CN113991292A - 一种十字形的高增益宽带介质双极化电磁偶极子天线 - Google Patents

一种十字形的高增益宽带介质双极化电磁偶极子天线 Download PDF

Info

Publication number
CN113991292A
CN113991292A CN202111266978.9A CN202111266978A CN113991292A CN 113991292 A CN113991292 A CN 113991292A CN 202111266978 A CN202111266978 A CN 202111266978A CN 113991292 A CN113991292 A CN 113991292A
Authority
CN
China
Prior art keywords
cross
medium
antenna
shaped
dipole antenna
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202111266978.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113991292B (zh
Inventor
陈建新
朱彦源
沈一春
符小东
王学仁
揭水平
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Zhongtian Communication Technology Co ltd
Nantong University
Original Assignee
Zhongtian Communication Technology Co ltd
Nantong University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Zhongtian Communication Technology Co ltd, Nantong University filed Critical Zhongtian Communication Technology Co ltd
Priority to CN202111266978.9A priority Critical patent/CN113991292B/zh
Publication of CN113991292A publication Critical patent/CN113991292A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113991292B publication Critical patent/CN113991292B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/16—Resonant antennas with feed intermediate between the extremities of the antenna, e.g. centre-fed dipole
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/36—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/36—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith
    • H01Q1/38—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith formed by a conductive layer on an insulating support
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/48—Earthing means; Earth screens; Counterpoises
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02D—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES [ICT], I.E. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES AIMING AT THE REDUCTION OF THEIR OWN ENERGY USE
    • Y02D30/00—Reducing energy consumption in communication networks
    • Y02D30/70—Reducing energy consumption in communication networks in wireless communication networks

Landscapes

  • Aerials With Secondary Devices (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Abstract

本发明涉及一种十字形的高增益宽带介质双极化电磁偶极子天线，包括架空设置于金属反射地板上方的十字形辐射介质，十字形辐射介质的下表面与金属反射地板平行，且附着有位于十字形辐射介质的矩形悬臂下方的两对正交的金属带线，每对金属带线共线且与相应矩形悬臂伸展方向平行，两对金属带线的内端分别通过金属探针连接两对输入端口。天线通过差分激励一对金属带线产生电偶极子，并同时通过激励十字形辐射介质产生磁偶极子，从而构成电磁偶极子天线，以实现宽阻抗带宽和高前后比。通过两对正交的差分馈电结构来激励两个方向正交的电磁偶极子天线，本天线具有小型化、宽阻抗带宽、高隔离、高增益、低前后比和低交叉极化等优越性能。

Description

一种十字形的高增益宽带介质双极化电磁偶极子天线
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及十字形的高增益宽带介质双极化电磁偶极子天线。
背景技术
5G NR是一种统一且更强大的5G新型无线空口全球标准。它将为未来的通信系统在移动设备和蜂窝网络中的基站之间提供更快和更大的容量。低于6GHz频率下的5G NR新频谱是5G网络部署的重要频段，提供覆盖和容量之间的最佳平衡，特别是N77(3300-4200MHz)、N78(3300-3800MHz)、N79(4400-5000MHz)。因此，如何利用先进技术在这些5G NR频谱中开发新的应用，并提高性能具有重要意义。大规模多入多出技术是射频前端常用的重要技术之一，它通过空间多路复用的方式组成阵列，提高了信道容量和增益的性能。另一方面，双极化天线是天线阵中应用最广泛的单元，因为它可以提供极化分集，提高信道容量，缓解多径衰落。然而，多个双极化天线组成阵列体积庞大、重量重，给小型化多入多出系统带来了严峻的挑战。因此，小型化、轻量化的双极化天线是未来5G NR中多入多出阵列的迫切需求。
介质谐振器天线具有损耗小、体积小、重量轻、设计自由度高、介电常数可选等优点，已广泛应用于双极化天线中。但是，这些天线的高度总是超过0.20λ0(λ0是中心工作频率f0处的自由空间波长)，这对于满足基站的小型化和轻量化的严格要求来说仍然太高了。其难点在于恶化的辐射方向图和阻抗匹配变差。为了解决这一问题，介电常数较高的介质陶瓷被使用在双极化天线中。然而，使用较高的介电常数会导致天线中工作模式的无载品质因数Q增大。Q与带宽成反比，即高Q将导致天线的带宽变窄，或在最坏的情况下，根本没有辐射。除此之外，高后瓣辐射和低增益也是大多数双极化介质天线面临的主要挑战。
发明内容
本发明的目的在于：克服上述现有技术的缺陷，提出一种结构简单的十字形的高增益宽带介质双极化电磁偶极子天线。
为了实现本发明目的，本发明提供的十字形的高增益宽带介质双极化电磁偶极子天线，包括架空设置于金属反射地板上方的十字形辐射介质，该十字形辐射介质具有四个矩形悬臂且相邻的矩形悬臂互相垂直，十字形辐射介质的下表面与金属反射地板平行，且附着有位于矩形悬臂下方的两对正交的金属带线，每对金属带线共线且与相应矩形悬臂伸展方向平行，两对金属带线的内端分别通过金属探针连接两对输入端口。
本发明将十字形辐射介质和金属带线集成设计，分别实现磁偶极子和电偶极子功能。受益于电磁偶极子天线独特的工作原理，电磁偶极子的辐射后瓣能够相互抵消，从而提高天线辐射方向图的前后比。该设计采用高介电常数的介质材料，从而实现天线的小型化。此外，在架空的介质与金属反射地之间预留的空间，可以增强增益和带宽，并且在整个阻抗带宽内提供稳定的增益。为了达到上述目的，一种十字形的高增益宽带介质双极化电磁偶极子天线，包括自上而下依次设置的十字形辐射介质、矩形的支撑介质、两对金属带线、金属反射地板和两对SMA输入端口，其特征在于：所述矩形的支撑介质用于支撑十字形辐射介质，金属带线附着于十字形辐射介质的下表面，两对SMA输入端口位于金属反射地下表面，金属反射地板开设有与两对SMA输入端口一一对应的圆形空孔，SMA端口内部探针穿过圆形孔空与金属带线的一端连接。
其中两对金属带线相互正交，两对金属带线与十字形辐射介质长边平行。而矩形的支撑介质位于十字形辐射介质中心的正下方，与两对金属带线垂直但不相交。矩形的支撑介质位于所述金属反射地板中心的正上方。SMA输入端口垂直于金属反射地板。同时，SMA输入端口穿过金属反射地板上的圆形空孔与金属带线的一端相连接。另外，十字形辐射介质的形状沿天线两个极化方向对称，两对金属带线沿天线两个极化方向对称。
本发明提出的十字形的高增益宽带介质双极化电磁偶极子天线，将十字形辐射介质和金属带线集成设计，分别实现磁偶极子和电偶极子功能。受益于电磁偶极子天线独特的工作原理，电磁偶极子的辐射后瓣能够相互抵消，从而提高天线辐射方向图的前后比。架空设置的高介电常数介质的电磁偶极子天线结构是本设计中的关键技术。它不仅体积小、可以增强天线增益、提供宽的阻抗带宽，还可以在阻抗带宽内提供大小稳定的增益。该设计通过两对差分SMA端口输入来激励电磁偶极子，设计出双极化介质贴片天线。该天线具宽阻抗带宽、小尺寸、高隔离、高增益和低交叉极化等优越性能。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明实施例天线的分解图。
图2是本发明实施例天线的俯视透视图。
图3是本发明实施例天线的侧视透视图。
图4是本发明实施例天线仅有端口1激励时的反射系数(S11)、(S22)以及隔离度(S12)的性能参数图。
图5是本发明实施例天线增益和辐射效率的结果。
图6是本发明实施例天线在3.4GHz时端口1的E面和H面辐射图。
图7是本发明实施例天线在3.7GHz时端口1的E面和H面辐射图。
图中标号示意如下：
1-十字形辐射介质，2-支撑介质，3-金属带线，4-金属反射地板，5-圆形通孔，6-第一正向信号输入端口，7-第一反向信号输入端口；8-第二正向信号输入端口，9-第二反向信号输入端口。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
如图1至图3所示，本实施例十字形的高增益宽带介质双极化电磁偶极子天线，包括架空设置于金属反射地板4上方的十字形辐射介质1，十字形辐射介质1具有四个矩形悬臂且相邻的矩形悬臂互相垂直。十字形辐射介质1的下表面与金属反射地板4平行，并且十字形辐射介质1下表面附着有位于矩形悬臂下方的两对正交的金属带线3，每对金属带线3共线且与相应矩形悬臂伸展方向平行，两对金属带线3的内端分别通过金属探针连接两对输入端口(本例选用SMA输入端口)。如图1所示，第一正向信号输入端口6与第一反向信号输入端口7构成一对差分信号输入端口(端口1)，第二正向信号输入端口8与第二反向信号输入端口9构成一对差分信号输入端口(端口2)。本例中，十字形辐射介质1中部通过支撑介质2支撑于金属反射地板4的中央上方，支撑介质2为长方体状，其侧面与金属带线3垂直，并且支撑介质2与金属带线3之间具有间隙。
如图1所示，金属反射地板4上开设的圆形通孔5，SMA接口穿过金属反射地板4上开设的圆形通孔5进行固定。SMA接口的外壳部分为外导体，直接与金属反射地板4的圆形通孔5焊接固定，内导体则作为金属探针(或通过金属探针)与金属带线3内端连接。本例中使用SMA同轴头进行馈电，该同轴头与本结构的结合最适合于在工业上进行产业化制造。当然理论上也可以采用其他接口形式，比如：通过设置底部基板，并通过微带传输线进行馈电。
本例中，十字形辐射介质1为介质陶瓷材料，介电常数εr1＝20，损耗角正切tanδ＝7×10-4，体积为(w1+2*l2)×(w1+2*l2)×(h1)。支撑十字形辐射介质1中心正下方的矩形支撑介质2用于支撑十字形辐射介质1，介质材料与支撑十字形辐射介质1一致(也可采用其他非金属材质)，体积为w3×w3×h2。十字形辐射介质1的下表面与金属反射地板4的距离(即矩形支撑介质2的高度h2)与天线的工作频率相关，本例中为h2＝6.3mm。
在差分馈电的条件下，两对等幅反向的射频信号分别沿两对微带馈线传输，利用输入的差分信号实现对天线的激励。金属反射地板4的尺寸为l1×l1，两对SMA输入端口(第一正向信号输入端口6、第一反向信号输入端口7；第二正向信号输入端口8、第二反向信号输入端口9)穿过金属反射地板4上的圆形空孔5与金属带线的一端相连接，且圆心与金属反射地板4上的圆形空孔5的圆心重叠，其中金属带线的长度均为l3，宽度均为w2，圆孔的直径为d1，第一正向信号输入端口6与第一反向信号输入端口7之间的中心间距、第二正向信号输入端口8与第二反向信号输入端口9之间的中心间距均为s。
本实施例天线的详细尺寸列于表I中。其天线部分电尺寸为0.38λg×0.38λg×0.14λg。
表I天线的详细尺寸
Figure BDA0003327106440000051
如图4所示，为实施例天线为在仅有端口1激励时的反射系数(S11)、(S22)以及隔离度(S12)的性能参数图。可以看出，端口1和端口2在3.25-3.85GHz范围内均在可在-15dB实现14.1％阻抗带宽，且两个端口间的测量隔离度超过25dB。图5给出了增益和辐射效率的结果。从曲线上可以看出，增益曲线在阻抗带宽内，只在8.4dBi到8.9dBi之间存在的微小波动，而峰值总辐射效率超过95％。图6展示了天线实例在3.4GHz时端口1的E面和H面辐射图。图7展示了天线实例在3.7GHz时端口1的E面和H面辐射图。可以观察到，辐射图具有良好的对称性和稳定性。天线辐射方向图的前后比大于为22dB。而主计划极化场比相应的交叉极化场强30dB。由于天线原型几何对称，端口2的辐射图与端口1的结果几乎。最后，十字形辐射介质天线实例的半功率波束宽度列于表Ⅱ。
表Ⅱ不同频率下十字形辐射介质双极化电磁偶极子天线的3dB波束宽度
Figure BDA0003327106440000061
根据上述结果可以看出，本实施例十字形辐射介质的高增益宽带差分双极化电磁偶极子天线具有体积小，带内增益稳定且相对较高，隔离度高和交叉极化低的特点。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种十字形的高增益宽带介质双极化电磁偶极子天线，其特征在于：包括架空设置于金属反射地板（4）上方的十字形辐射介质（1），该十字形辐射介质（1）具有四个矩形悬臂且相邻的矩形悬臂互相垂直，十字形辐射介质（1）的下表面与金属反射地板（4）平行，且附着有位于矩形悬臂下方的两对正交的金属带线（3），每对金属带线（3）共线且与相应矩形悬臂伸展方向平行，两对金属带线（3）的内端分别通过金属探针连接两对输入端口（6、7；8、9）。
2.根据权利要求1所述的十字形的高增益宽带介质双极化电磁偶极子天线，其特征在于：所述十字形辐射介质（1）中部通过支撑介质（2）支撑于金属反射地板（4）的中央上方。
3.根据权利要求1所述的十字形的高增益宽带介质双极化电磁偶极子天线，其特征在于：支撑介质（2）为长方体状，其侧面与金属带线（3）垂直，并且支撑介质（2）与金属带线（3）之间具有间隙。
4.根据权利要求1所述的十字形的高增益宽带介质双极化电磁偶极子天线，其特征在于：所述输入端口（6、7；8、9）具有同轴的外导体和内导体，所述外导体与金属反射地板（4）连接，内导体与金属带线（3）内端连接。
5.根据权利要求4所述的十字形的高增益宽带介质双极化电磁偶极子天线，其特征在于：所述输入端口（6、7；8、9）为SMA接口，所述输入端口（6、7）穿过金属反射地板（4）上开设的圆形通孔（5）进行固定，其外壳部分为外导体，与金属反射地板（4）的圆形通孔（5）焊接固定。
6.根据权利要求5所述的十字形的高增益宽带介质双极化电磁偶极子天线，其特征在于：所述输入端口（6、7；8、9）垂直于金属反射地板（4）进行固定。
7.根据权利要求1所述的十字形的高增益宽带介质双极化电磁偶极子天线，其特征在于：十字形辐射介质（1）的下表面与金属反射地板（4）的距离与所述天线的工作频率相关。
8.根据权利要求1所述的十字形的高增益宽带介质双极化电磁偶极子天线，其特征在于：所述十字形辐射介质（1）与支撑介质（2）的材质相同。
9.根据权利要求1所述的十字形的高增益宽带介质双极化电磁偶极子天线，其特征在于：十字辐射形介质（1）的形状沿天线两个极化方向对称；所述两对金属带线（3）沿天线两个极化方向对称。
CN202111266978.9A 2021-10-28 2021-10-28 一种十字形的高增益宽带介质双极化电磁偶极子天线 Active CN113991292B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111266978.9A CN113991292B (zh) 2021-10-28 2021-10-28 一种十字形的高增益宽带介质双极化电磁偶极子天线

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111266978.9A CN113991292B (zh) 2021-10-28 2021-10-28 一种十字形的高增益宽带介质双极化电磁偶极子天线

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113991292A true CN113991292A (zh) 2022-01-28
CN113991292B CN113991292B (zh) 2023-06-20

Family

ID=79743886

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111266978.9A Active CN113991292B (zh) 2021-10-28 2021-10-28 一种十字形的高增益宽带介质双极化电磁偶极子天线

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113991292B (zh)

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106134002A (zh) * 2014-01-17 2016-11-16 斯坦陵布什大学 多模复合天线
CN109428167A (zh) * 2017-09-05 2019-03-05 香港中文大学深圳研究院 一种双极化介质天线及其基站天线阵列
CN109546354A (zh) * 2018-12-24 2019-03-29 南通大学 一种基于介质谐振器的磁偶极子八木天线
US20190214732A1 (en) * 2018-01-08 2019-07-11 City University Of Hong Kong Dielectric resonator antenna
CN110649366A (zh) * 2019-09-20 2020-01-03 维沃移动通信有限公司 一种天线和电子设备
CN110676589A (zh) * 2019-09-16 2020-01-10 南通大学 一种基于高次模的高增益差分双极化介质贴片天线
CN210350084U (zh) * 2019-10-30 2020-04-17 维沃移动通信有限公司 一种天线和电子设备
WO2020177341A1 (zh) * 2019-03-01 2020-09-10 华南理工大学 一种低剖面双极化滤波磁电偶极子天线

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106134002A (zh) * 2014-01-17 2016-11-16 斯坦陵布什大学 多模复合天线
CN109428167A (zh) * 2017-09-05 2019-03-05 香港中文大学深圳研究院 一种双极化介质天线及其基站天线阵列
US20190214732A1 (en) * 2018-01-08 2019-07-11 City University Of Hong Kong Dielectric resonator antenna
CN109546354A (zh) * 2018-12-24 2019-03-29 南通大学 一种基于介质谐振器的磁偶极子八木天线
WO2020177341A1 (zh) * 2019-03-01 2020-09-10 华南理工大学 一种低剖面双极化滤波磁电偶极子天线
CN110676589A (zh) * 2019-09-16 2020-01-10 南通大学 一种基于高次模的高增益差分双极化介质贴片天线
CN110649366A (zh) * 2019-09-20 2020-01-03 维沃移动通信有限公司 一种天线和电子设备
CN210350084U (zh) * 2019-10-30 2020-04-17 维沃移动通信有限公司 一种天线和电子设备

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
XUE-YING WANG: "Differential-Fed Dual-Polarized Dielectric Patch Antenna With Gain Enhancement Based on Higher Order Modes", IEEE ANTENNAS AND WIRELESS PROPAGATION LETTERS *
吴凡;陆贵文;: "磁电偶极子天线的极化可重构研究(特邀文章)", 电波科学学报, no. 03 *
王茜茜;钱祖平;曹文权;晋军;: "一种紧凑型宽带磁电偶极子天线", 军事通信技术, no. 01 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN113991292B (zh) 2023-06-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11710908B2 (en) Shared-aperture dual-band dual-polarized antenna array and communication equipment
EP2727183B1 (en) Improved broadband multi-dipole antenna with frequency-independent radiation characteristics
US8878737B2 (en) Single feed planar dual-polarization multi-loop element antenna
CN107230840B (zh) 高增益宽带微带贴片天线
EP1436857A1 (en) Multifrequency microstrip patch antenna with parasitic coupled elements
Nahar et al. Survey of various bandwidth enhancement techniques used for 5G antennas
Rajeshkumar et al. SRR loaded compact tri-band MIMO antenna for WLAN/WiMAX applications
CN113594701A (zh) 基于金属腔体和寄生偶极子的宽频带宽波束双极化天线
Wang et al. A wideband circularly polarized filtering antenna based on slot-patch structure
Abhilash et al. Four-element compact and dual-band MIMO antenna with self-decoupled mechanism for 5G applications
Mishra et al. A Highly Efficient and Low-Mutual Coupling Partial $\pi/8$ SIW Cavity-Based 8-Port MIMO Antenna
CN113991292B (zh) 一种十字形的高增益宽带介质双极化电磁偶极子天线
Kaur et al. Sub-6 GHz metallic via integrated MIMO antenna array for 5G smartphone
CN113036438B (zh) 一种面向波束成形应用的宽带低剖面介质谐振器天线
CN113991293B (zh) 一种正方形的宽带高增益介质双极化电磁偶极子天线
Hasan et al. Dual band slotted printed circular patch antenna with superstrate and EBG structure for 5G applications
CN113991308B (zh) 一种高增益宽带电磁偶极子介质天线
Zhu et al. Single-layer dual-polarized end-fire phased array antenna for low-cost millimeter-wave mobile terminal applications
Jehangir et al. A miniaturized dual UWB quasi-Yagi based MIMO antenna system using a defected ground structure
Lu et al. Millimeter wave wide-angle scanning waveguide slot filtenna array for 5g applications
Nandigama et al. A MIMO PIFA Loaded with CSRR-SRR Quadruplets for WLAN, ISM Band, and S-/C-Band Wireless Applications
Panagiotis et al. A Low Profile Dual Band (28/38GHz) and Dual Polarized Antenna for 5G MIMO Applications
Patil et al. Design of hexagonal ring shaped two port MIMO antenna for sub-6 GHz and WLAN application for mobile devices
Ta et al. Dual-band widebeam dual-polarized antenna for full-duplex communications
Mathuri et al. Four Notch Dual Band Micro-strip Patch Antenna for SC Band Application

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant