CN206639920U

CN206639920U - 电磁偶极子天线

Info

Publication number: CN206639920U
Application number: CN201720342015.5U
Authority: CN
Inventors: 肖飞
Original assignee: RENTIAN TELECOMMUNICATIONS EQUIPMENT Co Ltd
Current assignee: RENTIAN TELECOMMUNICATIONS EQUIPMENT Co Ltd
Priority date: 2017-04-01
Filing date: 2017-04-01
Publication date: 2017-11-14
Anticipated expiration: 2027-04-01

Abstract

本实用新型适用于天线技术领域，提供了一种电磁偶极子天线。该电磁偶极子天线包括：金属底板；反射板，垂直设置在所述金属底板上；两个相连通的四分之一圆形金属环，印制在所述反射板的两侧，呈半圆型，且半圆开口朝向所述金属底板；顶板，设置在所述反射板上，与所述金属底板平行，且上表面设置有领结天线；所述领结天线与两个所述四分之一圆形金属环分别连通。该电磁偶极子天线，是由扇形印刷领结天线与加载交指电容的两个四分之一圆形金属环以及反射板结合而成的立体结构天线，领结天线通过双面平行带线馈电，领结天线作为双锥天线的衍生结构有利于改善天线的阻抗匹配性能。

Description

电磁偶极子天线

技术领域

本实用新型属于天线技术领域，尤其涉及一种电磁偶极子天线。

背景技术

为了增加印刷偶极子天线的阻抗带宽，可以通过改变振子臂的形状实现，包括钻石型振子臂，圆型振子臂，椭圆型振子臂和领结型振子臂。其中，双锥天线及根据双锥天线演变而来的领结型天线得到了广泛的应用。而传统的偶极子天线的阻抗匹配性能较差。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型实施例提供了一种电磁偶极子天线，以解决现有技术中偶极子天线的阻抗匹配性能较差的问题。

本实用新型实施例提供了一种电磁偶极子天线，包括：

金属底板；

反射板，垂直设置在所述金属底板上；

两个相连通的四分之一圆形金属环，印制在所述反射板的两侧，呈半圆型，且半圆开口朝向所述金属底板；

顶板，设置在所述反射板上，与所述金属底板平行，且上表面设置有领结天线；所述领结天线与两个所述四分之一圆形金属环分别连通。

可选的，每个所述四分之一圆形金属环包括至少一个交指电容。

可选的，所述交指电容的指节数为偶数。

可选的，每个所述四分之一圆形金属环包括两个所述交指电容。

可选的，还包括：

两个导体连接件，分别印制在所述反射板的两侧；两个所述四分之一圆形金属环分别通过所述两个导体连接件和所述领结天线相连通。

可选的，还包括：

双面平行带线，设置在所述反射板上；其中，所述两个所述四分之一圆形金属环通过所述双面平行带线相连通。

可选的，所述双面平行带线通过SMA转接头连接，其中所述SMA转接头的内芯与外表面分别与所述双面平行带线的两侧底部连接。

可选的，两个所述四分之一圆形金属环朝向所述金属底板的一端均与所述金属底板贴合连通。

可选的，所述反射板为矩形介质板。

可选的，所述顶板呈圆形，所述领结天线的中心与所述顶板的重心重合设置，所述领结天线包括两个关于所述领结天线的中心对称设置的扇形部分。

本实用新型实施例相对现有技术所具有的有益效果：该电磁偶极子天线，是由扇形印刷领结天线与加载交指电容的两个四分之一圆形金属环以及反射板结合而成的立体结构天线，领结天线通过双面平行带线馈电，领结天线作为双锥天线的衍生结构有利于改善天线的阻抗匹配性能。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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实用新型的一些实施例，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是双锥天线的结构分析示意图；

图2是本实用新型实施例提供的电磁偶极子天线的结构示意图；

图3是图2的俯视图；

图4是图2的侧视图；

图5是本实用新型提供的t＝0时扇形偶极子俯视方向的电流密度仿真示意图；

图6是本实用新型提供的t＝T/4时扇形偶极子俯视方向的电流密度仿真示意图；

图7是本实用新型提供的t＝0时扇形偶极子正视方向的电流密度仿真示意图；

图8是本实用新型提供的t＝T/4时扇形偶极子正视方向的电流密度仿真示意图；

图9是本实用新型提供的电磁偶极子天线的电压驻波比随频率变化曲线；

图10是本实用新型提供的电磁偶极子天线的增益随频率变化曲线；

图11是本实用新型提供的2.3GHz频点处电磁偶极子天线的方向图；

图12是本实用新型提供的2.5GHz频点处电磁偶极子天线的方向图；

图13是本实用新型提供的2.7GHz频点处电磁偶极子天线的方向图。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本实用新型实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本实用新型。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本实用新型的描述。

为了说明本实用新型所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

参见图1，作为宽带天线，双锥天线的振子臂由圆锥对顶组合而成。在无限长双锥顶点处施加激励，导体表面电流产生磁场表面切向电场分量为l，表面法向电场分量为0，表面法向电场分量为E_θ。

根据麦克斯韦方程

在球坐标中，因为此时两锥之间故式(1)可表示为

和

由式(2)得

式(3)反映出与r的函数关系可表达为：

外向行波解为：

将式(6)带入式(3)得：

其中，自由空间波阻抗η₀＝120π。上式亦说明，电磁波传播方向沿径向，即沿方向传播的TEM波，故双锥天线亦可视作TEM传输线，故有特性阻抗表达式:

其中V(r)为无限长两锥之间电压行波，I(r)为表面电流行波，故有

和

其中，ρ＝sinθ₀。将式(9)与式(10)带入式(8)得：

上式说明对于无限长的双锥天线，其特性阻抗取决于其张角2θ₀，且为纯电阻。印刷领结天线作为双锥天线的衍生形式，其母线长度不再是无限长，在振子末端将产生反射，天线结构内的电磁场呈驻波形式，且输入阻抗是有含电阻与电抗构成的复数，在天线设计过程中对其阻抗的调节应当考虑振子张角与母线长度。

通过对电偶极子与磁偶极子工作原理与实现方式研究，设计出本实用新型实施例中的电磁偶极子天线。参照图2至图4，该电磁偶极子天线包括金属底板100、反射板200、两个相连通的四分之一圆形金属环300和顶板400。

其中，反射板200，垂直设置在所述金属底板100上。两个相连通的四分之一圆形金属环300，印制在所述反射板200的两侧，呈半圆型，且半圆开口朝向所述金属底板100。顶板400，设置在所述反射板200上，与所述金属底板100平行，且上表面设置有领结天线410。所述领结天线410与两个所述四分之一圆形金属环300分别连通。

具体的，四分之一圆形金属环300的内部半径为R1，外部半径为R2，且R2>R1。反射板200的尺寸大于两个四分之一圆形金属环300所形成的半圆形的尺寸。例如，以图2所示方向为基准，反射板200的竖向尺寸大于R2，反射板200的横向尺寸大于2*R2。其中，R1和R2的大小可以根据实际需要进行设定。

可选的，每个四分之一圆形金属环300可以包括至少一个交指电容310。交指电容310的指节数为偶数。具体的，每个交指电容310均包括第一部件(图未标)和第二部件(图未标)。第一部件和第二部件的个数即为交指电容310的指节数。第一部件设置有至少一个第一交指部311，各个第一交指部311相互间隔第一预设距离，形成第一容纳部(图未标)。第二部件设置有至少一个第二交指部312，各个第二交指部312相互间隔第二预设距离，形成第二容纳部(图未标)。且第一交指部311的宽度小于第二预设距离，第二交指部312的宽度小于第一预设距离。各个第一交指部311与各个第二容纳部对应，各个第二交指部312与各个第一容纳部对应。

参见图2，一个实施例中，每个四分之一圆形金属环300可以包括两个交指电容310，但并不以此为限。两个交指电容310相互连通，两个交指电容310连通之后呈四分之一圆形。

在其他实施例中，每个四分之一圆形金属环300可以包括三个以上的交指电容310，各个交指电容310依次连通，各个交指电容310连通之后呈四分之一圆形。

另外，每个四分之一圆形金属环300还可以只包括一个交指电容310。

天线的磁偶极子部分通过垂直于金属底板100放置的加载交指电容的两个四分之一圆形金属环300与反射板200结合镜像原理形成。

参见图2，一个实施例中，该电磁偶极子天线还可以包括两个导体连接件500。两个导体连接件500分别印制在反射板200的两侧。两个四分之一圆形金属环300分别通过两个导体连接件500和领结天线410相连通。

本实施例中，导体连接件500可以呈矩形，但并不以此为限。以图2所示方向为基准，导体连接件500的竖向尺寸为FH，横向尺寸为FW。其中，FH和FW可以根据实际需要进行设定。

可选的，该电磁偶极子天线还可以包括双面平行带线600。双面平行带线600，设置在反射板200上。其中，两个四分之一圆形金属环300通过双面平行带线600相连通。具体的，所双面平行带线600可以通过SMA转接头连接，其中SMA转接头的内芯与外表面分别与双面平行带线600的两侧底部连接。其中，SMA转接头可以特性阻抗为50欧姆的SMA转接头。

本实施例中，以图2所示方向为基准，双面平行带线600的竖向尺寸为SLH，横向尺寸为SLW。SLH和SLW可以根据实际需要进行设定。双面平行带线同时也能够起到阻抗转换的作用。

作为一种可实施方式，两个四分之一圆形金属环300朝向金属底板100的一端，且均与金属底板100贴合连通。

作为一种可实施方式，反射板200可以为矩形介质板。

参见图3，一个实施例中，顶板400可以呈圆形，领结天线410的中心与顶板400的中心重合设置。领结天线410包括两个关于领结天线410的中心对称设置的扇形部分。领结天线410的两个振子臂的半径为R3，张角为振子间间距为gP，且两个振子臂同时印刷在介电常数为ε＝2.2、厚度为h0的顶板400的一侧。电偶极子水平放置与金属底板100平行。

可以理解的，根据镜像原理，半圆环的电流与其镜像构成了等效磁流元，此时，扇形电偶极子单元处于φ＝90°方向，磁偶极子单元处于φ＝0°方向，因此磁流元与扇形电偶极子形成的电流元正交满足电磁偶极子的设计原理。

以下通过仿真实验，对该电磁偶极子天线进行进一步说明。

为了覆盖工作频率在2.5GHz附近的4G频段，结合商业电磁仿真软件进行优化后的天线各参数尺寸如表1所示。

表1天线各参数尺寸

参数	尺寸(单位：mm)	参数	尺寸(单位：mm)
				RI	23.5	FH	1
R2	20.5	FW	0.5
				gp	1	LD	41.125
SLW	0.9	GL	118.75
				SLH	19	h0	0.8

(1)电磁偶极子天线的电流分布仿真结果

反射板200的高度与四分之一圆形金属环的外径之和为磁流元与电流元的间距，约为设计频率的波长四分之一，以抵消电流元与磁流元的远场在时间上存在90°的相位差。图5至图8为天线的电流密度分布情况，可以发现由于加载了交指电容，半圆环部分的电流密度基本一致。令T为时间周期，可以发现，在t＝0时，扇形偶极子的电流密度高；t＝T/4时，半圆环的电流密度高，这说明两个辐射模式被激励且激励的相位差为90°，从而能够抵消电流元与磁流元间固有的相位差，从而满足电磁偶极子天线设计原理。

(2)电磁偶极子天线的电压驻波比(VSWR)与增益仿真结果

电压驻波比与增益指标随频率的变化的仿真结果如图9与图10所示。由VSWR随频率变化曲线可以发现，该电磁偶极子天线驻波比带宽在VSWR≤2时的频率范围是2.1GHZ～3.0GHz，相对带宽达到35.3％；在VSWR≤1.5时的频率范围是2.1SGHz～2.95GHz，相对带宽可达31.4％。由增益随频率变化曲线可以发现，在2.1GHZ～3.0GHz工作频段内，增益变化范围为9.2dBi～10.1dBi，相较于普通的偶极子宽带天线，该电磁偶极子天线具有工作频带内更稳定的增益。

(3)电磁偶极子天线的方向图仿真结果

选取2.3GHz、2.5GHz和2.7GHz频点处电磁偶极子天线的方向图，如图11、图12和图13所示。可以发现，该电磁偶极子天线的E面与H面基本一致，半功率波束宽度基本维持在60°，交叉极化低于一20dB，满足4G蜂窝基站的要求。这是因为电磁偶极子天线具有对称的结构且运用电偶极子与磁偶极子的辐射场互补特性，使得E面与H面方向图在工作频段内保持重合，能够获得稳定的方向性与对称性。

上述电磁偶极子天线，电磁偶极子互补天线是由扇形印刷领结天线410与加载交指电容310的两个四分之一圆形金属环300以及正方形金属反射板200结合而成的立体结构天线，领结天线410通过双面平行带线600馈电，领结天线410作为双锥天线的衍生结构有利于改善天线的阻抗匹配性能。

以上所述实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，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实用新型各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种电磁偶极子天线，其特征在于，包括：

金属底板；

反射板，垂直设置在所述金属底板上；

2.根据权利要求1所述的电磁偶极子天线，其特征在于，每个所述四分之一圆形金属环包括至少一个交指电容。

3.根据权利要求2所述的电磁偶极子天线，其特征在于，所述交指电容的指节数为偶数。

4.根据权利要求2所述的电磁偶极子天线，其特征在于，每个所述四分之一圆形金属环包括相连通的两个所述交指电容。

5.根据权利要求1所述的电磁偶极子天线，其特征在于，还包括：

6.根据权利要求1所述的电磁偶极子天线，其特征在于，还包括：

双面平行带线，设置在所述反射板上；其中，两个所述四分之一圆形金属环通过所述双面平行带线相连通。

7.根据权利要求6所述的电磁偶极子天线，其特征在于，所述双面平行带线通过SMA转接头连接，其中所述SMA转接头的内芯与外表面分别与所述双面平行带线的两侧底部连接。

8.根据权利要求1所述的电磁偶极子天线，其特征在于，两个所述四分之一圆形金属环朝向所述金属底板的一端均与所述金属底板贴合连通。

9.根据权利要求1所述的电磁偶极子天线，其特征在于，所述反射板为矩形介质板。

10.根据权利要求1所述的电磁偶极子天线，其特征在于，所述顶板呈圆形，所述领结天线的中心与所述顶板的中心重合设置，所述领结天线包括两个关于所述领结天线的中心对称设置的扇形部分。