CN112117534A - 一种基于pcb的高隔离度双极化磁电偶极子天线及优化方法 - Google Patents

一种基于pcb的高隔离度双极化磁电偶极子天线及优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于PCB的高隔离度双极化磁电偶极子天线及优化方法，包括，介质基板，用于提供各元件之间的电气化连接，其包括基孔和地板，基孔内嵌于介质基板的中心位置并将电磁波信号耦合到贴片单元中；贴片单元放置于介质基板的上表面，用于构建电偶极子，其包括辐射贴片和交叉件，辐射贴片有四个且与交叉件形成的四分之一波长孔径等效为磁偶极子；馈电单元设置于介质基板的上表面与贴片单元相交叉，呈叉形微带结构。本发明中的馈电结构采用叉形微带馈电形式和H形孔径耦合，其具有较高的谐振阻抗、良好的交叉极化性能和隔离度。

Description

一种基于PCB的高隔离度双极化磁电偶极子天线及优化方法
技术领域
本发明涉及毫米波天线技术领域，尤其涉及一种基于PCB的高隔离度双极化磁电偶极子天线及优化方法。
背景技术
随着通信技术的不断发展，未来对移动通信宽带天线的需求越来越大，也因各种原因对天线提出更高要求，比如天线能有一个比较宽的工作频带，增益再频带内变化不大，同时要抑制交叉极化，在E面和H面的方向图相似度越高越好，更要考虑到天线的体积和制造成本，有时还要考虑天线对周围环境的辐射。
印刷电路板(PCB)结构大体为一块嵌有电子元件的介质基板，其主要作用是提供其上各元件的电气化连接，板材本身由绝缘隔热不易弯曲的材质构成，其表面覆有不同形状的铜箔，原本铜箔是完全覆盖满整个介质基板的，再制造过程中根据需要将部分铜箔蚀刻掉形成所需要的金属结构。
微带线由于其低成本、体积小、可靠性高等特点，被广泛应用于平面微博集成电路中。影响其损耗的因素主要有三个：介质损耗、导体损耗和辐射损耗。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。
因此，本发明提供了一种基于PCB的高隔离度双极化磁电偶极子天线及优化方法，能够解决毫米波天线带宽较窄、加工成本较高、隔离度较低、优化性能不强的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：包括，介质基板，用于提供各元件之间的电气化连接，其包括基孔和地板，所述基孔内嵌于所述介质基板的中心位置并将电磁波信号耦合到贴片单元中；所述贴片单元放置于所述介质基板的上表面，用于构建电偶极子，其包括辐射贴片和交叉件，所述辐射贴片有四个且与所述交叉件形成的四分之一波长孔径等效为磁偶极子；馈电单元设置于所述介质基板的上表面与所述贴片单元相交叉，呈叉形微带结构。
作为本发明所述的基于PCB的高隔离度双极化磁电偶极子天线的一种优选方案，其中：所述介质基板有三层，且利用固化片H相互连接。
作为本发明所述的基于PCB的高隔离度双极化磁电偶极子天线的一种优选方案，其中：所述地板嵌入设置于所述介质基板三层中的反面，与所述基孔耦合传输所述电磁波信号。
作为本发明所述的基于PCB的高隔离度双极化磁电偶极子天线的一种优选方案，其中：所述基孔包括一孔和二孔，所述一孔由两个呈H形的孔径组合成十字型的孔径。
作为本发明所述的基于PCB的高隔离度双极化磁电偶极子天线的一种优选方案，其中：所述地板与所述辐射贴片之间设置有金属化过孔G，其高度为λg/4mm。
作为本发明所述的基于PCB的高隔离度双极化磁电偶极子天线的一种优选方案，其中：所述贴片单元设置于所述介质基板的第一层正面，所述辐射贴片的长度为二分之一介质波长，且四个所述辐射贴片相互形成所述磁偶极子。
作为本发明所述的基于PCB的高隔离度双极化磁电偶极子天线的一种优选方案，其中：所述辐射贴片与所述交叉件形成的所述四分之一孔径等效为所述磁偶极子，且所述交叉件用于改善天线耦合馈电的回波损耗。
作为本发明所述的基于PCB的高隔离度双极化磁电偶极子天线的一种优选方案，其中：所述馈电单元有两个且宽度与长度相同，分别设置于所述介质基板的第二层正面和第三层正面并相互垂直，用于改善所述天线的交叉化性能。
作为本发明所述的基于PCB的高隔离度双极化磁电偶极子天线的一种优选方案，其中：位于所述第三层的所述馈电单元与所述二孔垂直，且所述一孔内的一个孔径与所述二孔平行且大小相同。
作为本发明所述的基于PCB的高隔离度双极化磁电偶极子优化方法的一种优选方案，其中：包括，初始化所述磁电偶极子参数；基于目标优化策略构建优化模型；从历史数据库中选取每一维向量取值范围内的随机值作为候选量；利用所述优化模型计算所述数据库中全部的所述候选量的适应度；根据优化结果生成最优解并更新至所述数据库中。
本发明的有益效果：本发明通过将4个辐射贴片用交叉部分连接，能够改善传统孔径耦合引起的阻抗匹配较差问题，同时，磁电偶极子能够有效提高天线的带宽，并有效辐射口径面积，提高天线单元的增益；另一方面，本发明中的馈电结构采用叉形微带馈电形式和H形孔径耦合，其具有较高的谐振阻抗、良好的交叉极化性能和耦合效率；最后，本发明通过采样优化模型生成目标最优解，大大提高耦合优化效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明第一个实施例所述的基于PCB的高隔离度双极化磁电偶极子天线的结构示意图；
图2为本发明第一个实施例所述的基于PCB的高隔离度双极化磁电偶极子天线的模块结构分布示意图；
图3为本发明第一个实施例所述的基于PCB的高隔离度双极化磁电偶极子天线的隔离度曲线对比示意图；
图4为本发明第二个实施例所述的基于PCB的高隔离度双极化磁电偶极子优化方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
磁电偶极子天线由磁偶极子和电偶极子互补构成，天线方向的E面和H面重合度高，超宽带也是磁电偶极子天线的一大特点，然而，目前磁电偶极子天线存在有效定位范围不够大、隔离度不高的问题，提高天线的波束宽度往往又会导致天线的增益降低，因此，同时提高天线的增益和波束宽度是当前研究的重点。
参照图1、图2和图3，为本发明的第一个实施例，该实施例提供了一种基于PCB的高隔离度双极化磁电偶极子天线，包括：
介质基板100，用于提供各元件之间的电气化连接，其包括基孔101和地板102，基孔101内嵌于介质基板100的中心位置并将电磁波信号耦合到贴片单元200中；贴片单元200放置于介质基板100的上表面，用于构建电偶极子，其包括辐射贴片201和交叉件202，辐射贴片201有四个且与交叉件202形成的四分之一波长孔径等效为磁偶极子；馈电单元300设置于介质基板100的上表面与贴片单元200相交叉，呈叉形微带结构。
较佳的，还需要具体说明的是，介质基板100有三层，且利用固化片H相互连接，基孔101包括一孔101a和二孔101b，一孔101a由两个呈H形的孔径组合成十字型的孔径，地板102嵌入设置于介质基板100三层中的反面，与基孔101耦合传输电磁波信号，地板102与辐射贴片201之间设置有金属化过孔G，其高度为λg/4mm；贴片单元200设置于介质基板100的第一层正面，辐射贴片201的长度为二分之一介质波长，且四个辐射贴片201与交叉件202形成的四分之一孔径等效为磁偶极子，且交叉件202用于改善天线耦合馈电的回波损耗；馈电单元300有两个且宽度与长度相同，分别设置于介质基板100的第二层正面和第三层正面并相互垂直，用于改善天线的交叉化性能，且位于第三层的馈电单元300与二孔101b垂直，一孔101a内的一个孔径与二孔101b平行且大小相同。
进一步需要说明的是，本发明中的天线由双馈电口形成双极化，通过位于中心位置的基孔101将信号耦合到辐射贴片201上，但是，基板2(介质基板有3个，分别为基板1、基板2和基板3)上的孔径不能在基板1中激发行波，因此实现两个输入端口之间的高隔离度；由于馈电单元300全部在地板102之下，在其他PCB层板上实现，所以与辐射部分的独立性更强，与此同时，地平面上的金属化过孔G容易制作，由于不同层之前没有盲孔或埋入金属孔，所以每一层都可以先制作再将所有层堆叠在一起，便于构建多个多层结构。
优选的，本实施例还需要说明的是，现有的磁电偶极子天线的主要模块结构包括，功率分配器、金属地、介质板、馈电结构和天线单元，其中，还包括，两个相对排列垂直于介质板的寄生单极子、竖直磁壁，馈电结构通过介质板上的过孔连接于功率分配器，且连接于寄生单极子下端与竖直磁壁下端之间的固定连接结构，用于将寄生单极子与竖直磁壁固定于介质板上，该天线结构虽然具有宽波束超宽带的特点，但是却不能提高天线的增益，降低成本需求，且该天线结构主要解决的技术问题是如何提高天线的室内有效定位范围。
为了更好的对本发明方法中采用的技术效果加以验证说明，本实施例选择以传统的磁电偶极子天线与本发明进行对比测试，以科学论证的手段对比试验结果，以验证本发明所具有的真实效果；传统的磁电偶极子天线结构复杂、制作成本较高、耦合性能差、隔离度不高，为验证本发明相对于传统方案具有较高的隔离度、耦合效率、天线增益和较低的制作成本，本实施例中将采用传统天线结构与本发明分别对天线的隔离度进行实时测量对比。
测试条件：(1)采用矢量网络分析仪对天线单元两个端口的隔离度进行测试；
(2)测试起始频点为28GHz，终止频点为30GHz，步进0.1GHz；
(3)停止测试时记录隔离度数据，绘制隔离度曲线示意图。
参照图3，为最终测试输出的隔离度曲线示意图，其中，图中上方的方形实线为本发明天线的隔离度，图中下方的菱形实线为传统天线的隔离度，根据图3的示意，能够直观的看出，菱形实线的走势波动较大，起伏不定，且呈下降趋势，而方形实线的走势相较于菱形实线而言，波动较小，且方形实线一直与菱形实线保持一定差距并稳定在菱形实线的上方，说明了本发明天线的隔离度大于传统天线的隔离度，验证了本发明的真实效果。
实施例2
参照图4，为本发明的第二个实施例，该实施例不同于第一个实施例的是，提供了一种基于PCB的高隔离度双极化磁电偶极子优化方法，包括：
S1：初始化磁电偶极子参数。其中需要说明的是，参数包括：
中心频点、天线面积、介质基板材质、介质基板厚度、贴片厚度。
S2：基于目标优化策略构建优化模型。本步骤需要说明的是：
选取径向基函数作为优化模型的目标函数，如下，
Figure BDA0002650998640000061
其中，x＝{x1；x2；…；x14}：影响历史数据库的幅频特性向量组成的幅频特性矩阵，y：历史数据库的幅频特性向量，σ：核宽度，即候选量的分布或范围特性。
S3：从历史数据库中选取每一维向量取值范围内的随机值作为候选量。其中还需要说明的是：
取值范围定义为[0,1]，即生成0到1之间的随机数。
S4：利用优化模型计算数据库中全部的候选量的适应度。本步骤还需要说明的是，优化模型设置于贴片单元200内，计算候选量的适应度，生成最优目标值，具体的，部分运行代码示意如下：
function fitvalue＝calfitvalue(objvalue)％计算候选量的适应度
global Cmin；全局变量声明
Cmin＝0；％适应度最小值
[px,py]＝size(objvalue)；
fori＝1:px
ifobjvalue(i)+Cmin>0％如果函数值小于0，则适应度为0.否则为函数值
temp＝Cmin+objvalue(i)；
else
temp＝0.0；
end
fitvalue(i)＝temp
end
fitvalue＝fitvalue'
S5：根据优化结果生成最优解并更新至数据库中。其中还需要具体说明的是：
贴片单元200内的优化模型根据耦合形成的磁电偶极子进行优化运算；
分别获取当前磁电偶极子参数和历史磁电偶极子参数并做以比较；
馈电单元300执行代码操作，开始运算；
根据运算结果反馈到贴片单元200内的优化模型中，生成最优目标解。
应当认识到，本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。所述方法可以使用标准编程技术-包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质在计算机程序中实现，其中如此配置的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作——根据在具体实施例中描述的方法和附图。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。
此外，可按任何合适的顺序来执行本文描述的过程的操作，除非本文另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本文描述的过程(或变型和/或其组合)可在配置有可执行指令的一个或多个计算机系统的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。所述计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。
进一步，所述方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的各方面可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、RAM、ROM等，使得其可由可编程计算机读取，当存储介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文所述步骤的指令或程序时，本文所述的发明包括这些和其他不同类型的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本发明所述的方法和技术编程时，本发明还包括计算机本身。计算机程序能够应用于输入数据以执行本文所述的功能，从而转换输入数据以生成存储至非易失性存储器的输出数据。输出信息还可以应用于一个或多个输出设备如显示器。在本发明优选的实施例中，转换的数据表示物理和有形的对象，包括显示器上产生的物理和有形对象的特定视觉描绘。
如在本申请所使用的，术语“组件”、“模块”、“系统”等等旨在指代计算机相关实体，该计算机相关实体可以是硬件、固件、硬件和软件的结合、软件或者运行中的软件。例如，组件可以是，但不限于是：在处理器上运行的处理、处理器、对象、可执行文件、执行中的线程、程序和/或计算机。作为示例，在计算设备上运行的应用和该计算设备都可以是组件。一个或多个组件可以存在于执行中的过程和/或线程中，并且组件可以位于一个计算机中以及/或者分布在两个或更多个计算机之间。此外，这些组件能够从在其上具有各种数据结构的各种计算机可读介质中执行。这些组件可以通过诸如根据具有一个或多个数据分组(例如，来自一个组件的数据，该组件与本地系统、分布式系统中的另一个组件进行交互和/或以信号的方式通过诸如互联网之类的网络与其它系统进行交互)的信号，以本地和/或远程过程的方式进行通信。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种基于PCB的高隔离度双极化磁电偶极子天线，其特征在于：包括，
介质基板(100)，用于提供各元件之间的电气化连接，其包括基孔(101)和地板(102)，所述基孔(101)内嵌于所述介质基板(100)的中心位置并将电磁波信号耦合到贴片单元(200)中；
所述贴片单元(200)放置于所述介质基板(100)的上表面，用于构建电偶极子，其包括辐射贴片(201)和交叉件(202)，所述辐射贴片(201)有四个且与所述交叉件(202)形成的四分之一波长孔径等效为磁偶极子；
馈电单元(300)设置于所述介质基板(100)的上表面与所述贴片单元(200)相交叉，呈叉形微带结构。
2.如权利要求1所述的基于PCB的高隔离度双极化磁电偶极子天线，其特征在于：所述介质基板(100)有三层，且利用固化片H相互连接。
3.如权利要求1或2所述的基于PCB的高隔离度双极化磁电偶极子天线，其特征在于：所述地板(102)嵌入设置于所述介质基板(100)三层中的反面，与所述基孔(101)耦合传输所述电磁波信号。
4.如权利要求3所述的基于PCB的高隔离度双极化磁电偶极子天线，其特征在于：所述基孔(101)包括一孔(101a)和二孔(101b)，所述一孔(101a)由两个呈H形的孔径组合成十字型的孔径。
5.如权利要求4所述的基于PCB的高隔离度双极化磁电偶极子天线，其特征在于：所述地板(102)与所述辐射贴片(201)之间设置有金属化过孔G，其高度为λg/4mm。
6.如权利要求1或5所述的基于PCB的高隔离度双极化磁电偶极子天线，其特征在于：所述贴片单元(200)设置于所述介质基板(100)的第一层正面，所述辐射贴片(201)的长度为二分之一介质波长，且四个所述辐射贴片(201)相互形成所述磁偶极子。
7.如权利要求6所述的基于PCB的高隔离度双极化磁电偶极子天线，其特征在于：所述辐射贴片(201)与所述交叉件(202)形成的所述四分之一孔径等效为所述磁偶极子，且所述交叉件(202)用于改善天线耦合馈电的回波损耗。
8.如权利要求1所述的基于PCB的高隔离度双极化磁电偶极子天线，其特征在于：所述馈电单元(300)有两个且宽度与长度相同，分别设置于所述介质基板(100)的第二层正面和第三层正面并相互垂直，用于改善所述天线的交叉化性能。
9.如权利要求8所述的基于PCB的高隔离度双极化磁电偶极子天线，其特征在于：位于所述第三层的所述馈电单元(300)与所述二孔(101b)垂直，且所述一孔(101a)内的一个孔径与所述二孔(101b)平行且大小相同。
10.一种基于PCB的高隔离度双极化磁电偶极子优化方法，其特征在于：包括，
初始化磁电偶极子参数；
基于目标优化策略构建优化模型；
从历史数据库中选取每一维向量取值范围内的随机值作为候选量；
利用所述优化模型计算所述数据库中全部的所述候选量的适应度；
根据优化结果生成最优解并更新至所述数据库中。
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