CN113078459A - 一种低剖面宽带圆极化磁电偶极子天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种低剖面宽带圆极化磁电偶极子天线，属于天线技术领域。该天线通过创新性地设计磁偶极子天线的矩形金属片上设置缝隙，延长了磁偶极子天线的电流路径，使得天线剖面高度由常规的0.25λ降低至0.11λ(λ为中心频率时的空间波长)，有效克服了圆极化磁电偶极子天线剖面较高的缺陷；并且降低剖面高度的同时不会增加三维结构的复杂性，使得该天线还具有结构简单、易于批量加工的优势，除此之外，天线仍旧保持了大带宽、辐射增益高、方向图对称和背向辐射小等优势。

Description

一种低剖面宽带圆极化磁电偶极子天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，具体涉及一种低剖面宽带圆极化磁电偶极子天线。

背景技术

圆极化天线具备的独特性能使其在很多领域具有特殊的作用，例如：在雷达系统中采用圆极化天线，可以抑制空气中的小分子和颗粒如云、雨、雾等产生的干扰；在空间测量、卫星通信中，线极化波在通过电离层时会产生法拉第电磁旋转效应，将会导致接收端信号衰减，而采用圆极化波就可以避免这种衰减；同时，由于线极化波可以分解为两个旋向相反、幅度相同的圆极化波，因此圆极化更容易实现极化匹配。因此，圆极化天线在各种电子系统中得到了广泛的应用。近年来，随着通信技术的快速发展，工程应用中对大带宽通信的需求越来越迫切，这也推动着圆极化天线向宽阻抗带宽和宽轴比带宽方向发展。

磁电偶极子天线自提出以来就因其大带宽、低后瓣和稳定的定向辐射特性受到了广泛的关注，众多学者也针对这类天线的圆极化特性开展了深入的研究，产生了许多性能较好的圆极化磁电偶极子天线。然而，以往的这些研究主要集中于如何通过设计天线结构来实现圆极化特性上，设计中并未采取任何降低剖面的措施，因此已有的圆极化磁电偶极子天线仍然存在着剖面较高、空间体积大的缺点，极大的限制了其在现代无线通信系统的应用。若在设计圆极化磁电偶极子天线的同时，开展低剖面的研究，克服其剖面较高的明显缺点，同时又具备宽阻抗带宽和宽轴比带宽特性，则可以更好的满足现代无线通信系统的需求。

发明内容

针对背景技术所存在的问题，本发明的目的在于提供一种低剖面宽带圆极化磁电偶极子天线。该天线通过在磁偶极子天线的矩形金属片上设置缝隙，从而延长磁偶极子天线的电流路径，进而降低天线的整体的剖面高度，并且天线仍旧保持了大带宽的优势。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种低剖面宽带圆极化磁电偶极子天线，包括：水平放置的等效电偶极子天线、垂直于水平电偶极子天线的磁偶极子天线、介质基板和天线馈电部分；

所述水平电偶极子天线包括四个正方形水平金属贴片1，金属贴片设置于介质基板中心位置，呈2×2阵列排布；

所述磁偶极子天线包括矩形金属片2和金属地板3，矩形金属片2设置于每个正方形水平金属贴片与其它金属贴片相邻的两边并垂直向下延伸，矩形金属片2下方接触设置金属地板3，金属地板3设置于介质基板5上表面，且二者尺寸相同；所述每个矩形金属片2上设置n个缝隙，用于延长磁偶极子天线的电流路径，降低天线的剖面高度；

所述天线馈电部分包括SMA接头6、金属条带馈线7、铜柱8以及г型馈电结构4，金属条带馈线7位于介质基板5下表面，г型馈电结构4设置于金属地板3中心的上方，馈线7的输入端连接SMA接头6，输出端通过铜柱8与г型馈电结构4连接。

作为优选方式，缝隙的形状可以为任意形状，如矩形、三角形、圆弧形等；缝隙数量n≥2，设置于矩形金属片的两侧、中心，或两侧和中心。

作为优选方式，每个矩形金属片2上设置五个矩形缝隙，包括位于矩形金属片2中心的第五缝隙e，其长边与矩形金属片2的长边平行，以及关于第五缝隙e上下左右对称设置的第一缝隙a至第四缝隙d，第一缝隙a至第四缝隙d分别从矩形金属片2外边缘向中心延伸；矩形金属片2设置的五个矩形缝隙中，位于矩形金属片2两侧的第一缝隙a至第四缝隙d尺寸相同，并与位于矩形金属片2中心的第五缝隙e尺寸不同。

作为优选方式，所述г型馈电结构4包括两个金属条带m和n，每个金属条带都包括水平铜带k、设置于水平铜带k两端并与其垂直的第一垂直铜带j和第二垂直铜带l，其中，金属条带m和n的两个水平铜带k相互垂直，金属条带m和n的两个第一垂直铜带j通过铜柱8与馈线7的输出端连接，第二垂直铜带l不与金属地板接触。

作为优选方式，金属贴片的大小决定着电偶极子天线的工作频率；相邻金属贴片之间的间距影响磁偶极子天线的工作频率，具体为：金属贴片的尺寸越大，电偶极子天线的工作频率越低；相邻金属贴片之间的间距越大，磁偶极子天线的工作频率越低。

作为优选方式，每个正方形水平金属贴片边长为26mm；相邻两个正方形水平金属贴片1的矩形金属片之间的间距均为5.6mm。

作为优选方式，每个矩形金属片2的五个矩形缝隙中，第一缝隙a至第四缝隙d尺寸相同，高度都为1.7mm，宽度都为9.6mm，位于第五缝隙上方的两个缝隙距离矩形金属片2上边缘都为1.9mm，位于第五缝隙下方的两个缝隙距离矩形金属片2下边缘都为1.9mm，位于第五缝隙上方的两个缝隙和位于第五缝隙下方的两个缝隙之间的垂直距离为2.9mm；第五缝隙e位于矩形金属片2的中心，其高度为1.15mm，宽度为8mm。

作为优选方式，г型馈电结构4的两个金属条带m和n的结构相同，两个金属条带的宽度均为3.6mm，且与矩形金属片2的间距都为1mm，其中，金属条带m的第一垂直铜带j高度为9mm，金属条带n的第一垂直铜带j高度为8mm，金属条带m和金属条带n在正交点的垂直间距为1mm，水平铜带k长度均为20mm，第二垂直铜带l长度均为5.6mm。

作为优选方式，铜柱8的直径为1mm，高度为3mm。

作为优选方式，介质基板5的介电常数为2.2，厚度为1mm。

作为优选方式，所述正方形水平金属贴片1、矩形金属片2、г型馈电结构4均采用厚度0.3mm铜箔制作。

本发明的机理为：由矩形金属片2和中间的金属地板3组成的U型结构可等效为一个磁偶极子天线，在该低剖面圆极化磁电偶极子天线中，磁偶极子天线整个结构可以等效为两个相互垂直、十字交叉放置的磁偶极子天线，由于磁偶极子天线的高度决定了天线的整体高度，因此降低磁电偶极子天线剖面高度的实质是降低该U型结构的高度。磁电偶极子天线原型为互补源天线，由电偶极子天线和磁偶极子天线组合而成，两者须谐振于同一频带内整个天线结构才能正常工作。本发明磁电偶极子天线中的两个水平矩形金属片可等效为电偶极子天线，两个垂直矩形金属片和位于两者之间的地板组成的U型结构可等效为磁偶极子天线。其中，等效电偶极子天线的谐振电流沿窄边方向流动，等效磁偶极子天线的谐振电流沿U型结构流动。谐振电流的路径长度决定着谐振频率，因此电偶极子的谐振频率随着水平矩形金属片上电流路径总长度的变大而变小，磁偶极子天线的谐振频率随着U型结构上电流路径总长度的变大而变小。在进行低剖面设计时，为了保证天线工作于原有的工作频率，需要保证电偶极子天线和磁偶极子天线的谐振频率不变。当U型结构高度减小时，会导致该U型结构上的电流路径总长度变小，进而使磁偶极子天线的谐振频率变大。由于电偶极子天线的尺寸保持不变，其谐振频率没有改变，此时电偶极子天线和磁偶极子天线的谐振频率可能会不一致，进而导致整个磁电偶极子天线不能正常工作。因此在在降低U型结构高度的同时，必须采取其它延长电流路径的手段以保证电流路径总长度不变，使磁偶极子天线谐振在所需要的频率上。由于折叠或者倾斜垂直矩形金属片来延长电流路径会增加天线空间结构的复杂性，尤其是采用圆极化设计时其复杂程度将会比线极化磁电偶极子天线增加一倍以上，因此本发明通过在矩形金属片上设置缝隙，由于设置缝隙是在平面结构上进行，不会增加空间结构的复杂性，还能使得天线整体的剖面高度降低。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1.本发明提供了一种剖面显著降低的宽带圆极化磁电偶极子天线，在二维平面上设计矩形缝隙，使得天线剖面高度由常规的0.25λ降低至0.11λ(λ为中心频率时的空间波长)，有效克服了圆极化磁电偶极子天线剖面较高的缺陷；并且降低剖面高度的同时不会增加三维结构的复杂性，使得该天线还具有结构简单、易于批量加工的优势。

2.本发明天线馈电结构采用威尔金森功分器、宽带90°移相器以及г型金属条带馈电相结合，阻抗匹配良好，在实现低剖面的同时，天线的有效工作带宽可达70.8％，保持了大带宽的优势；并且在实现低剖面、大带宽的情况下，保留了磁电偶极子天线单向辐射性好、增益高和后瓣辐射小等优点。

3.本发明采用全金属天线，结构简单，设计过程清晰，理论成熟，可减少设计应用难度，可移植性强。

附图说明

图1是本发明低剖面宽带圆极化磁电偶极子天线整体结构示意图。

图2是本发明低剖面宽带圆极化磁电偶极子天线的主视图。

图3是本发明低剖面宽带圆极化磁电偶极子天线的俯视图。

图4是金属条带馈线7组成的馈电网络的示意图。

图5是本发明低剖面宽带圆极化磁电偶极子天线工作时矩形金属片上的电流路径示意图。

图6是磁电偶极子天线原型的表面电流示意图。

图7是本发明低剖面宽带圆极化磁电偶极子天线端口S₁₁和增益随频率变化曲线图。

图8是本发明低剖面宽带圆极化磁电偶极子天线轴比随频率变化曲线图。

图9是本发明低剖面宽带圆极化磁电偶极子天线在2.8GHz时的XOZ平面和YOZ平面辐射方向图。

图10是本发明低剖面宽带圆极化磁电偶极子天线在3.5GHz时的XOZ平面和YOZ平面辐射方向图。

图11是本发明低剖面宽带圆极化磁电偶极子天线在4.2GHz时的XOZ平面和YOZ平面辐射方向图。

图中，1为正方形水平金属贴片，2为矩形金属片，3为金属地板，4为г型馈电结构，5为介质基板，6为SMA接头，7为金属条带馈线，8为铜柱。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。

一种低剖面宽带圆极化磁电偶极子天线，其整体结构示意图如图1所示，

水平电偶极子天线、垂直于水平电偶极子天线的磁偶极子天线、介质基板和天线馈电部分；

所述水平电偶极子天线包括四个正方形水平金属贴片1，四个金属贴片设置于介质基板中心位置，呈2×2阵列排布；

所述磁偶极子天线包括矩形金属片2和金属地板3，矩形金属片2设置于每个正方形水平金属贴片与其它金属贴片相邻的两边并垂直向下延伸，矩形金属片2下方接触设置金属地板3，金属地板3设置于介质基板5上表面，且二者尺寸相同；

所述每个矩形金属片上设置五个矩形缝隙，具体设置位置如图2天线的主视图中所示，包括位于矩形金属片中心的第五缝隙e，以及关于第五缝隙e上下左右对称设置的第一缝隙a至第四缝隙d，第一缝隙a至第四缝隙d分别从矩形金属片2外边缘向中心延伸，所述五个矩形缝隙共同用于延长磁偶极子天线的电流路径，降低天线的剖面高度；

所述天线馈电部分如图3天线的俯视图中所示，包括SMA接头6、金属条带馈线7、铜柱8以及г型馈电结构4，其中，金属条带馈线7位于介质基板5下表面，г型馈电结构4设置于金属地板3表面中心处，馈线7的输入端连接SMA接头6，输出端通过铜柱8与г型馈电结构4连接。

本实施例中，每个正方形水平金属贴片边长为26mm，相邻两个正方形水平金属贴片1的矩形金属片之间的间距均为5.6mm；每个矩形金属片2的五个矩形缝隙中，第一缝隙a至第四缝隙d尺寸相同，高度都为1.7mm，宽度都为9.6mm，位于第五缝隙上方的两个缝隙距离矩形金属片2上边缘都为1.9mm，位于第五缝隙下方的两个缝隙距离矩形金属片2下边缘都为1.9mm，位于第五缝隙上方的两个缝隙和位于第五缝隙下方的两个缝隙之间的垂直距离为2.9mm；第五缝隙e位于矩形金属片2的中心，其高度为1.15mm，宽度为8mm；

г型金属条带m和г型金属条带n的宽度均为3.6mm，г型金属条带m和г型金属条带n与矩形金属片2的间距都为1mm，其中г型金属条带m的第一垂直铜带j高度为9mm，г型金属条带n的第一垂直铜带j高度为8mm，г型金属条带m和г型金属条带n在正交点的垂直间距为1mm，г型金属条带m和г型金属条带n的水平铜带k长度均为20mm、第二垂直铜带l长度均为5.6mm；

铜柱8的直径为1mm，高度为3mm；介质基板5的介电常数为2.2，厚度为1mm；正方形水平金属贴片1、矩形金属片2、г型馈电结构4均采用厚度0.3mm铜箔制作。

本发明设计的低剖面圆极化磁电偶极子天线，其由天线和馈电网络两部分组成；位于金属地板上方的天线部分可以等效为两个正交放置的线极化磁电偶极子天线，通过对这两个线极化磁电偶极子天线分别输入幅度相等、相位相差90°的两路信号，就可以激励起圆极化特性。位于金属地板下方的馈电网络主要由SMA接头和馈线7等组成，如图4所示，其功能分为两部分，一是位于前半部分的威尔金森功分器，用于产生幅度相等的两路信号；二是位于后半部分的宽带90°移相器，由于磁电偶极子天线的阻抗带宽较宽，因此采用两对λ/8短路、开路枝节来实现大带宽的90°移相。在实现圆极化特性后，通过在矩形金属片上设置矩形缝隙来延长电流路径，进而降低天线的剖面高度。矩形缝隙的位置需要设置在电流较大的地方，才能实现好的曲流效果。磁电偶极子天线电流较大的位置位于矩形金属片的两侧，因此在矩形金属片的两侧各设计了两个矩形缝隙。同时，由于г型馈电结构位于矩形金属片的中心位置附近，导致矩形金属片的中心位置电流也较强，因此在矩形金属片的中心也设计了一个矩形缝隙。设计矩形缝隙后的电流流向示意图如图5所示，在该时刻下，矩形金属片上的电流由原来的垂直向上流动变为遇到缝隙c、d时先由两侧流向中间、接着在遇到缝隙e时由中间流向两侧、随后在遇到缝隙a、b时由两侧再次流向中间、最后由中间流向两侧，可以看出，实现了曲流延长电流路径的目的；

然后，通过对天线结构参数和矩形缝隙的尺寸、位置等进行优化仿真，设计出该低剖面宽带圆极化磁电偶极子天线。

磁电偶极子天线原型为互补源天线，由电偶极子天线和磁偶极子天线组合而成，两者须谐振于同一频带内整个天线结构才能正常工作。如图6所示为磁电偶极子天线原型的表面电流示意图，两个水平矩形金属片可等效为电偶极子天线，两个垂直矩形金属片和位于两者之间的地板组成的U型结构可等效为磁偶极子天线。由图6可以看出，等效电偶极子天线的谐振电流沿窄边方向流动，等效磁偶极子天线的谐振电流沿U型结构流动。谐振电流的路径长度决定着谐振频率，因此电偶极子的谐振频率随着水平矩形金属片上电流路径总长度的变大而变小，磁偶极子天线的谐振频率随着U型结构上电流路径总长度的变大而变小。在进行低剖面设计时，为了保证天线工作于原有的工作频率，需要保证电偶极子天线和磁偶极子天线的谐振频率不变。由于磁偶极子天线的高度决定了天线的整体高度，因此降低磁电偶极子天线剖面高度的实质是降低该U型结构的高度。当U型结构高度减小时，会导致该U型结构上的电流路径总长度变小，进而使磁偶极子天线的谐振频率变大。由于电偶极子天线的尺寸保持不变，其谐振频率没有改变，此时电偶极子天线和磁偶极子天线的谐振频率可能会不一致，进而导致整个磁电偶极子天线不能正常工作。因此在进行低剖面设计时，在降低U型结构高度的同时，必须采取其它延长电流路径的手段以保证电流路径总长度不变，使磁偶极子天线谐振在所需要的频率上。由于折叠或者倾斜垂直矩形金属片来延长电流路径会增加天线空间结构的复杂性，尤其是采用圆极化设计时其复杂程度将会比线极化磁电偶极子天线增加一倍以上，因此本发明通过在矩形金属片上设置缝隙，由于设置缝隙是在平面结构上进行，不会增加空间结构的复杂性，还能使得天线整体的剖面高度降低。

图7是本发明低剖面宽带圆极化磁电偶极子天线端口S₁₁和增益随频率变化曲线图。仿真结果显示，该天线S(1，1)≤-10dB时天线的相对阻抗带宽为80.7％(2.18GHz-5.13GHz)，天线增益＞5dB时天线的相对带宽为72.8％(2.28GHz-4.89GHz)。

图8是本发明低剖面宽带圆极化磁电偶极子天线轴比随频率变化曲线图，从图中可以看出，轴比≤3dB时天线的相对带宽为75.5％(2.16GHz-4.78GHz)，轴比≤2dB时天线的相对带宽为72％(2.22GHz-4.72GHz)。

图9是天线在频率2.8GHz时XOZ平面和YOZ平面的远场归一化辐射方向图，最大增益为6.5dBi，前后比15dB，交叉极化＜-18dB，在+56°至-78°的范围内XOZ平面和YOZ平面的辐射方向图重合良好。

图10是天线在频率3.5GHz时XOZ平面和YOZ平面的远场归一化辐射方向图，最大增益为10.5dBi，前后比15dB，交叉极化＜-17dB，在+58°至-52°的范围内XOZ平面和YOZ平面的辐射方向图重合良好。

图11是天线在频率4.2GHz时XOZ平面和YOZ平面的远场归一化辐射方向图，最大增益为12dBi，前后比为18dB，交叉极化＜-15dB，在+80°至-56°的范围内XOZ平面和YOZ平面的辐射方向图重合良好。

因此，综合图7至图11来看，该低剖面宽带圆极化磁电偶极子天线的有效工作频带的相对带宽为70.8％(2.28GHz-4.78GHz)，频带内增益的变化范围为5-12.47dBi。在有效工作频带范围内，左旋与右旋圆极化电平差值大于15dB，天线可稳定的以左旋圆极化方式工作，与原有的圆极化天线相比，由于采用了设置矩形缝隙的低剖面设计，天线的剖面高度由0.25λ降至0.11λ(λ为中心频率时的空间波长)，降低幅度约54％，而天线有效工作带宽为70.8％，保持了较高的有效工作带宽。

本发明在保持圆极化磁电偶极子天线有效工作带宽几乎不变的情况下，通过在磁偶极子天线的矩形金属片上设计缝隙显著降低了天线剖面的高度，同时保留了其辐射增益高、方向图对称和背向辐射小等优点。同时，由于矩形缝隙是在二维平面上设计，不会增加三维结构的复杂性，因此该天线还具有结构简单、易于批量加工的优势，可以广泛应用于现代无线通信系统。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (10)

1.一种低剖面宽带圆极化磁电偶极子天线，包括：水平放置的等效电偶极子天线、垂直于水平电偶极子天线的磁偶极子天线、介质基板和天线馈电部分，其特征在于，

所述水平电偶极子天线包括四个正方形水平金属贴片，金属贴片设置于介质基板中心位置，呈2×2阵列排布；

所述磁偶极子天线包括矩形金属片和金属地板，矩形金属片设置于每个正方形水平金属贴片与其它金属贴片相邻的两边并垂直向下延伸，矩形金属片下方接触设置金属地板，金属地板设置于介质基板上表面，且二者尺寸相同；所述每个矩形金属片上设置n个缝隙；

所述天线馈电部分包括SMA接头、金属条带馈线、铜柱以及г型馈电结构，金属条带馈线位于介质基板下表面，г型馈电结构设置于金属地板中心的上方，馈线的输入端连接SMA接头，输出端通过铜柱与г型馈电结构连接。

2.如权利要求1所述的低剖面宽带圆极化磁电偶极子天线，其特征在于，缝隙的形状为任意形状；缝隙数量n≥2，设置于矩形金属片的两侧、中心、或两侧和中心。

3.如权利要求2所述的低剖面宽带圆极化磁电偶极子天线，其特征在于，每个矩形金属片上设置五个矩形缝隙，包括位于矩形金属片中心的第五缝隙e，其长边与矩形金属片的长边平行，以及关于第五缝隙e上下左右对称设置的第一缝隙a至第四缝隙d，第一缝隙a至第四缝隙d分别从矩形金属片外边缘向中心延伸；矩形金属片设置的五个矩形缝隙中，位于矩形金属片两侧的第一缝隙a至第四缝隙d尺寸相同，并与位于矩形金属片中心的第五缝隙e尺寸不同。

4.如权利要求1所述的低剖面宽带圆极化磁电偶极子天线，其特征在于，所述г型馈电结构包括两个金属条带m和n，每个金属条带都包括水平铜带k、设置于水平铜带k两端并与其垂直的第一垂直铜带j和第二垂直铜带l，其中，金属条带m和n的两个水平铜带k相互垂直，金属条带m和n的两个第一垂直铜带j通过铜柱与馈线的输出端连接，第二垂直铜带不与金属地板接触。

5.如权利要求1所述的低剖面宽带圆极化磁电偶极子天线，其特征在于，金属贴片的尺寸越大，电偶极子天线的工作频率越低；相邻金属贴片之间的间距越大，磁偶极子天线的工作频率越低。

6.如权利要求1所述的低剖面宽带圆极化磁电偶极子天线，其特征在于，每个正方形水平金属贴片边长为26mm；相邻两个正方形水平金属贴片的矩形金属片之间的间距均为5.6mm。

7.如权利要求1所述的低剖面宽带圆极化磁电偶极子天线，其特征在于，每个矩形金属片的五个矩形缝隙中，第一缝隙a至第四缝隙d尺寸相同，高度都为1.7mm，宽度都为9.6mm，位于第五缝隙上方的两个缝隙距离矩形金属片上边缘都为1.9mm，位于第五缝隙下方的两个缝隙距离矩形金属片下边缘都为1.9mm，位于第五缝隙上方的两个缝隙和位于第五缝隙下方的两个缝隙之间的垂直距离为2.9mm；第五缝隙e位于矩形金属片的中心，其高度为1.15mm，宽度为8mm。

8.如权利要求1所述的低剖面宽带圆极化磁电偶极子天线，其特征在于，г型馈电结构的两个金属条带m和n的结构相同，两个金属条带的宽度均为3.6mm，且与矩形金属片的间距都为1mm，其中，金属条带m的第一垂直铜带j高度为9mm，金属条带n的第一垂直铜带j高度为8mm，金属条带m和金属条带n在正交点的垂直间距为1mm，水平铜带k长度均为20mm，第二垂直铜带l长度均为5.6mm。

9.如权利要求1所述的低剖面宽带圆极化磁电偶极子天线，其特征在于，铜柱的直径为1mm，高度为3mm；介质基板的介电常数为2.2，厚度为1mm。

10.如权利要求1所述的低剖面宽带圆极化磁电偶极子天线，其特征在于，所述的正方形水平金属贴片、矩形金属片、г型馈电结构均采用厚度0.3mm铜箔制作。

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