CN113690602A - 一种基于中心馈电的宽带磁电偶极子天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于中心馈电的宽带磁电偶极子天线，包括由上至下依次设置的顶部金属层、第一介质层、第二金属层、粘接层、第二介质层、底部金属层和同轴连接器，顶部金属层的表面设置有电偶极子，并且宽带磁电偶极子天线还包括磁偶极子和中心馈电结构。本发明能实现较宽的阻抗带宽(45.2％)，同时带内的增益波动低于3dB，具有稳定的方向图和较好的单向辐射性能。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信系统天线技术领域，特别是涉及一种基于中心馈电的宽带磁电偶极子天线。
背景技术
随着移动终端使用人数的激增，全球移动数据流量在以前所未有的速度继续增长，目前的4G移动网络容量从长期来看将是不可持续的。与4G系统相比，5G蜂窝系统的主要区别之一是向毫米波波段的转移，由于毫米波具有波长短，频谱宽，方向性好等优点，已成为5G的核心技术之一。为了实现通信系统中的高速率传输和汽车雷达和成像应用中的高分辨率，宽带的电子设备是必须的。特别地，作为毫米波无线系统中关键器件的宽带毫米波器件天线急需要被开发和设计。
磁电偶极子天线及阵列由于其具有较宽的工作频带、稳定的单向辐射方向图、低交叉极化及稳定的带内增益平坦度等特性获得了广泛关注。目前，相关领域的学者、专家、工程技术人员针对毫米波基片集成磁电偶极子展开了一系列的研究，并获得了相应的一些技术成果。然而，大部分的毫米波基片集成磁电偶极子天线带宽都低于40％,仍然有提高的空间。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于中心馈电的宽带磁电偶极子天线，用于解决背景技术中提及的技术问题。本发明提供的宽带磁电偶极子天线具有平稳的增益变化、近似对称的E面和H面方向图、低的交叉极化和宽阻抗带宽的特性，本发明提供的天线能够应用于现代无线通信系统。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于中心馈电的宽带磁电偶极子天线，该宽带磁电偶极子天线包括由上至下依次设置的顶部金属层、第一介质层、第二金属层、粘接层、第二介质层、底部金属层和同轴连接器，所述顶部金属层的表面设置有电偶极子，并且所述宽带磁电偶极子天线还包括磁偶极子和中心馈电结构，其中，
所述中心馈电结构包括印制于所述第二金属层之上的第一条状贴片和印制于所述顶部金属层之上的第二条状贴片，并且在所述第一条状贴片和所述第二条状贴片之间还连接有贯穿第一介质层的金属化盲孔和贯穿所述第一介质层、粘接层和第二介质层的金属化通孔。
进一步的，所述第一条状贴片的长度要短与第二条状贴片。
进一步的，所述电偶极子包括第一正方形贴片、第二正方形贴片、第三正方形贴片和第四正方形贴片；该四个正方形贴片的大小一致，且设置在所述顶部金属层中心位置处。
进一步的，所述的四个正方形贴片呈中心对称设置且互不接触，并且在该四个正方形贴片相互靠近的两个侧边上均设置有金属化过孔。
进一步的，所述的四个正方形贴片的边长为四分之一导波谐振波长；所述第一介质层粘接层和第二介质层相加的厚度为四分之一导波谐振波长。
进一步的，所述底部金属层为接地层，该底部金属层上蚀刻有一个圆形槽，所述电偶极子与底部金属层之间通过贯穿所述第一介质层、粘接层和第二介质层的若干个金属化通孔实现电连接，该若干个金属化通孔构成所述磁偶极子。
进一步的，所述金属化通孔穿过所述圆形槽，并且嵌入所述同轴连接器中。
本发明的有益效果是：
本发明提出的天线在频带内具有稳定的辐射方向图，增益波动较小；该天线在频带内具有高的辐射增益；该天线是基于互补天线概念的磁电偶极子天线，利用一种不同于现有馈电方案的中心馈电结构，同时激励电偶极子及磁偶极子，所以能实现较宽的阻抗带宽；本发明所提出天线是基于标准的PCB工艺，加工简单，成本较低，利于扩展成阵列和大量生产。
附图说明
图1为实施例1中提供的一种基于中心馈电的宽带磁电偶极子天线的侧视图；
图2为实施例1中提供的一种基于中心馈电的宽带磁电偶极子天线的分层结构示意图；
图3为实施例1中提供的中心馈电结构的结构示意图；
图4为实施例1中提供的天线S参数仿真和实测结果图；
图5为实施例1中提供的天线增益曲线仿真和实测结果图；
图6为实施例1中提供的天线xoz面和yoz面的归一化辐射方向图仿真和实测结果图(25GHz)；
图7为实施例1中提供的天线xoz面和yoz面的归一化辐射方向图仿真和实测结果图(30GHz)；
图8为实施例1中提供的天线xoz面和yoz面的归一化辐射方向图仿真和实测结果图(35GHz)；
附图中：
1-顶部金属层、2-第一介质层、3-第二金属层、4-粘接层、5-第二介质层、6-底部金属层、7-同轴连接器、81-第一正方形贴片、82-第二正方形贴片、83-第三正方形贴片、84-第四正方形贴片、9-中心馈电结构、91-第二条状贴片、92-金属化盲孔、93-第一条状贴片、94-金属化通孔、10-金属化通孔、11-圆形槽。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术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，都属于本发明保护的范围。
实施例1
参见图1-图8，本实施例提供一种基于中心馈电的宽带磁电偶极子天线，该宽带磁电偶极子天线包括由上至下依次设置的顶部金属层1、第一介质层2、第二金属层3、粘接层4、第二介质层5、底部金属层6和同轴连接器7，顶部金属层1的表面设置有电偶极子，并且宽带磁电偶极子天线还包括磁偶极子和中心馈电结构9，该中心馈电结构9用来激励该磁电偶极子天线。
具体的说，在本实施例中，如图3所示为具体的中心馈电结构示意图，中心馈电结构9包括印制于第二金属层3之上的第一条状贴片93和印制于顶部金属层1之上的第二条状贴片91，并且在第一条状贴片93和第二条状贴片91之间还连接有贯穿第一介质层2的金属化盲孔92和贯穿第一介质层2、粘接层4和第二介质层5的金属化通孔94。更具体的说，在本实施例中，第二条状贴片91的长度要长于第一条状贴片93。
具体的说，在本实施例中，电偶极子包括第一正方形贴片81、第二正方形贴片82、第三正方形贴片83和第四正方形贴片84；该四个正方形贴片的大小一致，且设置在顶部金属层1中心位置处。更具体的说，在本实施例中，这四个正方形贴片呈中心对称设置且互不接触，并且在该四个正方形贴片相互靠近的两个侧边上均设置有金属化过孔。
具体的说，在本实施例中，这四个正方形贴片的边长为四分之一导波谐振波长；第一介质层2、粘接层4和第二介质层5相加的厚度为四分之一导波谐振波长。
具体的说，在本实施例中，底部金属层6为接地层，该底部金属层6上蚀刻有一个圆形槽11，电偶极子与底部金属层6之间通过贯穿第一介质层2、粘接层4和第二介质层5的若干个金属化通孔10实现电连接，该若干个金属化通孔10构成磁偶极子。更具体的说，在本实施例中，金属化通孔94穿过圆形槽11，并且嵌入同轴连接器7中。
为了验证本实施例提供的一种基于中心馈电的宽带磁电偶极子天线的可实施性，首先利用商用全波仿真软件对公开的一种基于中心馈电的宽带磁电偶极子天线结构模型进行了仿真，随后进行了加工实测。图4-图8分别给出了相关仿真和实测结果，结果显示，该圆极化天线单元的|S11|<-10dB带宽为45.2％(24～38GHz)，已大于大部分的线极化毫米波基片集成磁电偶极子天线的阻抗带宽；峰值增益出现在32.6GHz，为7.7dBic，且带内增益变化在3dB以内，具有较平缓的增益变化曲线；可以观察到在25GHz、30GHz和35GHz三个频点的xoz面和yoz面方向图较为稳定一致和具有近似对称的特性，且交叉极化较低。
具体的说，本实施例实物制造所需的第一介质层2和第二介质层5可以采用厚度为0.381mm和0.787mm的介质基片Taconic TLY-5，粘接层4可以采用厚度为0.1mm的粘贴片Rogers 4450F。该基于中心馈电的磁电偶极子天线具有紧凑的结构，较宽的阻抗带宽，近似对称的方向图，稳定的增益变化曲线和较低的交叉极化等特点，且采用PCB工艺，加工简单，成本较低，利于扩展成阵列和大量生产。
本发明未详述之处，均为本领域技术人员的公知技术。以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (7)
1.一种基于中心馈电的宽带磁电偶极子天线，其特征在于，该宽带磁电偶极子天线包括由上至下依次设置的顶部金属层(1)、第一介质层(2)、第二金属层(3)、粘接层(4)、第二介质层(5)、底部金属层(6)和同轴连接器(7)，所述顶部金属层(1)的表面设置有电偶极子，并且所述宽带磁电偶极子天线还包括磁偶极子和中心馈电结构，其中，
所述中心馈电结构包括印制于所述第二金属层(3)之上的第一条状贴片(93)和印制于所述顶部金属层(1)之上的第二条状贴片(91)，并且在所述第一条状贴片(93)和所述第二条状贴片(91)之间还连接有贯穿第一介质层(2)的金属化盲孔(92)和贯穿所述第一介质层(2)、粘接层(4)和第二介质层(5)的金属化通孔(94)。
2.根据权利要求1所述的一种基于中心馈电的宽带磁电偶极子天线，其特征在于，所述第一条状贴片(93)的长度要短与第二条状贴片(91)。
3.根据权利要求1所述的一种基于中心馈电的宽带磁电偶极子天线，其特征在于，所述电偶极子包括第一正方形贴片(81)、第二正方形贴片(82)、第三正方形贴片(83)和第四正方形贴片(84)；该四个正方形贴片的大小一致，且设置在所述顶部金属层(1)中心位置处。
4.根据权利要求3所述的一种基于中心馈电的宽带磁电偶极子天线，其特征在于，所述的四个正方形贴片呈中心对称设置且互不接触，并且在该四个正方形贴片相互靠近的两个侧边上均设置有金属化过孔。
5.根据权利要求3所述的一种基于中心馈电的宽带磁电偶极子天线，其特征在于，所述的四个正方形贴片的边长为四分之一导波谐振波长；所述第一介质层(2)、粘接层(4)和第二介质层(5)相加的厚度为四分之一导波谐振波长。
6.根据权利要求1所述的一种基于中心馈电的宽带磁电偶极子天线，其特征在于，所述底部金属层(6)为接地层，该底部金属层(6)上蚀刻有一个圆形槽(11)，所述电偶极子与底部金属层(6)之间通过贯穿所述第一介质层(2)、粘接层(4)和第二介质层(5)的若干个金属化通孔(10)实现电连接，该若干个金属化通孔(10)构成所述磁偶极子。
7.根据权利要求6所述的一种基于中心馈电的宽带磁电偶极子天线，其特征在于，所述金属化通孔(94)穿过所述圆形槽(11)，并且嵌入所述同轴连接器(7)中。
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