CN111710982A - 一种新型的宽频带磁偶极子天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种新型的宽频带磁偶极子天线，包括接地层、一对金属贴片和弯折馈电线片，所述接地层为正方形片，两片所述金属贴片呈直角金属片状且镜像垂直于接地层设置在接地层上，两个金属贴片之间设置弯折馈电线片，两个金属贴片上对称设置有横向弯折凹陷部，金属贴片上水平均匀布设有三个矩形谐振窗口，弯折馈电线片与金属贴片等高，弯折馈电线片底部与同轴线内芯连接，弯折馈电线片上依次设置有第一弯折部、第二弯折部、第三弯折部和第四弯折部。本发明结构简单、易于生产，性能提升明显，阻抗带宽显著增加，并且在工作频带内具有良好的阻抗匹配特性，具有较低的后向辐射，极化纯度较高，增益稳定，在整个工作频带内的平均增益高。

Description

一种新型的宽频带磁偶极子天线

技术领域

本发明属于天线设计制造技术领域，具体涉及一种新型的宽频带磁偶极子天线。

背景技术

近年来，移动通信经历了四代发展：第一代AMPS、TACS和NMTS等模拟通信系统；第二代GSM、DCS、窄带CDMA等数字通信系统；第三代TD-SCDMA、WCDMA、CDMA2000等移动通信系统；第四代TDD-LTE、FDD-LTE移动通信系统。现在，随着工信部对5G频率的定标与发布，通信技术的研究重心开始渐渐向着研发5G移动通信技术偏移，希望能在第四代通信系统的基础上实现大幅度的性能提升。

随着移动通信技术迅速发展，人们的生活也发生了巨大的改变，手机已经成为了日常生活中必不可少的设备。手机的通信工作主要依赖于基站，通信设备中用天线对射频信号和自由空间中的电磁波进行转换，移动通信中的基站天线则是移动通信用户信息与基站设备连接的出口和入口。基站天线也是基站中决定通信质量的关键组成部分。随着移动通信用户的增加和用户对基站服务体验要求增加，通信工作对基站的要求越来越高，对基站覆盖的范围要求增大，对基站天线的性能指标要求也越来越高。与此同时，随着无线通信技术的应用和发展，频谱成为了稀缺的资源。很多频段已经被开发用于各种无线通信系统，电视系统和侦查系统，例如UHF/VHF电视系统、手机系统、全球无线定位系统(GPS)、蓝牙、无线局域网(WLAN)、超宽频带(UWB)和自动雷达等。因此为了满足多种通信需求，提高通信质量，一方面人们要求天线需要具有优越的性能：尽可能地扩展阻抗带宽，并需要有低交叉极化、低后向辐射、对称辐射模式和在工作频带内有稳定的增益等优点；另一方面，又要求天现在性能优良的前提下更加简单、便于安装和方便后期维护等。复杂的天线结构固然能实现更好的性能，但在实际应用中却需要花费大量的制作成本，后期维护工作量也会大大增加。因此，低成本、结构简单、方便后期维护的高性能天线单元同样具有重要的研究价值。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种新型的宽频带磁偶极子天线，该天线单元结构设计简单科学，生产成本低廉，性能提升明显，阻抗带宽显著增加，并且在工作频带内具有良好的阻抗匹配特性，具有较低的后向辐射，极化纯度较高，增益稳定，在整个工作频带内的平均增益高，可推广使用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种新型的宽频带磁偶极子天线，其特征在于，包括接地层、一对金属贴片和弯折馈电线片，所述接地层为正方形金属片，所述金属贴片整体呈直角金属片状，所述金属贴片的一端垂直于所述接地层，两个金属贴片镜像对称设置在接地层上，两个所述金属贴片垂直于所述接地层的一侧在相对的位置设置有横向弯折凹陷部，所述金属贴片上沿金属贴片的长度方向均匀布设有三个矩形谐振窗口；所述弯折馈电线片垂直于接地层设置在两个金属贴片之间，所述弯折馈电线片与金属贴片等高且弯折馈电线片贴近接地层的一端与同轴线的内芯连接，所述弯折馈电线片上依次设置有第一弯折部、第二弯折部、第三弯折部和第四弯折部，四个弯折部两两垂直在弯折馈电线片上形成两个矩形阶梯台。

优选的，所述接地层的边长为150mm，所述矩形谐振窗口的下端距接地层11.5mm，位于两侧的矩形谐振窗口的外侧边距金属贴片边缘的距离为6.5mm，矩形谐振窗口的长宽尺寸为7×6mm，相邻所述矩形谐振窗口之间的间距为13mm。

优选的，所述金属贴片的长度为60mm、宽度为30mm、高度为30mm，两个金属贴片之间的距离为13mm。

优选的，所述弯折馈电线片的宽度为4.91mm、高度为30mm，所述第一弯折部长度为9.73mm，所述第二弯折部的长度为10mm，第三弯折部的长度为1.08mm，所述第四弯折部的长度为1.72mm，所述弯折馈电线片连接同轴线的一侧与金属贴片的距离为1mm，所述横向弯折凹陷部为矩形槽且横向弯折凹陷部的下端距接地层26.4mm，所述横向弯折凹陷部的长宽高尺寸为60×11×1.8mm。

优选的，所述同轴线的阻抗为50Ω，同轴线的内芯材质为氯化聚乙烯，半径为0.125mm；同轴线的填充半径为0.425mm，填充材质为特氟龙，所述接地层、金属贴片和弯折馈电线片均由铜加工制作而成。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明结构简单合理，加工制作成本低廉，安装方便，维护方便，在降低了成本的前提下还能有效提高天线性能，阻抗带宽显著增加，在工作频带内具有良好的阻抗匹配特性，具有较低的后向辐射，极化纯度较高，增益稳定。

2、本发明在金属贴片上开设三个矩形谐振窗口，在弯折馈电线片上设置四个直角弯折部，在整个工作频带内有稳定的辐射方向图，具有较低的后向辐射，极化纯度较高。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图。

图2是本发明的主视结构示意图。

图3是本发明的侧视结构示意图。

图4是本发明的俯视结构示意图。

图5是本发明中弯折馈电线片的结构示意图。

图6是本发明的主视尺寸标注对照图。

图7是本发明的侧视尺寸标注对照图。

图8是本发明的俯视尺寸标注对照图。

图9是不增加矩形谐振窗口、第三第四弯折部和横向弯折凹陷部的天线的S11曲线。

图10是不增加矩形谐振窗口、第三第四弯折部和横向弯折凹陷部的天线的天线方向图。

图11是增加第三第四弯折部的天线S11曲线。

图12是增加第三第四弯折部的天线方向图。

图13是增加横向弯折凹陷部的天线的S11曲线。

图14是本发明设计的天线的S11曲线。

图15是本发明设计的天线的E面和H面天线方向图。

图16是本发明设计的天线的增益曲线图。

附图标记说明：

1—接地层； 2—金属贴片； 3—弯折馈电线片；

4—同轴线； 5—横向弯折凹陷部； 6—矩形谐振窗口；

7—第一弯折部； 8—第二弯折部； 9—第三弯折部；

10—第四弯折部。

具体实施方式

如图1至图5所示，本发明包括水平放置的接地层1、一对金属贴片2和弯折馈电线片3，所述接地层1为正方形金属片，所述金属贴片2整体呈直角金属片状，所述金属贴片2的一端垂直于所述接地层1使金属贴片2形成一个水平段面和竖直段面，两个金属贴片2镜像对称设置在接地层1上，两个所述金属贴片2的竖直段面上相向开设有横向弯折凹陷部5，所述金属贴片2上沿金属贴片2的水平长度方向均匀布设有三个矩形谐振窗口6；所述弯折馈电线片3垂直于接地层1设置在两个金属贴片2之间，所述弯折馈电线片3与金属贴片2等高且弯折馈电线片3贴近接地层1的一端与同轴线4的内芯连接，所述弯折馈电线片3上依次设置有第一弯折部7、第二弯折部8、第三弯折部9和第四弯折部10，四个弯折部两两垂直在弯折馈电线片3上形成两个矩形阶梯台。

本实施例中，如图6至图8所示，所述接地层1的边长为150mm，所述矩形谐振窗口6的下端距接地层1的距离H＝11.5mm，位于两侧的矩形谐振窗口6的外侧边距金属贴片2竖直边缘的距离D_e＝6.5mm，矩形谐振窗口6的长宽尺寸l_g×w_g＝7×6mm，相邻所述矩形谐振窗口6之间的间距D＝13mm。所述金属贴片2的长度L＝60mm、宽度W＝30mm、高度h＝30mm，两个金属贴片2之间的距离S＝13mm。

本实施例中，所述弯折馈电线片3的宽度d＝4.91mm、高度h＝30mm，所述第一弯折部7长度a＝9.73mm，所述第二弯折部8的长度b＝10mm，第三弯折部9的长度n＝1.08mm，所述第四弯折部10的长度m＝1.72mm，所述弯折馈电线片3连接同轴线4的一侧与金属贴片2的距离c＝1mm，所述横向弯折凹陷部5为矩形槽且横向弯折凹陷部5的下端距接地层1h₁＝26.4mm，所述横向弯折凹陷部5的长与金属贴片2长度相同为60mm，宽l_f＝11，高为1.8mm。

本实施例中，所述同轴线4的阻抗为50Ω，同轴线4的内芯材质为氯化聚乙烯，半径为0.125mm；同轴线4的填充半径为0.425mm，填充材质为特氟龙，所述接地层1、金属贴片2和弯折馈电线片3均由铜加工制作而成。

对比例1

相对本发明无第三弯折部9、第四弯折部10、横向弯折凹陷部5和矩形谐振窗口6的天线，对其进行仿真，得到如图9和图10所示的S11曲线和天线方向图，该天线结构简单易于实现，采取耦合馈电方式，可以获得较大的频带宽度。但是该天线在低频段的特性不好，因此其阻抗带宽对于现代无线通信系统来说依旧不够宽。从该结构下中心频率的方向图可以看出，可以获得几乎一致的E面和H面方向图，但是其交叉极化比较大，后向辐射也比较高。

对比例2

在对比例1的基础上增加第三弯折部9和第四弯折部10，得到如图11和图12所示的S11曲线和天线方向图，对比例2提供的天线相比对比例1的天线低频特性得到了改善，并且获得了较低的交叉极化。但是该天线在中间频段的阻抗匹配特性依然不能达到通信要求。

对比例3

在对比例2的基础上增加横向弯折凹陷部5，得到如图13所示的天线S11曲线，对比例3提供的天线相较对比例2的天线中间频段的阻抗匹配得到了改善。

在对比例3的基础上为了得到更好的阻抗匹配特性，在金属贴片2即磁偶极子的垂直部分增加谐振窗口6。通过多次实验验证和仿真设计，对这三个优化设计部分尺寸与结构进行合理组合，最终得到本发明所述的一种新型的宽频带磁电偶极子天线。

如图14至图16所示，本发明设计的天线天线实现了76％(VSWR≤2)的阻抗带宽，其工作频带覆盖了1.44GHz-3.19GHz，与现有天线相比，专利天线结构简单、易于生产，但是性能得到提升，阻抗带宽拓宽了接近一倍，并且在工作频带内具有良好的阻抗匹配特性；在整个工作频带内有稳定的辐射方向图，E面与H面方向图几乎一致，具有较低的后向辐射，极化纯度较高；增益稳定，在整个工作频带内的平均增益超过8dBi。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (5)

1.一种新型的宽频带磁偶极子天线，其特征在于，包括接地层(1)、一对金属贴片(2)和弯折馈电线片(3)，所述接地层(1)为正方形金属片，所述金属贴片(2)整体呈直角金属片状，所述金属贴片(2)的一端垂直于所述接地层(1)，两个金属贴片(2)镜像对称设置在接地层(1)上，两个所述金属贴片(2)垂直于所述接地层(1)的一侧在相对的位置设置有横向弯折凹陷部(5)，所述金属贴片(2)上沿金属贴片(2)的长度方向均匀布设有三个矩形谐振窗口(6)；所述弯折馈电线片(3)垂直于接地层(1)设置在两个金属贴片(2)之间，所述弯折馈电线片(3)与金属贴片(2)等高且弯折馈电线片(3)贴近接地层(1)的一端与同轴线(4)的内芯连接，所述弯折馈电线片(3)上依次设置有第一弯折部(7)、第二弯折部(8)、第三弯折部(9)和第四弯折部(10)，四个弯折部两两垂直在弯折馈电线片(3)上形成两个矩形阶梯台。

2.根据权利要求1所述的一种新型的宽频带磁偶极子天线，其特征在于，所述金属贴片(2)的长度为60mm、宽度为30mm、高度为30mm，两个金属贴片(2)之间的距离为13mm。

3.根据权利要求1所述的一种新型的宽频带磁偶极子天线，其特征在于，所述接地层(1)的边长为150mm，所述矩形谐振窗口(6)的下端距接地层(1)11.5mm，位于两侧的矩形谐振窗口(6)的外侧边与金属贴片(2)边缘的距离为6.5mm，矩形谐振窗口(6)的长宽尺寸为7×6mm，相邻所述矩形谐振窗口(6)之间的间距为13mm。

4.根据权利要求1所述的一种新型的宽频带磁偶极子天线，其特征在于，所述弯折馈电线片(3)的宽度为4.91mm、高度为30mm，所述第一弯折部(7)长度为9.73mm，所述第二弯折部(8)的长度为10mm，第三弯折部(9)的长度为1.08mm，所述第四弯折部(10)的长度为1.72mm，所述弯折馈电线片(3)连接同轴线(4)的一侧与金属贴片(2)的距离为1mm，所述横向弯折凹陷部(5)为矩形槽且横向弯折凹陷部(5)的下端距接地层(1)26.4mm，所述横向弯折凹陷部(5)的长宽高尺寸为60×11×1.8mm。

5.根据权利要求1所述的一种新型的宽频带磁偶极子天线，其特征在于，所述同轴线(4)的阻抗为50Ω，同轴线(4)的内芯材质为氯化聚乙烯，半径为0.125mm；同轴线(4)的填充半径为0.425mm，填充材质为特氟龙，所述接地层(1)、金属贴片(2)和弯折馈电线片(3)均由铜加工制作。

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