CN112821049A - 一种全金属宽带波束可重构磁电偶极子天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种全金属宽带波束可重构磁电偶极子天线，属于天线技术领域。两个H形金属片作电偶极子和两个矩形金属片作磁偶极子，引入多谐振特性；馈电结构采用E形金属片和耦合矩形金属片，用以匹配多谐振特性的阻抗变化，拓展带宽；采用两层金属地板，上层金属地板为H形金属片和下层金属地板为方形金属片，可降低天线的剖面高度；为了实现波束的可重构特性，在两个H形金属片上加载四个开关型控制器件。最大的阻抗带宽达74.1％@2.7GHz，辐射波束可灵活地切换三个不同的方向。该天线设计具有成本低、剖面低、频带宽、增益高等优点，可应用于多种现代无线通信系统中。

Description

一种全金属宽带波束可重构磁电偶极子天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，涉及一种全金属宽带波束可重构磁电偶极子天线。
背景技术
现代无线通信受到用户间干扰或电子干扰的日益严重。解决这些问题的方法之一是使用可重构天线，其特性可以在频率、极化和波束方向图上进行重新配置。波束可重构天线因其具有发射/接收灵活方向可调的信号的优点而引起了人们的极大兴趣。这类天线可以根据系统要求和周围环境动态地调整其辐射特性，从而提高频谱利用率，同时有效地减小安装成本和安装空间。在这些移动系统中，天线需要根据流量分布的变化动态地改变其辐射波束的指向，从而帮助平衡不同小区之间的流量并提高容量效率，同时提高系统的信噪比。
波束可重构通常是通过在平面微带天线上加载控制器件来实现的。这种类型存在着增益低或带宽窄的缺点。虽然天线增益可以通过增加单元的数量来快速提高，但是馈源网络的复杂性或天线口面尺寸会随之增加，甚至还会引入传输损耗。另一种常见的方法是在天线口面上加可重构人工电磁表面。上述方法在实现波束可重构时可以提高增益，但共振条件会进一步限制其带宽。近年来，磁电偶极子天线由于能够同时激励起电偶极子和磁偶极子而受到了广泛的关注。通过控制加载在磁电偶极子天线结构上控制器件的状态，实现了可调的辐射方向图。
但目前而言，波束可重构磁电偶极子天线的研究成果非常有限。现有的波束可重构磁电偶极子天线存在着一定的性能局限：一、天线结构依赖介质，造成结构的不稳定；二、天线的带宽和增益偏低，不足以推广应用。因此，为了提高波束可重构磁电偶极子天线的辐射性能，降低成本，提高结构的稳定性，本发明提供一种全金属宽带波束可重构磁电偶极子天线。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种全金属宽带波束可重构磁电偶极子天线，利用全金属提供一种具体的天线结构，并通过在天线结构上加载控制器件实现波束方向图的改变，提高天线的带宽和增益，适应复杂的应用环境。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种全金属宽带波束可重构磁电偶极子天线，从上而下包括：
磁电偶极子辐射结构，是电偶极子辐射结构和磁偶极子辐射结构的构成，用于辐射电磁波；
开关型控制器件，加载在电偶极子辐射结构上，用于实现波束的可重构；
馈电结构，是由E形金属片和耦合矩形金属片构成，用于连接磁电偶极子辐射结构和金属探针，实现射频能量的传输；
金属探针，是圆柱形导体杆，连接馈电结构和射频接头；
上层金属地板,用于连接磁偶极子结构，降低磁偶极子的垂直高度；
金属支撑结构，位于上层金属地板和下层金属地板之间，起到支撑天线的作用；
下层金属地板，用于抑制天线的后向辐射；
射频接头，用以提供射频能量。
进一步，所述磁电偶极子辐射结构设置有电偶极子辐射结构和磁偶极子辐射结构；所述电偶极子辐射结构是H形金属片(1)和H形金属片(2)构成；所述H形金属片(1)和H形金属片(2)被水平放置在馈电结构的左右两端；所述H形金属片(1)和H形金属片(2)呈“H”字型且尺寸相同；所述磁偶极子辐射结构是矩形金属片(6)和矩形金属片(7)构成；所述矩形金属片(6)和矩形金属片(7)被垂直放置在馈电结构的两端；所述矩形金属片(6)和矩形金属片(7)呈矩形且尺寸相同；所述矩形金属片(6)和矩形金属片(7)的底端与上层金属地板(8)垂直相连，顶端与H形金属片(1)和H形金属片(2)垂直相连。
进一步，所述开关型控制器件(11～14)均被加载在H形金属片(1)和(2)结构上；所述每一个开关型控制器件可处于导通状态或截止状态；所述开关型控制器件(11～14)可以为PIN二极管、MEMS开关等。
进一步，所述馈电结构设置有E形金属片(3)和耦合矩形金属片(4)。
进一步，所述E形金属片(3)呈“E”字型，用以提高阻抗带宽；所述E形金属片(3)与H形金属片(1)和H形金属片(2)共面，并与H形金属片(1)相连；
进一步，所述耦合矩形金属片(4)呈矩形，与H形金属片(1)和H形金属片((2)共面；所述耦合矩形金属片(4)的左端与E形金属片(3)相连；
进一步，所述金属探针(5)是直径为9毫米的圆柱形导体杆；所述金属探针(5)的顶端与耦合矩形金属片(4)垂直相连；所述金属探针(5)的底端与射频接头(15)的内导体连接。
进一步，所述上层金属地板(8)呈“H”字型，与矩形金属片(6)和矩形金属片(7)垂直相连，用于将磁偶极子的垂直高度从四分之一波长降低至0.144波长；
进一步，所述下层金属地板(10)呈方形，边长为129毫米；所述下层金属地板(10)放置在上层金属地板(8)的下方，并与上层金属地板(8)距离7毫米；所述下层金属地板(10)与上层金属地板(8)不共面，但相互平行；所述下层金属地板(10)的底端与射频接头(15)的外导体连接。
进一步，金属支撑结构(9)是中心开方形孔的方形金属块；所述金属支撑结构(9)位于上层金属地板(8)和下层金属地板(10)之间，起到连接和固定的作用；
进一步，所述射频接头(15)是提供射频能量，阻抗为50欧姆；所述射频接头(15)可以为同轴接头，或SMA接头。
进一步，所述磁电偶极子辐射结构、金属探针、馈电结构、上层金属地板、金属支撑结构和下层金属地板(1～10)都是不锈钢材质。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明的电偶极子采用H形金属片，易与控制器件结合，实现可重构性；
(2)本发明的控制器件采用开关型器件，降低天线的复杂度和成本；
(3)本发明通过控制加载在天线上四个控制器件的导通或截止状态，构成不同的电流分布，实现波束的可重构；
(4)本发明的馈电结构采用E形金属片与耦合矩形金属片，提高阻抗带宽。
(5)本发明的金属地板采用两层结构设计，分别为上层金属地板和下层金属地板，并且上层金属地板呈“H”字型，降低磁偶极子结构的垂直高度；
(6)本发明的下层金属地板采用大尺寸，抑制天线的后向辐射；
(7)本发明的磁电偶极子辐射结构、金属探针、馈电结构、上层金属地板、金属支撑结构和下层金属地板均采用不锈钢，降低成本和提高天线的稳定性；
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明全金属宽带波束可重构磁电偶极子天线整体结构示意图；
图2为本发明全金属宽带波束可重构磁电偶极子天线的侧视图；
图3为本发明全金属宽带波束可重构磁电偶极子天线的所用四个开关型控制器件的三种状态图；
图4为本发明全金属宽带波束可重构磁电偶极子天线的端口阻抗实部曲线图；
图5为本发明全金属宽带波束可重构磁电偶极子天线的端口阻抗虚部曲线图；
图6为本发明全金属宽带波束可重构磁电偶极子天线的反射系数曲线图；
图7为本发明全金属宽带波束可重构磁电偶极子天线工作2.7GHz的电流分布图；
图8为本发明全金属宽带波束可重构磁电偶极子天线工作2.7GHz的YOZ面(E面)辐射方向图；
图9为本发明全金属宽带波束可重构磁电偶极子天线的增益曲线图；
附图标记：1-H形金属片，2-H形金属片，3-E形金属片，4-耦合矩形金属片，5-金属探针，6-矩形金属片，7-矩形金属片，8-上层金属地板，9-金属支撑结构，10-下层金属地板，11～14-开关型控制器件，15-射频接头。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
如图1和图2所示，一种全金属宽带波束可重构磁电偶极子天线，从上而下包括：磁电偶极子结构、开关型控制器件、馈电结构、金属探针、上层金属地板，金属支撑结构和下层金属地板。
所述磁电偶极子结构设置有电偶极子结构和磁偶极子结构；所述电偶极子结构是由H形金属片(1)和H形金属片(2)构成；所述H形金属片(1)和H形金属片(2)的尺寸相同；所述每一个H形金属片是通过在矩形金属片(78毫米×28毫米)上开两个对称的矩形槽(24毫米×6毫米)构成H形状；所述H形金属片(1)和H形金属片(2)是对称地放置在馈电结构的左右两端；所述磁偶极子结构是由矩形金属片(6)和矩形金属片(7)构成；所述的矩形金属片(6)和矩形金属片(7)的尺寸相同，长度和宽度分别为78毫米和16毫米；所述电偶极子结构和所述磁偶极子结构是相互垂直放置。
所述开关型控制器件(11～14)采用一共有四个，分别加载在H形金属片(1)和H形金属片(2)上；每一个开关型控制器件(11～14)的状态可切换为导通或截止状态；通过控制四个开关型控制器件的状态，在电偶极子结构上构成三种电流分布。
所述馈电结构设置有E形金属片(3)和耦合矩形金属片(4)；所述E形金属片(3)呈“E”字型，与两个H形金属片共面，长度和宽度分别为78毫米和11毫米；所述耦合矩形金属片呈矩形，长度和宽度分别为19毫米和13毫米，并与E形金属片(3)共面；所述耦合矩形金属片的左端与水平H形金属片(1)相连，
所述金属探针(5)设置为直径为9毫米圆柱形导体杆，长度为21毫米；所述金属探针(5)的顶端与耦合矩形金属片(4)垂直相连；所述金属探针(5)的底端与射频接头(15)的内导体连接。
所述上层金属地板(8)通过在矩形金属片(78毫米×28毫米)上开两个相同的矩形槽(9毫米×4毫米)，构成了H形；所述上层金属地板(8)与矩形金属片(6)和矩形金属片(7)垂直相连，用于将磁偶极子的垂直高度从四分之一波长降低至0.144波长；
所述下层金属地板(10)呈方形，边长为129毫米；所述下层金属地板(10)放置在上层金属地板(8)的下方，并与上层金属地板(8)距离7毫米；所述下层金属地板(10)与上层金属地板(8)不共面，但相互平行；所述下层金属地板(10)的底端与射频接头(15)的外导体连接。
所述金属支撑结构(9)是中心开方形孔的方形金属块，长宽高分别为15毫米，15毫米和7毫米；所述金属支撑结构(9)位于上层金属地板(8)和下层金属地板(10)之间，起到连接和固定的作用；
所述射频接头(15)是采用阻抗为50欧姆的同轴接头，为天线提供射频能量。
在本发明中，磁电偶极子结构、馈电结构、金属探针、上层金属地板，金属支撑结构，下层金属地板都是采用不锈钢材质。
图3是本发明全金属宽带波束可重构磁电偶极子天线上四个开关型控制器件的三种状态；导通状态代表控制器件允许电流通过，截止状态代表控制器件不允许电流通过。
图4是本发明全金属宽带波束可重构磁电偶极子天线的端口阻抗实部曲线图；可以看见，该天线的三种状态在频段2GHz到4.5GHz下阻抗实部在50欧姆值左右变化。
图5是本发明全金属宽带波束可重构磁电偶极子天线的端口阻抗虚部曲线图，可以看见，该天线的三种状态在频段2GHz到4.5GHz的阻抗虚部接近0欧姆值。由图4和图5可见，三种状态的阻抗实部与射频接头的50欧姆阻抗实现了良好的匹配，同时三种状态的阻抗虚部接近于0。
图6是本发明全金属宽带波束可重构磁电偶极子天线的反射系数曲线图；可以看见，三种状态下-10dB阻抗带宽分别覆盖2.2GHz到4.1GHz，2.1GHz到4.1GHz和2.3GHz到4.0GHz。最大带宽可达2GHz，最大相对带宽百分比可达74.1％@2.7GHz，由此验证该天线具有宽带性能。
图7是本发明全金属宽带波束可重构磁电偶极子天线工作2.7GHz的电流分布图；可以看见，当开关型控制器件处于不同状态时，电偶极子的电流分布发生改变。
图8是本发明全金属宽带波束可重构磁电偶极子天线工作2.7GHz的YOZ面(E面)辐射方向图；可以看见，三种状态下的辐射波束在工作频点2.7GHz分别指向-23°，20°和33°。由图7和图8可知，该天线通过改变开关型控制器件的状态，构成不同的电流分布，实现波束的可重构。
图9是本发明全金属宽带波束可重构磁电偶极子天线的增益曲线图；可以看见，三种状态的增益在2.7GHz的增益分别是9.1dBi，8.7dBi和9.4dBi，并且在2GHz到4GHz频段上的增益变化大于5dBi。
本发明旨在提出一种全金属宽带波束可重构磁电偶极子天线。采用H形金属片和矩形金属片作磁电偶极子结构，再在H形金属片结构上加载四个开关型控制器件，通过改变开关型控制器件的状态，构成了三种电流分布，实现三种波束方向图。为了提高不同状态下的阻抗匹配，采用E形金属片和耦合矩形金属片作馈电结构。为了降低磁偶极子的垂直高度，采用上下两层金属地板，并在上层金属地板边缘上开对称的矩形槽，构成H形金属地板。为了连接上下层金属地板，采用开方形孔的金属块做支撑。为了降低成本和提高稳定性，天线结构采用不锈钢材质。相比已有的波束可重构天线结构，本发明在剖面高度、成本、带宽和增益上具有优势。
本发明全金属宽带波束可重构磁电偶极子天线的其它构成以及作用对于本领域的技术人员而言都是已知的，为了减少冗余，不做赘述。
最后说明的是，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，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种全金属宽带波束可重构磁电偶极子天线，其特征从上到下依次包括：
磁电偶极子辐射结构，是电偶极子辐射结构和磁偶极子辐射结构的构成，用于辐射电磁波；
开关型控制器件，加载在电偶极子辐射结构上，用于实现波束的可重构；
馈电结构，是由E形金属片和耦合矩形金属片构成，用于连接磁电偶极子辐射结构和金属探针，实现射频能量的传输；
金属探针，是圆柱形导体杆，用于连接射频结构和馈电结构，实现能量的传输；
上层金属地板,用于连接磁偶极子结构，降低磁偶极子的垂直高度；
金属支撑结构，位于上层金属地板和下层金属地板之间，起到支撑天线的作用；
下层金属地板，用于抑制天线的后向辐射；
射频接头，用以提供射频能量。
2.根据权利要求1所述的全金属宽带波束可重构磁电偶极子天线，其特征在于，所述磁电偶极子辐射结构设置有电偶极子辐射结构和磁偶极子辐射结构；所述电偶极子辐射结构是H形金属片(1)和H形金属片(2)构成；所述H形金属片(1)和H形金属片(2)被水平放置在馈电结构的左右两端；所述H形金属片(1)和H形金属片(2)呈“H”字型且尺寸相同；所述磁偶极子辐射结构是矩形金属片(6)和矩形金属片(7)构成；所述矩形金属片(6)和矩形金属片(7)被垂直放置在馈电结构的左右两端；所述矩形金属片(6)和矩形金属片(7)呈矩形且尺寸相同；所述矩形金属片(6)和矩形金属片(7)的底端与上层金属地板(8)垂直相连，顶端与H形金属片(1)和H形金属片(2)垂直相连。
3.根据权利要求1所述的全金属宽带波束可重构磁电偶极子天线，其特征在于，所述开关型控制器件(11～14)均被加载在H形金属片(1)和(2)结构上；所述每一个开关型控制器件可处于导通状态或截止状态；所述开关型控制器件(11～14)可以为PIN二极管、MEMS开关等控制器件。
4.根据权利要求1所述的全金属宽带波束可重构磁电偶极子天线，其特征在于，所述馈电结构设置有E形金属片(3)和耦合矩形金属片(4)。所述E形金属片(3)呈“E”字型，用以提高阻抗带宽；所述E形金属片(3)与H形金属片(1)共面，并与H形金属片(1)相连；所述耦合矩形金属片(4)呈矩形，与H形金属片(1)共面；所述耦合矩形金属片(4)的左端与E形金属片(3)相连。
5.根据权利要求1所述的全金属宽带波束可重构磁电偶极子天线，其特征在于，所述金属探针(5)是圆柱形导体杆；所述金属探针(5)的顶端与耦合矩形金属片(4)垂直相连；所述金属探针(5)的底端与射频接头(15)的内导体连接。
6.根据权利要求1所述的全金属宽带波束可重构磁电偶极子天线，其特征在于，所述上层金属地板(8)呈“H”字型，与矩形金属片(6)和矩形金属片(7)垂直相连，用于将磁偶极子的垂直高度从四分之一波长降低至0.144波长；所述下层金属地板(10)呈方形；所述下层金属地板(10)放置在上层金属地板(8)的下方；所述下层金属地板(10)与上层金属地板(8)不共面，但相互平行。
7.根据权利要求1所述的全金属宽带波束可重构磁电偶极子天线，其特征在于，所述金属支撑结构(9)是中心开方形孔的方形金属块；所述金属支撑结构(9)位于上层金属地板(8)和下层金属地板(10)之间，起到连接和固定的作用。
8.根据权利要求1所述的全金属宽带波束可重构磁电偶极子天线，其特征在于，所述射频接头(15)是提供射频能量，可以为SMA接头，也可以是SMP接头。
9.根据权利要求1所述的全金属宽带波束可重构磁电偶极子天线，其特征在于，所述磁电偶极子辐射结构、馈电结构、金属探针、上层金属地板、金属支撑结构和下层金属地板(1～10)都是不锈钢材质，用以降低成本和提高天线的稳定性。
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