CN112787084A - 一种毫米波差分馈电双极化宽波束磁电偶极子天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种毫米波差分馈电双极化宽波束磁电偶极子天线。所述天线包括四个正方形金属贴片、差分同轴馈电结构、四组金属过孔、介质基片、金属地板和垂直金属围栏；所述差分同轴馈电结构包括十字形金属贴片和四个位于金属地板底下的馈电同轴线。本发明采用差分双极化同轴馈电的形式，具有低交叉极化、良好的极化分集能力的特性，通过在磁电偶极子天线四周加入垂直金属柱子围栏，具有宽波束的特点，本发明能够应用在直线相控阵，带宽能够覆盖5G毫米波频段。
Description
技术领域
本发明涉及无线移动通信技术领域，尤其涉及一种毫米波差分馈电双极化宽波束磁电偶极子天线。
背景技术
随着无线通信技术的发展，对天线的性能要求越来越高。在现代无线系统中，双极化天线成为了当前研究的热点，因其良好的极化分集能力，能增加信道容量和提高频谱效率。与传统的机械扫描天线相比，相控阵天线扫描具有扫描速度快，体积小，稳定性好等特点；由于阵列天线总的方向图是有源单元方向图与阵因子的乘积，所以为使阵列在扫描过程中能够有一个比较小的增益平坦度，比较常用的提高阵列扫描角度的方法是设计具有宽波束有源方向图特性的天线单元。而差分天线采用平衡馈电，减少了巴伦的使用，相对于传统的单端口天线，具有能够减少能量损耗、提高系统效率的优势。2015年，Mingjian Li,Kwai-Man Luk等人在“IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION”上发表题为“Wideband Magneto-Electric Dipole Antenna for 60-GHz Millimeter-WaveCommunications”的文章中，采用L型探针单极化馈电，通过磁电偶极子宽带的特性，在60GHz实现51％的相对带宽。该天线具有结构简单易加工的优点，但因馈电探针引起较大的交叉极化，同时波束宽度不大，该单元天线不能很好地应用于毫米波相控阵天线。
现在可能没有涉及同时具有差分馈电、双极化和宽波束的毫米波磁电偶极子天线，因此设计一款差分馈电双极化宽波束磁电偶极子天线是十分必要的。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供了一款毫米波差分馈电双极化宽波束磁电偶极子天线。该天线采用十字形的金属馈电贴片结构，同时实现差分馈电、双极化，具有低交叉极化、良好的极化分集能力的特性；通过在磁电偶极子天线四周加入垂直金属柱子围栏，引入垂直的电流，垂直金属柱子和磁电偶极子天线的波束叠加，具有宽波束的特点，该单元能够应用在直线相控阵，带宽能够覆盖5G毫米波(24.25-27.5GHz)频段。
本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
一种毫米波差分馈电双极化宽波束磁电偶极子天线，包括四个正方形金属贴片、差分同轴馈电结构、四组金属过孔、介质基片、金属地板和垂直金属围栏；所述差分同轴馈电结构包括十字形金属贴片和四个位于金属地板底下的馈电同轴线；
四个正方形金属贴片设置于介质基片上层并与介质基片上表面贴合；金属地板设置于介质基片下层并与介质基片下表面贴合；十字形金属贴片设置于四个正方形金属贴片中间；四个馈电同轴线的外导体均与金属地板相连，四个馈电同轴线的内导体延伸进入介质基片并分别与十字形金属贴片的一端相连；四组金属过孔设置于介质基片内，每组金属过孔分别与一个正方金属贴片的边缘和金属地板相连；所述垂直金属围栏位于介质基片内。
进一步地，所述介质基片的材料为Rogers 5880。
进一步地，所述介质基片的厚度为1.2-1.5mm。
进一步地，所述四个正方形金属贴片在介质基片上层中央以2×2排列放置。
进一步地，每组金属过孔包括三个圆柱形金属过孔，三个圆柱形金属过孔位于与其相连的正方形金属贴片的内侧角落。
进一步地，四个正方形金属贴片分别形成两对电偶极子，四组金属过孔分别根据对应的正方形金属贴片形成两对磁偶极子，最终形成两对磁电偶极子，称为磁电偶极子天线。
进一步地，十字形金属贴片为十字形的金属馈电贴片结构，在十字形金属贴片上通过四个馈电同轴线实现0°、90°双极化差分馈电，通过耦合馈电把能量传到两对磁电偶极子，具有宽带的特性。
进一步地，所述垂直金属围栏包括若干根垂直围栏金属柱子，包围着两对磁电偶极子，通过在磁电偶极子天线四周加入垂直金属围栏，引入垂直的电流，垂直围栏金属柱子和磁电偶极子天线的波束叠加，具有宽波束的特点。
进一步地，垂直围栏金属柱子的高度与介质基片的厚度齐平。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、与已有的毫米波磁电偶极子天线相比，本发明天线单采用十字形的金属馈电贴片，同时实现差分馈电和双极化，具有低交叉极化、良好的极化分集能力的特性，E面和H面的交叉极化在整个频段内增益均为-40dBi左右。
2、与已有的毫米波磁电偶极子天线相比，本发明天线单元通过在磁电偶极子天线四周加上金属柱子，引入垂直电流，垂直金属柱子和磁电偶极子天线的波束叠加，提高天线E面的波束宽度。在23.5到34GHz，3dB波束宽度均为100°以上，该带宽覆盖了5G毫米波(24.25-27.5GHz)频段，可以直接应用在直线相控阵上。
3、与已有的毫米波磁电偶极子天线相比，本发明天线单元剖面更低。介质基片高度为0.12λ，其中λ为中心频率28GHz的波长。
附图说明
图1为本发明实施例中一种毫米波差分馈电双极化宽波束磁电偶极子天线的整体视图。
图2为本发明实施例中一种毫米波差分馈电双极化宽波束磁电偶极子天线侧视图。
图3为本发明实施例中一种毫米波差分馈电双极化宽波束磁电偶极子天线俯视图。
图4为本发明实施例中一种毫米波差分馈电双极化宽波束磁电偶极子天线仰视图。
图5为本发明实施例中一种毫米波差分馈电双极化宽波束磁电偶极子天线的S参数仿真结果曲线图。
图6为本发明实施例中一种毫米波差分馈电双极化宽波束磁电偶极子天线的增益仿真结果示意图。
图7为本发明实施例中一种毫米波差分馈电双极化宽波束磁电偶极子天线在28GHz时的辐射方向图仿真结果示意图。
图8为本发明实施例中一种毫米波差分馈电双极化宽波束磁电偶极子天线在31GHz时的辐射方向图仿真结果示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例：
一种毫米波差分馈电双极化宽波束磁电偶极子天线，如图1、图2、图3、图4所示，包括四个正方形金属贴片1、差分同轴馈电结构、四组金属过孔4、介质基片5、金属地板7和垂直金属围栏；所述差分同轴馈电结构包括十字形金属贴片2和四个位于金属地板7底下的馈电同轴线；
四个正方形金属贴片1设置于介质基片5上层并与介质基片5上表面贴合；金属地板7设置于介质基片5下层并与介质基片5下表面贴合；十字形金属贴片2设置于四个正方形金属贴片1中间；四个馈电同轴线的外导体8均与金属地板7相连，四个馈电同轴线的内导体3延伸进入介质基片5并分别与十字形金属贴片2的一端相连；四组金属过孔设置于介质基片5内，每组金属过孔4分别与一个正方金属贴片1的边缘和金属地板7相连；所述垂直金属围栏位于介质基片5内。
本实施例中，所述介质基片5的材料为Rogers 5880，其相对介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009。
本实施例中，所述介质基片5的厚度为1.2-1.5mm。
所述四个正方形金属贴片1在介质基片5上层中央以2×2排列放置。
每组金属过孔4包括三个圆柱形金属过孔4，三个圆柱形金属过孔4位于与其相连的正方形金属贴片1的内侧角落。
四个正方形金属贴片1分别形成两对电偶极子，四组金属过孔4分别根据对应的正方形金属贴片1形成两对磁偶极子，最终形成两对磁电偶极子，称为磁电偶极子天线。
十字形金属贴片2为十字形的金属馈电贴片结构，在十字形金属贴片2上通过四个馈电同轴线实现0°、90°双极化差分馈电，通过耦合馈电把能量传到两对磁电偶极子，具有宽带的特性。
所述垂直金属围栏包括若干根垂直围栏金属柱子6，包围着两对磁电偶极子，通过在磁电偶极子天线四周加入垂直金属围栏，引入垂直的电流，垂直围栏金属柱子6和磁电偶极子天线的波束叠加，具有宽波束的特点。
垂直围栏金属柱子6的高度与介质基片5的厚度齐平。
调整本实施例的毫米波差分馈电双极化宽波束磁电偶极子天线各部分的尺寸参数后，通过HFSS软件仿真，对本实施例的毫米波差分馈电双极化宽波束磁电偶极子天线进行了验证仿真，天线的总体尺寸为9*9*1.2mm3。如图5所示，给出了该天线在20-34GHz频率范围内的S参数仿真结果的曲线；从图5中可以看出，在22～34GHz频段范围内，Sdd11或Sdd22≤-10dB，Sdd21≤-40dB，相对带宽为42.875％。在图6中给出了边射方向上的增益仿真曲线，其中在22GHz到31.5GHz可以看到增益会有下降的趋势，当增益下降时，天线的波束宽度在增加，在31.5GHz达到最大。如图7、图8所示，给出了天线分别在28GHz、31GHz时的辐射方向图，由图可知天线在E面具有宽波束的端射性能。仿真结果表明本发明的毫米波差分馈电双极化宽波束磁电偶极子天线具有低剖面、宽带，宽波束，良好的极化分集能力，低交叉极化，能够满足应用于5G毫米波(24.25-27.5GHz)频段的要求。
以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种毫米波差分馈电双极化宽波束磁电偶极子天线，其特征在于，包括四个正方形金属贴片(1)、差分同轴馈电结构、四组金属过孔(4)、介质基片(5)、金属地板(7)和垂直金属围栏；所述差分同轴馈电结构包括十字形金属贴片(2)和四个位于金属地板(7)底下的馈电同轴线；
四个正方形金属贴片(1)设置于介质基片(5)上层并与介质基片(5)上表面贴合；金属地板(7)设置于介质基片(5)下层并与介质基片(5)下表面贴合；十字形金属贴片(2)设置于四个正方形金属贴片(1)中间；四个馈电同轴线的外导体(8)均与金属地板(7)相连，四个馈电同轴线的内导体(3)延伸进入介质基片(5)并分别与十字形金属贴片(2)的一端相连；四组金属过孔设置于介质基片(5)内，每组金属过孔(4)分别与一个正方金属贴片(1)的边缘和金属地板(7)相连；所述垂直金属围栏位于介质基片(5)内。
2.根据权利要求1所述的一种毫米波差分馈电双极化宽波束磁电偶极子天线，其特征在于：所述介质基片(5)的材料为Rogers 5880。
3.根据权利要求1所述的一种毫米波差分馈电双极化宽波束磁电偶极子天线，其特征在于：所述介质基片(5)的厚度为1.2-1.5mm。
4.根据权利要求1所述的一种毫米波差分馈电双极化宽波束磁电偶极子天线，其特征在于：所述四个正方形金属贴片(1)在介质基片(5)上层中央以2×2排列放置。
5.根据权利要求1所述的一种毫米波差分馈电双极化宽波束磁电偶极子天线，其特征在于，每组金属过孔(4)包括三个圆柱形金属过孔(4)，三个圆柱形金属过孔(4)位于与其相连的正方形金属贴片(1)的内侧角落。
6.根据权利要求5所述的一种毫米波差分馈电双极化宽波束磁电偶极子天线，其特征在于：四个正方形金属贴片(1)分别形成两对电偶极子，四组金属过孔(4)分别根据对应的正方形金属贴片(1)形成两对磁偶极子，最终形成两对磁电偶极子，称为磁电偶极子天线。
7.根据权利要求6所述的一种毫米波差分馈电双极化宽波束磁电偶极子天线，其特征在于：十字形金属贴片(2)为十字形的金属馈电贴片结构，在十字形金属贴片(2)上通过四个馈电同轴线实现0°、90°双极化差分馈电，通过耦合馈电把能量传到两对磁电偶极子。
8.根据权利要求6所述的一种毫米波差分馈电双极化宽波束磁电偶极子天线，其特征在于，所述垂直金属围栏包括若干根垂直围栏金属柱子(6)，包围着两对磁电偶极子，通过在磁电偶极子天线四周加入垂直金属围栏，引入垂直的电流，垂直围栏金属柱子(6)和磁电偶极子天线的波束叠加。
9.根据权利要求1～8任一项所述的一种毫米波差分馈电双极化宽波束磁电偶极子天线，其特征在于，垂直围栏金属柱子(6)的高度与介质基片(5)的厚度齐平。
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