所述偶极子天线为枝节加载偶极子，所述第一金属地为“U”型结构，所述第一金属地的顶端与所述枝节加载偶极子相连，所述第一金属地的底端与所述人工磁导体相连；所述“L”形金属带条通过连接孔与同轴馈线相连，所述连接孔设于所述人工磁导体上。
进一步地，所述人工磁导体包括第三介质基板、第二金属地以及按矩阵排列的十六个金属贴片，所述金属贴片印制在所述第三介质基板的上面，所述第二金属地印制在所述第三介质基板的下面；所述馈电巴伦设置在所述第三介质基板的上面，所述第一金属地的底端通过所述连接孔与所述第二金属地连接。
进一步地，所述金属贴片为正方形，所述金属贴片按四排四列的方式排列。
进一步地，所述第三介质基板为Rogers RO4003c介质基板。
进一步地，所述第一介质基板为Rogers RO3010介质基板。
进一步地，所述第二介质基板为Rogers RO4003c介质基板。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
(1)本发明的低剖面宽带双模压缩偶极子天线，利用馈电巴伦进行馈电，使得输入电阻明显减小，解决了二次模的偶极子(一个全波长偶极子)实部阻抗过高，难以匹配的技术问题，从而实现良好的阻抗匹配。
(2)本发明的低剖面宽带双模压缩偶极子天线，通过在偶极子上加载枝节，独立调谐三次模，使其靠近并与二次模合并，从而拓宽带宽。针对利用三次模和五次模的进行辐射的压缩偶极子天线的尺寸过大的情况，采用二次模和三次模进行工作，能有效的缩减尺寸，同时解决辐射方向图上引起较高的旁瓣电平的技术问题，有效的减小方向图的旁瓣。
(3)本发明的低剖面宽带双模压缩偶极子天线，采用人工磁导体(AMC)作为天线反射板，有效的降低了天线剖面。
附图说明
下面结合附图，通过对本发明的具体实施方式详细描述，将使本发明的技术方案及其有益效果显而易见。
图1所示为本发明一实施例的低剖面宽带双模压缩偶极子天线的爆炸透视图；
图2所示为本发明一实施例的集总端口馈电实部虚部阻抗曲线图；
图3所示为本发明一实施例的巴伦馈电实部虚部阻抗曲线图；
图4所示为本发明一实施例的低剖面宽带双模压缩偶极子天线的尺寸标注图；
图5所示为本发明一实施例的枝节长度(Is)与回波损耗特性(S11)关系图；
图6所示为本发明一实施例的枝节长度(Is)为20mm时电流分布图，其中(a)二模(3.3GHz)(b)三模(5.2GHz)(c)加载枝节后二模(3.3GHz)(d)加载枝节后三模(3.6GHz)；
图7所示为本发明一实施例的偶极子天线阻抗带宽与增益的关系图；
图8所示为本发明一实施例的低剖面宽带双模压缩偶极子天线的方向图，其中(a)3.3GHz，E面(b)3.3GHz，H面(c)3.6GHz，E面(d)3.6GHz，H面。
附图标记
1辐射单元、11第一介质基板、12偶极子天线、2馈电巴伦、21第二介质基板、22第一金属地、23“L”形金属带条、3人工磁导体、31第三介质基板、32第二金属地、33金属贴片、34连接孔。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例公开了一种低剖面宽带双模压缩偶极子天线，包括：辐射单元1、馈电巴伦2以及人工磁导体3。所述辐射单元1通过所述馈电巴伦2设置在所述人工磁导体3上。
所述辐射单元1由第一介质基板11以及偶极子天线12组成，所述偶极子天线12印刷在所述第一介质基板11的底面。所述偶极子天线12为枝节加载偶极子，所述偶极子天线12包括两个金属条，每个所述金属条中间位置设有一个枝节。并通过在偶极子中心位置加载枝节，调控更高次的谐振模式，使两种谐振模式相互耦合，来实现宽带。
所述馈电巴伦2由第二介质基板21、第一金属地22以及“L”形金属带条23组成。所述第一金属地22与所述“L”形金属带条23分别印刷在所述第二介质基板21的相对两面。所述第一金属地22为“U”型结构，所述第一金属地22的顶端与所述枝节加载偶极子相连，所述第一金属地22的底端与所述人工磁导体3相连。所述“L”形金属带条23通过连接孔34与同轴馈线相连，所述连接孔34设于所述人工磁导体3上。射频信号从所述“L”形金属带条23一端馈入，然后通过所述第一金属地22对所述偶极子天线12进行馈电。本实施例通过引入所述馈电巴伦2实现了对偶极子二次模的良好的阻抗匹配。馈电巴伦与偶极子的馈电接触线(所述第一金属地22的上端)较长，对于二次模来说起到了阻抗变换器的作用，可有效使得二次模的输入阻抗降低，易于匹配。
所述人工磁导体3包括第三介质基板31、第二金属地32以及按矩阵排列的十六个金属贴片33。所述第二金属地32印制在所述第三介质基板31的下面。所述馈电巴伦2设置在所述所述第三介质基板31的上面，所述第一金属地22的底端通过所述连接孔34与所述第二金属地32连接。所述金属贴片33印制在所述第三介质基板31的上面，所述金属贴片33为正方形，所述金属贴片33按四排四列的方式排列。每个所述金属贴片33之间形成一定量的电磁耦合，并且可以等效于电路中的电容C。所述金属贴片33结构表面有表面电流流过，产生电感效应，相当于等效电感L。当电磁波垂直入射到所述人工磁导体3上时，会发生反射波与入射波同相的现象，利用所述人工磁导体3的同相反射相位特性可以增加天线的增益、减小天线的剖面。将所述人工磁导体3应用于本发明可以使得所述双模压缩偶极子天线的剖面从0.25个波长降低到0.11个波长。
如图2～图3所示，所述馈电巴伦2对于所述偶极子天线12在二次模谐振时候，能够实现一个良好的阻抗匹配，使得输入阻抗实部明显减小，很容易匹配。
如图4～图6所示，所述枝节加载在偶极子天线的金属条的中点位置，即电流最大，电压零点位置。在加载枝节之前二次模位于3.3GHz，三次模位于5.2GHz，在加载枝节之后，二次模依旧位于3.3GHz，通过改变枝节长度，三次模位置被移动到3.6GHz，与二次模合并从而拓宽了宽带。在二次模频率位置，所述枝节上的电流较少，而在三次模频率位置，所述枝节上的电流较强，说明在加入所述枝节后，三次模可以被扰动并向低频移动，而二次模则不受影响。所述枝节只对三次模的频率位置产生影响，而对二次模的频率位置没有影响。
本发明一实施例的低剖面宽带双模压缩偶极子天线的不组成部分和位置的尺寸如下：ld＝58.5mm，ls＝20mm，ws＝3.4mm，wd＝3.4mm，ps＝28.5mm，s＝1.125mm，h1＝1.27mm，h2＝0.508mm，h3＝1.524mm，l1＝6.75mm，l2＝4mm，l3＝3.15mm，l4＝1.71mm，l5＝0.5mm，l6＝3.225mm，d＝19.6mm，L＝100mm，g＝5.4mm，w1＝0.44mm，w2＝0.15mm，w3＝6.75mm，w4＝2.25mm，h＝7.5mm。所述第一介质基板11为Rogers RO3010介质基板。所述第二介质基板21为Rogers RO4003c介质基板。所述第三介质基板31为Rogers RO4003c介质基板。可以看出所述双模压缩偶极子天线的尺寸得到了缩减。
如图7～图8所示，使用软件HFSS对本发明实施例的所述双模压缩偶极子天线进行模拟，对本发明实施例的所述双模压缩偶极子天线进行加工测试，可以看本发明的阻抗带宽(回波损耗小于-10dB)为15.1％(3.19-3.71GHz)，适用于5G新无线电(NR)应用。所述双模压缩偶极子天线的峰值增益为9.2dBi，在阻抗带宽频段的增益超过8.8dBi。在3.3GHz和3.6GHz频点，E面(电场矢量与传播方向构成的平面)的半功率波束宽度(HPBWs)分别为48.4°和47.6°，H面(磁场矢量与传播方向构成的平面)的HPBWs分别为67.3°和60.1°。所述双模压缩偶极子天线的旁瓣小于-20db，测试的交叉极化水平比主极化低20db左右。后瓣辐射水平小于-14db。与现有技术的天线相比，本发明的所述双模压缩偶极子天线有着较小的旁瓣，更宽的带宽，更加紧凑的天线结构。
以上所述仅为本发明的示例性实施例，并非因此限制本发明专利保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (4)

1.在一种低剖面宽带双模压缩偶极子天线，其特征在于，包括：
辐射单元（1），由第一介质基板（11）以及偶极子天线（12）组成，所述偶极子天线（12）印刷在所述第一介质基板（11）的底面；
馈电巴伦（2），由第二介质基板（21）、第一金属地（22）以及“L”形金属带条（23）组成，所述第一金属地（22）与所述“L”形金属带条（23）分别印刷在所述第二介质基板（21）的正反两面；以及
人工磁导体（3），所述辐射单元（1）通过所述馈电巴伦（2）设置在所述人工磁导体（3）上；
所述偶极子天线（12）为枝节加载偶极子，所述第一金属地（22）为“U”型结构，所述第一金属地（22）的顶端与所述枝节加载偶极子相连，所述第一金属地（22）的底端与所述人工磁导体（3）相连；所述“L”形金属带条（23）通过连接孔（34）与同轴馈线相连，所述连接孔（34）设于所述人工磁导体（3）上；
所述人工磁导体（3）包括第三介质基板（31）、第二金属地（32）以及按矩阵排列的十六个金属贴片（33），所述金属贴片（33）印制在所述第三介质基板（31）的上面，所述第二金属地（32）印制在所述第三介质基板（31）的下面；所述馈电巴伦（2）设置在所述所述第三介质基板（31）的上面，所述第一金属地（22）的底端通过所述连接孔（34）与所述第二金属地（32）连接；
所述金属贴片（33）为正方形，所述金属贴片（33）按四排四列的方式排列。
2.根据权利要求1所述的低剖面宽带双模压缩偶极子天线，其特征在于，所述第三介质基板（31）为Rogers RO4003c介质基板。
3.根据权利要求1所述的低剖面宽带双模压缩偶极子天线，其特征在于，所述第一介质基板（11）为Rogers RO3010介质基板。
4.根据权利要求1所述的低剖面宽带双模压缩偶极子天线，其特征在于，所述第二介质基板（21）为Rogers RO4003c介质基板。
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