CN116365222A - 一种基于正交磁偶极子的平面双圆极化天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于正交磁偶极子的平面双圆极化天线，涉及双圆极化天线技术领域，所述天线的第一介质基板、金属地层、第二介质基板和第三介质基板从上至下层叠设置；金属地层中间开设有第一耦合缝隙和第二耦合缝隙；第一介质基板开设有两个第一金属化通孔和两个第二金属化通孔；第一金属条带通过两个第一金属化通孔与金属地层连接，两个第一金属化通孔关于第一耦合缝隙旋转对称；第二金属化通孔与第二耦合缝隙的位置关系、和第二金属化通孔与第二耦合缝隙的位置关系相同；耦合缝隙与微带馈线耦合激励金属化通孔和金属条带，并产生方向向上的右旋圆极化辐射波或左旋圆极化辐射波；本发明具有低剖面、结构简单和宽轴比带宽的性能优点。

Description

一种基于正交磁偶极子的平面双圆极化天线
技术领域
本发明涉及双圆极化天线技术领域，特别是涉及一种基于正交磁偶极子的平面双圆极化天线。
背景技术
随着第五代移动通信技术的快速发展，毫米波频段逐渐被越来越多的利用，以提供高数据传输速率和宽频谱资源。相比于线极化天线只能接收与它相同的线极化波，圆极化天线可以接收任意线极化波，也可以接收圆极化波，其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、消除法拉第效应等方面性能优异，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。相比于普通的圆极化天线，双圆极化天线可以增加无线通信链路的信道容量。然而，由于设计和实现的难度很高，目前对毫米波段平面双圆极化天线的研究相对较少。目前实现双圆极化天线主要是依靠天线的馈电网络提供相位差，这会造成复杂的馈电网络，以及复杂的馈电网络带来的增加的传输损耗和增加的天线体积，而依赖于单元天线本身特性来实现双圆极化性能的天线少之又少。本发明提出的双圆极化天线，不依赖于复杂的馈电网络，仅仅依靠单元天线自身的特性实现双圆极化辐射，具有极大的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于正交磁偶极子的平面双圆极化天线，具有低剖面、结构简单和宽轴比带宽的性能优点。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于正交磁偶极子的平面双圆极化天线，所述平面双圆极化天线包括：第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板、金属地层、第一金属条带、第二金属条带、第一微带馈线和第二微带馈线；
所述第一介质基板、所述金属地层、所述第二介质基板和所述第三介质基板从上至下层叠设置；所述金属地层中间开设有相交夹角为90度的第一耦合缝隙和第二耦合缝隙；
所述第一金属条带和所述第二金属条带位于所述第一介质基板的上表面，所述第一金属条带和所述第二金属条带在所述第一介质基板的中心部分重叠；所述第一介质基板开设有两个第一金属化通孔和两个第二金属化通孔，所述第一金属条带通过两个所述第一金属化通孔与所述金属地层连接，所述第二金属条带通过两个所述第二金属化通孔与所述金属地层连接；两个所述第一金属化通孔紧贴所述第一耦合缝隙的边缘，两个所述第一金属化通孔关于所述第一耦合缝隙旋转对称；两个所述第二金属化通孔紧贴所述第二耦合缝隙的边缘，两个所述第二金属化通孔关于所述第二耦合缝隙旋转对称；
所述第一微带馈线位于所述第二介质基层的下表面；所述第二微带馈线位于所述第三介质基层的下表面；
所述第一耦合缝隙与所述第一微带馈线耦合，用于激励所述第一金属化通孔和所述第一金属条带，并能够产生方向向上的左旋圆极化辐射波；
所述第二耦合缝隙与所述第二微带馈线耦合，用于激励所述第二金属化通孔和所述第二金属条带，并能够产生方向向上的右旋圆极化辐射波。
优选地，所述第一微带馈线开设有第一馈电端口，所述第一馈电端口在馈电时，所述第一微带馈线与所述第一耦合缝隙耦合；所述第二微带馈线开设有第二馈电端口；所述第二馈电端口在馈电时，所述第二微带馈线与所述第二耦合缝隙耦合。
可选地，所述天线为三层PCB结构。
可选地，所述第一金属化通孔的高度与所述第一介质基板的厚度相同；所述第二金属化通孔的高度与所述第一介质基板的厚度相同。
可选地，所述第一介质基板、所述第二介质基板和所述第三介质基板均为罗杰斯5880介质基板。
优选地，所述第一金属条带整体为“工”字形结构，“工”字形中间“竖直”部分与所述第一耦合缝隙平行，且位于所述第一介质基板的中间位置；所述第二金属条带整体为“工”字形结构，“工”字形中间“竖直”部分与所述第二耦合缝隙平行，且位于所述第一介质基板的中间位置。
可选地，所述第一介质基板、所述第二介质基板和所述第三介质基板的介电常数均为2.2，损耗角均为tanδ＝0.0009。
可选地，所述第一金属条带与所述第二金属条带的长度均为圆极化中心频点对应的二分之一波长。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
通过金属地层中间开设有第一耦合缝隙和第二耦合缝隙；第一介质基板开设有两个第一金属化通孔和两个第二金属化通孔；第一金属条带通过两个第一金属化通孔与金属地层连接，两个第一金属化通孔关于第一耦合缝隙旋转对称；第二金属化通孔与第二耦合缝隙的位置关系、和第二金属化通孔与第二耦合缝隙的位置关系相同；耦合缝隙与微带馈线耦合激励金属化通孔和金属条带，并产生方向向上的右旋圆极化辐射波或左旋圆极化辐射波；本发明具有低剖面、结构简单和宽轴比带宽的性能优点。
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的三维立体结构示意图；
图2为本发明的第一介质基板的整体结构示意图；
图3为本发明的第一金属条带和第二金属条带的结构参数示意图；
图4为本发明的第一微带馈线的结构参数示意图；
图5为本发明的第一微带馈线和第二微带馈线的俯视图；
图6为本发明的剖面图；
图7为本发明的S参数示意图；
图8为本发明的S21参数示意图；
图9为本发明在第一馈电端口馈电时的天线轴比参数图；
图10为本发明在第一馈电端口馈电时天线在32GHz频点下xoz平面的辐射方向图；
图11为本发明在第一馈电端口馈电时天线在32GHz频点下yoz平面的辐射方向图；
图12为本发明在第二馈电端口馈电时的天线轴比参数图；
图13为本发明在第二馈电端口馈电时天线在32GHz频点下xoz平面的辐射方向图；
图14为本发明在第二馈电端口馈电时天线在32GHz频点下yoz平面的辐射方向图。
符号说明：
第一介质基板-1，第二介质基板-2，第三介质基板-3，第一金属条带-4，第一金属化通孔-5，第二金属化通孔-6，第二金属条带-7，金属地层-8，第一耦合缝隙-9，第二耦合缝隙-10，第一馈电端口-11，第二馈电端口-12，第一微带馈线-13，第二微带馈线-14。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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。
本发明的目的是提供一种基于正交磁偶极子的平面双圆极化天线，具有低剖面、结构简单和宽轴比带宽的性能特点。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，设空间直角坐标系o-xyz包括：原点o、x轴、y轴、z轴。本发明基于正交磁偶极子的平面双圆极化天线包括：第一介质基板1、第二介质基板2、第三介质基板3、金属地层8、第一金属条带4、第二金属条带7、第一微带馈线13和第二微带馈线14。
所述第一介质基板1、所述金属地层8、所述第二介质基板2和所述第三介质基板3从上至下层叠设置；所述金属地层8中间开设有相交夹角为90度的第一耦合缝隙9和第二耦合缝隙10。
所述第一金属条带4和所述第二金属条带7位于所述第一介质基板1的上表面，所述第一金属条带4和所述第二金属条带7在所述第一介质基板1的中心部分重叠；所述第一介质基板1开设有两个第一金属化通孔5和两个第二金属化通孔6，所述第一金属条带4通过两个所述第一金属化通孔5与所述金属地层8连接，所述第二金属条带7通过两个所述第二金属化通孔6与所述金属地层8连接；两个所述第一金属化通孔5紧贴所述第一耦合缝隙9的边缘，两个所述第一金属化通孔5关于所述第一耦合缝隙9旋转对称；两个所述第二金属化通孔6紧贴所述第二耦合缝隙10的边缘，两个所述第二金属化通孔6关于所述第二耦合缝隙10旋转对称。
所述第一微带馈线13位于所述第二介质基层的下表面；所述第二微带馈线14位于所述第三介质基层的下表面。
所述第一耦合缝隙9与所述第一微带馈线13耦合，用于激励所述第一金属化通孔5和所述第一金属条带4，并能够产生方向向上的左旋圆极化辐射波。
所述第二耦合缝隙10与所述第二微带馈线14耦合，用于激励所述第二金属化通孔6和所述第二金属条带7，并能够产生方向向上的右旋圆极化辐射波。
所述第一耦合缝隙9产生一个垂直于自身的电场矢量；所述第一金属化通孔5和所述第一金属条带4组成的整体产生一个平行于自身的电场矢量。同理，所述第二耦合缝隙10产生一个垂直于自身的电场矢量；所述第二金属化通孔6和所述第二金属条带7组成的整体产生一个平行于自身的电场矢量。
本发明利用本身的特性实现双圆极化，不需要馈电网络提供额外的相位差，馈电网络结构简单。通过两个所述第一金属化通孔5和所述第一金属条带4组成的整体与所述第一耦合缝隙9等效为两个相互垂直的磁偶极子；通过两个所述第二金属化通孔6和所述第二金属条带7组成的整体与所述第二耦合缝隙10等效为两个相互垂直的磁偶极子实现了双圆极化。
所述第一介质基板1、所述第二介质基板2和所述第三介质基板3均平行于空间直角坐标系o-xyz的xoy面。
如图4所示，所述第一微带馈线13的参数为K＝5.59mm，Kg＝1.2mm，Kd＝2.18mm，d1＝0.4mm，d2＝0.11mm，d3＝0.11mm，d4＝1.21mm。所述第一微带馈线13和所述第二微带馈线14结构参数完全相同。如图5所示，清楚显示了所述第一微带馈线13和所述第二微带馈线14的相对位置。
可选地，所述第一微带馈线13开设有第一馈电端口11，所述第一馈电端口11在馈电时，所述第一微带馈线13与所述第一耦合缝隙9耦合；所述第二微带馈线14开设有第二馈电端口12；所述第二馈电端口12在馈电时，所述第二微带馈线14与所述第二耦合缝隙10耦合。
如图7所示，显示了本发明的S11和S22参数，即第一馈电端口11和第二馈电端口12的输入反射系数，S11代表第一馈电端口11的输入反射系数，S22代表第二馈电端口12的输入反射系数。
如图8所示，显示了本发明的S21参数，即所述第一馈电端口11和所述第二馈电端口12的隔离度参数；在28-38GHz频段，本发明天线的隔离度始终优于-14.5dB。
如图9所示，由于所述第一馈电端口11馈电时，所述第二馈电端口12不馈电；同理，由于所述第二馈电端口12馈电时，所述第一馈电端口11不馈电。当所述第一馈电端口11馈电时，此时3-dB轴比带宽覆盖27.5-38.0GHz频段，相对带宽32.1％。由于所述第一馈电端口11馈电时(此时端口2不馈电)天线辐射左旋圆极化波，因此，该3-dB轴比带宽即为天线在辐射左旋圆极化波情况下的圆极化带宽。如图10所示，天线在32GHz频点下xoz平面的辐射方向图，可以看出在+z方向，天线辐射左旋圆极化波。如图11所示，天线在32GHz频点下yoz平面的辐射方向图，可以看出在+z方向，天线辐射左旋圆极化波。
如图12所示，当所述第二馈电端口12馈电时，此时3-dB轴比带宽覆盖28.1-37.4GHz频段，相对带宽28.4％。由于所述第二馈电端口12馈电时(此时第一馈电端口11不馈电)天线辐射右旋圆极化波，因此，该3-dB轴比带宽即为天线在辐射右旋圆极化波情况下的圆极化带宽。如图13所示，天线在32GHz频点下xoz平面的辐射方向图，可以看出在+z方向，天线辐射右旋圆极化波。如图14所示，天线在32GHz频点下yoz平面的辐射方向图，可以看出在+z方向，天线辐射右旋圆极化波。
可选地，所述第一金属化通孔5的高度与所述第一介质基板1的厚度相同；所述第二金属化通孔6的高度与所述第一介质基板1的厚度相同。
如图2所示，所述第一介质基板1的长度L＝10mm，宽度W＝10mm；耦合缝隙的长度均为Ls＝7mm，耦合缝隙的宽度均为Ws＝0.4mm。所述第二介质基板2的长度和宽度、所述第三介质基板3的长度和宽度均与所述第一介质基板1相同。
可选地，所述第一介质基板1、所示第二介质基板2和所述第三介质基板3均为罗杰斯5880介质基板。
可选地，所述第一介质基板1、所述第二介质基板2和所述第三介质基板3的介电常数均为2.2，损耗角均为tanδ＝0.0009。
如图6所示，所述天线为三层PCB结构。所述第一介质基板1的厚度h1＝1.575mm；所述第二介质基板2厚度h2＝0.127mm，所述第三介质基板3的厚度h3＝0.127mm。同时，应用PCB结构，具有低剖面、结构简单、易于设计优化，易于加工制作和集成等优点。
可选地，所述第一金属条带4整体为“工”字形结构，“工”字形中间“竖直”部分与所述第一耦合缝隙9平行，且位于所述第一介质基板1的中间位置；所述第二金属条带7整体为“工”字形结构，“工”字形中间“竖直”部分与所述第二耦合缝隙10平行，且位于所述第一介质基板1的中间位置。
如图3所示，所述第一金属条带4与所述第二金属条带7参数完全相同，金属条带长度L1＝4.8mm；同时，L2＝1.25mm，L3＝2.2mm，Lg＝0.5mm，Ld＝0.3mm，R1＝0.2mm，R2＝0.2mm。
可选地，所述第一金属条带4与所述第二金属条带7的长度均为圆极化中心频点对应的二分之一波长。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种基于正交磁偶极子的平面双圆极化天线，其特征在于，所述平面双圆极化天线包括：第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板、金属地层、第一金属条带、第二金属条带、第一微带馈线和第二微带馈线；
所述第一介质基板、所述金属地层、所述第二介质基板和所述第三介质基板从上至下层叠设置；所述金属地层中间开设有相交夹角为90度的第一耦合缝隙和第二耦合缝隙；
所述第一金属条带和所述第二金属条带位于所述第一介质基板的上表面，所述第一金属条带和所述第二金属条带在所述第一介质基板的中心部分重叠；所述第一介质基板开设有两个第一金属化通孔和两个第二金属化通孔，所述第一金属条带通过两个所述第一金属化通孔与所述金属地层连接，所述第二金属条带通过两个所述第二金属化通孔与所述金属地层连接；两个所述第一金属化通孔紧贴所述第一耦合缝隙的边缘，两个所述第一金属化通孔关于所述第一耦合缝隙旋转对称；两个所述第二金属化通孔紧贴所述第二耦合缝隙的边缘，两个所述第二金属化通孔关于所述第二耦合缝隙旋转对称；
所述第一微带馈线位于所述第二介质基层的下表面；所述第二微带馈线位于所述第三介质基层的下表面；
所述第一耦合缝隙与所述第一微带馈线耦合，用于激励所述第一金属化通孔和所述第一金属条带，并能够产生方向向上的左旋圆极化辐射波；
所述第二耦合缝隙与所述第二微带馈线耦合，用于激励所述第二金属化通孔和所述第二金属条带，并能够产生方向向上的右旋圆极化辐射波。
2.根据权利要求1所述的基于正交磁偶极子的平面双圆极化天线，其特征在于，所述第一微带馈线开设有第一馈电端口，所述第一馈电端口在馈电时，所述第一微带馈线与所述第一耦合缝隙耦合；所述第二微带馈线开设有第二馈电端口；所述第二馈电端口在馈电时，所述第二微带馈线与所述第二耦合缝隙耦合。
3.根据权利要求1所述的基于正交磁偶极子的平面双圆极化天线，其特征在于，所述天线为三层PCB结构。
4.根据权利要求1所述的基于正交磁偶极子的平面双圆极化天线，其特征在于，所述第一金属化通孔的高度与所述第一介质基板的厚度相同；所述第二金属化通孔的高度与所述第一介质基板的厚度相同。
5.根据权利要求1所述的基于正交磁偶极子的平面双圆极化天线，其特征在于，所述第一介质基板、所述第二介质基板和所述第三介质基板均为罗杰斯5880介质基板。
6.根据权利要求1所述的基于正交磁偶极子的平面双圆极化天线，其特征在于，所述第一金属条带整体为“工”字形结构，“工”字形中间“竖直”部分与所述第一耦合缝隙平行，且位于所述第一介质基板的中间位置；所述第二金属条带整体为“工”字形结构，“工”字形中间“竖直”部分与所述第二耦合缝隙平行，且位于所述第一介质基板的中间位置。
7.根据权利要求1所述的基于正交磁偶极子的平面双圆极化天线，其特征在于，所述第一介质基板、所述第二介质基板和所述第三介质基板的介电常数均为2.2，损耗角均为tanδ＝0.0009。
8.根据权利要求1所述的基于正交磁偶极子的平面双圆极化天线，其特征在于，所述第一金属条带与所述第二金属条带的长度均为圆极化中心频点对应的二分之一波长。
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