CN116706552B - 一种具有螺旋结构的电小、低剖面边射型惠更斯源天线 - Google Patents

一种具有螺旋结构的电小、低剖面边射型惠更斯源天线

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Abstract

本发明公开了一种具有螺旋结构的电小、低剖面边射型惠更斯源天线，属于天线技术领域，解决了传统边射型惠更斯源天线剖面尺寸较大的问题；其包括纵向堆叠设置的第一介质基板和第二介质基板，第一介质基板顶面上设有埃及战斧电偶极子，第二介质基板的内表面上设有包括多个金属螺旋结构的磁偶极子，第一介质基板和第二介质基板的中心处分别对称蚀刻有两个用于对埃及战斧电偶极子或者磁偶极子耦合馈电的金属化通孔。本发明采用的螺旋型磁偶极子高度底，本身具有低剖面特性，并且通过金属化通孔内部馈电，无需提供额外的介质层来隔离激励单元与天线，降低了天线纵向剖面高度。

Description

一种具有螺旋结构的电小、低剖面边射型惠更斯源天线
本发明公开了一种具有螺旋结构的电小、低剖面边射型惠更斯源天线，属于天线技术领域，解决了传统边射型惠更斯源天线剖面尺寸较大的问题；其包括纵向堆叠设置的第一介质基板和第二介质基板，第一介质基板顶面上设有埃及战斧电偶极子，第二介质基板的内表面上设有包括多个金属螺旋结构的磁偶极子，第一介质基板和第二介质基板的中心处分别对称蚀刻有两个用于对埃及战斧电偶极子或者磁偶极子耦合馈电的金属化通孔。本发明采用的螺旋型磁偶极子高度底，本身具有低剖面特性，并且通过金属化通孔内部馈电，无需提供额外的介质层来隔离激励单元与天线，降低了天线纵向剖面高度。
技术领域
本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种具有螺旋结构的电小、低剖面边射型惠更斯源天线。
背景技术
惠更斯源天线（又称电磁偶极子天线），由一对互补的电偶极子与磁偶极子组成，无需依靠金属反射就能在远场处形成稳定的定向辐射，实现良好的前后比。
根据定向辐射方向不同，惠更斯源天线又分为边射型和端射型。与端射型惠更斯源天线相比，边射型惠更斯源天线辐射方向与基板垂直，主波束方向的剖面更低，适用于可穿戴通信设备、射频识别等无线应用。
传统边射型惠更斯源天线的磁偶极子由两个垂直金属壁和金属地板共同组成。该金属壁的高度为0.25倍波长，使得整个惠更斯源天线结构比较臃肿。目前已有研究者利用开口谐振环作为磁偶极子，使边射型惠更斯源天线剖面尺寸缩减到0.045倍波长。然而，在这类天线中，激励单元在磁偶极子天线外部，需要额外的介质基板来分隔磁偶极子与激励单元，以避免二者之间形成短路，这一定程度上增加了天线整体剖面。
发明内容
针对现有技术中的上述问题，本发明提供了一种具有螺旋结构的电小、低剖面边射型惠更斯源天线，解决了传统边射型惠更斯源天线剖面尺寸较大的问题。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
提供一种具有螺旋结构的电小、低剖面边射型惠更斯源天线，包括纵向堆叠设置的第一介质基板和第二介质基板，第一介质基板顶面上设有埃及战斧电偶极子，第二介质基板的内表面上设有包括多个金属螺旋结构的磁偶极子，第一介质基板和第二介质基板的中心处分别对称蚀刻有两个用于对埃及战斧电偶极子和磁偶极子耦合馈电的金属化通孔。
本方案中，采用的螺旋型磁偶极子高度底，本身具有低剖面特性，并且通过金属化通孔内部馈电，无需提供额外的介质层来隔离激励单元与天线，使天线的纵向剖面高度进一步降低，仅为0.032倍波长。
进一步地，磁偶极子包括四个均呈三维矩形螺旋线状的金属螺旋结构，四个金属螺旋结构关于第二介质基板的中心线互相对称，且每个金属螺旋结构的法向量均平行于X轴。
本方案中，单个金属螺旋结构可视作法向模螺旋天线，其辐射特性与电偶极子辐射特性相同，无法作为磁偶极子，而本方案将四个螺旋天线进行对称式排布，使得四个螺旋天线的电偶极子效应相互抵消，最终整体上呈现磁偶极子的辐射特性。
进一步地，金属螺旋结构其包括五个蚀刻在第二介质基板上的金属通孔和四个呈矩形的金属贴片，五个金属通孔分别以W字型的五个端点式分布，四个金属贴片两两一组分别位于金属通孔的上下两端并将五根金属通孔依次连接导通，金属贴片和金属通孔分别作为三维矩形螺旋线的长边和短边。
进一步地，金属螺旋结构的螺旋直径D1为3mm，螺距S2为1.34mm，螺旋匝数为2，位于金属通孔上端的金属贴片与位于金属通孔下端的金属贴片之间的夹角为12.58°。
进一步地，金属贴片的长度L2为3.87mm，宽度W3为0.8mm，金属通孔的半径R4为0.2mm。
进一步地，金属化通孔半径为0.3mm。
进一步地，埃及战斧电偶极子包括对称设置在第一介质基板上的第一战斧金属贴片和第二战斧金属贴片。
进一步地，第一战斧金属贴片和第二战斧金属贴片上均蚀刻有与金属化通孔同圆心的圆形凹槽，采用圆形凹槽以避免馈电金属通孔与电偶极子之间形成短路。
进一步地，第一战斧金属贴片和第二战斧金属贴片结构相同，第一战斧金属贴片的直边长度L1为7.8mm，宽度W1为1.5mm，外圈弧边半径R2为7.9mm，弧边宽度W2为0.52mm，第一战斧金属贴片和第二战斧金属贴片之间的间隙为0.2mm。
进一步地，第一介质基板和第二介质基板的材质均为F4BM265，其相对介电常数为2.65，相对磁导率为1，损耗正切角为0.0015；第一介质基板厚度为0.5mm，第二介质基板厚度为1.5mm。
本发明公开了一种具有螺旋结构的电小、低剖面边射型惠更斯源天线，其有益效果为：
本发明采用的螺旋型磁偶极子高度底，本身具有低剖面特性，并且通过金属化通孔内部馈电，无需提供额外的介质层来隔离激励单元与天线，降低了天线纵向剖面高度。
附图说明
图1为具有螺旋结构的电小、低剖面边射型惠更斯源天线的结构示意图；
图2为第一介质基板正面示意图；
图3为第二介质基板背面示意图；
图4为金属螺旋结构三维示意图；
图5为第二介质基板正面示意图；
图6为第二介质基板背面示意图；
图7为天线的反射系数S参数曲线图；
图8为天线E平面辐射场方向图；
图9为天线H平面辐射场方向图；
其中：0-1、第一介质基板；0-2、第二介质基板；1、埃及战斧电偶极子；2、磁偶极子；1-1-1、第一战斧金属贴片；1-1-2、第二战斧金属贴片；1-2、金属化通孔；1-3、圆形凹槽；2-1、金属螺旋结构；2-1-1、金属贴片；2-1-2、金属通孔；2-2、导电贴片。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
本实施例提供一种具有螺旋结构的电小、低剖面边射型惠更斯源天线，用于解决传统边射型惠更斯源天线剖面尺寸较大的问题。
参考图1，一种具有螺旋结构的电小、低剖面边射型惠更斯源天线，包括纵向堆叠设置的第一介质基板0-1和第二介质基板0-2，第一介质基板0-1位于第二介质基板上方，第一介质基板0-1和第二介质基板0-2的俯视投影均为圆形。
优选地，参考图2，本实施例的第一介质基板0-1和第二介质基板0-2的材质均为F4BM265，其相对介电常数为2.65，相对磁导率为1，损耗正切角为0.0015；第一介质基板0-1和第二介质基板0-2的半径R1均为11mm；第一介质基板0-1厚度为0.5mm，第二介质基板0-2厚度为1.5mm。
第一介质基板0-1顶面上设有埃及战斧电偶极子1，第二介质基板0-2的内表面上设有包括多个金属螺旋结构2-1的磁偶极子2。
参考图2和图3，第一介质基板0-1和第二介质基板0-2的中心处分别对称蚀刻有两个用于对埃及战斧电偶极子1和磁偶极子2耦合馈电的金属化通孔1-2。
优选地，四个金属化通孔1-2的半径均为0.3mm。
本实施例中，采用的螺旋型磁偶极子2本身高度底，具有低剖面特性，并且通过金属化通孔1-2内部馈电，无需提供额外的介质层来隔离激励单元与天线，使天线纵向的剖面高度进一步降低，仅为0.032倍波长。
优选地，本实施例的埃及战斧电偶极子1包括对称设置在第一介质基板0-1上的第一战斧金属贴片1-1-1和第二战斧金属贴片1-1-2。
参考图2，第一战斧金属贴片1-1-1和第二战斧金属贴片1-1-2结构相同，第一战斧金属贴片1-1-1的直边长度L1为7.8mm，宽度W1为1.5mm，外圈弧边半径R2为7.9mm，弧边宽度W2为0.52mm，第一战斧金属贴片1-1-1和第二战斧金属贴片1-1-2之间的间隙为0.2mm。如此设置第一战斧金属贴片1-1-1和第二战斧金属贴片1-1-2的结构，使战斧电偶极子的谐振点在5Ghz附近。
作为本实施例的进一步方案，第一战斧金属贴片1-1-1和第二战斧金属贴片1-1-2上均蚀刻有与金属化通孔1-2同圆心的圆形凹槽1-3。优选地，采用圆形凹槽1-3以避免馈电金属通孔2-1-2与电偶极子之间形成短路。
作为本实施例的进一步方案，磁偶极子2包括四个均呈三维矩形螺旋线状的金属螺旋结构2-1，四个金属螺旋结构2-1关于第二介质基板0-2的中心线互相对称，且每个金属螺旋结构2-1的法向量均平行于X轴。
本实施例中，参考图1，X轴、Y轴和Z轴互相垂直构成三维直角坐标系，其中X轴、Y轴的方向分别沿第二介质基板0-2中心线的两个方向。
单个金属螺旋结构2-1可视作法向模螺旋天线，其辐射特性与电偶极子辐射特性相同，无法作为磁偶极子2，而本方案将四个螺旋天线进行对称式排布，使得四个螺旋天线的电偶极子效应相互抵消，最终整体上呈现磁偶极子2的辐射特性。
作为本实施例的进一步方案，参考图4，金属螺旋结构2-1其包括五个蚀刻在第二介质基板0-2上的金属通孔2-1-2和四个呈矩形的金属贴片2-1-1，五个金属通孔2-1-2分别以W字型的五个端点式分布，四个金属贴片2-1-1两两一组分别位于金属通孔2-1-2的上下两端并将五根金属通孔2-1-2依次连接导通，金属贴片2-1-1和金属通孔2-1-2分别作为三维矩形螺旋线的长边和短边。
优选地，参考图5，金属螺旋结构2-1的螺旋直径D1为3mm，螺距S2为1.34mm，螺旋匝数为2，位于金属通孔2-1-2上端的金属贴片2-1-1与位于金属通孔2-1-2下端的金属贴片2-1-1之间的夹角为12.58°。金属贴片2-1-1的长度L2为3.87mm，宽度W3为0.8mm，金属通孔2-1-2的半径R4为0.2mm。金属通孔2-1-2半径R5为0.3mm。
作为本实施例的进一步方案，参考图6，位于第二介质基板0-2的底部上的两个金属化通孔1-2处设有两个与外部馈电电路连接的导电贴片2-2，两个导电贴片2-2均为结构相同的矩形状，优选地，本实施例的导电贴片2-2长L3为1.9mm，宽W4为1mm。
参考图7，图7为本发明的仿真得到的反射系数S参数随频率变化的曲线图，本实施例的天线谐振频点为4.844GHz，反射系数为20.9dB，10dB带宽18.7MHz(4.8360GHz4.8547GHz)，可以涵盖5G频段。
参考图8和图9，图8和图9分别为本实施例仿真的电小平面惠更斯源天线在谐振频点4.844GHz时在E面和H面的方向图。
本实施例中，E面为天线电面，即图1中的XOZ平面；H面为天线磁面，即图1中的YOZ平面。
图8和图9反映出本实施例的天线具有端射特性，在谐振频点处，该天线的最大增益值为3.32dBi，前后比为15.01，辐射效率为77.1％，可见本实施例的天线具有紧凑结构、低剖面优点的同时，有着良好的辐射性能。
虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

Claims (8)

1.一种具有螺旋结构的电小、低剖面边射型惠更斯源天线，其特征在于：包括纵向堆叠设置的第一介质基板（0-1）和第二介质基板（0-2），所述第一介质基板（0-1）顶面上设有埃及战斧电偶极子（1），所述第二介质基板（0-2）的内表面上设有包括多个金属螺旋结构的磁偶极子（2），所述第一介质基板（0-1）和所述第二介质基板（0-2）的中心处分别对称蚀刻有两个用于对所述埃及战斧电偶极子（1）和所述磁偶极子（2）耦合馈电的金属化通孔（1-2）；
所述磁偶极子（2）包括四个均呈三维矩形螺旋线状的金属螺旋结构（2-1），四个所述金属螺旋结构（2-1）关于所述第二介质基板（0-2）的中心线互相对称，且每个所述金属螺旋结构（2-1）的法向量均平行于X轴，X轴、Y轴和Z轴互相垂直构成三维直角坐标系，其中X轴、Y轴的方向分别沿第二介质基板（0-2）中心线的两个方向；
所述金属螺旋结构（2-1）其包括五个蚀刻在所述第二介质基板（0-2）上的金属通孔（2-1-2）和四个呈矩形的金属贴片（2-1-1），五个所述金属通孔（2-1-2）分别以W字型的五个端点式分布，四个所述金属贴片（2-1-1）两两一组分别位于所述金属通孔（2-1-2）的上下两端并将五根所述金属通孔（2-1-2）依次连接导通，所述金属贴片（2-1-1）和所述金属通孔（2-1-2）分别作为三维矩形螺旋线的长边和短边。
2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：所述金属螺旋结构（2-1）的螺旋直径D1为3mm，螺距S2为1.34mm，螺旋匝数为2，位于所述金属通孔（2-1-2）上端的所述金属贴片（2-1-1）与位于所述金属通孔（2-1-2）下端的所述金属贴片（2-1-1）之间的夹角为12.58°。
3.根据权利要求2所述的天线，其特征在于：所述金属贴片（2-1-1）的长度L2为3.87mm，宽度W3为0.8mm，所述金属通孔（2-1-2）的半径R4为0.2mm。
4.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：所述金属化通孔（1-2）半径为0.3mm。
5.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：所述埃及战斧电偶极子（1）包括对称设置在所述第一介质基板（0-1）上的第一战斧金属贴片（1-1-1）和第二战斧金属贴片（1-1-2）。
6.根据权利要求5所述的天线，其特征在于：所述第一战斧金属贴片（1-1-1）和所述第二战斧金属贴片（1-1-2）上均蚀刻有与所述金属化通孔（1-2）同圆心的圆形凹槽（1-3）。
7.根据权利要求5所述的天线，其特征在于：所述第一战斧金属贴片（1-1-1）和所述第二战斧金属贴片（1-1-2）结构相同，所述第一战斧金属贴片（1-1-1）的直边长度L1为7.8mm，宽度W1为1.5mm，外圈弧边半径R2为7.9mm，弧边宽度W2为0.52mm，所述第一战斧金属贴片（1-1-1）和所述第二战斧金属贴片（1-1-2）之间的间隙为0.2mm。
8.根据权利要求1-7任一所述的天线，其特征在于：所述第一介质基板（0-1）和所述第二介质基板（0-2）的材质均为F4BM265，其相对介电常数为2.65，相对磁导率为1，损耗正切角为0.0015；所述第一介质基板（0-1）厚度为0.5mm，所述第二介质基板（0-2）厚度为1.5mm。
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