CN111581848B - 一种小型化磁电偶极子天线的设计方法 - Google Patents

一种小型化磁电偶极子天线的设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于小型化平面磁电偶极子天线领域，公开了一种小型化磁电偶极子天线的设计方法，包括以下步骤：步骤1，采用分型技术设计分型磁电偶极子天线；步骤2，分析分型磁电偶极子天线的输入阻抗的特性，根据输入阻抗的特性设计相应的纯电抗阻抗表面结构单元胞；将纯电抗阻抗表面结构单元胞周期组阵形成纯电抗表面结构；步骤3，将纯电抗表面结构与分型磁电偶极子天线加载相结合，形成小型化磁电偶极子天线；该设计方法基于分型技术与电抗表面结构加载相结合，以解决传统磁电偶极子天线尺寸大的问题，在保证天线性能的前提下，将天线的尺寸缩小到0.30λ0×0.30λ0×0.11λ0，使其适应于阵列组阵。

Description

一种小型化磁电偶极子天线的设计方法
技术领域
本发明涉及小型化平面磁电偶极子天线领域，具体涉及一种小型化磁电偶极子天线的设计方法。
背景技术
随着现代通信技术的飞速发展，无线系统对天线的性能要求越来越高，尤其是天线的工作带宽、电尺寸大小、以及辐射性能等。微带天线以其具有低成本、低剖面、易加工、以及易与载体共形等优点受到了天线工程师们的广泛推崇。然而该类天线具有三个明显的缺点：1)工作带宽窄，通常只有几个百分点的带宽；2)尺寸大，通常大于0.5个波长；3)工作带宽展宽以后，在较高频段的辐射性能不稳定，常常出现辐射方向图畸变或裂变。在这种情况下，为了缩小微带天线的尺寸，开展了包括采用高介电常数介质板、在贴片上蚀刻槽线、以及加载短路探针等技术在内的很多相关研究工作。然而这些方法要么降低微带天线的工作带宽，要么降低微带天线的辐射效率。
通过采用互补结构的概念，2006年Luk等人提出了磁电偶极子互补天线的概念，该类天线克服了微带天线的上述缺点，具有工作带宽宽、辐射效率高、交叉电平低以及辐射特性稳定等优良特性。在阵列天线中，为避免产生栅瓣，通常要求阵元间距不大于0.5个波长。然而该类天线的尺寸较大，通常为0.8个波长左右，不能满足现代无线通信系统对天线单元尺寸的要求，因此开展小型化磁电偶极子天线设计方法研究具有重要的工程意义与价值。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种小型化磁电偶极子天线的设计方法，该设计方法基于分型技术与电抗表面(Reactive Impedance Surface,RIS)结构加载相结合，以解决传统磁电偶极子天线尺寸大的问题，在保证天线性能的前提下，将天线的尺寸缩小到0.30λ0×0.30λ0×0.11λ0，使其适应于阵列组阵。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。
一种小型化磁电偶极子天线的设计方法，包括以下步骤：
步骤1，采用分型技术设计分型磁电偶极子天线；
步骤2，分析所述分型磁电偶极子天线的输入阻抗的特性，根据所述输入阻抗的特性设计相应的纯电抗阻抗表面结构单元胞；将所述纯电抗阻抗表面结构单元胞周期组阵形成纯电抗表面结构；
步骤3，将所述纯电抗表面结构与所述分型磁电偶极子天线加载相结合，形成小型化磁电偶极子天线。
优选的，步骤1具体为：将磁电偶极子天线印制在背部为金属的介质板上，磁电偶极子天线采用四个贴片，每个贴片采用类Minikowski结构，即得分型磁电偶极子天线。
优选的，步骤2中，所述分型磁电偶极子天线的输入阻抗的特性为工作频带范围前端的阻抗特性。
进一步优选的，步骤2中，所述分型磁电偶极子天线的输入阻抗的特性包含输入阻抗的实部特性与虚部特性。
优选的，步骤2中，所述纯电抗阻抗表面结构单元胞的阻抗特性与所述分型磁电偶极子天线的输入阻抗的特性互补。
优选的，步骤2中，将所述纯电抗阻抗表面结构单元胞周期组阵形成纯电抗表面结构具体为：沿平行于电偶极子的两个方向，规律地排列纯电抗阻抗表面结构单元胞形成纯电抗表面结构。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明所得的小型化磁电偶极子天线的带宽为39.7％，即在23.4～35.0GHz频带范围内S11≤-10dB，辐射性能稳定，在整个工作频带内，辐射方向图均未畸变：天线在整个工作频带内具有近似相同的E面与H面方向图、小于-17dB的交叉极化电平、以及大于25dB的前后辐射比；从这些数据可以看出，小型化前后，天线的性能基本没变，即在保证天线性能的前提下，将天线的尺寸缩小到0.30λ0×0.30λ0×0.11λ0，使其适应于阵列组阵。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
图1是分型磁电偶极子天线的结构图；其中，(a)为透视图，(b)为侧视图，(c)为顶层贴片放大图；(d)为分型贴片的设计步骤图；
图2是分型磁电偶极子天线的阻抗实虚部图；其中，Re为实部，Im为虚部；
图3是电磁波垂直入射情况下的电抗表面结构图；其中，(a)为单元胞图，(b)为单元胞的归一化表面阻抗图；其中，Ei为入射电场，Hi为入射磁场，ki为入射波数；PMC为理想磁导体，PEC为理想电导体；
图4是基于分型技术与纯电抗表面结构加载的小型化磁电偶极子天线结构图；其中，(a)为透视图，(b)为局部区域放大图，(c)为金属垫片图，(d)为侧视图；
图5是分型磁电偶极子天线加载纯电抗表面结构前后的S11参数曲线图；
图6是加载纯电抗表面结构的分型磁电偶极子天线仿真辐射方向图；(a)为25GHz，(b)为29GHz，(c)为33GHz。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域的技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。
实施例
一种小型化磁电偶极子天线的设计方法，包括以下步骤：
步骤1，采用分型技术设计完成分型磁电偶极子天线。
步骤1具体为：如图1所示，将磁电偶极子天线印制在背部为金属的介质板(即为上下表面覆铜的介质板，根据需要保留相应位置的覆铜)上，磁电偶极子天线采用四贴片结构，将分型技术应用于四个平行于金属介质板的贴片，每个贴片均采用类Minikowski结构，即每个贴片均保留四个贴片相互临近的部分，其余部分采用相同程度的分型，分型程度为α(实例中采用α＝0.7为例)，保留的四个部分用于金属化过孔或金属柱。
步骤2，分析分型磁电偶极子天线工作频带范围前端的输入阻抗的特性(包括输入阻抗的实部特性与虚部特性)，根据输入阻抗的特性设计相应的纯电抗阻抗表面结构单元胞；其中设计的原则是使纯电抗阻抗表面结构单元胞的阻抗特性与分型磁电偶极子天线工作频带范围前端的输入阻抗的特性互补。然后沿平行于电偶极子的两个方向，将纯电抗阻抗表面结构单元胞周期组阵形成纯电抗表面结构。
具体的，如图2所示，在低于28.5GHz频率处，分型磁电偶极子天线输入阻抗的虚部呈电感特性；图3给出了不同频率下的单元胞归一化表面阻抗特性曲线，由图3可知，所设计的纯电抗表面结构的谐振频率位于21.0GHz处，在此频率处，该纯电抗表面结构等效为理想磁导体结构，从21.0GHz到30.0GHz，所设计的纯电抗表面结构的阻抗呈容性特性。因此，在此频率区间，该纯电抗表面结构储存的电能能够补偿分型磁电偶极子天线近场储存的磁能，从而使得磁电偶极子天线工作在更低的频率。
步骤3，如图4所示，将纯电抗表面结构与分型磁电偶极子天线加载相结合，形成小型化磁电偶极子天线。其中，纯电抗表面结构位于四个贴片和金属介质板之间，且平行于金属介质板。
试验
采用参数扫描的方式，对分型磁电偶极子天线在工作频段内的参数Lf，Lo，D1进行优化，使小型化磁电偶极子天线性能最优，使天线在工作频带内S11的数值尽可能小，如S11≤-15dB；且在整个工作频带内，天线的交叉极化电平小于-15dB，前后辐射比大于20dB；试验结果如图5-6所示。
其中，分型磁电偶极子天线结构的参数如表1所示；加载纯电抗表面结构的分型磁电偶极子天线即小型化磁电偶极子天线的结构参数如表2所示。
表1分型磁电偶极子天线结构参数
参数 H L Lp Ls
数值(mm) 1.168 10 1.25 0.6
参数 Lf Lo D1 Wf
数值(mm) 1.6 0.6 0.25 0.4
其中，如图1所示，H为天线的厚度，L为方形介质板尺寸，Lp为贴片尺寸，Ls为相邻贴片间距，Lf为馈电贴片长度，Lo为馈电贴片偏离坐标原点的尺寸，D1为金属化过孔直径，Wf为馈电贴片宽度。
表2加载纯电抗表面结构的分型磁电偶极子天线结构参数
其中，如图4所示，H1+H2＝H；a1为方形贴片尺寸，a2为单元胞的尺寸。
图5是分型磁电偶极子天线加载纯电抗表面结构前后的S11参数曲线图；由图5可见，分型磁电偶极子天线的两个谐振频率为34.0GHz和42.0GHz，加载电抗表面后，天线的谐振频率往前移动到25.5GHz和32.4GHz，即加载电抗表面结构后，天线的工作中心频率由38.0GHz移动到29.0GHz位置。
图6是加载纯电抗表面结构的分型磁电偶极子天线仿真辐射方向图。由图5和图6可知，该加载纯电抗表面结构的天线仍然保持磁电偶极子天线的优良特性：工作带宽为39.7％(在23.4～35.0GHz范围内S11≤-10dB)、同时，天线在整个工作频带内具有近似相同的E面与H面方向图、小于-17dB的交叉极化电平、以及大于25dB的前后辐射比；且辐射性能稳定，在整个工作频带内，辐射方向图均未畸变。进一步分析可知，所设计的基于分型技术与电抗表面结构加载相结合的小型化磁电偶极子天线在其中心工作频率处的电尺寸为(2Lp+Ls)×(2Lp+Ls)×H＝0.30λ0×0.30λ0×0.11λ0；其中，λ0为天线工作中心频率对应的波长。
虽然，本说明书中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (5)

1.一种小型化磁电偶极子天线的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，采用分型技术设计分型磁电偶极子天线；具体为：将磁电偶极子天线印制在背部为金属的介质板上，磁电偶极子天线采用四贴片结构，将分型技术应用于四个平行于金属介质板的贴片，每个贴片均采用类Minikowski结构，即每个贴片均保留四个贴片相互临近的部分，其余部分采用相同程度的分型，保留的四个部分用于金属化过孔或金属柱；
步骤2，分析所述分型磁电偶极子天线的输入阻抗的特性，根据所述输入阻抗的特性设计相应的纯电抗阻抗表面结构单元胞；将所述纯电抗阻抗表面结构单元胞周期组阵形成纯电抗表面结构；
步骤3，将所述纯电抗表面结构与所述分型磁电偶极子天线加载相结合，形成小型化磁电偶极子天线。
2.根据权利要求1所述的小型化磁电偶极子天线的设计方法，其特征在于，步骤2中，所述分型磁电偶极子天线的输入阻抗的特性为工作频带范围前端的阻抗特性。
3.根据权利要求2所述的小型化磁电偶极子天线的设计方法，其特征在于，步骤2中，所述分型磁电偶极子天线的输入阻抗的特性包含输入阻抗的实部特性与虚部特性。
4.根据权利要求3所述的小型化磁电偶极子天线的设计方法，其特征在于，所述纯电抗阻抗表面结构单元胞的阻抗特性与所述分型磁电偶极子天线的输入阻抗的特性互补。
5.根据权利要求4所述的小型化磁电偶极子天线的设计方法，其特征在于，步骤2中，将所述纯电抗阻抗表面结构单元胞周期组阵形成纯电抗表面结构具体为：沿平行于电偶极子的两个方向，规律地排列纯电抗阻抗表面结构单元胞形成纯电抗表面结构。
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