一种四端口馈电的单层磁电偶极子阵列天线

1.本发明涉及通信技术领域，特别涉及一种四端口馈电的单层磁电偶极子阵列天线。


背景技术：

2.目前多端口馈电的磁电偶极子双极化阵列结构多采用耦合馈电，因此多为双层或者三层结构。如图1所示，相对的馈电端口控制一种线极化方式，通过siw进行电磁波传导，再通过缝隙耦合的方式将能量输送到表面的2*2天线阵列，进而实现双极化；对于圆极化的磁电偶极子阵列也大都采用双层或三层结构，圆极化单元的形成主要通过开槽、切角等方法实现。如图2所示，通过切成v型角并且开槽实现90
°
相位差，进而实现圆极化。
3.现有的磁电偶极子双极化阵列结构存在以下缺陷：
4.第一，现有的磁电偶极子阵列不能同时兼备双极化和圆极化的功能；
5.第二，现在的偶极子阵列多采用双层或三层结构，加工成本高，损耗大；
6.第三，对于双极化来说，馈电网络设计较为复杂；
7.第四，对于圆极化来说，天线单元的设计较为复杂；
8.第五，对于材料以及加工精度要求较高。


技术实现要素：

9.本发明提供一种四端口馈电的单层磁电偶极子阵列天线，旨在解决现有磁电偶极子双极化阵列结构存在的问题。
10.本发明提供一种四端口馈电的单层磁电偶极子阵列天线，包括四个磁电偶极子单元，每个所述磁电偶极子单元上设有一个馈电端口，四个所述磁电偶极子单元彼此之间通过微带线连接并组成互联四端口2
×
2的磁电偶极子阵列，调节馈电端口的激励与相位差进行圆极化或线极化磁电偶极子阵列的切换；
11.磁电偶极子单元包括十字馈电的磁电偶极子、介质基板、四个方形偶极子、同轴探针，四个所述方形偶极子贴合在介质基板的上表面，所述十字馈电的磁电偶极子设置在四个方形偶极子中间，所述方形偶极子在x、y方向上均设有一排金属孔，所述同轴探针位于十字馈电的磁电偶极子一端，所述同轴探针设置在介质基板内。
12.作为本发明的进一步改进，四个所述磁电偶极子单元彼此之间通过三条微带线连接，所述十字馈电的磁电偶极子之间通过一条微带线连接，两条所述微带线连接在相邻单元的方形偶极子振子壁之间。
13.作为本发明的进一步改进，所述磁电偶极子单元之间的间距为一个传播波长λg。
14.作为本发明的进一步改进，所述单层磁电偶极子阵列天线整体为方形结构，四个所述磁电偶极子单元分别位于阵列天线的四个顶角处，四个所述磁电偶极子单元沿顺时针排序依次包括第一单元、第三单元、第四单元、第二单元，对应单元所述十字馈电的磁电偶极子上设有第一馈电端口、第三馈电端口、第四馈电端口、第二馈电端口，所述第一馈电端
口设置在十字馈电的磁电偶极子的正x轴向端，所述第四馈电端口设置在十字馈电的磁电偶极子的负x轴向端，所述第三馈电端口设置在十字馈电的磁电偶极子的正y轴向端，所述第二馈电端口设置在十字馈电的磁电偶极子的负y轴向端。
15.作为本发明的进一步改进，当第一馈电端口至第四馈电端口的功率/相位分别为：1w/0
°
、1w/90
°
、1w/270
°
、1w/180
°
时，所述单层磁电偶极子阵列天线为左旋圆极化磁电偶极子阵列；当第一馈电端口至第四馈电端口的功率/相位分别为：1w/0
°
、1w/270
°
、1w/90
°
、1w/180
°
时，所述单层磁电偶极子阵列天线为右旋圆极化磁电偶极子阵列。
16.作为本发明的进一步改进，当第一馈电端口至第四馈电端口的功率/相位分别为：1w/0
°
、0w/()
°
、0w/()
°
、1w/180
°
时，所述单层磁电偶极子阵列天线为xoz平面的线极化磁电偶极子阵列；当第一馈电端口至第四馈电端口的功率/相位分别为：0w/()
°
、1w/0
°
、1w/180
°
、0w/()
°
时，所述单层磁电偶极子阵列天线为yoz平面的线极化磁电偶极子阵列。
17.作为本发明的进一步改进，所述介质基板材料为rogers 5880，厚度为1.57mm，介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009。
18.作为本发明的进一步改进，所述磁电偶极子单元的偶极子臂长度约为1/4个真空波长λ0。
19.本发明的有益效果是：采用结构更为简单、损耗更小的单层互联四端口2
×
2的磁电偶极子阵列，通过调节不同馈电点的相位，可实现双极化或者圆极化的自由切换。
附图说明
20.图1是本发明现有双极化2
×
2磁电偶极子阵列的结构图；
21.图2是本发明现有圆极化磁电偶极子的结构图；
22.图3是本发明中磁电偶极子单元的俯视图和正视图；
23.图4是本发明中线极化或圆极化可切换的四端口馈电的单层2
×
2磁电偶极子阵列俯视图；
24.图5是本发明中双极化电偶极子阵列的端口反射系数图；
25.图6是本发明中双极化电偶极子阵列的频率增益曲线图；
26.图7是本发明中双极化电偶极子阵列的e面方向图；
27.图8是本发明中双极化电偶极子阵列的h面方向图；
28.图9是本发明中圆极化电偶极子阵列的端口反射系数；
29.图10是本发明中圆极化电偶极子阵列的频率增益曲线与轴比图；
30.图11是本发明中圆极化电偶极子阵列的e面方向图；
31.图12是本发明中圆极化电偶极子阵列的h面方向图。
具体实施方式
32.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
33.本发明一种四端口馈电的单层磁电偶极子阵列天线实现单层结构的磁电偶极子阵列；选择合适的馈电方式实现圆极化与双极化之间的切换。
34.一种四端口馈电的单层磁电偶极子阵列天线，包括四个磁电偶极子单元1，每个磁
电偶极子单元1上设有一个馈电端口2，四个磁电偶极子单元1彼此之间通过微带线3连接并组成互联四端口2
×
2的磁电偶极子阵列，调节馈电端口2的激励与相位差进行圆极化或线极化磁电偶极子阵列的切换。
35.磁电偶极子单元1包括十字馈电的磁电偶极子4、介质基板5、四个方形偶极子6、同轴探针7，四个方形偶极子6贴合在介质基板的上表面，十字馈电的磁电偶极子4设置在四个方形偶极子6中间，方形偶极子6在x、y方向上均设有一排金属孔61，同轴探针7位于十字馈电的磁电偶极子4一端，同轴探针7设置在介质基板5内。
36.磁电偶极子单元还包括金属底板8，金属底板8贴合在介质基板5的下表面，金属孔61穿过介质基板5与金属底板8相连。
37.该2
×
2磁电偶极子阵列的单个元素如图3所示，该单元主要是一个十字馈电的磁电偶极子4，采用同轴探针7馈电。y方向的金属孔61作为金属壁形成磁流，纵向的金属孔61也作为金属壁减小左右的干扰，十字型馈电是为了更好的进行阵列拓展的同时还能保证结构的对称。
38.该2
×
2磁电偶极子阵列的俯视图如图4所示，介质基板5材料选用rogers5880，其厚度为1.57mm，介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009。偶极子臂长度约为1/4λ0(真空波长)。方形偶极子6的圆形区域为金属打孔处，x方向的金属孔61的作用是：当1、4端口差分馈电时减小偶极子臂对于微带线的干扰；当2、3端口差分馈电时充当金属壁产生磁流。
39.该天线整体尺寸为25
×
25mm，彼此之间通过三条微带线3连接，相邻元素的间距约为一个λg(传播波长)，共有四个馈电端口2，通过调节馈电端口2的激励与相位差实现圆极化或线极化。
40.相邻元素之间主要通过三条微带线3连结的目的是为了使双极化中e面和h面的方向图尽可能相同，相当于磁流在三条微带线3之间的缝隙传播，从而达到能量传输的目的。
41.如图4，单层磁电偶极子阵列天线整体为方形结构，四个磁电偶极子单元1分别位于阵列天线的四个顶角处，四个磁电偶极子单元1沿顺时针排序依次包括第一单元11、第三单元13、第四单元14、第二单元12，对应单元十字馈电的磁电偶极子4上设有第一馈电端口21、第三馈电端口23、第四馈电端口24、第二馈电端口22，第一馈电端口21设置在十字馈电的磁电偶极子4的正x轴向端，第四馈电端口24设置在十字馈电的磁电偶极子4的负x轴向端，第三馈电端口23设置在十字馈电的磁电偶极子4的正y轴向端，第二馈电端口22设置在十字馈电的磁电偶极子4的负y轴向端。
42.如图4所示，四个馈电端口2是为了实现圆极化与双极化，当第一馈电端口21到第四馈电端口24的功率/相位分别为：1w/0
°
、1w/90
°
、1w/270
°
、1w/180
°
可实现左旋圆极化；当第一馈电端口21到第四馈电端口24的功率/相位分别为：1w/0
°
、1w/270
°
、1w/90
°
、1w/180
°
可实现右旋圆极化；当第一馈电端口21到第四馈电端口24的功率/相位分别为：1w/0
°
、0w/()
°
、0w/()
°
、1w/180
°
可实现xoz平面的线极化；当第一馈电端口21到第四馈电端口24的功率/相位分别为：0w/()
°
、1w/0
°
、1w/180
°
、0w/()
°
可实现yoz平面的线极化。其中，()
°
表示括号里可以是任意数值，馈电功率为0w时，此时相位(度数)取任意数值不构成影响。
43.首先，该设计通过三条传输线3形成沿e面和h面的延拓，进而形成2
×
2的天线阵列，能量通过微带线3传播到各个磁电偶极子单元1上。当线极化时，为了同时使四个天线同时工作，且不会造成半个天线不工作的情况，因此必须拥有相互连接中间十字的微带线3，
否则外围的半个十字馈电的磁电偶极子4无法工作。再加上两根连接在振子壁的微带线3是为了使e面和h面的远场辐射图相似；其次，通过调节端口的馈电与相位实现双极化与圆极化，使一个阵列同时具有四种极化方式。且相比于其他类型天线该天线拥有更大的带宽与增益表现，且从增益角度看能量的浪费很少。
44.线极化以第一馈电端口、第四馈电端口差分馈点为例馈电为例，其带宽、增益表现如图5至图8所示。圆极化以左旋圆极化为例，其带宽、增益表现如图9至图12所示。
45.该天线阵列的性能表现如下表所示，可以看出其满足性能要求。
[0046] 线极化(激励1&4端口)圆极化(逆时针相位差90
°
)sdd11带宽(圆极化为s11)23.22～30.46ghz(7.24ghz)23.37～32.26ghz(8.89ghz)sdd12带宽(圆极化为s12)》26ghz》25.5ghz轴比*ultra最大增益点(27.5ghz，14.4db)(27.5ghz，14.14db)3db带宽24.92～30.75ghz(5.83ghz)25.16～30.53ghz(5.37ghz)主极化与交叉极化水平《-11db《-18db
[0047]
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。