CN114914692B - 双极化高隔离度磁电偶极子毫米波天线及无线通信设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双极化高隔离度磁电偶极子毫米波天线及无线通信设备,所述天线包括辐射体、金属接地柱、第一介质板、第二介质板、第一激励端口、第二激励端口、金属地板、第一微带线、第二微带线和L形探头;辐射体印刷在第一介质板上表面,并通过金属接地柱与金属地板相连,形成磁电偶极子,第一微带线和第二微带线印刷在第二介质板下表面,L形探头与第一微带线相连,第一微带线与第一激励端口相连,第二微带线与第二激励端口相连,金属地板印刷在第二介质板上表面,且金属地板在第一微带线和第二微带线的对应位置上嵌入微带槽。本发明采用L形探头和微带槽耦合不同的激励机理,使得双极化天线两端口之间的电流耦合极小,具有高隔离度的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种宽带高隔离天线,尤其是一种双极化高隔离度磁电偶极子毫米波天线及无线通信设备,属于无线通信技术领域。
背景技术
随着无线通信的快速发展,天线朝着小型化、集成化、低成本、简单化等方向发展。即使4G移动通信目前广泛应用在日常生活中,从发展来看是不可持续的。相比于4G移动通信而言,5G是一种具有低时延、高速率和大连接的特点的新一代宽带移动通信技术,是实现人机物互联的网络基础设施。5G毫米波天线作为5G毫米波无线系统中的关键器件之一,目前急需要被设计和开发。磁电偶极子天线具有稳定的辐射方向图和带内增益平坦度,极其低交叉极化等优势,尤其适用于5G毫米波无线通信系统。具有集成化,结构简单的5G毫米波磁电偶极子必然具有非常好的应用前景。
目前该领域的现有技术大多采用经典的L形探头激励,以四个枝节金属贴片以及其金属接地部件作为天线的辐射体,并采用单一的激励方式实现双极化辐射,天线隔离度一般不大于25 dB,带内隔离度较低。因此提高双极化毫米波天线的隔离度成为了目前天线的重要目标,具有高隔离度磁电偶极子毫米波天线必然成为无线通信系统的首选功能部件之一。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足,提供了一种双极化高隔离度磁电偶极子毫米波天线,该天线具有较高的带内隔离度,稳定的辐射方向图和带内增益平坦度,低交叉极化的优点。
本发明的另一目的在于提供一种包含上述双极化高隔离度磁电偶极子毫米波天线的无线通信设备。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到:
一种双极化高隔离度磁电偶极子毫米波天线,包括辐射体、金属接地柱、第一介质板、第二介质板、第一激励端口、第二激励端口、金属地板、第一微带线、第二微带线和L形探头;
所述辐射体印刷在第一介质板上表面,并通过金属接地柱与金属地板相连,形成磁电偶极子,所述第一微带线和第二微带线印刷在第二介质板下表面,所述L形探头与第一微带线相连,所述第一微带线与第一激励端口相连,所述第二微带线与第二激励端口相连,所述金属地板印刷在第二介质板上表面,且金属地板在第一微带线和第二微带线的对应位置上嵌入微带槽。
进一步的,所述L形探头包括金属连接柱和激励微带线,所述激励微带线印刷在第一介质板上表面,且激励微带线通过金属连接柱与第一微带线相连。
进一步的,所述微带槽包括矩形槽和圆形槽,所述圆形槽设置在矩形槽的两端之间,且圆形槽的直径大于金属连接柱的直径,所述金属连接柱穿过圆形槽与第一微带线相连,所述矩形槽与第二微带线耦合。
进一步的,所述辐射体包括四个辐射体枝节,四个辐射体枝节在第一介质板上表面呈中心对称结构排布,每个所述辐射体枝节通过一组金属接地柱与金属地板相连。
进一步的,每组所述金属接地柱包括多根金属柱。
进一步的,所述第二微带线为轴对称结构,包括依次相连的第一枝节、第二枝节和第三枝节。
进一步的,所述第一枝节和第二枝节均为矩形,所述第二枝节的宽度大于第一枝节的宽度,所述第三枝节为梯形。
进一步的,所述第一微带线在第二介质板下表面垂直设置,所述第二微带线在第二介质板下表面水平设置。
进一步的,还包括金属墙,所述金属墙设置在第一介质板内部的四周。
本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到:
一种无线通信设备,包括上述的双极化高隔离度磁电偶极子毫米波天线。
本发明相对于现有技术具有如下的有益效果:
本发明天线采用了L形探头馈电和微带槽耦合馈电两个不同的激励机理,使得双极化磁电偶极子毫米波天线的两激励端口之间的电流耦合极小,隔离度|S21|大于53 dB;本发明天线的工作频段为24.0 GHz–29.7 GHz,其相对阻抗带宽为21.2%,覆盖了5G 毫米波n257/n258/n260/n261工作频段;本发明的天线具有良好稳定的辐射方向图和带内增益平坦度,双极化天线增益分别达到了6.2±0.4 dBi和6±0.4 dBi。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明实施例的双极化高隔离度磁电偶极子毫米波天线的结构示意图。
图2为本发明实施例的双极化高隔离度磁电偶极子毫米波天线的辐射体结构图。
图3为本发明实施例的双极化高隔离度磁电偶极子毫米波天线的微带线结构图。
图4为本发明实施例的双极化高隔离度磁电偶极子毫米波天线的L形探头结构图。
图5为本发明实施例的双极化高隔离度磁电偶极子毫米波天线的金属地板结构图。
图6为本发明实施例的双极化高隔离度磁电偶极子毫米波天线的俯视及侧视示意图。
图7为本发明实施例的双极化高隔离度磁电偶极子毫米波天线的反射系数曲线图。
图8为本发明实施例的双极化高隔离度磁电偶极子毫米波天线的隔离度曲线图。
图9为本发明实施例的双极化高隔离度磁电偶极子毫米波天线的增益图。
图10a、图10b分别为本发明实施例的双极化高隔离度磁电偶极子毫米波天线的第一激励端口在工作频段为26GHz和29GHz时的辐射方向图。
图11a、图11b分别为本发明实施例的双极化高隔离度磁电偶极子毫米波天线的第二激励端口在工作频段为26GHz和29GHz时的辐射方向图。
其中,100-辐射体,101-第一辐射体枝节,102-第二辐射体枝节,103-第三辐射体枝节,104-第四辐射体枝节,200-金属接地柱,201-第一金属接地柱,202-第二金属接地柱,203-第三金属接地柱,204-第四金属接地柱,301-第一介质板,302-第二介质板,401-第一激励端口,402-第二激励端口,500-第一微带线,600-第二微带线,601-第一枝节,602-第二枝节,603-第三枝节,700-金属墙,800-L形探头,801-金属连接柱,802-激励微带线,900-金属地板,901-矩形槽,902-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的一部分实施例,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:
如图1所示,本实施例提供了一种双极化高隔离度磁电偶极子毫米波天线,该天线能够应用于各种无线通信设备中,其包括辐射体100、金属接地柱200、第一介质板301、第二介质板302、第一激励端口401、第二激励端口402、第一微带线500、第二微带线600、金属墙700、L形探头800和金属地板900,金属墙700设置在第一介质板301内部的四周,通过引入金属墙700,改善双极化天线高频增益。
如图1和图2所示,辐射体100印刷在第一介质板301上表面,并通过金属接地柱200与金属地板900相连,形成磁电偶极子;具体地,辐射体100包括四个辐射体枝节,四个辐射体枝节在第一介质板301上表面呈中心对称结构排布,分别为第一辐射体枝节101、第二辐射体枝节102、第三辐射体枝节103和第四辐射体枝节104,每个辐射体枝节通过一组金属接地柱200与金属地板900相连,即金属接地柱200共有四组,四组金属接地柱分别为第一组金属接地柱201、第二组金属接地柱202、第三组金属接地柱203和第四组金属接地柱204,每组金属接地柱包括三根金属柱,金属接地柱200的两端贯穿第一介质板301将辐射体100与金属地板900相连,形成磁电偶极子。
如图1和图3所示,第一微带线500和第二微带线600印刷在第二介质板302下表面,其中第一微带线500在第二介质板302下表面垂直设置,第二微带线600在第二介质板302下表面水平设置,两个微带线呈现正交,第一微带线500与第一激励端口401相连,第二微带线600与第二激励端口402相连,第一微带线500和第二微带线600分别通过第一激励端口401和第二激励端口402进行激励,实现了水平和垂直两种极化辐射。
进一步地,第二微带线600为轴对称结构,包括依次相连的第一枝节601、第二枝节602和第三枝节603,其中第一枝节601和第二枝节602均为矩形,第二枝节602的宽度大于第一枝节601的宽度,第三枝节603为梯形。
如图1和图4所示,L形探头800与第一微带线500相连,其包括金属连接柱801和激励微带线802,其中激励微带线802印刷在第一介质板301上表面,且激励微带线802通过金属连接柱801与第一微带线500相连,具体地,金属连接柱801的两端贯穿第一介质板301和第二介质板302将激励微带线802和第一微带线500相连;第一激励端口401通过第一微带线500和L形探头800馈电实现垂直极化辐射。
如图1和图5所示,金属地板900印刷在第二介质板302上表面,金属地板900在第一微带线500和第二微带线600的对应位置上嵌入微带槽;具体地,微带槽包括矩形槽901和圆形槽902。圆形槽902的直径略大于金属连接柱801的直径,使得金属连接柱801能够穿过圆形槽902与第一微带线500相连,从而避免L形探头800与金属地板900接触,矩形槽901用于与第二微带线600形成耦合馈电,实现水平极化辐射。
如图6所示,每个辐射体枝节均为正方形,其宽度W p为1.4mm,辐射体枝节横向和纵向间距D 1为0.72mm,金属接地柱之间的间距D 2为0.40mm;第一介质板301和第二介质板302均为正方体,其长度L g为6.5mm,两块介质板总厚度H为1.128mm;第一微带线500其长度L 3为2.76mm,宽度W 3为0.24mm;第二微带线600包括依次相连的第一枝节601其长度L 1为1.37mm,宽度W 1为0.24mm、第二枝节602其长度L 2为1.87mm,宽度W 2为0.26mm以及第三枝节603为梯形,其长度L t 为0.49mm;金属墙700为矩形环,其长度L 4为5.30mm,宽度W 4为0.50mm;矩形槽901其长度L s 为1.96mm,宽度W s 为0.14mm;激励微带线802其长度L f 为1.30mm,宽度W f 为0.30mm。
图7、图8、图9、图10a~图10b和图11a~图11b分别为本实施例的高隔离毫米波天线的反射系数曲线图、隔离度曲线图、双极化天线增益曲线图和双极化天线辐射方向图。本实施例天线的工作频段为24.0 GHz–29.7 GHz,相对阻抗带宽为21.2%。该天线具有良好的辐射特性,隔离度|S21|大于53 dB,双极化的增益分别为6.2±0.4 dBi和6±0.4 dBi,并且在工作频段内的辐射方向图稳定。
综上所述,本发明天线采用了L形探头馈电和微带槽耦合馈电两个不同的激励机理,实现磁电偶极子天线的水平和垂直双极化辐射,在24.0 GHz–29.7 GHz的工作频段内,|S11|、|S22| < -10dB,相对阻抗带宽达到21.2%,并且双极化采用不同的馈电原理,在工作频段内,双极化辐射之间相互影响极小,从而获得大于53dB的高隔离度。
以上所述,仅为本发明专利较佳的实施例,但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制,其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种双极化高隔离度磁电偶极子毫米波天线,其特征在于,包括辐射体、金属接地柱、第一介质板、第二介质板、第一激励端口、第二激励端口、金属地板、第一微带线、第二微带线和L形探头;
所述辐射体印刷在第一介质板上表面,并通过金属接地柱与金属地板相连,形成磁电偶极子,所述第一微带线和第二微带线印刷在第二介质板下表面,所述L形探头与第一微带线相连,所述第一微带线与第一激励端口相连,所述第二微带线与第二激励端口相连,所述金属地板印刷在第二介质板上表面,且金属地板在第一微带线和第二微带线的对应位置上嵌入微带槽;
所述L形探头包括金属连接柱和激励微带线,所述激励微带线印刷在第一介质板上表面,且激励微带线通过金属连接柱与第一微带线相连;
所述微带槽包括矩形槽和圆形槽,所述圆形槽设置在矩形槽的两端之间,且圆形槽的直径大于金属连接柱的直径,所述金属连接柱穿过圆形槽与第一微带线相连,所述矩形槽与第二微带线耦合。
2.根据权利要求1所述的双极化高隔离度磁电偶极子毫米波天线,其特征在于,所述辐射体包括四个辐射体枝节,四个辐射体枝节在第一介质板上表面呈中心对称结构排布,每个所述辐射体枝节通过一组金属接地柱与金属地板相连。
3.根据权利要求2所述的双极化高隔离度磁电偶极子毫米波天线,其特征在于,每组所述金属接地柱包括多根金属柱。
4.根据权利要求1所述的双极化高隔离度磁电偶极子毫米波天线,其特征在于,所述第二微带线为轴对称结构,包括依次相连的第一枝节、第二枝节和第三枝节。
5.根据权利要求4所述的双极化高隔离度磁电偶极子毫米波天线,其特征在于,所述第一枝节和第二枝节均为矩形,所述第二枝节的宽度大于第一枝节的宽度,所述第三枝节为梯形。
6.根据权利要求1所述的双极化高隔离度磁电偶极子毫米波天线,其特征在于,所述第一微带线在第二介质板下表面垂直设置,所述第二微带线在第二介质板下表面水平设置。
7.根据权利要求1-6任一项所述的双极化高隔离度磁电偶极子毫米波天线,其特征在于,还包括金属墙,所述金属墙设置在第一介质板内部的四周。
8.一种无线通信设备,其特征在于,包括权利要求1-7任一项所述的双极化高隔离度磁电偶极子毫米波天线。
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