CN211045723U - 一种偶极子天线 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种偶极子天线，该天线包括：人工磁导体结构，包括层层环绕方式排布的多个金属单元，在每层环绕的多个金属单元中相邻的金属单元之间的间隙相等，且间隙在从内层向外层的方向上逐渐减小；介质板，位于人工磁导体结构的上方；以及偶极子天线阵，印制在介质板的表面上。本实用新型采用的人工磁导体结构金属单元呈渐变间隙周期分布，用该人工磁导体结构代替传统偶极子天线的反射板，形成的相位梯度表面使得偶极子天线在不同反射角度到人工磁导体结构表面金属单元反射相位一致，且与偶极子天线正向辐射同相，从而在更低的剖面、更小尺寸的口径面的基础上，实现提高增益、缩窄波宽的辐射性能指标。
Description
技术领域
本实用新型涉及天线领域，具体涉及一种偶极子天线。
背景技术
随着移动通信新技术的发展，对基站天线的要求也越来越严格。基站天线逐渐往高增益、多频段、宽带化、多极化、可重构方向发展。传统的基站天线频带窄、增益低、剖面高，在实际的使用过程中有诸多不便。
目前最常用的基站天线结构是偶极子天线，标准偶极子天线具有稳定的全向辐射特性，这对与建站天线实现区域覆盖来说是一个很好的选择。同时，只要在偶极子天线周围加上一定的反射板，偶极子就会成为具有定向辐射的天线，这在实际工程应用中是很便利的。随着印刷电路板(PCB)工艺和微带天线技术的发展，偶极子天线以其低剖面、轻量化、小型化、易集成等众多优点得到广泛研究与应用。
传统LTE(long term evolution)通信天线(基站、机载天线等)为实现特定需求的波束宽度、前后比及增益等指标，通常采用水平偶极子组阵形式加金属反射板折弯来实现。或者，通过传统的周期性人工磁导体(artificial Magnetic Conductor，AMC)反射表面来降低剖面，但是由于AMC表面需要足够数量的单元来满足周期性进而保证天线的辐射性能，窄波宽及高增益的指标要求下会导致天线的口径尺寸会的进一步增大。这样的方案很难应用在部分布局紧凑且增益要求较高的场景下。
实用新型内容
有鉴于此，为了解决现有技术的问题，本实用新型提供一种偶极子天线，可以有效的降低整个天线的剖面和减小天线的口径面，实现提高增益、缩窄波宽的辐射性能指标。
根据本实用新型，提供一种偶极子天线，所述天线包括：人工磁导体结构，包括层层环绕方式排布的多个金属单元，在每层环绕的多个金属单元中相邻的金属单元之间的间隙相等，且所述间隙在从内层向外层的方向上逐渐减小；介质板，位于所述人工磁导体结构的上方；以及偶极子天线阵，印制在所述介质板的表面上。
优选地，所述人工磁导体结构与所述介质板之间还设置有支撑层，所述支撑层的中央位置有凹槽，所述介质板与所述凹槽相吻合，所述介质板位于所述凹槽中。
优选地，所述人工磁导体结构包括：介质基板，所述介质基板的下表面覆有金属膜，所述金属单元印制于所述介质基板的上表面，所述介质基板与所述金属单元的中心位置相对应处设置有垂直向下的金属过孔，所述金属单元通过所述金属过孔与介质基板的下表面的金属膜连接。
优选地，在所述人工磁导体结构中，最内层环绕的多个金属单元呈阵列方式排布，中间层的多个金属单元环绕着所述最内层进行排布且保持所述阵列方式不变，最外层的多个金属单元环绕着所述中间层进行排布且保持所述阵列方式不变。
优选地，在每层环绕的多个金属单元中每一个金属单元的尺寸均相等，且在从内层向外层的方向上金属单元的尺寸逐渐增加。
优选地，所述介质板距离所述人工磁导体结构高度为0.02λ，λ为所述天线的中心频点所对应的波长。
优选地，所述偶极子天线阵包括：第一偶极子结构和第二偶极子结构，所述第一偶极子结构、所述第二偶极子结构分别设置在所述介质板的正反两个表面上。
优选地，所述第一偶极子结构包括两个相同的第一金属贴片，所述第一金属贴片呈“U”型，两个所述第一金属贴片的开口朝向同一个方向并通过第一传输线连接，所述第一传输线的中间的宽度小于两端的宽度。
优选地，所述第二偶极子结构包括：两个相同的第二金属贴片，所述第二金属贴片呈“U”型，两个所述第二金属贴片的开口朝向同一个方向并通过第二传输线连接，所述第二传输线的宽度渐变且由两端向中间逐渐变宽。
优选地，所述第一金属贴片的开口与所述第二金属贴片的开口反向，所述第一传输线在所述第二偶极子结构所在的平面上的投影包括在所述第二传输线内，两个“U”型的所述第一金属贴片的底部在所述第二偶极子结构所在的平面上的投影分别与两个“U”型的所述第二金属贴片的底部重合。
优选地，在所述第一金属贴片中，两个侧边金属条的宽度相等并均大于底边金属条的宽度，所述两个侧边金属条在位于“U”型底部的端点处设置有内侧切角和外侧切角，所述第一传输线连接两个所述第一金属贴片的底边金属条的中点。
优选地，在所述第二金属贴片中，两个侧边金属条的宽度相等并均大于底边金属条的宽度，所述两个侧边金属条在位于“U”型底部的端点处设置有内侧切角和外侧切角，所述第二传输线连接两个所述第二金属贴片的底边金属条的中点。
优选地，所述第二金属贴片的尺寸与所述第一金属贴片的尺寸相同。
优选地，所述天线还包括金属围框，用于包裹所述人工磁导体结构的侧面，所述金属围框的高度为0.05λ，其中λ为所述天线的中心频点所对应的波长。
本实用新型的有益效果是：本实用新型提供了一种偶极子天线，采用的人工磁导体结构金属单元呈渐变间隙周期分布，用该人工磁导体结构代替传统偶极子天线的反射板，形成的相位梯度表面使得偶极子天线在不同反射角度到人工磁导体结构表面金属单元反射相位一致，且与偶极子天线正向辐射同相，从而在更低的剖面、更小尺寸的口径面的基础上，实现提高增益、缩窄波宽的辐射性能指标。
附图说明
通过以下参照附图对本实用新型实施例的描述，本实用新型的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。
图1示出传统人工磁导体结构的反射表面金属单元。
图2示出根据本实用新型实施例的人工磁导体结构。
图3示出根据本实用新型实施例的偶极子天线结构示意图。
图4示出根据本实用新型实施例的偶极子天线侧面示意图。
图5示出根据本实用新型实施例的第一偶极子结构示意图。
图6示出根据本实用新型实施例的第二偶极子结构示意图。
图7示出根据本实用新型实施例的偶极子天线阵的结构示意图。
图8示出根据本实用新型实施例的偶极子天线的电压驻波比仿真图。
图9示出根据本实用新型实施例的偶极子天线的人工磁导体结构反射相位图。
图10示出根据本实用新型实施例的偶极子天线E面增益仿真结果图。
图11示出根据本实用新型实施例的偶极子天线的E面增益仿真结果图。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本实用新型的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。以下较佳实施例中所描述的实施方式并不代表与本实用新型相一致的所有实施方式。
图1示出传统人工磁导体结构的反射表面单元，如图1所示，传统人工磁导体结构包括：介质基板110，金属单元111以及金属过孔112。
具体地，传统人工磁导体结构中的介质基板110的厚度例如为3毫米，介质基板110的下表面覆有金属膜；金属单元111印制在介质基板110的上表面，金属单元111的形状例如为正方形，金属单元111之间的距离相等且每个金属单元111的尺寸也相等(图中仅示例性的示出一个金属单元，在工程实际中金属单元的数量根据需要进行设置)；介质基板110与金属单元111的中心位置相对应处设置有垂直向下的金属过孔112，金属单元111通过金属过孔112与介质基板110的下表面的金属膜连接。
传统人工磁导体结构具有理想磁导体的零相位反射特性，可作反射面以降低天线的剖面，但是由于传统人工磁导体结构表面需要足够数量的金属单元来满足周期性进而保证天线的辐射性能，在窄波宽及高增益的指标要求下会导致天线的口径尺寸会的进一步增大，因此这样的方案很难应用在部分布局紧凑且增益要求较高的场景下。
图2示出根据本实用新型实施例的人工磁导体结构，如图2所示，本实用新型提供的人工磁导体结构100包括：介质基板110，多个金属单元111，以及金属过孔112。
介质基板110的下表面覆有金属膜；多个金属单元111印制在介质基板110的上表面，金属单元111在介质基板110上呈渐变间隙周期分布。介质基板110与金属单元111的中心位置相对应处设置有垂直向下的金属过孔112，金属单元111通过金属过孔112与介质基板110的下表面的金属膜连接。
其中，介质基板110的表面为矩形，厚度为3毫米，金属单元111呈正方形，多个金属单元111层层环绕方式排布，在每层环绕的多个金属单元111中相邻的金属单元111之间的间隙相等，且间隙在从内层向外层的方向上逐渐减小。
进一步地，在人工磁导体结构中，最内层环绕的多个金属单元111呈阵列方式排布，中间层的多个金属单元111环绕着最内层进行排布且保持阵列方式不变，最外层的多个金属单元111环绕着中间层进行排布且保持阵列方式不变；在每层环绕的多个金属单元111中每一个金属单元111的尺寸均相等，且在从内层向外层的方向上金属单元111的尺寸逐渐增加。最内层金属单元111的尺寸与工作在天线中心频点的理想人工磁导体结构周期分布的金属单元的尺寸相同。
具体地，图2示出的渐变间隙的周期分布为三层周期分布，分别是周期分布S1、周期分布S2以及周期分布S3。周期分布S1的金属单元111之间的间隙最大，其次是周期分布S2的金属单元111之间的间隙，周期分布S3的金属单元111之间的间隙最小；周期分布S1印制在介质基板110的中间位置，周期分布S1中金属单元111呈阵列方式排布(两行七列)，周期分布S2围绕周期分布S1进行排布，形成一个矩形(矩形的长方向上设置有9个金属单元111，宽方向上设置有4个金属单元111)，周期分布S3围绕周期分布S2进行排布，形成一个矩形(矩形的长方向上设置有11个金属单元111，宽方向上设置有6个金属单元111)；周期分布S1的金属单元111尺寸最小，其次是周期分布S2的金属单元111尺寸，周期分布S3的金属单元111尺寸最大。
需要说明的是：本实用新型对周期分布以及金属单元的数量不作限制，以上描述仅是为了说明本实用新型的实施方式，在工程实际中根据需要进行设计。
图3示出根据本实用新型实施例的偶极子天线结构示意图。图4示出根据本实用新型实施例的偶极子天线侧面示意图。结合图3和4，本实用新型实施例提供的偶极子天线包括：人工磁导体结构100，介质板300，偶极子天线阵，即第一偶极子结构310和第二偶极子结构320。
具体地，介质板300位于人工磁导体结构100的上方，偶极子天线阵印制在介质板300的表面上。人工磁导体结构100包括：介质基板110，金属单元111，以及金属过孔112，介质基板110的下表面覆有金属膜；金属单元111印制在介质基板110的上表面，金属单元111在介质基板110上呈渐变间隙周期分布；介质基板110与金属单元111的中心位置相对应处有垂直向下的金属过孔112，金属单元111通过金属过孔112与介质基板110的下表面的金属膜连接，其中人工磁导体结构100的厚度T为3mm。
本实用新型提供的偶极子天线还包括：支撑层200和金属围框400，支撑层200位于人工磁导体结构100与介质板300之间，支撑层200的中央位置处有一与介质板300相吻合的凹槽，介质板300放置在凹槽中。介质板300的厚度为1毫米，距离人工磁导体结构高度h为0.02λ，λ为天线的中心频点所对应的波长。金属框400包围在人工磁导体结构100的侧面，其高度H为0.05λ，λ为天线的中心频点所对应的波长。
介质板300的中间区域设置有馈电网络330，馈电网络330与印制在介质板300表面的偶极子天线阵连接。馈电网络330包括：功分器和平衡馈电巴伦，馈电网络330通过第一传输线312和第二传输线322分别与第一偶极子结构310和第二偶极子结构320连接。
需要说明的是，为了清楚起见，图3未示出层叠在人工磁导体结构100表面的支撑层200，图4示出的侧面结构示意图是去除金属围框400后的侧面结构。
图5示出根据本实用新型实施例的第一偶极子结构示意图。图6示出根据本实用新型实施例的第二偶极子结构示意图。图7示出根据本实用新型实施例的偶极子天线阵的结构示意图。结合图5至图7，偶极子天线阵包括：第一偶极子结构310和第二偶极子结构320，第一偶极子结构310和第二偶极子结构320分别设置在介质板300的正反两个表面上。第一偶极子结构310包括：两个相同的第一金属贴片311，第一金属贴片311呈“U”型，两个第一金属贴片311的开口朝向同一个方向并通过第一传输线312连接，第一传输线312的中间的宽度小于两端的宽度。第二偶极子结构320包括：两个相同的第二金属贴片321，第二金属贴片321呈“U”型，第二金属贴片321的开口朝向同一个方向并通过第二传输线322连接，第二传输线322的宽度渐变且由两端向中间逐渐变宽。
其中，第一金属贴片311的开口与第二金属贴片321的开口反向，第一传输线312在第二偶极子结构320所在平面上的投影包括在第二传输线322内，两个呈“U”型的第一金属贴片311的底部在第二偶极子结构所在的平面上投影分别与两个“U”型的第二金属贴片321的底部重合。第一金属贴片311和第二金属贴片321尺寸相同，在第一金属贴片311和第二金属铁片中，两个侧边金属条的宽度相等并均大于底边金属条的宽度，两个侧边金属条在位于“U”型底部的端点处设置有内侧切角和外侧切角，第一传输线和第二传输线分别连接两个第一金属贴片311和两个第二金属贴片321的底边金属条的中点。
需要说明的是，偶极子天线阵不局限于以上描述，也可以是本领域其他的偶极子天线阵。
图8示出本实用新型实施例提供的偶极子天线的电压驻波比仿真图。如图8所示，横坐标表示偶极子天线的频率范围，纵坐标表示偶极子天线的电压驻波比。由图可见，在整个频段范围内，偶极子天线的电压驻波比小于1.65，满足工程使用要求。
图9示出本实用新型实施例提供的偶极子天线的人工磁导体结构的反射相位图。如图9所示，横坐标表示偶极子天线的频率范围，纵坐标表示人工磁导体结构的反射相位，由图可见人工磁导体结构存在某一频点，使得其反射相位为0°，说明该频点处具有较高的表面阻抗，并且具有同相反射相位特性。
图10和图11示出本实用新型实施例提供的偶极子天线的E面增益仿真结果图。其中，图10所示E面增益仿真结果图的方位角Phi＝0°，图11所示E面增益仿真结果图的方位角Phi＝90°，俯仰角Theta的范围均为-200°至200°，图10和图11中的三条曲线图分别表示工作在2700GHZ、2500GHZ、2600GHZ的增益图。
由图可见，工作波段天线增益最高达12.05dBi，Phi＝0°时E面的3dB波束宽度最窄仅为56°，相较于传统口径面天线波束宽度有较大幅度的缩窄，同时天线的增益也有一定程度的提升。
根据本实用新型提供的偶极子天线，将人工磁导体结构用作偶极子天线的反射板，该人工磁导体结构的金属单元呈渐变间隙周期分布，形成的相位梯度表面使得偶极子天线在不同反射角度到人工磁导体结构表面金属单元反射相位一致，且与偶极子天线正向辐射同相，从而在更低的剖面、更小尺寸的口径面的基础上，实现提高增益、缩窄波宽的辐射性能指标。
应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本实用新型的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该实用新型仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本实用新型的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本实用新型以及在本实用新型基础上的修改使用。本实用新型的保护范围应当以本实用新型权利要求所界定的范围为准。
Claims (14)
1.一种偶极子天线，其特征在于，所述天线包括：
人工磁导体结构，包括层层环绕方式排布的多个金属单元，在每层环绕的多个金属单元中相邻的金属单元之间的间隙相等，且所述间隙在从内层向外层的方向上逐渐减小；
介质板，位于所述人工磁导体结构的上方；以及
偶极子天线阵，印制在所述介质板的表面上。
2.根据权利要求1所述的偶极子天线，其特征在于，所述人工磁导体结构与所述介质板之间还设置有支撑层，所述支撑层的中央位置有凹槽，所述介质板与所述凹槽相吻合，所述介质板位于所述凹槽中。
3.根据权利要求2所述的偶极子天线，其特征在于，所述人工磁导体结构包括：介质基板，所述介质基板的下表面覆有金属膜，所述金属单元印制于所述介质基板的上表面，所述介质基板与所述金属单元的中心位置相对应处设置有垂直向下的金属过孔，所述金属单元通过所述金属过孔与介质基板的下表面的金属膜连接。
4.根据权利要求1所述的偶极子天线，其特征在于，在所述人工磁导体结构中，最内层环绕的多个金属单元呈阵列方式排布，中间层的多个金属单元环绕着所述最内层进行排布且保持所述阵列方式不变，最外层的多个金属单元环绕着所述中间层进行排布且保持所述阵列方式不变。
5.根据权利要求4所述的偶极子天线，其特征在于，在每层环绕的多个金属单元中每一个金属单元的尺寸均相等，且在从内层向外层的方向上金属单元的尺寸逐渐增加。
6.根据权利要求1所述的偶极子天线，其特征在于，所述介质板距离所述人工磁导体结构高度为0.02λ，λ为所述天线的中心频点所对应的波长。
7.根据权利要求1所述的偶极子天线，其特征在于，所述偶极子天线阵包括：第一偶极子结构和第二偶极子结构，所述第一偶极子结构、所述第二偶极子结构分别设置在所述介质板的正反两个表面上。
8.根据权利要求7所述的偶极子天线，其特征在于，所述第一偶极子结构包括两个相同的第一金属贴片，所述第一金属贴片呈“U”型，两个所述第一金属贴片的开口朝向同一个方向并通过第一传输线连接，所述第一传输线的中间的宽度小于两端的宽度。
9.根据权利要求8所述的偶极子天线，其特征在于，所述第二偶极子结构包括：两个相同的第二金属贴片，所述第二金属贴片呈“U”型，两个所述第二金属贴片的开口朝向同一个方向并通过第二传输线连接，所述第二传输线的宽度渐变且由两端向中间逐渐变宽。
10.根据权利要求9所述的偶极子天线，其特征在于，所述第一金属贴片的开口与所述第二金属贴片的开口反向，所述第一传输线在所述第二偶极子结构所在的平面上的投影包括在所述第二传输线内，两个“U”型的所述第一金属贴片的底部在所述第二偶极子结构所在的平面上的投影分别与两个“U”型的所述第二金属贴片的底部重合。
11.根据权利要求8所述的偶极子天线，其特征在于，在所述第一金属贴片中，两个侧边金属条的宽度相等并均大于底边金属条的宽度，所述两个侧边金属条在位于“U”型底部的端点处设置有内侧切角和外侧切角，所述第一传输线连接两个所述第一金属贴片的底边金属条的中点。
12.根据权利要求9所述的偶极子天线，其特征在于，在所述第二金属贴片中，两个侧边金属条的宽度相等并均大于底边金属条的宽度，所述两个侧边金属条在位于“U”型底部的端点处设置有内侧切角和外侧切角，所述第二传输线连接两个所述第二金属贴片的底边金属条的中点。
13.根据权利要求12所述的偶极子天线，其特征在于，所述第二金属贴片的尺寸与所述第一金属贴片的尺寸相同。
14.根据权利要求1所述的偶极子天线，其特征在于，所述天线还包括金属围框，用于包裹所述人工磁导体结构的侧面，所述金属围框的高度为0.05λ，其中λ为所述天线的中心频点所对应的波长。
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|---|---|---|---|
| CN201922336691.3U CN211045723U (zh) | 2019-12-23 | 2019-12-23 | 一种偶极子天线 |
Applications Claiming Priority (1)
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| CN201922336691.3U CN211045723U (zh) | 2019-12-23 | 2019-12-23 | 一种偶极子天线 |
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| CN211045723U true CN211045723U (zh) | 2020-07-17 |
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ID=71537595
Family Applications (1)
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| CN201922336691.3U Active CN211045723U (zh) | 2019-12-23 | 2019-12-23 | 一种偶极子天线 |
Country Status (1)
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| CN (1) | CN211045723U (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111987445A (zh) * | 2020-08-21 | 2020-11-24 | 福耀玻璃工业集团股份有限公司 | 天线玻璃及交通工具 |
| CN111987444A (zh) * | 2020-08-21 | 2020-11-24 | 福耀玻璃工业集团股份有限公司 | 天线玻璃及交通工具 |
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2019
- 2019-12-23 CN CN201922336691.3U patent/CN211045723U/zh active Active
Cited By (4)
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| CN111987444A (zh) * | 2020-08-21 | 2020-11-24 | 福耀玻璃工业集团股份有限公司 | 天线玻璃及交通工具 |
| CN111987445B (zh) * | 2020-08-21 | 2023-12-05 | 福耀玻璃工业集团股份有限公司 | 天线玻璃及交通工具 |
| CN111987444B (zh) * | 2020-08-21 | 2023-12-05 | 福耀玻璃工业集团股份有限公司 | 天线玻璃及交通工具 |
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