WO2014000614A1 - 电磁耦极子天线 - Google Patents

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Abstract

本发明设计了一种电磁耦极子天线，包括天线辐射单元和金属地，天线辐射单元主要包括垂直电振子、水平磁振子，垂直电振子和水平磁振子一起构成的电磁耦合结构。该天线具有体积小和低轮廓等优点

Description

电磁耦极子天线 技术领域
本发明涉及一种电磁耦极子天线， 尤其是用于移动通信系统的小型化无线天 线。
背景技术
移动通信技术的迅速发展和应用， 有力地推动了现代通信向小型化、 集成化、 多功能 (多频段、 多极化和多用途)的方向发展。 天线作为无线通信系统中最重要的 部件之一，它的尺寸成为制约通信系统进一步小型化的瓶颈之一，因而设计小型化、 集成化、 多功能天线己成为当前天线界研究的重点。
国内外在小型化多频段天线方面有很多文献， 其中， 《信息技术》 在 2011年 12月 25日刊登有一篇文章 《小型化基站天线带来的影响》 最有代表性， 该文主要 介绍了一种可用于 806〜960MHz、 1710〜2170MHz和 1710〜2170MHz的三频段基 站天线， 该天线的体积为： 1340mmx380 mmxl00 mm。 但对于天线小型化要求日 益提高的新型通信系统， 该天线的体积仍然过大， 需要进一步研究小型化天线， 特 别是研究具有低轮廓特性的小型化天线， 以便方便天线的架设和安装。
《A Dual-Polarized Magneto-Electric Dipole With Dielectric Loading》 是在 IEEE TRANS ON AP， VOL. 57, NO. 3, MARCH 2009发表的一篇论文。该论文中电磁极子 天线结构如图 1所示， 图 1是现有技术电磁极子天线示意图， 该结构包括了一个常 规电极子 102以及一个 L型的磁耦极子 103， 101为金属地， 104为射频电信号通 过 SMA连接器的接口。
如图 1所示的天线虽然厚度较大， 加工困难。 发明内容
本发明实施例提供一种电磁耦极子天线， 包括天线辐射单元和金属地， 天线辐 射单元主要包括垂直电振子、 水平磁振子， 垂直电振子和水平磁振子一起构成的电 磁耦合结构。
本发明设计了一种电磁耦极子天线， 可用于无线通信系统， 该天线体积较小， 轮廓低， 可覆盖多个频段也可以优化覆盖特定频段。
本发明天线主要包括天线辐射单元、 金属地以及二者之间的电磁耦合结构。 天线辐射单元包括垂直电振子组和水平磁振子组。所述垂直电振子和水平磁振 子之间通过介质实现电磁耦合； 金属地可以是平面地结构也可以是其它非平面地结 构；
垂直电振子组主要包括 nl个 T形馈电结构。 每个 T形馈电结构由顶部加载的 水平片状导体结构以及与其垂直电气相连的金属棒状结构组成。 在具体实施中， 垂 直电振子数目 nl以及棒状结构和片式结构可以进行优化。
水平磁振子组包括若干个水平封闭平面金属环状结构，或者由与上述环状结构 相连的十字形导带结构。 其中每个水平磁振子主要包括一层或多层金属导带。其中 的每层金属导带可由一个封闭平面金属环组成，各层金属导带间可以包含介质填充 材料， 可以通过金属过孔电气连接。
天线工作过程是， pi个激励源通过加载在地板与 T型结构底部间的空间结构 实现对电偶极子的电磁激励，该 T形馈电结构的片状部分通过介质与水平磁振子进 行电磁耦合， 通过上述二者的联合作用， 实现电磁振子的电磁能量辐射。
上述发明所涉及的小型化电磁耦极子天线， 其逻辑示意图如图 10所示。
本发明天线低轮廓的机理： 由电磁场的二重性原理可知， 良导体平面上方水平 磁极子的镜像磁流与该水平磁极子磁流（简称源磁流） 方向相同， 因此， 它在激励 源所在半空间产生的电磁场可由源磁流及其镜像磁流所组成的 2元阵表征， 当该 2 元阵的间距小于半波长时， 即磁极子与良导体间距小于四分之一波长， 上述阵列产 生的电磁场是增强性叠加的。 因此， 在良导体上方采用水平磁极子， 可以实现低轮 廓。
本发明天线宽带的机理是： 由若干个水平封闭平面金属环或者由与上述环状结 构相连的十字形导带构成的水平磁振子是一个多模辐射器， 多模辐射器的每 1个辐 射模式都有 1个谐振频率与之对应。 其中， 水平磁振子的金属环周长的一半长度对 应于本辐射器的最低谐振频率； 而与上述环状结构相连的十字形导带长度的一半对 应于本辐射器的最高谐振频率；因此，本发明的水平磁振子能实现宽频段电磁辐射。 另一方面， 垂直电振子可视为其顶部电磁加载的单极子天线， 用于传输和辐射电磁 波。 由于加载效应明显， 因此垂直电振子与水平磁振子之间的电磁耦合是该天线内 部能量传输的主要因素，该电磁耦合同时也在垂直电振子与水平磁振子之间起着阻 抗变化的作用， 因而展宽了该天线的阻抗带宽。
本发明天线 +-45度双极化机理： 本发明采用了以几何中心点为对称中心、水平 方向角度依次相差 90度的 4个端口馈电结构， 同时采用对角端口为一组差分激励 端口对的激励方式， 保证了 +-45度双极化的电磁波辐射。
本发明天线保形能力机理： 为了进一步增加辐射单元的方向图频率带宽， 即增 加辐射单元的方向图保形能力，采用了在八边形金属环的顶层加具有中心圆孔的八 边形金属贴片，从而使原来被限制在八边形金属环面的电流路径增加为八边形金属 环面电流路径和八边形金属贴片电流路径，从而增加了辐射单元表面电流的流动路 径数目， 促进了天线方向图对不同频率的保形能力提升。 附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，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发明 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类似方案。
图 1是现有技术电磁极子天线示意图；
图 2是实施例的电磁耦极子天线物理示意图；
图 3是实施例的垂直电振子示意图；
图 4是实施例的水平磁振子去除上层金属导带的结构示意图；
图 5 是实施例的水平磁振子的上层金属导带示意图；
图 6 是实施例的电磁耦极子天线驻波比曲线；
图 7是实施例的电磁耦极子天线在 1.8 GHz时的增益方向图；
图 8是实施例的电磁耦极子天线在 2.1 GHz时的增益方向图；
图 9是实施例的电磁耦极子天线在 2.4 GHz时的增益方向图；
图 10是电磁耦极子天线工作原理示意图。 具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图， 对本发明实施例中的技术方案进行清楚、 完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。 基于本发明中的实施例，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， 都属于本发明保护的范围。
本发明设计了一种电磁耦极子天线， 可用于基站等无线通信系统， 该天线的体 积可以缩小到： 65mm X 65mm X 23mm， 可覆盖 1.8GHz、 2.1GHz, 2.4GHz等多个 频段。
图 2是实施例的电磁耦极子天线物理示意图， 由图 2所示， 本发明的一个实施 例包括天线辐射单元 210和金属地 220两部分。天线辐射单元 210包括垂直电振子 组 230、 水平磁振子组 240。 垂直电振子组 230和水平磁振子组 240构成电磁耦合 结构 250。
金属地 220为一个正方形平面结构， 尺寸可以为 150mm X 150mm X lmm。 图 3是实施例的垂直电振子示意图，该图 3所示为 4个垂直电振子组成的垂直 电振子组。每个垂直电振子为一个 T型结构 330， T型结构 330由顶部加载的水平 片状导体结构 331以及与其垂直电气相连的金属棒状结构 332组成， 实施例中金属 棒状结构 332可以为半径为 1.29 mm的圆柱体， 其高度为 17.6 mm。 水平片状导体 结构 331可以为半径 5.3 mm厚为 0.5mm的圆盘。
图 4是实施例的水平磁振子去除上层金属导带的结构示意图， 由图 4所示， 水 平磁振子为水平封闭平面金属环状结构。图中仅示出了水平磁振子的一个八边形的 金属环 441和下层金属导带 442。 下层金属导带 442为十字形状。 金属环 441的外 径为 27.4 mm和宽度为 3.64mm。
图 5 是实施例的水平磁振子的上层金属导带示意图， 由图 5所示，水平磁振子 的上层金属导带 543， 也是十字形导带。 上层金属导带 543的末端为过孔 544， 通 过过孔 544与金属环 441构成电气连接。参考图 2 ，在上述两层金属导带之间填充 有介电常数为 2.55的介质材料。
本实施例电磁耦极子天线的驻波比： S1 1参数曲线如附图 6所示， 图 6 是实施 例的电磁耦极子天线驻波比曲线， 在 1.8GHz、 2.1GHz, 2.4GHz等核心频点上均低 于 -10dB通过馈电网络可以调整到 - 14以下,满足宏蜂窝基站天线的需求。
图 7、 图 8和图 9分别上述天线的 1.8GHz、 2.1GHz, 2.4GHz的增益方向图， 其中， 图 7是实施例的电磁耦极子天线在 1.8 GHz时的增益方向图， 图 8是实施例 的电磁耦极子天线在 2.1 GHz时的增益方向图， 图 9是实施例的电磁耦极子天线在
2.4 GHz时的增益方向图。
图 10是电磁耦极子天线工作原理示意图，如图 10为另一实施例电磁耦极子天 线工作原理示意图。 垂直电振子组 1030主要包括！^个 型结构。 在具体实施中， 垂直电振子数目 可以有适当的调整。金属棒状结构和水平片状导体结构的形状可 以有适当的调整。
水平磁振子组 1 Q4Q可以包括一个金属环和一个金属导带，金属导带为十字形。 其中的金属环可以由一层金属构成， 也可以由多层金属构成， 各层金属间可以包含 有介质填充材料。 一个金属导带可以只包括一层金属， 也可以有两层金属， 甚至多 层金属， 导带的各层金属间可以包含介质填充材料。 金属导带和金属环通过过孔电 气连接。
水平磁振子组也可以由多个水平封闭平面金属环状结构构成。
所述垂直电振子和水平磁振子之间通过介质实现电磁耦合。金属地可以是平面 结构也可以是其它非平面结构。
天线工作过程如下： Pl个激励源通过加载在金属地 1 Q2 Q与 T型结构实现对电 耦极子的电磁激励，该 T型结构的水平片状导体结构通过介质与水平磁振子进行电 磁耦合， 通过上述二者的联合作用， 实现电磁振子的电磁能量辐射。
本领域普通技术人员可以理解， 本文中所公开的结构仅为示例性质。 除了上述 列举的内容之外， 根据具体应用场合的需要， 所述结构可以有适当变动。 专业技术 人员可以对每个特定的应用来使用不同结构来实现，但是这种实现不应认为超出本 发明的范围。
尽管已示出和描述了本发明的一些实施例， 但本领域技术人员应理解， 在不脱 离本发明的原理和精神的情况下， 可对这些实施例进行各种修改， 这样的修改应落 入本发明的范围内。

Claims

权 利 要 求 书
1、 一种电磁耦极子天线， 包括天线辐射单元和金属地， 其特征在于， 所述天 线辐射单元包括垂直电振子、 水平磁振子， 所述垂直电振子和所述水平磁振子一起 构成的电磁耦合结构。
2、 如权利要求 1所述的天线， 其特征在于， 所述垂直电振子包括若干个垂直 电振子， 其中每个垂直电振子由一个 T型结构构成。
3、 如权利要求 2所述的天线， 其特征在于， 所述 T型结构由顶部加载的水平 片状导体结构以及与所述水平片状导体结构垂直电气相连的金属棒状结构组成。
4、 如权利要求 1所述的天线， 其特征在于， 所述水平磁振子包括水平封闭平 面的金属环状结构和与所述金属环状结构相连的金属导带。
5、 如权利要求 1所述的天线， 其特征在于， 所述垂直电振子和水平磁振子之 间通过介质实现电磁耦合。
6、 如权利要求 1所述的天线， 其特征在于， 所述金属地是平面结构或者其它 非平面结构。
7、 如权利要求 1所述的天线， 其特征在于， 有多个所述垂直电振子， 一起组 成垂直电振子组。
8、 如权利要求 1或者 7所述的天线， 其特征在于， 有一个或者多个所述水平 磁振子， 组成水平磁振子组。
9、 如权利要求 4所述的天线， 其特征在于， 所述水平封闭平面的金属环状结 构，包括位于顶层的外边为八边形内边为圆形的金属环带以及包括位于底层的内接 十字型导带的八边形的金属环。
10、 如权利要求 9所述的天线， 其特征在于， 位于顶层的所述金属环带与位于 底层的内接十字型导带的所述金属环之间通过 4个连接导体呈电气连接状态。
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