CN113991293B - 一种正方形的宽带高增益介质双极化电磁偶极子天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种正方形的宽带高增益介质双极化电磁偶极子天线，包括架空设置于正方形金属反射地板上方的正方形辐射介质，该正方形辐射介质的下表面与正方形正方形金属反射地板平行，且附着有两对正交的由内向外延展的金属带线，每对金属带线共线且其外端与正方形辐射介质最近邻的边垂直，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，并同时通过激励正方形介质的TE₁₀模和TM₂₁模分别产生磁偶极子。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，设计出双极化介质贴片天线。该天线具有宽阻抗带宽、小型化、高隔离、高增益、低前后比和低交叉极化等优越性能。

Description

一种正方形的宽带高增益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，特别涉及正方形的宽带高增益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正方形的宽带高增益介质双极化电磁偶极子天线。

为了实现本发明目的，本发明提供的正方形的宽带高增益介质双极化电磁偶极子天线，其特征在于：包括架空设置于正方形金属反射地板上方的正方形辐射介质，该正方形辐射介质的下表面与正方形金属反射地板平行，且附着有两对正交的由内向外延展的金属带线，每对金属带线共线且其外端与正方形辐射介质最近邻的边垂直，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。

本发明将正方形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，一种正方形的宽带高增益差分双极化电磁偶极子天线，包括自上而下依次设置的正方形介质、矩形的支撑介质、两对金属带线、正方形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正方形介质，金属带线附着于正方形介质的下表面，两对SMA输入端口位于金属反射地下表面，正方形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，两对金属带线与正方形介质侧边平行。而矩形的支撑介质位于正方形介质中心的正下方，其侧面与两对金属带线垂直但不相交。矩形的支撑介质位于所述正方形金属反射地板中心的正上方。SMA输入端口垂直于正方形金属反射地板。同时，SMA输入端口穿过正方形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，正方形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。

本发明提出的正方形的宽带高增益差分双极化电磁偶极子天线，将正方形介质和金属带线集成设计，通过差分激励一对金属带线产生电偶极子，并同时通过激励正方形介质的TE₁₀模和TM₂₁模分别产生磁偶极子。由于这两个磁偶极子的工作频率分别被设置在金属带线电偶极子工作频率的低端和高端，因此这两个电磁偶极子天线共用了金属带线产生的电偶极子，从而构成两个电磁偶极子天线，并且使两个电磁偶极子天线增益通带合并，以实现阻抗带宽的拓宽。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4.26GHz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4.76GHz时端口1的E面和H面辐射图。

图8是本发明实施例天线在5.26GHz时端口1的E面和H面辐射图。

1-正方形辐射介质，2-支撑介质，3-金属带线，4-正方形金属反射地板，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，本实施例正方形的宽带高增益介质双极化电磁偶极子天线，括架空设置于正方形金属反射地板4上方的正方形辐射介质1，该正方形辐射介质1的下表面与正方形金属反射地板4平行，且附着有两对正交的由内向外延展的金属带线3，每对金属带线3共线且其外端与正方形辐射介质最近邻的边垂直，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，正方形辐射介质1中部通过支撑介质2支撑于正方形金属反射地板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，正方形金属反射地板4上开设的圆形通孔5，SMA接口穿过正方形金属反射地板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，直接与正方形金属反射地板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，正方形介质1为介质陶瓷材料，介电常数ε_r1＝20，损耗角正切tanδ＝7×10^-4，体积为w₁×l₂×h₁。支撑正方形介质1中心正下方的矩形支撑介质2用于支撑正方形介质1，介质材料与支撑正方形介质1一致(也可采用其他非金属材质)，体积为w₃×w₃×h₂。正方形辐射介质1的下表面与正方形金属反射地板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＝3.5mm。

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。正方形金属反射地板4的尺寸为l₁×l₁，SMA输入端口6、7、8、9穿过正方形金属反射地板4上的圆形空孔5与金属带线的一端相连接，且圆心与正方形金属反射地板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0.43λ_g×0.43λ_g×0.12λ_g。

表I天线的详细尺寸

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。4.26GHz的传输极点由被激励的介质中TM₂₁模产生；4.76GHz的传输极点由被激励的金属带线产生；5.26GHz的传输极点由被激励的介质中TE₁₀模产生。可以看出，端口1和端口2在4.2-5.3GHz范围内均在可在-15dB实现23.6％阻抗带宽，且两个端口间的测量隔离度超过50dB。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9dBi到10.5dBi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4.26GHz时端口1的E面和H面辐射图。图7展示了天线实例在4.76GHz时端口1的E面和H面辐射图。图8展示了天线实例在5.26GHz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15dB。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，正方形介质天线实例的半功率波束宽度列于表Ⅱ。

表Ⅱ不同频率下正方形介质双极化电磁偶极子天线的3dB波束宽度

根据上述结果可以看出，本实施例正方形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，阻抗带宽宽，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)

1.一种正方形的宽带高增益介质双极化电磁偶极子天线，其特征在于：包括架空设置于正方形金属反射地板（4）上方的正方形辐射介质（1），该正方形辐射介质（1）的下表面与正方形金属反射地板（4）平行，且附着有两对正交的由内向外延展的金属带线（3），每对金属带线（3）共线且其外端与正方形辐射介质最近邻的边垂直，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），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，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。

2.根据权利要求1所述的正方形的宽带高增益介质双极化电磁偶极子天线，其特征在于：所述正方形辐射介质（1）中部通过支撑介质（2）支撑于正方形金属反射地板（4）的中央上方。

3.根据权利要求1所述的正方形的宽带高增益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所述的正方形的宽带高增益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，所述外导体与正方形金属反射地板（4）连接，内导体与金属带线（3）内端连接。

5.根据权利要求4所述的正方形的宽带高增益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）穿过正方形金属反射地板（4）上开设的圆形通孔（5）进行固定，其外壳部分为外导体，与正方形金属反射地板（4）的圆形通孔（5）焊接固定。

6.根据权利要求5所述的正方形的宽带高增益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）垂直于正方形金属反射地板（4）进行固定。

7.根据权利要求1所述的正方形的宽带高增益介质双极化电磁偶极子天线，其特征在于：正方形辐射介质（1）的下表面与正方形金属反射地板（4）的距离与所述天线的频率相关。

8.根据权利要求1所述的正方形的宽带高增益介质双极化电磁偶极子天线，其特征在于：所述正方形辐射介质（1）与支撑介质（2）的材质相同。

9.根据权利要求1所述的正方形的宽带高增益介质双极化电磁偶极子天线，其特征在于：所述正方形辐射介质（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。

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