CN115832689A - 一种宽波束毫米波圆极化磁电偶极子天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽波束毫米波圆极化磁电偶极子天线，包括层叠排布的第一介质基板、金属层以及第二介质基板，第一介质基板上设有旋转对称的两个L形贴片，两个L形贴片的外围设置分裂环，分裂环沿圆周方向均匀的切割了若干个缝隙，金属层中间切去一块形成耦合缝隙，第二介质基板内设置微带馈线，两个L形贴片与金属层之间通过第一金属化通孔连接，分裂环的每个缝隙处均设置一个第二金属化通孔，第二金属化通孔穿过第一介质基板与金属层接触，两个L形贴片的L形开口与分裂环之间的空隙设置第三金属化通孔，第三金属通过穿过第一介质基板与金属层接触；本发明的优点在于：天线的3‑dB轴比波束宽度及半功率波束宽度，从而实现广角范围内的通信。

Description

一种宽波束毫米波圆极化磁电偶极子天线

技术领域

本发明涉及天线技术领域，更具体涉及一种宽波束毫米波圆极化磁电偶极子天线。

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，毫米波频段逐渐被越来越多的利用，毫米波天线的设计就变得非常的需要。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是非常重要的。

但是，目前大多数毫米波圆极化天线的工作都集中在宽的3-dB轴比带宽上，而不是加宽3-dB轴比波束宽度和辐射方向图的半功率波束带宽。具有宽3-dB轴比波束宽度和半功率波束带宽的CP天线具有许多优点。例如，它们是CP波束扫描阵列单元天线的最佳候选者，然后可以实现广角范围内的通信。因此提升CP天线的3-dB轴比波束宽度以及半功率波束带宽是目前亟需解决的问题。

中国专利公开号CN114566794A，公开了一种5G毫米波双极化磁电偶极子滤波天线，包括顶层介质基板、底层介质基板和中间粘合层；顶层介质基板上表面印刷辐射体结构、十字形金属贴片、环形金属结构，辐射体结构连接到顶层介质基板下表面，十字形金属贴片连接至底层介质板的馈电微带线上，环形金属结构包围辐射体结构；顶层介质基板下表面印刷金属地，金属地上加载圆缝隙，底层介质基板上表面印刷圆环贴片，下表面印刷两组一分二的馈电微带线，一条微带线末端印刷一个枝节线；电偶极子长度和磁偶极子高度控制低频辐射零点；环形金属结构和差分电路控制高频辐射零点。该天线有效提升带外抑制水平，一定程度上提升了天线带宽，但是该天线无法实现圆极化，并非圆极化天线，并不涉及如何提升3-dB轴比波束宽度以及半功率波束带宽，从而难以实现广角范围内的通信。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于如何提升CP天线的3-dB轴比波束宽度以及半功率波束带宽，从而实现广角范围内的通信。

本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：一种宽波束毫米波圆极化磁电偶极子天线，包括层叠排布的第一介质基板、金属层以及第二介质基板，所述第一介质基板上设有旋转对称的两个L形贴片，所述两个L形贴片的外围设置分裂环，所述分裂环沿圆周方向均匀的切割了若干个缝隙，所述金属层中间切去一块形成耦合缝隙，所述第二介质基板内设置微带馈线，所述两个L形贴片与金属层之间通过第一金属化通孔连接，所述分裂环的每个缝隙处均设置一个第二金属化通孔，第二金属化通孔穿过第一介质基板与金属层接触，所述两个L形贴片的L形开口与分裂环之间的空隙设置第三金属化通孔，第三金属通过穿过第一介质基板与金属层接触。

有益效果：本发明在两个L形贴片周围添加分裂环，改善了天线的3-dB轴比波束宽度，通过在分裂环间隙之间添加第二金属化通孔，由于其引向作用，可以将天线的辐射向四周拉伸，大幅扩宽了天线的半功率波瓣宽度，通过在分裂环和L形贴片之间添加第三金属化通孔，将天线的辐射向两个对角线方向进一步拉伸，进一步地提升了天线的半功率波束宽度，从而实现广角范围内的通信。

进一步地，所述两个L形贴片位于第一介质基板的上表面，所述金属层位于第一介质基板的下表面，所述微带馈线位于第二介质基板的下表面。

进一步地，所述第一介质基板采用罗杰斯4003C介质基板，介电常数为3.55，损耗正切tanδ＝0.0027，第二介质基板采用罗杰斯5880介质基板，介电常数为2.2，损耗正切tanδ＝0.0009。

进一步地，所述金属层中间切去一块矩形结构，形成矩形的耦合缝隙。

进一步地，所述第一金属化通孔的下方与耦合缝隙接触。

进一步地，所述微带馈线的部分区域位于耦合缝隙下方。

进一步地，所述两个L形贴片等效为电偶极子，所述耦合缝隙等效为磁偶极子。

进一步地，所述微带馈线位于第二介质基板边缘的一端设置馈电端口，电磁能量从馈电端口耦合进入天线内部。

进一步地，所述第一金属化通孔、第二金属化通孔及第三金属化通孔的高度为天线圆极化中心频率的四分之一波长，所述第一介质基板的中心到分裂环的距离为辐射口径，所述辐射口径等于天线圆极化中心频率对应波长的一半。

更进一步地，通过控制第二金属化通孔和/或第三金属化通孔的数量和位置，调控天线的辐射方向以及辐射范围。

本发明的优点在于：

(1)本发明在两个L形贴片周围添加分裂环，改善了天线的3-dB轴比波束宽度，通过在分裂环间隙之间添加第二金属化通孔，由于其引向作用，可以将天线的辐射向四周拉伸，大幅扩宽了天线的半功率波瓣宽度，通过在分裂环和L形贴片之间添加第三金属化通孔，将天线的辐射向两个对角线方向进一步拉伸，进一步地提升了天线的半功率波束宽度，从而实现广角范围内的通信。

(2)本发明的宽波束圆极化天线整体为平面结构，低剖面，且结构非常简单，易于设计优化，易于加工制作和集成，有利于实现低成本。

(3)本发明的宽波束圆极化天线结构紧凑，最大辐射口径仅约为半波长，易于进一步扩展成为阵列天线结构。

(4)本发明两个L形贴片上的第一金属化通孔的高度为天线圆极化中心频率的四分之一波长，两个L形贴片可以产生90°的相位差，因此天线能够实现圆极化。

(5)本发明通过控制第二金属化通孔和/或第三金属化通孔的数量和位置，可以较为灵活地调控该天线向四周的辐射。

附图说明

图1为本发明实施例所提供的一种宽波束毫米波圆极化磁电偶极子天线的三维结构透视示意图；

图2为图1的三维结构示意图对应的建模效果图；

图3为本发明实施例所提供的一种宽波束毫米波圆极化磁电偶极子天线的第一介质基板、第二介质基板以及金属层的拆分示意图；

图4为本发明实施例所提供的一种宽波束毫米波圆极化磁电偶极子天线中第一介质基板俯视图；

图5为本发明实施例所提供的一种宽波束毫米波圆极化磁电偶极子天线中金属层示意图；

图6为本发明实施例所提供的一种宽波束毫米波圆极化磁电偶极子天线中第二介质基板示意图；

图7为本发明实施例所提供的一种宽波束毫米波圆极化磁电偶极子天线的剖视图；

图8为本发明实施例所提供的一种宽波束毫米波圆极化磁电偶极子天线在没有第三金属化通孔时的辐射方向图；

图9为本发明实施例所提供的一种宽波束毫米波圆极化磁电偶极子天线在有第三金属化通孔时的辐射方向图；

图10为本发明实施例所提供的一种宽波束毫米波圆极化磁电偶极子天线的S11参数示意图；

图11为本发明实施例所提供的一种宽波束毫米波圆极化磁电偶极子天线的轴比参数示意图；

图12为本发明实施例所提供的一种宽波束毫米波圆极化磁电偶极子天线在29.6GHz时的3-dB轴比波束宽度示意图；

图13为本发明实施例所提供的一种宽波束毫米波圆极化磁电偶极子天线在30.1GHz时的3-dB轴比波束宽度示意图；

图14为本发明实施例所提供的一种宽波束毫米波圆极化磁电偶极子天线在29.6GHz时的半功率波束宽度示意图；

图15为本发明实施例所提供的一种宽波束毫米波圆极化磁电偶极子天线的增益参数示意图；

图16为本发明实施例所提供的一种宽波束毫米波圆极化磁电偶极子天线在28GHz时的xoz面增益方向图示意图；

图17为本发明实施例所提供的一种宽波束毫米波圆极化磁电偶极子天线在28GHz时的yoz面的增益方向图示意图。

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。

一种宽波束毫米波圆极化磁电偶极子天线，包括层叠排布的第一介质基板1、金属层3以及第二介质基板2。由于本发明是在高频电磁仿真软件HFSS中建模并仿真的，其软件特性使得多层分布的天线具有透视效果，而天线实际并不具有透视效果，给出具有空间透视效果的视图仅仅是为了便于理解本发明的设计，具体的，图1是本发明提供的天线的三维透视视图，为了更加清楚的展示图1的空间情况，图2给出了图1对应的建模效果示意图，为了清楚展示金属层3和第二介质基板2的情况，图3给出了拆分示意图。

所述天线采用双层PCB结构，所述天线的尺寸为W＝9mm，L＝9mm。所述第一介质基板1采用罗杰斯4003C介质基板，厚度0.813mm，宽度为9mm，长度为9mm，介电常数为3.55，损耗正切tanδ＝0.0027。所述第二介质基板2采用罗杰斯5880介质基板，厚度0.254mm，宽度为9mm，长度为9mm，介电常数为2.2，损耗正切tanδ＝0.0009。设空间直角坐标系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。

所述第一介质基板1上设有旋转对称的两个L形贴片4。L形贴片4可以等效为电偶极子，是天线的主要辐射结构。如图4所示，L形贴片4的尺寸W1＝1.71mm、L1＝1.1mm、Lg＝0.75mm。

所述两个L形贴片4的外围设置分裂环7，所述分裂环7位于第一介质基板1上表面，包围住两个L形贴片4，所述分裂环7沿圆周方向均匀的切割了16个缝隙。分裂环7的直径R＝4.9mm，小于29.6GHz频点对应的二分之一波长。

如图5所示，所述金属层3位于第一介质基板1的下表面，所述金属层3正中间位置切去一块矩形结构，形成矩形的耦合缝隙6，其等效为磁偶极子，耦合缝隙6的长Ls＝3.8mm，宽Ws＝0.42mm。所述两个L形贴片4与金属层3之间通过第一金属化通孔5连接，第一金属化通孔5到L形贴片4的边界距离g＝0.12mm。所述第一金属化通孔5的下方的一侧靠近耦合缝隙6，与耦合缝隙6接触。所述分裂环7的每个缝隙处均设置一个第二金属化通孔8，共16个，也是旋转对称的。第二金属化通孔8穿过第一介质基板1与金属层3接触。所述两个L形贴片4的L形开口与分裂环7之间的空隙设置第三金属化通孔9，第三金属通过穿过第一介质基板1与金属层3接触。第二金属化通孔8和第三金属化通孔9为通孔引向器，将天线的辐射向两个对角线方向进一步拉伸，进一步地提升天线的半功率波束宽度。

所述第一金属化通孔5、第二金属化通孔8及第三金属化通孔9的高度为天线圆极化中心频率的四分之一波长。具体的，如图4所示，所述第一金属化通孔5位于第一介质基板1之中，第一金属化通孔5高度为0.813mm，直径R1＝0.45mm。所述第二金属化通孔8位于第一介质基板1之中，第二金属化通孔8高度为0.813mm，直径R2＝0.24mm。所述第三金属化通孔9位于第一介质基板1之中，第三金属化通孔9高度为0.813mm，直径R3＝0.25mm。通过控制第二金属化通孔8和/或第三金属化通孔9的数量和位置，调控天线的辐射方向以及辐射范围。

如图6所示，所述第二介质基板2内设置微带馈线10，本实施例中微带馈线10设置在第二介质基板2的下表面，实际应用中可以根据需要设置在第二介质基板2内部。所述微带馈线10的部分区域位于耦合缝隙6下方。微带馈线10起到馈电的作用。微带馈线10的长度Lk＝6.0mm，宽度Wk＝0.6mm。

所述微带馈线10位于第二介质基板2边缘的一端设置馈电端口11，通过微带馈线10和缝隙结构将电磁能量耦合进天线结构中对天线进行馈电。

如图7所示，为天线的剖面图，第一介质基板1和第二介质基板2紧挨在一起(堆叠在一起)，其中第一介质基板1的厚度h1＝0.813mm，第二介质基板2的厚度h2＝0.254mm。金属层3在第一介质基板1下表面，紧紧贴敷于第一介质基板1，厚度在图7中显示不出来，因此图未示意。

本发明的工作原理为：电磁能量经馈电端口11进入微带馈线10，馈入耦合缝隙6，经耦合缝隙6耦合到第一金属化通孔5，经第一金属化通孔5传输到L形贴片4，通过L形贴片4向四周辐射。相比于正方形贴片，L形贴片4的多出一个臂，可以产生旋转电场，通过调节臂的宽带和长度可以实现正交的电流，在第一介质基板1中的第一金属化通孔5的高度为0.813mm，大约为圆极化中心频率的四分之一波长，可以产生90°的相位差，因此天线可以产生圆极化。但是，此时该天线的半功率波瓣宽度是较窄的。

于是在两个L形贴片4周围添加分裂环7，改善了天线的3-dB轴比波束宽度。通过在分裂环7间隙之间添加第二金属化通孔8，由于其引向作用，可以将天线的辐射向四周拉伸，大幅扩宽了天线的半功率波瓣宽度。经过上述方法之后，仍然发现，天线在一个斜对角线方向的辐射较弱。因此，通过在对应的辐射较弱的方向上，在分裂环7和L形贴片4之间添加第三金属化通孔9，将天线的辐射向两个对角线方向进一步拉伸，进一步地提升了天线的半功率波束宽度。值得注意的是，通过控制第二金属化通孔8和/或第三金属化通孔9的数量和位置，可以较为灵活地调控该天线向四周的辐射。本发明提供的天线主要特点在于利用简单的分裂环7和通孔引向器大幅扩宽了天线的半功率波瓣宽度，还具有较宽的3-dB轴比波束宽度以及良好的圆极化特性；在结构特性方面，具有结构简单、低剖面和结构紧凑(辐射口径仅约为半波长)等特点，因此，它具有便于形成阵列结构，也便于加工制造和集成等优点。

为了验证本发明的效果，对本发明的天线进行了仿真验证。图8为本发明提供的天线在没有第三金属化通孔9时的辐射方向图(三维辐射方向图的俯视图)，可以看出在一个斜对角线方向辐射较弱。图9为本发明提供的天线在有第三金属化通孔9时的辐射方向图(三维辐射方向图的俯视图)，可以看出原本辐射较弱的方向获得了增强。其中，第三金属化通孔9的位置位于原本辐射较弱的方向，起到引向器的作用，将辐射方向进一步向放置第三金属化通孔9的方向拉伸。该对比，证明了通孔引向器调控方向图的有效性。

图10为本发明提供的天线的S11参数示意图。其-10-dB带宽为27.4-45.2GHz。图11为本发明提供的天线的轴比参数示意图。其3-dB带宽为28.6-30.4GHz。3-dB轴比带宽也即圆极化带宽，结果表面该天线可以在28.6-30.4GHz带宽范围内圆极化辐射电磁波。

图12为本发明提供的天线在29.6GHz时的3-dB轴比波束宽度示意图。可以观察到在xoz平面的3-dB轴比波束宽度为172°(-82°-+90°)，在yoz平面的3-dB轴比波束宽度为154°(-80°-+74°)。图13为本发明提供的天线在30.1GHz时的3-dB轴比波束宽度示意图。可以观察到在xoz平面的3-dB轴比波束宽度为156°(-76°-+80°)，在yoz平面的3-dB轴比波束宽度为177°(-92°-+85°)。图14为本发明提供的该天线在29.6GHz时的半功率波束宽度示意图。可以观察到在xoz平面的半功率波束宽度为130°(-64°-+66°)，在yoz平面的半功率波束宽度为107°(-55°-+52°)。从中可以看出，本发明的天线具有3-dB轴比波束宽度以及半功率波束带宽较宽，能够实现广角范围内的通信。

图15为本发明提供的天线的增益参数示意图。可以观察到具有稳定的右旋圆极化增益。图16和图17分别为本发明提供的在28GHz时的xoz面和yoz面的增益方向图示意图。从图中可以看出本发明的天线具有良好的增益特性，符合天线的设计要求。

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)

1.一种宽波束毫米波圆极化磁电偶极子天线，其特征在于，包括层叠排布的第一介质基板、金属层以及第二介质基板，所述第一介质基板上设有旋转对称的两个L形贴片，所述两个L形贴片的外围设置分裂环，所述分裂环沿圆周方向均匀的切割了若干个缝隙，所述金属层中间切去一块形成耦合缝隙，所述第二介质基板内设置微带馈线，所述两个L形贴片与金属层之间通过第一金属化通孔连接，所述分裂环的每个缝隙处均设置一个第二金属化通孔，第二金属化通孔穿过第一介质基板与金属层接触，所述两个L形贴片的L形开口与分裂环之间的空隙设置第三金属化通孔，第三金属通过穿过第一介质基板与金属层接触。

2.根据权利要求1所述的一种宽波束毫米波圆极化磁电偶极子天线，其特征在于，所述两个L形贴片位于第一介质基板的上表面，所述金属层位于第一介质基板的下表面，所述微带馈线位于第二介质基板的下表面。

3.根据权利要求1所述的一种宽波束毫米波圆极化磁电偶极子天线，其特征在于，所述第一介质基板采用罗杰斯4003C介质基板，介电常数为3.55，损耗正切tanδ＝0.0027，第二介质基板采用罗杰斯5880介质基板，介电常数为2.2，损耗正切tanδ＝0.0009。

4.根据权利要求1所述的一种宽波束毫米波圆极化磁电偶极子天线，其特征在于，所述金属层中间切去一块矩形结构，形成矩形的耦合缝隙。

5.根据权利要求1所述的一种宽波束毫米波圆极化磁电偶极子天线，其特征在于，所述第一金属化通孔的下方与耦合缝隙接触。

6.根据权利要求1所述的一种宽波束毫米波圆极化磁电偶极子天线，其特征在于，所述微带馈线的部分区域位于耦合缝隙下方。

7.根据权利要求1所述的一种宽波束毫米波圆极化磁电偶极子天线，其特征在于，所述两个L形贴片等效为电偶极子，所述耦合缝隙等效为磁偶极子。

8.根据权利要求1所述的一种宽波束毫米波圆极化磁电偶极子天线，其特征在于，所述微带馈线位于第二介质基板边缘的一端设置馈电端口，电磁能量从馈电端口耦合进入天线内部。

9.根据权利要求1所述的一种宽波束毫米波圆极化磁电偶极子天线，其特征在于，所述第一金属化通孔、第二金属化通孔及第三金属化通孔的高度为天线圆极化中心频率的四分之一波长，所述第一介质基板的中心到分裂环的距离为辐射口径，所述辐射口径等于天线圆极化中心频率对应波长的一半。

10.根据权利要求9所述的一种宽波束毫米波圆极化磁电偶极子天线，其特征在于，通过控制第二金属化通孔和/或第三金属化通孔的数量和位置，调控天线的辐射方向以及辐射范围。

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