CN114725662A - 一种基于磁振子和电振子的微带馈电平面圆极化天线 - Google Patents

一种基于磁振子和电振子的微带馈电平面圆极化天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于磁振子和电振子的微带馈电平面圆极化天线，包括第一介质基板(1)、第二介质基板(2)及金属层(5)，第一介质基板(1)、金属层(5)以及第二介质基板(2)从上到下层叠设置，第一介质基板(1)的上表面平铺一个等效电振子，金属层(5)中间切去一块形成缝隙(6)，该缝隙(6)作为等效磁振子，等效电振子通过金属化通孔(8)与等效磁振子的边缘接触，第二介质基板(2)下表面设置一个微带馈线(4)，缝隙(6)与所述微带馈线(4)耦合；本发明的优点在于：天线结构简单，便于集成，成本相对较低且整体剖面较低。

Description

一种基于磁振子和电振子的微带馈电平面圆极化天线
技术领域
本发明涉及圆极化天线技术领域，更具体涉及一种基于磁振子和电振子的微带馈电平面圆极化天线。
背景技术
现代无线通信技术正在快速发展来满足人们对信息需求。随着5G时代的到来，毫米波频段被越来越多的利用，毫米波天线的设计与研究变得非常热门。此外，相比于线极化天线只能接收与它相同的线极化波，圆极化(CP)天线可以接收任意线极化波，也可以接收圆极化波，可以避免发射与接收天线因极化不匹配的关系而造成极化损耗。圆极化天线在解决极化失配、抑制雨雾干扰、消除法拉第效应方面性能优异。因此对于毫米波频段的圆极化天线的研究设计非常重要。
中国专利公开号CN112490640A，公开了一种宽带电磁偶极子圆极化天线，包括电偶极子、磁偶极子、Γ形馈电片、金属壁、地板以及同轴连接器，所述电偶极子由平行于地板的一对金属片构成，所述磁偶极子由一对垂直于地板放置并与地板短路的金属片构成；所述电偶极子设置在磁偶极子上且关于地板中心呈中心对称；所述Γ形馈电片设置在地板上，且与安装在地板背面的同轴连接器内导体相连，同时对电偶极子和磁偶极子耦合馈电，所述金属壁设置在地板四边的中心。该专利申请的宽带电磁偶极子圆极化天线有较好的宽带性能，同时便于加工、机械稳定性能好。但是其整体结构体积较大，电偶极子、磁偶极子、Γ形馈电片的结构复杂，不利于集成，成本相对较高且整体剖面较高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于现有技术圆极化天线结构复杂，不利于集成，成本相对较高且整体剖面较高的问题。
本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：一种基于磁振子和电振子的微带馈电平面圆极化天线，包括第一介质基板(1)、第二介质基板(2)及金属层(5)，所述第一介质基板(1)、金属层(5)以及第二介质基板(2)从上到下层叠设置，所述第一介质基板(1)的上表面平铺一个等效电振子，所述金属层(5)中间切去一块形成缝隙(6)，该缝隙(6)作为等效磁振子，等效电振子通过金属化通孔(8)与等效磁振子的边缘接触，第二介质基板(2)下表面设置一个微带馈线(4)，所述缝隙(6)与所述微带馈线(4)耦合；等效磁振子和等效电振子产生的电场相互正交，金属化通孔(8)使得电磁波在等效磁振子和等效电振子之间产生90°的相位差。
本发明整体为第一介质基板(1)、第二介质基板(2)及金属层(5)叠加而成的平面结构，平面结构内部平铺的等效电振子几乎不占剖面高度，也不需要额外的空间尺寸，且直接从金属层(5)中切去一块形成缝隙，缝隙为等效磁振子，同样不占用剖面高度，也不需要额外的空间尺寸，实现圆极化的同时结构简单，易于加工和集成且成本较低、剖面较低。
进一步地，所述天线为双层PCB结构。
进一步地，所述等效电振子为一个金属条带(7)，所述金属条带(7)位于第一介质基板(1)上表面。
更进一步地，所述金属条带(7)的长度为31.5GHz频点对应的二分之一波长。
更进一步地，所述金属化通孔(8)位于第一介质基板(1)之中，金属化通孔(8)的高度与第一介质基板(1)的厚度相同，所述金属条带(7)的两端各通过一个金属化通孔(8)连接所述金属层(5)表面，并紧贴着缝隙(6)的边缘。
更进一步地，所述金属化通孔(8)的高度为31.5GHz频点对应的四分之一波长。
进一步地，所述第二介质基板(2)的侧面设置微带馈电端口(3)，所述微带馈电端口(3)接收电磁波并通过微带馈线(4)与缝隙(6)耦合。
进一步地，所述缝隙(6)产生一个沿着天线层叠排布方向，垂直于缝隙(6)的电场矢量；所述等效电振子产生一个平行于第一介质基板(1)所在平面的电场矢量。
进一步地，所述第一介质基板(1)和第二介质基板(2)的介电常数均为2.2，损耗角正切值均为0.0009。
进一步地，所述第一介质基板(1)和第二介质基板(2)均平行于空间直角坐标系o-xyz的xoy面，所述空间直角坐标系o-xyz包括：原点o、x轴、y轴、z轴。
本发明的优点在于：
(1)本发明整体为第一介质基板(1)、第二介质基板(2)及金属层(5)叠加而成的平面结构，平面结构内部平铺的等效电振子几乎不占剖面高度，也不需要额外的空间尺寸，且直接从金属层(5)中切去一块形成缝隙，缝隙为等效磁振子，同样不占用剖面高度，也不需要额外的空间尺寸，实现圆极化的同时结构简单，易于加工和集成且成本较低、剖面较低
(2)本发明提供的圆极化天线具有良好的增益和方向性。
附图说明
图1为本发明实施例所提供的一种基于磁振子和电振子的微带馈电平面圆极化天线的立体结构示意图；
图2为本发明实施例所提供的一种基于磁振子和电振子的微带馈电平面圆极化天线的侧视图；
图3为本发明实施例所提供的一种基于磁振子和电振子的微带馈电平面圆极化天线的俯视图；
图4为本发明实施例所提供的一种基于磁振子和电振子的微带馈电平面圆极化天线的金属层中间缝隙的结构参数图；
图5为本发明实施例所提供的一种基于磁振子和电振子的微带馈电平面圆极化天线的微带馈线结构示意图；
图6为本发明实施例所提供的一种基于磁振子和电振子的微带馈电平面圆极化天线的反射系数仿真结果示意图；
图7为本发明实施例所提供的一种基于磁振子和电振子的微带馈电平面圆极化天线的轴比仿真结果示意图；
图8为本发明实施例所提供的一种基于磁振子和电振子的微带馈电平面圆极化天线在+z方向的增益仿真结果示意图；
图9为本发明实施例所提供的一种基于磁振子和电振子的微带馈电平面圆极化天线在31.5GHz频点处在xoz平面的辐射方向图；
图10为本发明实施例所提供的一种基于磁振子和电振子的微带馈电平面圆极化天线在31.5GHz频点处在yoz平面的辐射方向图。
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，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作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。
如图1至图3所示，针对毫米波无线通信系统工作天线，一种基于磁振子和电振子的微带馈电平面圆极化天线可应用于无线通信系统，所述天线为双层PCB结构，所述天线整体尺寸为宽度W＝8mm，长度L＝12mm，包括第一介质基板1、第二介质基板2及金属层5，所述第一介质基板1、第二介质基板2及金属层5均平行于空间直角坐标系o-xyz的xoy面，所述空间直角坐标系o-xyz包括：原点o、x轴、y轴、z轴。所述第一介质基板1的厚度h1＝1.575mm，宽度为W＝10mm，长度L＝10mm，所述第一介质基板1为罗杰斯5880介质基板，介电常数为2.2，介质基板的损耗角正切值为0.0009。所述第二介质基板2的厚度h2＝0.254mm，宽度为W＝10mm，长度L＝10mm，所述第二介质基板2为罗杰斯5880介质基板，介电常数为2.2，介质基板的损耗角正切值为0.0009。
所述第一介质基板1、金属层5以及第二介质基板2从上到下层叠设置，所述第一介质基板1的上表面平铺一个金属条带7作为等效电振子，所述金属条带7的长度为31.5GHz频点对应的二分之一波长。所述金属层5中间切去一块形成缝隙6，该缝隙6作为等效磁振子。如图3所示，金属条带7的相关参数L＝10mm,W＝10mm,L1＝2.4mm，W1＝5.5mm,Wt＝0.4mm,L2＝2.4mm，W2＝4.5mm。如图4所示，缝隙6的长度Ls＝7mm，宽度Ws＝0.6mm。
金属化通孔8位于第一介质基板1之中，所述金属化通孔8的高度约为31.5GHz频点对应的四分之一波长且金属化通孔8的高度与第一介质基板1的厚度相同，所述金属条带7的两端各通过一个金属化通孔8连接所述金属层5表面，并紧贴着缝隙6的边缘。如图2所示，金属化通孔8高度为1.575mm，半径为0.2mm。
所述第二介质基板2的侧面设置微带馈电端口3，第二介质基板2下表面设置一个微带馈线4，所述微带馈电端口3接收电磁波并通过微带馈线4与缝隙6耦合，实现天线馈电。如图5所示为微带馈线结构示意图，其中参数Wk＝0.55mm,Lk＝6.1mm，Wa＝4.725mm。
基于微带缝隙耦合馈电结构，通过微带馈线4和缝隙6结构将电磁能量耦合进天线结构中对天线进行馈电。另一方面，缝隙6结构作为等效磁振子，产生一个沿着+Z方向，垂直于缝隙6的电场矢量；所述等效电振子也即金属条带7产生一个平行于第一介质基板1所在平面的电场矢量，因此所述等效磁振子和等效电振子产生的电场相互正交。同时，由于金属化通孔8的高度为1.575mm，在第一介质基板1中，其高度约等于31.5GHz频点的四分之一波长，也即，由于金属化通孔8的存在，电磁波在等效磁振子和等效电振子之间会产生90°的相位差，从而形成了中心频率在31.5GHz左右的圆极化辐射。
本发明中间的金属层5相当于天线的反射板，使得天线表现出单向辐射特性，并具有良好的增益。通过一个等效为磁偶极子的简单的缝隙6和一个等效为电偶极子的简单的金属条带7来产生正交的电场，并通过两个简单的连接缝隙6和金属条带7的金属化通孔8产生90°的相位差(通孔8的高度为1.575mm，约为天线中心频率的四分之一波长，因此可以产生90°的相位差)，形成圆极化辐射模式。具有非常简单的结构。基于此原理设计的天线整体为平面PCB结构，且只有2层介质基板，具有低剖面特性，因此具有易加工、低成本、容易集成等特点。
以下对本发明提供的圆极化天线进行仿真实验以验证其性能，图6为本发明提供的圆极化天线的反射系数仿真结果，结果显示天线-10dB S11带宽可以覆盖27.17-41.03GHz频段。图7为本发明提供的圆极化天线的轴比仿真结果，结果显示天线的3-dB轴比带宽可以覆盖29.5-33.6GHz频段，也可优化设计，使其工作于其他频段。轴比是衡量天线是否能辐射圆极化波的指标，一般认为天线在某段频率下的轴比低于3-dB时可以辐射圆极化波。图8为本发明提供的圆极化天线在+z方向的增益仿真结果，在整个圆极化带宽内都大于5.6dBi，在31.5GHz是增益达到峰值，峰值增益为6.6dBi。图9为本发明提供的圆极化天线在31.5GHz频点处在xoz平面的辐射方向图，可以看出，天线在+z方向辐射右旋圆极化波，并表现出明显的单向辐射特性。左旋圆极化波相对右旋圆极化波很小，可以忽略不计。图10为本发明提供的圆极化天线在31.5GHz频点处在yoz平面的辐射方向图，可以看出，天线在+z方向辐射右旋圆极化波，并表现出明显的单向辐射特性。综上本发明提供的圆极化天线具有良好的增益和方向性。
通过以上技术方案，本发明整体为第一介质基板1、第二介质基板2及金属层5叠加而成的平面结构，平面结构内部平铺的等效电振子几乎不占剖面高度，也不需要额外的空间尺寸，且直接从金属层5中切去一块形成缝隙，缝隙为等效磁振子，同样不占用剖面高度，也不需要额外的空间尺寸，实现圆极化的同时结构简单，易于加工和集成且成本较低、剖面较低。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于磁振子和电振子的微带馈电平面圆极化天线，其特征在于，包括第一介质基板(1)、第二介质基板(2)及金属层(5)，所述第一介质基板(1)、金属层(5)以及第二介质基板(2)从上到下层叠设置，所述第一介质基板(1)的上表面平铺一个等效电振子，所述金属层(5)中间切去一块形成缝隙(6)，该缝隙(6)作为等效磁振子，等效电振子通过金属化通孔(8)与等效磁振子的边缘接触，第二介质基板(2)下表面设置一个微带馈线(4)，所述缝隙(6)与所述微带馈线(4)耦合；等效磁振子和等效电振子产生的电场相互正交，金属化通孔(8)使得电磁波在等效磁振子和等效电振子之间产生90°的相位差。
2.根据权利要求1所述的一种基于磁振子和电振子的微带馈电平面圆极化天线，其特征在于，所述天线为双层PCB结构。
3.根据权利要求1所述的一种基于磁振子和电振子的微带馈电平面圆极化天线，其特征在于，所述等效电振子为一个金属条带(7)，所述金属条带(7)位于第一介质基板(1)上表面。
4.根据权利要求3所述的一种基于磁振子和电振子的微带馈电平面圆极化天线，其特征在于，所述金属条带(7)的长度为31.5GHz频点对应的二分之一波长。
5.根据权利要求3所述的一种基于磁振子和电振子的微带馈电平面圆极化天线，其特征在于，所述金属化通孔(8)位于第一介质基板(1)之中，金属化通孔(8)的高度与第一介质基板(1)的厚度相同，所述金属条带(7)的两端各通过一个金属化通孔(8)连接所述金属层(5)表面，并紧贴着缝隙(6)的边缘。
6.根据权利要求5所述的一种基于磁振子和电振子的微带馈电平面圆极化天线，其特征在于，所述金属化通孔(8)的高度为31.5GHz频点对应的四分之一波长。
7.根据权利要求1所述的一种基于磁振子和电振子的微带馈电平面圆极化天线，其特征在于，所述第二介质基板(2)的侧面设置微带馈电端口(3)，所述微带馈电端口(3)接收电磁波并通过微带馈线(4)与缝隙(6)耦合。
8.根据权利要求1所述的一种基于磁振子和电振子的微带馈电平面圆极化天线，其特征在于，所述缝隙(6)产生一个沿着天线层叠排布方向，垂直于缝隙(6)的电场矢量；所述等效电振子产生一个平行于第一介质基板(1)所在平面的电场矢量。
9.根据权利要求1所述的一种基于磁振子和电振子的微带馈电平面圆极化天线，其特征在于，所述第一介质基板(1)和第二介质基板(2)的介电常数均为2.2，损耗角正切值均为0.0009。
10.根据权利要求1所述的一种基于磁振子和电振子的微带馈电平面圆极化天线，其特征在于，所述第一介质基板(1)和第二介质基板(2)均平行于空间直角坐标系o-xyz的xoy面，所述空间直角坐标系o-xyz包括：原点o、x轴、y轴、z轴。
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