CN117220035A - 一种圆极化磁电偶极子天线 - Google Patents

Abstract

本申请属于天线技术领域，涉及一种圆极化磁电偶极子天线，包括：磁偶极子以及设在辐射层上的电偶极子；所述电偶极子包括四个在辐射层上呈中心对称分布的辐射贴组，所述辐射贴组包括第一辐射贴片以及第二辐射贴片；所述第一辐射贴片与辐射层中心的距离小于所述第二辐射贴片与辐射层中心的距离，所述第一辐射贴片与所述第二辐射贴片相连，且激励起来的两个正交兼并模具有90度相位差；所述磁偶极子包括两个呈“U”形结构的辐射柱，所述辐射柱的四个末端分别与四个第一辐射贴片相连。采用本申请能够在工作频段内实现圆极化辐射。

Description

一种圆极化磁电偶极子天线

技术领域

本申请涉及天线技术领域，特别是涉及一种圆极化磁电偶极子天线。

背景技术

随着天线技术的发展，磁电偶极子天线渐渐走入人们的视野。磁电偶极子天线的工作基于惠更斯源理论，电偶极子的E面方向图呈“8”字形，H面方向图呈“O”字形，而磁偶极子的E面方向图呈“O”字形，H面方向图呈“8”字形，当磁偶极子和电偶极子同时被激发时，它们的E面方向图和H面方向图互补，模式叠加后产生单向辐射，其后瓣得到大幅度的抑制、辐射方向的增益也得到提升。

目前，磁电偶极子天线的极化形式多为单极化和双极化，这种情况使得电磁波的发射与接收效果受到环境的影响较大。

而圆极化的磁电偶极子天线，作为接收天线时，可以接收任何极化方向的电磁波；同时，作为发射天线时，它发出的电磁波也可以被任何极化方向的天线接收；此外，天线还具有增强信号、降低多径衰落和抵抗极端天气等优点。因此，圆极化磁电偶极子天线的发展日新月异。

但是，现有技术中，圆极化磁电偶极子天线的增益较低。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种圆极化磁电偶极子天线，能够在工作频段内实现圆极化辐射，增益较高（6dBi以上）且稳定。

一种圆极化磁电偶极子天线，包括：磁偶极子以及设在辐射层上的电偶极子；

所述电偶极子包括四个在辐射层上呈中心对称分布的辐射贴组，所述辐射贴组包括第一辐射贴片以及第二辐射贴片；所述第一辐射贴片与辐射层中心的距离小于所述第二辐射贴片与辐射层中心的距离，所述第一辐射贴片与所述第二辐射贴片相连，且激励起来的两个正交兼并模具有90度相位差；

所述磁偶极子包括两个呈“U”形结构的辐射柱，所述辐射柱的四个末端分别与四个第一辐射贴片相连。

在一个实施例中，所述第二辐射贴片包括：第一部分、第二部分以及第三部分；

所述辐射层、所述第一部分、所述第二部分以及所述第三部分均呈矩形结构；

所述第一部分、所述第二部分以及所述第三部分沿辐射层长度方向依次无间隔相连，所述第一部分、所述第二部分以及所述第三部分均与辐射层的同一条长边共线，所述第一部分、所述第二部分以及所述第三部分沿辐射层长度方向的边长先减小再增大且沿辐射层宽度方向的边长逐渐增大。

在一个实施例中，所述第一辐射贴片呈矩形结构；

所述第一辐射贴片的长边与短边的长度之比为2:1，所述第一辐射贴片的长边与所述第三部分的长边的长度相等。

在一个实施例中，所述辐射柱包括：一个第一部件以及两个第二部件；

所述第一部件以及所述第二部件均为直四棱柱结构；所述第二部件的一个对应端分别与所述第一部件的两端垂直相连，所述第二部件的另一个对应端分别与两个第一辐射贴片相连。

在一个实施例中，同一辐射柱中的两个第二部件分别与沿辐射层宽度方向相邻的两个第一辐射贴片的底部相连。

在一个实施例中，所述辐射层还包括：四个在辐射层上呈中心对称分布的控制组件；

所述控制组件的两端分别连接所述第一辐射贴片以及所述第二辐射贴片；

任意相邻的两个控制组件的开关状态相反，以实现圆极化的可重构。

在一个实施例中，所述控制组件包括两个方向相同的二极管。

在一个实施例中，同一控制组件中的两个二极管的两端分别连接所述第一辐射贴片以及所述第一部分。

在一个实施例中，还包括：馈电组件；

所述馈电组件包括：依次相连的地板、同轴电缆以及馈电探针；

所述地板设在所述磁偶极子的底部，所述同轴电缆垂直设在所述地板的顶部，所述馈电探针间隔设在两个所述辐射柱之间。

在一个实施例中，所述馈电探针包括：垂直部分以及水平部分；

所述垂直部分的一端与所述水平部分的一端垂直相连，以形成“L”形结构；

所述垂直部分的另一端与所述同轴电缆相连，且所述垂直部分的一个侧面同时与两个所述辐射柱的侧面共面；

所述水平部分的另一端向所述辐射层中心方向延伸，且所述水平部分的一个侧面与所述辐射层的顶面共面。

上述圆极化磁电偶极子天线，通过设置的电偶极子（四个辐射贴组作为天线的电偶极子进行工作）以及磁偶极子（每个辐射柱的内表面垂直部分也就是“U”形结构的内表面垂直部分作为天线的磁偶极子进行工作），能够在工作频段内实现圆极化辐射，天线的工作带宽为1.88GHz~2.09GHz，适用于现有的5G通信频段，天线在工作频带内均具有较高的增益，且实现圆极化的波束宽度比较大，圆极化辐射的频率、角度覆盖率都十分优秀。另外，还在辐射层上第一辐射贴片与第二辐射贴片之间加载二极管作为控制组件，通过改变不同二极管的工作状态（导通或关断），使得天线的圆极化方向可以在相同的工作频段内进行切换，从而实现天线圆极化方向的可重构，即左右圆极化的切换。本申请的圆极化可重构磁电偶极子天线，具有更优越的性能和很强的环境适应能力，具备现实应用意义和广阔的发展潜力，在现有和未来的无线通信场景下都有很大的发展前景。

附图说明

图1为一个实施例中一种圆极化磁电偶极子天线的立体示意图；

图2为一个实施例中一种圆极化磁电偶极子天线的平面示意图；

图3为一个实施例中尺寸图之一；

图4为一个实施例中尺寸图之二；

图5为一个实施例中尺寸图之三；

图6为一个实施例中尺寸图之四；

图7为一个实施例中一种圆极化磁电偶极子天线在“0”状态的表面电流方向图，其中，(a)为t=0°，(b)为t=90°，(c)为t=180°，(d)为t=270°；

图8为一个实施例中一种圆极化磁电偶极子天线在“1”状态的表面电流方向图，其中，(a)为t=0°，(b)为t=90°，(c)为t=180°，(d)为t=270°；

图9为一个实施例中一种圆极化磁电偶极子天线的工作频带和圆极化频带图；

图10为一个实施例中一种圆极化磁电偶极子天线的带内增益图；

图11为一个实施例中一种圆极化磁电偶极子天线的圆极化波束宽度图。

附图标记：

第一辐射贴片11，第二辐射贴片12，第一部分121，第二部分122，第三部分123；

第一部件21，第二部件22；

地板31，隔离孔32，同轴电缆33，垂直部分341，水平部分342；

控制组件4；

x向为辐射层长度方向，y向为辐射层宽度方向。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

需要说明，本申请实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本申请中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多组”的含义是至少两组，例如两组，三组等，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

另外，本申请各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本申请要求的保护范围之内。

本申请提供了一种圆极化磁电偶极子天线，如图1至图2所示，在一个实施例中，包括：电偶极子、磁偶极子以及馈电组件，电偶极子构成辐射层。

优选地，还包括：控制组件，电偶极子与控制组件共同构成辐射层。

电偶极子包括：四个在辐射层上呈中心对称分布的辐射贴组，辐射贴组包括第一辐射贴片以及第二辐射贴片；第一辐射贴片与辐射层中心的距离小于第二辐射贴片与辐射层中心的距离（也就是说，四个第一辐射贴片环绕辐射层中心形成内层，四个第二辐射贴片环绕四个第一辐射贴片形成外层），第一辐射贴片与第二辐射贴片相连，且激励起来的两个正交兼并模具有90度相位差，相邻的两个辐射贴组的表面电流路径具有90度相位差。

优选地，第一辐射贴片呈矩形结构；第一辐射贴片的长边与短边的长度之比为2:1。

进一步优选地，第二辐射贴片包括：第一部分、第二部分以及第三部分；辐射层、第一部分、第二部分以及第三部分均呈矩形结构，第一辐射贴片的长边与第一部分的长边平行且长度相等；第一部分、第二部分以及第三部分沿辐射层长度方向依次无间隔相连，第一部分、第二部分以及第三部分均与辐射层的同一条长边共线，第一部分、第二部分以及第三部分沿辐射层长度方向的边长先减小再增大且沿辐射层宽度方向的边长逐渐增大，以使第二辐射贴片形成阶梯形结构，从而拓宽圆极化带宽。

磁偶极子包括：两个呈“U”形结构的辐射柱，辐射柱的四个末端分别与四个第一辐射贴片相连。

优选地，辐射柱包括：一个第一部件以及两个第二部件；第一部件以及第二部件均为直四棱柱结构；第二部件的一个对应端分别与第一部件的两端垂直相连，第二部件的另一个对应端分别与两个第一辐射贴片相连。

进一步优选地，同一辐射柱中的两个第二部件分别与沿辐射层宽度方向相邻的两个第一辐射贴片的底部相连。

馈电组件包括：依次相连的地板、同轴电缆以及馈电探针；地板设在磁偶极子的底部，同轴电缆垂直设在地板的顶部，穿过地板上设置的隔离孔（便于同轴电缆给天线馈电）与馈电探针相连，馈电探针间隔设在两个辐射柱之间，且馈电探针同时与辐射组件、辐射柱以及地板之间具有间隙。

优选地，馈电探针包括：垂直部分以及水平部分；垂直部分的一端与水平部分的一端垂直相连，以形成“L”形结构，“L”形结构与地板之间具有间隙；垂直部分的另一端与同轴电缆相连，且垂直部分的一个侧面同时与两个辐射柱的侧面共面；水平部分的另一端向辐射层中心方向延伸，且水平部分的一个侧面与辐射层的顶面共面。

控制组件的数量为四个，在辐射层上呈中心对称分布；控制组件的两端分别连接第一辐射贴片以及第二辐射贴片；任意相邻的两个控制组件的开关状态相反，以实现圆极化可重构的磁电偶极子天线。

优选地，控制组件包括两个方向相同的二极管，能产生更长的电流路径，以使用更小的天线尺寸就能实现预期的圆极化功能，同时不影响第一辐射贴片以及第二辐射贴片的辐射性能，且能够实现磁电偶极子天线的圆极化可重构。

进一步优选地，同一控制组件中的两个二极管的两端分别连接第一辐射贴片以及第二辐射贴片的第一部分，以在实现高性能圆极化的同时实现可重构。

需要说明，本申请中，电偶极子、磁偶极子、馈电组件以及控制组件均由金属材料制成。

本申请的工作过程是：电磁波信号通过同轴电缆传递到馈电探针，并先后经过第一辐射贴片耦合到第二辐射贴片，最后发射出去，其中，磁偶极子与电偶极子一起，优化电磁波信号的方向。

上述圆极化磁电偶极子天线，通过设置的电偶极子（四个辐射贴组作为天线的电偶极子进行工作）以及磁偶极子（每个辐射柱的内表面垂直部分也就是“U”形结构的内表面垂直部分作为天线的磁偶极子进行工作），能够在工作频段内实现圆极化辐射，天线的工作带宽为1.88GHz~2.09GHz，适用于现有的5G通信频段，天线在工作频带内均具有较高的增益，且实现圆极化的波束宽度比较大，圆极化辐射的频率、角度覆盖率都十分优秀。另外，还在辐射层上第一辐射贴片与第二辐射贴片之间加载二极管作为控制组件，通过改变不同二极管的工作状态（导通或关断），使得天线的圆极化方向可以在相同的工作频段内进行切换，从而实现天线圆极化方向的可重构，即左右圆极化的切换。本申请的圆极化可重构磁电偶极子天线，具有更优越的性能和很强的环境适应能力，具备现实应用意义和广阔的发展潜力，在现有和未来的无线通信场景下都有很大的发展前景。

在一个具体的实施例中，如图3至图6所示，电偶极子的厚度为1mm（即：第一辐射贴片以及第二辐射贴片的厚度均为1mm），隔离孔的直径为2.3mm。以x向为辐射层长度方向，以y向为辐射层宽度方向。

各部分的尺寸为：第一辐射贴片沿辐射层长度方向的边长为B1=24mm，第一辐射贴片沿辐射层宽度方向的边长为B2=12mm，第一部分沿辐射层长度方向的边长为C1=24mm，第一部分沿辐射层宽度方向的边长为C2=4mm，第二部分沿辐射层长度方向的边长为D1=9mm，第二部分沿辐射层宽度方向的边长为D2=10mm，第三部分沿辐射层长度方向的边长为E1=10mm，第三部分沿辐射层宽度方向的边长为E2=16mm，每个二极管（F2=0.5mm）两端通过总长9.5mm的连接条（即F1=4.75mm）与第一辐射贴片以及第一部分相连，第一部件沿辐射层长度方向的边长为G1=16mm，第一部件沿辐射层宽度方向的边长为G2=8mm，第一部件沿垂直辐射层方向的边长为G3=18mm，第二部件沿辐射层长度方向的边长为H1=16mm，第二部件沿辐射层宽度方向的边长为H2=8mm，第二部件沿垂直辐射层方向的边长为H3=42mm，馈电探针垂直部分沿辐射层长度方向的边长为I1=12mm，馈电探针垂直部分沿垂直辐射层方向的边长为I2=40mm，馈电探针水平部分沿辐射层长度方向的边长为J1=12mm，馈电探针水平部分沿辐射层宽度方向的边长为J2=30mm，馈电探针厚度K=1mm，地板的边长均为160mm，即A1=A2=160mm，厚度为1mm。

以馈电探针水平部分另一端顺时针方向的控制组件为第一组件，以馈电探针水平部分另一端逆时针方向的控制组件为第二组件，以与第一组件不相邻的控制组件为第三组件，以与第二组件不相邻的控制组件为第四组件。控制组件中的二极管均为PIN二极管，导通时等效为7.8Ω的电阻与30pH的电感串联，截止时等效为0.028pF的电容与30pH的电感串联，具体地，第一组件中的二极管分别为第一PIN二极管和第二PIN二极管，第二组件中的二极管分别为第三PIN二极管和第四PIN二极管，第三组件中的二极管分别为第五PIN二极管和第六PIN二极管，第四组件中的二极管分别为第七PIN二极管和第八PIN二极管。

当第一组件以及第三组件的PIN二极管均导通，第二组件与第四组件的PIN二极管均截止时，圆极化磁电偶极子天线为“0”状态。更具体地，当第一PIN二极管、第二PIN二极管、第五PIN二极管、第六PIN二极管均导通，第三PIN二极管、第四PIN二极管、第七PIN二极管、第八PIN二极管均截止时，圆极化磁电偶极子天线为“0”状态。

当第一组件以及第三组件的PIN二极管均截止，第二组件与第四组件的PIN二极管均导通时，圆极化磁电偶极子天线为“1”状态。更具体地，当第三PIN二极管、第四PIN二极管、第七PIN二极管、第八PIN二极管均导通，第一PIN二极管、第二PIN二极管、第五PIN二极管、第六PIN二极管均截止时，圆极化磁电偶极子天线为“1”状态。

圆极化磁电偶极子天线为“0”状态时，其表面电流方向如图7所示（实心箭头表示相对电流强度小的方向，实线箭头表示相对电流强度大的方向，虚线箭头表示整体结构的等效电流方向），分别给出了一个周期内t=0、t=T/4、t=T/2、t=3T/4（即：t为0°、90°、180°、270°）的天线整体电流方向图。在t=0和t=T/2时，辐射柱的内表面（等效磁偶极子）上的电流达到最大值，且两次呈相反方向；在t=T/4和3T/4时，辐射贴组（等效电偶极子）边缘的电流达到最大值，且方向相反。可以看出，在一个周期内，电流呈顺时针旋转的态势，等效磁电流（equivalent magnetic current）和电流（electric current）的方向和相位相同，证明了本申请的天线可以产生圆极化辐射，且电流方向的变化趋势与电磁波传播方向成左螺旋关系，由此可知，天线0状态时，天线的辐射方向为左旋圆极化。

圆极化磁电偶极子天线为“1”状态时，其表面电流方向如图8所示（实心箭头表示相对电流强度小的方向，实线箭头表示相对电流强度大的方向，虚线箭头表示整体结构的等效电流方向），分别给出了一个周期内t=0、t=T/4、t=T/2、t=3T/4（即：t为0°、90°、180°、270°）的天线整体电流方向图，呈现出与“0”状态相反的趋势。在t=0和t=T/2时，等效磁偶极子上的电流同样达到最大值，且两次呈相反方向；在t=T/4和3T/4时，等效电偶极子上的电流同样达到最大值，且方向相反。但是，在一个周期内，电流的总趋势呈逆时针旋转的态势，也就是说，天线的辐射方向转变为了右旋圆极化，由此可知，天线1状态时，天线的辐射方向为右旋圆极化。

也就是说，圆极化辐射状态分为左旋圆极化和右旋圆极化，若极化面随时间旋转并与电磁波传播方向成右螺旋关系，则是右旋圆极化，反之，若成左螺旋关系，则是左旋圆极化，本申请天线通过控制二极管的状态实现了天线的极化切换。

使用全波电磁仿真软件CST对天线进行仿真，并对天线的仿真结果进行分析与研究。

图9为圆极化磁电偶极子天线的工作频带和圆极化频带图，工作频带为1.88GHz~2.09GHz（输入回波损耗即S11＜-10dB），圆极化频带为1.88GHz~2.10GHz（轴比即AR<3），这也意味着在工作频带内，天线的圆极化辐射覆盖率达到了100%。

图10为圆极化磁电偶极子天线的带内增益图，给出了带内增益随频率变化的曲线，可以看到，天线在工作频带内的增益较为稳定，而且均高于6dBi，稳定的高增益是保证通信过程顺利进行的基础。

图11为圆极化磁电偶极子天线的圆极化波束宽度图，给出了工作在2.06GHz时的轴比与角度曲线，可以看到，天线的辐射波束在-103.68°~65.81°的范围内都能保持AR<3，这一范围已经远远大于天线的半功率波束宽度（本天线的半功率波束宽度为-35.61°~41.88°），这意味着天线在这段角度范围内都能保持圆极化辐射的特性。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种圆极化磁电偶极子天线，其特征在于，包括：磁偶极子以及设在辐射层上的电偶极子；

所述电偶极子包括四个在辐射层上呈中心对称分布的辐射贴组，所述辐射贴组包括第一辐射贴片以及第二辐射贴片；所述第一辐射贴片与辐射层中心的距离小于所述第二辐射贴片与辐射层中心的距离，所述第一辐射贴片与所述第二辐射贴片相连，且激励起来的两个正交兼并模具有90度相位差；

所述磁偶极子包括两个呈“U”形结构的辐射柱，所述辐射柱的四个末端分别与四个第一辐射贴片相连。

2.根据权利要求1所述的圆极化磁电偶极子天线，其特征在于，所述第二辐射贴片包括：第一部分、第二部分以及第三部分；

所述辐射层、所述第一部分、所述第二部分以及所述第三部分均呈矩形结构；

所述第一部分、所述第二部分以及所述第三部分沿辐射层长度方向依次无间隔相连，所述第一部分、所述第二部分以及所述第三部分均与辐射层的同一条长边共线，所述第一部分、所述第二部分以及所述第三部分沿辐射层长度方向的边长先减小再增大且沿辐射层宽度方向的边长逐渐增大。

3.根据权利要求2所述的圆极化磁电偶极子天线，其特征在于，所述第一辐射贴片呈矩形结构；

所述第一辐射贴片的长边与短边的长度之比为2:1，所述第一辐射贴片的长边与所述第三部分的长边的长度相等。

4.根据权利要求3所述的圆极化磁电偶极子天线，其特征在于，所述辐射柱包括：一个第一部件以及两个第二部件；

所述第一部件以及所述第二部件均为直四棱柱结构；所述第二部件的一个对应端分别与所述第一部件的两端垂直相连，所述第二部件的另一个对应端分别与两个第一辐射贴片相连。

5.根据权利要求4所述的圆极化磁电偶极子天线，其特征在于，同一辐射柱中的两个第二部件分别与沿辐射层宽度方向相邻的两个第一辐射贴片的底部相连。

6.根据权利要求2至5任一项所述的圆极化磁电偶极子天线，其特征在于，所述辐射层还包括：四个在辐射层上呈中心对称分布的控制组件；

所述控制组件的两端分别连接所述第一辐射贴片以及所述第二辐射贴片；

任意相邻的两个控制组件的开关状态相反，以实现圆极化的可重构。

7.根据权利要求6所述的圆极化磁电偶极子天线，其特征在于，所述控制组件包括两个方向相同的二极管。

8.根据权利要求7所述的圆极化磁电偶极子天线，其特征在于，同一控制组件中的两个二极管的两端分别连接所述第一辐射贴片以及所述第一部分。

9.根据权利要求1至5任一项所述的圆极化磁电偶极子天线，其特征在于，还包括：馈电组件；

所述馈电组件包括：依次相连的地板、同轴电缆以及馈电探针；

所述地板设在所述磁偶极子的底部，所述同轴电缆垂直设在所述地板的顶部，所述馈电探针间隔设在两个所述辐射柱之间。

10.根据权利要求9所述的圆极化磁电偶极子天线，其特征在于，所述馈电探针包括：垂直部分以及水平部分；

所述垂直部分的一端与所述水平部分的一端垂直相连，以形成“L”形结构；

所述垂直部分的另一端与所述同轴电缆相连，且所述垂直部分的一个侧面同时与两个所述辐射柱的侧面共面；

所述水平部分的另一端向所述辐射层中心方向延伸，且所述水平部分的一个侧面与所述辐射层的顶面共面。