CN114937863B - 一种双极化磁电偶极子天线 - Google Patents

一种双极化磁电偶极子天线 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种双极化磁电偶极子天线，包括介质板；水平极化探针，居中设置在介质板内，在水平极化探针一侧，设有垂直极化探针；作为辐射结构的电偶极子，设置在介质板内，由四个结构相同的子栅格状结构组成；短路墙，设置在介质板内，由四个结构相同的子结构体组成；地板，包括各水平方向的金属层，以及设于介质板内的、沿z轴方向设置的若干第一金属柱；馈电结构的激励方式为基片集成同轴线结构。本发明，实现了端射型磁电偶极子天线的双极化，优化了水平极化的L型探针和垂直极化的L型探针的设计，同时适应性地优化了电偶极子和短路墙的设计，不仅实现了双极化端射辐射，而且结构紧凑，尺寸小，适合作为大规模多波束天线的馈源天线使用。

Description

一种双极化磁电偶极子天线
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，具体说是一种双极化磁电偶极子天线。尤指端射型双极化磁电偶极子天线。
背景技术
在相同天线尺寸下毫米波的波束要比微波的波束窄得多，单波束覆盖范围小，具有良好的指向性，故毫米波通信中通常需要多波束天线来扩大覆盖范围。例如毫米波通信中使用的空间馈电天线系统(系统通常包括用于毫米波通信的透镜天线，或用于毫米波通信的反射面天线以及馈电天线)，实现多波束就需要多个馈源天线在透镜天线或者反射面天线周围进行合理排布，从而通过多个馈源天线的激励产生多波束来扩大空间馈电天线系统的覆盖范围。该方案的不足之处在于：多个馈源天线会占用较大的空间，使得整个空间馈电天线系统体积较大。因此馈源天线本身的小型化设计具有重要的研究价值。
磁电偶极子天线是由我国天线专家陆贵文教授和黄衡博士于2006年提出，具有结构简单、定向辐射特性稳定、宽频带的优点，受到国内外科研工作者的广泛研究。
相对于基片集成波导和同轴探针作为激励传输线的磁电偶极子天线，基片集成同轴线作为馈线的磁电偶极子天线尺寸更小，且克服了基片集成波导单模工作带宽对天线带宽的限制问题，更适合于大规模的宽频带多波束馈源阵列。
现有技术对边射型磁电偶极子天线的极化研究成果较多，而端射型磁电偶极子天线的双极化研究实现困难，对于设计和加工的要求较高，虽然已有公开发表的基于基片集成波导馈电的端射型双极化磁电偶极子天线，但是基于基片集成同轴线馈电的端射型双极化磁电偶极子天线目前没有公开可查的结构，实现较难。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种双极化磁电偶极子天线，实现了端射型磁电偶极子天线的双极化，优化了水平极化的L型探针和垂直极化的L型探针的设计，同时适应性地优化了电偶极子和短路墙的设计，不仅实现了双极化端射辐射，而且结构紧凑，尺寸小，适合作为大规模多波束天线的馈源天线使用。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
一种双极化磁电偶极子天线，其特征在于，包括：
介质板，所述介质板包括从上至下依次叠置的十层介质基板，每一层介质基板的上表面和下表面均通过覆铜形成金属层4，相邻的介质基板通过粘合层连为一体；
水平极化探针26，居中设置在介质板内，在水平极化探针26一侧，设有垂直极化探针，所述水平极化探针26为水平极化的L型探针，所述垂直极化探针为垂直极化的L型探针；
水平极化探针26和垂直极化探针正交构成馈电结构；
作为辐射结构的电偶极子，设置在介质板内，由四个结构相同的子栅格状结构1组成，子栅格状结构呈矩形分布在天线前方位置；
短路墙，设置在介质板内，由四个结构相同的子结构体3组成；子结构体呈矩形分布，且分别位于子栅格状结构的后侧，地板2的前侧；所述子结构体3之间的缝隙等效为磁偶极子；
地板2，包括各水平方向的金属层4，以及设于介质板内的、沿z轴方向设置的若干第一金属柱24；
各金属层4和各第一金属柱24构成网格状结构，等效为地板2；
馈电结构的激励方式为基片集成同轴线结构。
在上述技术方案的基础上，所述水平极化探针26包括：横向导体和竖向导体，横向导体一端与竖向导体一端相连形成L型探针，所述横向导体沿x轴向设置，所述竖向导体沿y轴向设置。
在上述技术方案的基础上，所述垂直极化探针包括：第四金属柱33，沿z轴向设置，所述第四金属柱33的顶端和底端均设有第二焊盘29，第一金属条带25与第四金属柱33顶端的第二焊盘29连接，所述第一金属条带25沿y轴向设置。
在上述技术方案的基础上，四个子栅格状结构分别位于横向导体的左上方、右上方、左下方和右下方。
在上述技术方案的基础上，子栅格状结构包括：若干从上至下依次间隔设置的第三金属条带32，若干等间隔设置的第二金属柱27将各个第三金属条带32连为一体；
第二金属柱27之间的间隔距离依据加工精度定，第二金属柱27的数量依据电偶极子臂长定，与带宽内频率相关。
在上述技术方案的基础上，子结构体3包括：第二金属条带31，沿水平方向设置，若干第三金属柱30，垂直于第二金属条带31，在第三金属柱30上设有第一焊盘28，第三金属柱30沿竖向导体的方向间隔设置；第三金属柱30构成垂直方向短路墙；
构成垂直方向短路墙的第三金属柱30之间的间距需满足能量不泄漏。
在上述技术方案的基础上，短路墙采用四分之一波长短路墙结构。
在上述技术方案的基础上，第一金属条带25右侧的地板2中，以及第一金属条带25左侧的地板2中，分别设有若干第一金属柱24，各金属层4和各第一金属柱24构成网格状结构，等效为地板2，所述地板2整体起到反射板的作用。
在上述技术方案的基础上，所述同轴线包括内导体34和外导体，内导体34位于地板2内，内导体34延伸构成水平极化探针26，若干第五金属柱35构成外导体，第五金属柱35设置在内导体34左右两侧。
本发明所述的一种双极化磁电偶极子天线，具有以下有益效果：
1、实现了端射型磁电偶极子天线的双极化，优化了水平极化的L型探针和垂直极化的L型探针的设计，同时适应性地优化了电偶极子和短路墙的设计，不仅实现了双极化端射辐射，而且结构紧凑，尺寸小，适合作为大规模多波束天线的馈源天线使用。
2、本发明中，水平极化的L型探针采用金属条带，垂直极化的L型探针包括水平方向的金属条带和垂直方向的金属柱，使得地板和电偶极子从边射型的水平方向转为垂直方向，避免了水平方向地板尺寸大不便于馈源组阵的缺点，同时适应性地优化了电偶极子和短路墙的设计。
3、本发明中，利用了多层印刷电路板技术，将水平方向的金属条带和垂直方向的金属柱相结合：
一方面，馈电结构采用两个正交的L型探针，即水平极化的探针使用金属条带，而垂直极化的探针包括水平方向的金属条带和垂直方向的金属柱；
另一方面，短路墙结构由水平方向的金属条带和垂直方向的金属柱构成，这样的天线不仅实现了双极化端射辐射，而且结构紧凑，尺寸小，适合作为大规模多波束天线的馈源天线使用。
4、本发明中，使用基片集成同轴线，可以方便利用多层印刷电路技术进行整体加工，避免了分块加工装配带来空气间隙。同时克服了空间馈电多波束天线常用的波导类型馈源天线因尺寸过大造成馈源天线数量有限而多波束数量有限，且相邻馈源间距较大而覆盖不全面的缺陷，集成度更高，此外还克服了基片集成波导单模工作带宽对天线带宽的限制问题。
附图说明
本发明有如下附图：
附图用于更好地理解本发明，不构成对本发明的不当限定。其中：
图1为本发明所述双极化磁电偶极子天线的结构示意图；
图2为图1的右侧视图；
图3为图1的俯视图；
图4为本发明所述短路墙的结构示意图；
图5为图1的正视图；
图6为本发明所述探针的结构示意图；
图7为实施例1天线匹配情况示意图；
图8为实施例1水平极化天线辐射方向示意图；
图9为实施例1垂直极化天线辐射方向示意图；
图10为天线增益示意图；
图11为图3中区域A(基片集成同轴线结构)的结构示意图。
上述附图中，附图标记对应的部件名称如下：
1、子栅格状结构；2、地板；3、子结构体；4、金属层；5、第一层介质基板；6、第一层粘合层；7、第二层介质基板；8、第二层粘合层；9、第三层介质基板；10、第三层粘合层；11、第四层介质基板；12、第四层粘合层；13、第五层介质基板；14、第五层粘合层；15、第六层介质基板；16、第六层粘合层；17、第七层介质基板；18、第七层粘合层；19、第八层介质基板；20、第八层粘合层；21、第九层介质基板；22、第九层粘合层；23、第十层介质基板；24、第一金属柱；25、第一金属条带；26、水平极化探针；27、第二金属柱；28、第一焊盘；29、第二焊盘；30、第三金属柱；31、第二金属条带；32、第三金属条带；33、第四金属柱；34、内导体；35、第五金属柱。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。所述详细说明，为结合本发明的示范性实施例做出的说明，其中包括本发明实施例的各种细节以助于理解，应当将它们认为仅仅是示范性的。因此，本领域技术人员应当认识到，可以对这里描述的实施例做出各种改变和修改，而不会背离本发明的范围和精神。同样，为了清楚和简明，以下的描述中省略了对公知功能和结构的描述。
如图1-图6所示，本发明提出了一种双极化磁电偶极子天线，包括：
介质板，采用多层印刷电路板工艺制成，所述介质板包括从上至下依次叠置的十层介质基板，每一层介质基板的上表面和下表面均通过覆铜形成金属层4，相邻的介质基板通过粘合层连为一体；
如图2所示，所述十层介质基板分别为：第一层介质基板5、第二层介质基板7、第三层介质基板9、第四层介质基板11、第五层介质基板13、第六层介质基板15、第七层介质基板17、第八层介质基板19、第九层介质基板21和第十层介质基板23；其中：
第七层介质基板17和第八层介质基板19是为了保证天线整体结构的对称性，以实现更好的辐射方向图；
第一层介质基板5和第十层介质基板23是为了实现天线的阻抗匹配；
如图2所示，金属层4设置在每一层介质基板的上表面和下表面，金属层4共二十层；
如图2所示，所述粘合层共九层，分别为：
在第一层介质基板5和第二层介质基板7之间设有第一层粘合层6；
在第二层介质基板7和第三层介质基板9之间设有第二层粘合层8；
在第三层介质基板9和第四层介质基板11之间设有第三层粘合层10；
在第四层介质基板11和第五层介质基板13之间设有第四层粘合层12；
在第五层介质基板13和第六层介质基板15之间设有第五层粘合层14；
在第六层介质基板15和第七层介质基板17之间设有第六层粘合层16；
在第七层介质基板17和第八层介质基板19之间设有第七层粘合层18；
在第八层介质基板19和第九层介质基板21之间设有第八层粘合层20；
在第九层介质基板21和第十层介质基板23之间设有第九层粘合层22；
作为可选择的实施方案之一，所述介质基板的材质为Rogers4350，所述粘合层的材质为Rogers4450；
作为可选择的实施方案之一，第一层介质基板5和第十层介质基板23的厚度为0.762mm，其余各层介质基板的厚度均为0.254mm，粘合层厚度为0.2mm；
作为可选择的实施方案之一，金属层覆铜厚度为0.035mm；
水平极化探针26，居中设置在介质板内，在水平极化探针26一侧，设有垂直极化探针，所述水平极化探针26为水平极化的L型探针，所述垂直极化探针为垂直极化的L型探针，如图3、图5、图6所示；本发明不限定水平极化探针和垂直极化探针的前后位置，可根据需要的带宽和加工精度进行调整；水平极化探针26和垂直极化探针正交构成馈电结构(亦可称为探针馈电结构)；
作为可选择的实施方案一，如图3、图5、图6所示，所述水平极化探针26包括：横向导体和竖向导体，横向导体一端与竖向导体一端相连形成L型探针，所述横向导体沿x轴向设置，位于整个天线最前方，所述竖向导体沿y轴向设置；
所述垂直极化探针包括：第四金属柱33，沿z轴向设置，所述第四金属柱33的顶端和底端均设有第二焊盘29，第一金属条带25与第四金属柱33顶端的第二焊盘29连接，所述第一金属条带25沿y轴向设置；第四金属柱33位于横向导体后侧且二者间隔一间距，焊盘是印刷电路板技术对于金属柱加工的工艺要求，按现有技术实施即可，不再详述；本发明利用了多层印刷电路板技术，将第一金属条带25和第四金属柱33相结合；
作为可选择的实施方案二，与实施方案一的区别在于，第四金属柱33位于整个天线最前方，横向导体位于第四金属柱33后侧且二者间隔一间距；
实施方案一和实施方案二中所述间距的取值根据实际匹配进行调整，以保证能量耦合来激励作为辐射结构的电偶极子实现有效电磁波辐射；
图1、图2所示实施例中，水平极化探针26设置在第五层介质基板13和第六层介质基板15之间，水平极化探针26为第六层介质基板15上表面的L型覆铜金属条带，位于第六层介质基板15上表面的金属层4；
垂直极化探针设置在第三层介质基板9和第四层介质基板11之间，第一金属条带25为第三层介质基板9下表面的覆铜金属条带；
作为辐射结构的电偶极子，设置在介质板内，由四个结构相同的子栅格状结构1组成，子栅格状结构呈矩形分布在天线前方位置；
图1、图2所示实施例中，四个子栅格状结构分别位于横向导体的左上方、右上方、左下方和右下方，具体说分别设置在第三层到第八层金属层4和第十三层到第十八层金属层4；
如图3所示，子栅格状结构包括：若干从上至下依次间隔设置的第三金属条带32，若干等间隔设置的第二金属柱27将各个第三金属条带32连为一体；第三金属条带32设置在金属层4中，第二金属柱27之间的间隔距离依据加工精度定，第二金属柱27的数量依据电偶极子臂长定，与带宽内频率相关；
图5示出的子栅格状结构示例中，包括六个从上至下依次间隔设置的第三金属条带32，四个等间隔设置的第二金属柱27将各个第三金属条带32连为一体；
短路墙，设置在介质板内，由四个结构相同的子结构体3组成，子结构体呈矩形分布，且分别位于子栅格状结构的后侧，地板2的前侧，即：短路墙位于辐射结构和地板2之间，所述子结构体3之间的缝隙等效为磁偶极子；
如图4所示，子结构体3包括：第二金属条带31，沿水平方向设置，若干第三金属柱30，垂直于第二金属条带31，在第三金属柱30上设有第一焊盘28，第三金属柱30沿竖向导体的方向间隔设置；
作为可选择的实施方案之一，位于左上方和右上方的子栅格状结构，整体呈L形，第三金属柱30设于第二金属条带31的上表面；第二金属条带31设于第四层介质基板11下表面的金属层4，第三金属柱30构成垂直方向短路墙，位于第三层介质基板9、第三层粘合层10以及第四层介质基板11内；
位于左下方和右下方的子栅格状结构，整体呈L形，第三金属柱30设于第二金属条带31的下表面；第二金属条带31设于第七层介质基板17上表面的金属层4，第三金属柱30构成垂直方向短路墙，位于第七层介质基板17、第七层粘合层18以及第八层介质基板19内；
构成垂直方向短路墙的第三金属柱30之间的间距需满足能量不泄漏；例如：第二金属条带31的长度为四分之一波长，第三金属柱30距离第二金属条带31边缘的距离为0.1mm至0.2mm来保证加工，基于以上数据确定各第三金属柱30之间的间隔距离；
作为可选择的实施方案之一，短路墙采用四分之一波长短路墙结构；
地板2，包括各水平方向的金属层4，以及设于介质板内的、沿z轴方向设置的若干第一金属柱24；
各金属层4和各第一金属柱24构成网格状结构，等效为地板2；
第一金属条带25右侧的地板2中，以及第一金属条带25左侧的地板2中，分别设有若干第一金属柱24，所述地板2整体起到反射板的作用；图3所示实施例中，第一金属条带25右侧的地板2中，设有9根第一金属柱24，按3*3的布局设置；第一金属条带25左侧的地板2中，设有4根第一金属柱24，按L形的布局设置；
第一金属柱24的具体数量及布局设置，与地板宽度有关，与介质基板的材质有关，需要说明的是，靠近短路墙处地板最边缘的第一金属柱24应采用完整的一排布局设置，目的在于形成更好的反射板作用；
馈电结构的激励方式为基片集成同轴线结构，所述同轴线包括内导体34和外导体，如图11所示，内导体34位于地板2内，内导体34延伸构成水平极化探针26，若干第五金属柱35构成外导体，第五金属柱35设置在内导体34左右两侧，
作为可选择的实施方案之一，基片集成同轴线结构位于短路墙后方的介质板内，包括：
激励垂直极化的位于第三层介质基板9和第四层介质基板11内的基片集成同轴线结构；
激励水平极化的位于第五层介质基板13和第六层介质基板15内的基片集成同轴线结构；
水平极化激励端口为端口1，垂直极化激励端口为端口2。
以下为具体实施例。
【实施例1】
天线宽度5.9mm，高度可由介质板厚度和粘合层厚度计算得到，电偶极子一个子栅格状结构金属柱直径0.2mm，据此可计算得到子栅格状结构金属条带长度，地板到天线最前端距离为1.56mm，据此可以计算得到短路墙长度和短路墙金属柱尺寸。该天线的天线匹配情况如图7所示，-10dB阻抗带宽约30％，端口隔离度基本高于25dB。
实施例1所示天线的水平极化天线辐射方向如图8所示，垂直极化天线辐射方向如图9所示，天线增益如图10所示，能够看出垂直极化和水平极化下均呈现交叉极化水平低，且主极化的E面和H面方向图基本一致。
【实施例2】
双极化磁电偶极子天线，天线辐射方向为端射辐射，将多个天线位于包括透镜天线或者反射面天线在内的空间馈电天线系统周围，可实现多波束。
【实施例3】
双极化磁电偶极子天线，天线整体结构呈现上下对称结构，水平极化探针26和垂直极化探针水平方向的第一金属条带25和垂直方向的第四金属柱33所在的基片集成同轴线的内导体34尺寸与频率有关，相应的调整辐射结构中水平方向的第三金属条带32和垂直方向的第二金属柱27的尺寸，以及第二金属条带31和垂直方向的第三金属柱30的尺寸，可以调节磁电偶极子天线的工作频带。由于垂直方向的金属柱需位于介质基板内，故此时需要相应的调整介质基板的厚度来优化阻抗匹配情况。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (9)

1.一种双极化磁电偶极子天线，其特征在于，包括：
介质板，所述介质板包括从上至下依次叠置的十层介质基板，每一层介质基板的上表面和下表面均通过覆铜形成金属层(4)，相邻的介质基板通过粘合层连为一体；
水平极化探针(26)，居中设置在介质板内，在水平极化探针(26)一侧，设有垂直极化探针，所述水平极化探针(26)为水平极化的L型探针，所述垂直极化探针为垂直极化的L型探针；
水平极化探针(26)和垂直极化探针正交构成馈电结构；
作为辐射结构的电偶极子，设置在介质板内，由四个结构相同的子栅格状结构(1)组成，子栅格状结构呈矩形分布在天线前方位置；
短路墙，设置在介质板内，由四个结构相同的子结构体(3)组成；子结构体呈矩形分布，且分别位于子栅格状结构的后侧，地板(2)的前侧；所述子结构体(3)之间的缝隙等效为磁偶极子；
地板(2)，包括各水平方向的金属层(4)，以及设于介质板内的、沿z轴方向设置的若干第一金属柱(24)；
各金属层(4)和各第一金属柱(24)构成网格状结构，等效为地板(2)；
馈电结构的激励方式为基片集成同轴线结构。
2.如权利要求1所述的一种双极化磁电偶极子天线，其特征在于，所述水平极化探针(26)包括：横向导体和竖向导体，横向导体一端与竖向导体一端相连形成L型探针，所述横向导体沿x轴向设置，所述竖向导体沿y轴向设置。
3.如权利要求1所述的一种双极化磁电偶极子天线，其特征在于，所述垂直极化探针包括：第四金属柱(33)，沿z轴向设置，所述第四金属柱(33)的顶端和底端均设有第二焊盘(29)，第一金属条带(25)与第四金属柱(33)顶端的第二焊盘(29)连接，所述第一金属条带(25)沿y轴向设置。
4.如权利要求2所述的一种双极化磁电偶极子天线，其特征在于，四个子栅格状结构分别位于横向导体的左上方、右上方、左下方和右下方。
5.如权利要求4所述的一种双极化磁电偶极子天线，其特征在于，子栅格状结构包括：若干从上至下依次间隔设置的第三金属条带(32)，若干等间隔设置的第二金属柱(27)将各个第三金属条带(32)连为一体；
第二金属柱(27)之间的间隔距离依据加工精度定，第二金属柱(27)的数量依据电偶极子臂长定，与带宽内频率相关。
6.如权利要求2所述的一种双极化磁电偶极子天线，其特征在于，子结构体(3)包括：第二金属条带(31)，沿水平方向设置，若干第三金属柱(30)，垂直于第二金属条带(31)，在第三金属柱(30)上设有第一焊盘(28)，第三金属柱(30)沿竖向导体的方向间隔设置；第三金属柱(30)构成垂直方向短路墙；
构成垂直方向短路墙的第三金属柱(30)之间的间距需满足能量不泄漏。
7.如权利要求6所述的一种双极化磁电偶极子天线，其特征在于，短路墙采用四分之一波长短路墙结构。
8.如权利要求3所述的一种双极化磁电偶极子天线，其特征在于，第一金属条带(25)右侧的地板(2)中，以及第一金属条带(25)左侧的地板(2)中，分别设有若干第一金属柱(24)，各金属层(4)和各第一金属柱(24)构成网格状结构，等效为地板(2)，所述地板(2)整体起到反射板的作用。
9.如权利要求2所述的一种双极化磁电偶极子天线，其特征在于，所述同轴线包括内导体(34)和外导体，内导体(34)位于地板(2)内，内导体(34)延伸构成水平极化探针(26)，若干第五金属柱(35)构成外导体，第五金属柱(35)设置在内导体(34)左右两侧。
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