CN117353007A - 一种垂直极化双向辐射天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种垂直极化双向辐射天线，现有的垂直极化双向辐射天线，仅实现基础的垂直极化双向辐射，并没有增益增强的功能，并且存在整体结构复杂、剖面高等问题。本发明将两列S型高折射率微单元均匀排布在半开放型双模谐振器两侧，利用S型高折射率微单元半波长偶模模式形成的宽频带高折射率覆盖半开放型双模谐振器的上下对称双模，使得半开放型双模谐振器产生的水平反向波束在垂直切平面上得到压缩聚拢，实现具有增益增强效果的垂直极化双向辐射天线，并且结构简单、剖面低。
Description
技术领域
本发明涉及一种微波通信器件，尤其涉及一种垂直极化双向辐射天线。
背景技术
双向辐射天线是指在两个完全相反的方向上分别产生一个波束的天线，能够覆盖两个对称且相反的区域，与两个天线各自覆盖一个方向相比，减少了天线数量及馈电。垂直极化双向辐射天线是指保证自身极化方向垂直于大地且辐射出两个反向波束的天线，在传播中具有较低的传输损耗。在隧道、走廊及高速公路等狭长通信场景中，垂直极化双向辐射天线的增益决定了其覆盖距离。因此，设计一种垂直极化双向辐射天线具有较高的工程及研究价值，并且提高垂直极化双向辐射天线的增益对于工程应用非常重要。
现有垂直极化双向辐射天线主要有两种：第一种是利用四臂加载过孔的双层H型金属贴片构建一对槽模，实现垂直极化双向辐射；第二种利用双层贴片与两组过孔构建槽模，并利用上下层贴片引导槽模向两侧辐射，形成垂直极化双向辐射。上述两种方式实现了基础的垂直极化双向辐射，并没有基于驱动振子进一步提升增益，并且需要较高的金属柱支撑双层电路板，导致整体结构复杂、剖面高。因此，有必要探索具有增益增强效果的平面型垂直极化双向辐射天线。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术，提出一种垂直极化双向辐射天线，实现增益增强功能，并且简化整体天线结构，降低剖面。
技术方案：一种垂直极化双向辐射天线，包括顶层金属结构、介质基板、底层金属结构、金属化过孔以及金属探针；
顶层金属结构包括中心开有第一圆形槽的第一矩形金属贴片、金属圆环及两列第一S型金属条带；两列第一S型金属条带对称位于第一矩形金属贴片的左右两侧；金属圆环的外径小于第一圆形槽的直径，金属圆环与第一圆形槽同心设置；
底层金属结构包括中心开有第二圆形槽的第二矩形金属贴片和两列第二S型金属条带；第二矩形金属贴片与第一矩形金属贴片外围轮廓对齐，第二S型金属条带与第一S型金属条带上下对齐；
金属化过孔包括金属化过孔一、金属化过孔二、金属化过孔三以及金属化过孔四；其中，两列金属化过孔一对称排列在第一矩形金属贴片的中心两侧，两排水平排列的金属化过孔二对称排列在第一矩形金属贴片的上下侧边缘，金属化过孔一和金属化过孔二连接第一矩形金属贴片与第二矩形金属贴片；各第二S型金属条带与正对的第一S型金属条带分别通过金属化过孔三连接，并且金属化过孔三位于各S型金属条带的中心位置；金属探针从底层金属结构中央穿过金属化过孔四，并与顶层金属圆环连接，形成馈电结构；
其中，第一矩形金属贴片、第二矩形金属贴片、介质基板、金属化过孔一及金属化过孔二组成半开放型双模谐振器，作为驱动振子；第一S型金属条带、第二S型金属条带、介质基板及金属化过孔三组成两列S型高折射率微单元。
进一步的，第一矩形金属贴片上下侧的宽边长度为0.63λ0-0.65λ0，左右两侧的窄边长度为0.47λ0-0.49λ0，每列第一S型金属条带与第一矩形金属贴片相邻窄边边缘距离为0.05λ0-0.07λ0，单个第一S型金属条带的总长度为0.29λ0-0.31λ0，同列中相邻第一S型金属条带间的间距为0.04λ0-0.08λ0，λ0为中心频率对应的空气波长。
进一步的，两列金属化过孔一与第一矩形金属贴片相邻窄边边缘的距离为0.13λ0-0.15λ0，金属化过孔一的直径为0.03λ0-0.05λ0；每列金属化过孔一中，上一半过孔与下一半过孔之间为长度在0.1λ0-0.12λ0之间的无孔区域。
进一步的，金属化过孔三的直径为0.004λ0-0.006λ0。
有益效果：现有的垂直极化双向辐射天线，仅实现基础的垂直极化双向辐射，并没有增益增强的功能，并且存在整体结构复杂、剖面高等问题。本发明将两列S型高折射率微单元均匀排布在半开放型双模谐振器两侧，利用S型高折射率微单元半波长偶模模式形成的宽频带高折射率覆盖半开放型双模谐振器的上下对称双模，使得半开放型双模谐振器产生的水平反向波束在垂直切平面上得到压缩聚拢，实现具有增益增强效果的垂直极化双向辐射天线，并且结构简单、剖面低。
具体的，每个S型高折射率单元由上下表面相同的S型金属条带以及位于S型金属条带中心的金属化过孔组成，通过半波长偶模模式工作，可以提取出高于基板折射率的高折射率频段，并能覆盖半开放型谐振器的双模工作频段，其中S型高折射率微单元的频率覆盖区间可由S型条带的总长度、宽度及水平条带之间的间隙调控。
当两列高折射率微单元对称设置于半开放型双模谐振器两侧，S型高折射率微单元与半开放型双模谐振器距离在0.05λ0-0.07λ0之间，同列S型高折射率微单元之间的间距在0.04λ0-0.08λ0之间，此时能够对半开放型谐振器的垂直极化双模信号对应的水平双向波束在垂直切平面上得到压缩聚拢，获得对天线的增益增强效果。
半开放型双模谐振器由上下层外轮廓相同的矩形金属贴片及两对π型金属化过孔组成，每个π型金属化过孔由一排水平金属化过孔和两列竖直金属化过孔组成，水平金属化过孔位于矩形金属贴片宽边边缘，竖直金属化过孔与矩形贴片窄边边缘的距离在0.13λ0-0.15λ0之间，每列金属化过孔一中上一半过孔与下一半过孔之间为长度在0.1λ0-0.12λ0之间的无孔区域；半开放型双模谐振器的两个模式具有在Z方向上上下对称的垂直电场，都能形成沿水平方向的两个反向的垂直极化基础辐射波束。
金属探针从中间金属化过孔内穿过并跟顶层金属圆环连接组成馈电结构，整体位于天线中心，通过圆形槽耦合至外围矩形金属贴片，从而激励起半开放型双模谐振器的两个模式。
附图说明
图1为本发明垂直极化双向辐射天线的剖面结构示意图；
图2为本发明垂直极化双向辐射天线的顶层金属结构示意图；
图3为本发明垂直极化双向辐射天线的底层金属结构示意图；
图4为本发明垂直极化双向辐射天线的匹配及增益的仿真结果；
图5为本发明垂直极化双向辐射天线与仅存驱动振子天线的E面方向图仿真结果对比。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1至图3所示，一种垂直极化双向辐射天线，由顶层金属结构1、介质基板2、底层金属结构3、金属化过孔4以及金属探针5组成。
顶层金属结构1由中心开有圆形槽103的矩形金属贴片101、金属圆环102及两列S型金属条带104组成。顶层金属结构1整体位于介质基板2的上表面，且中心与介质基板2的中心对齐。矩形金属贴片101的宽边长度在0.63λ0-0.65λ0之间，窄边长度在0.47λ0-0.49λ0之间，λ0为中心频率对应的空气波长。两列S型金属条带104对称位于矩形金属贴片101的两侧，并垂直矩形金属贴片101的宽边；每列S型金属条带104与矩形金属贴片101窄边边缘距离在0.05λ0-0.07λ0之间。单个S型金属条带104的总长度在0.29λ0-0.31λ0之间，同列S型金属条带104中相邻条带间的间距在0.04λ0-0.08λ0之间。金属圆环102的外径小于圆形槽103的直径，金属圆环102与圆形槽103同心设置。
底层金属结构3由中心开有圆形槽302的矩形金属贴片301和两列S型金属条带303组成。底层金属结构3整体位于介质基板2的下表面，且中心与介质基板2的中心对齐。底层矩形金属贴片301与顶层矩形金属贴片101外围轮廓对齐，底层S型金属条带303与顶层S型金属条带104上下对齐。
底层矩形金属贴片301和底层S型金属条带303分别通过金属化过孔4对应与顶层矩形金属贴片101以及顶层S型金属条带104分别实现连接。具体的，金属化过孔4由金属化过孔一401、金属化过孔二402、金属化过孔三403以及金属化过孔四404组成。其中，垂直矩形金属贴片101宽边对称排列的两列金属化过孔一401与矩形金属贴片101相邻窄边边缘的距离在0.13λ0-0.15λ0之间，金属化过孔一401的直径在0.03λ0-0.05λ0之间；每列金属化过孔一401中，上一半过孔与下一半过孔之间为长度在0.1λ0-0.12λ0之间的无孔区域。两排水平排列的金属化过孔二402分别位于矩形金属贴片101的宽边边缘。两列竖直排列的金属化过孔一401和一行水平排列金属化过孔二402组成π型金属化过孔，两对π型金属化过孔连接底层矩形金属贴片301与顶层矩形金属贴片101。金属化过孔三403连接同一位置的底层S型金属条带303与顶层S型金属条带104，并位于各S型金属条带的中心位置，金属化过孔三403的直径在0.004λ0-0.006λ0之间。金属探针5从金属化过孔四404内穿过，并跟顶层金属圆环102连接，形成馈电结构。
以上结构中，顶层中心开有圆形槽103的矩形金属贴片101、底层中心开有圆形槽302的矩形金属贴片301、介质基板2、金属化过孔一401及金属化过孔二402组成半开放型双模谐振器，作为驱动振子。顶层S型金属条带104、底层S型金属条带303、介质基板2及金属化过孔三403组成两列S型高折射率微单元。
对于本发明的垂直极化双向辐射天线，电磁波信号通过馈电结构馈入驱动振子，进一步耦合至左右两列S型高折射率微单元，在整体结构的共同作用下，实现有增益增强效果的水平双向垂直极化辐射。在此过程中，电磁波信号激励起驱动振子的两个工作模式：模式一和模式二。模式一为TM01模，对应着第一个谐振频点，其内部电场垂直于上下金属表面，并且在Z轴方向上上下对称，沿驱动振子窄边方向呈现一个半波分布，中间电场幅度最强，两边电场方向相同且幅度最小，沿宽边方向呈现同向均匀垂直电场分布，从而形成沿水平方向的两个反向的垂直极化基础辐射。模式二为TM21模，对应着第二个谐振频点，其内部电场亦垂直于上下金属表面且上下对称，沿驱动振子窄边方向亦呈现一个半波分布，中间电场幅度最强，两边电场方向相同且幅度最小，沿宽边方向呈现一个全波分布，两侧电场同向，但与中间电场反向，从而亦会形成沿水平方向的两个反向的垂直极化基础辐射。其中，两个模式的频率间距可以通过改变金属化过孔一401的孔间距和直径实现调控。
驱动振子双模的垂直电场耦合至两列S型高折射率微单元，激励起S型高折射率微单元的半波长偶模模式，其电场分量垂直于上下S型金属条带之间，沿S型金属条带呈一个半波分布，条带两端电场方向相同且幅度最强。此时，S型高折射率微单元可以提取出高于基板折射率的高折射率，并且高折射率频段能够覆盖驱动振子的两个模式所在的频率范围，使得驱动振子产生的两个水平方向反向波束在垂直切平面上得到压缩聚拢，从而实现增益增强的效果。其中，通过调整S型条带的总长度、宽度及水平条带之间的间隙，可以控制S型高折射率微单元的频率覆盖区间，当S型条带的总长度延长、宽度变宽或者水平条带之间的间隙变宽时，都将使S型高折射率微单元的频率覆盖区间向低频移动。
本发明天线的性能受S型高折射率微单元数量、S型高折射率微单元之间间距及S型高折射率微单元与驱动振子之间的距离影响，具体如下：随着两侧每列中S型高折射率微单元数目越多，整体天线的增益先上升后下降；当同列S型高折射率微单元的间距在0.04λ0-0.08λ0范围内时，整体天线的增益随间距变大而增加；S型高折射率微单元与驱动振子之间的距离会影响彼此之间的耦合强度，从而改变整体天线的谐振情况，S型高折射率微单元与驱动振子之间的距离越大，带内两个谐振点匹配越好。
本发明中，驱动振子双模工作，S型高折射率微单元覆盖的频率范围宽，因此能以较低的剖面支持整体天线工作。下面列出本发明的一个设计案例，其天线结构示意图如图1至图3所示，采用的介质基板为RO4003C，天线的电尺寸为0.94λ0×0.64λ0，剖面高度仅为0.037λ0。图4为本实施例天线匹配及增益的仿真结果。由图4可知，其匹配带宽覆盖3.43GHz-3.57GHz，相对带宽为4％，工作频带内两个水平相反辐射方向的增益范围为2.96-3.5dBi。图5给出了本实施例与仅存驱动振子天线的E面方向图仿真结果对比，频率在3.54GHz。由图5可知，本发明相对于仅存驱动振子天线，能够实现垂直切平面上的波束聚焦，极大提升了左右水平方向的增益水平，增益从1.7dBi提升至3.5dBi。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种垂直极化双向辐射天线，其特征在于，包括顶层金属结构(1)、介质基板(2)、底层金属结构(3)、金属化过孔(4)以及金属探针(5)；
顶层金属结构(1)包括中心开有第一圆形槽(103)的第一矩形金属贴片(101)、金属圆环(102)及两列第一S型金属条带(104)；两列第一S型金属条带(104)对称位于第一矩形金属贴片(101)的左右两侧；金属圆环(102)的外径小于第一圆形槽(103)的直径，金属圆环(102)与第一圆形槽(103)同心设置；
底层金属结构(3)包括中心开有第二圆形槽(302)的第二矩形金属贴片(301)和两列第二S型金属条带(303)；第二矩形金属贴片(301)与第一矩形金属贴片(101)外围轮廓对齐，第二S型金属条带(303)与第一S型金属条带(104)上下对齐；
金属化过孔(4)包括金属化过孔一(401)、金属化过孔二(402)、金属化过孔三(403)以及金属化过孔四(404)；其中，两列金属化过孔一(401)对称排列在第一矩形金属贴片(101)的中心两侧，两排水平排列的金属化过孔二(402)对称排列在第一矩形金属贴片(101)的上下侧边缘，金属化过孔一(401)和金属化过孔二(402)连接第一矩形金属贴片(101)与第二矩形金属贴片(301)；各第二S型金属条带(303)与正对的第一S型金属条带(104)分别通过金属化过孔三(403)连接，并且金属化过孔三(403)位于各S型金属条带的中心位置；金属探针(5)从底层金属结构(3)中央穿过金属化过孔四(404)，并与顶层金属圆环(102)连接，形成馈电结构；
其中，第一矩形金属贴片(101)、第二矩形金属贴片(301)、介质基板(2)、金属化过孔一(401)及金属化过孔二(402)组成半开放型双模谐振器，作为驱动振子；第一S型金属条带(104)、第二S型金属条带(303)、介质基板(2)及金属化过孔三(403)组成两列S型高折射率微单元。
2.根据权利要求1所述的垂直极化双向辐射天线，其特征在于，第一矩形金属贴片(101)上下侧的宽边长度为0.63λ0-0.65λ0，左右两侧的窄边长度为0.47λ0-0.49λ0，每列第一S型金属条带(104)与第一矩形金属贴片(101)相邻窄边边缘距离为0.05λ0-0.07λ0，单个第一S型金属条带(104)的总长度为0.29λ0-0.31λ0，同列中相邻第一S型金属条带(104)间的间距为0.04λ0-0.08λ0，λ0为中心频率对应的空气波长。
3.根据权利要求2所述的垂直极化双向辐射天线，其特征在于，两列金属化过孔一(401)与第一矩形金属贴片(101)相邻窄边边缘的距离为0.13λ0-0.15λ0，金属化过孔一(401)的直径为0.03λ0-0.05λ0；每列金属化过孔一(401)中，上一半过孔与下一半过孔之间为长度在0.1λ0-0.12λ0之间的无孔区域。
4.根据权利要求2所述的垂直极化双向辐射天线，其特征在于，金属化过孔三(403)的直径为0.004λ0-0.006λ0。
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