一种单层线极化磁电偶极子天线及天线阵列

1.本实用新型属于移动通信天线技术领域，尤其涉及一种单层线极化磁电偶极子天线及天线阵列。


背景技术：

2.随着移动终端使用人数的激增，全球移动数据流量在以前所未有的速度继续增长。当前天线采用的磁电偶极子的阵列结构主要采用堆叠结构，金属层主要包括：底层馈电网络、中层开槽的金属板以及顶层的磁电偶极子天线。介质层包括：两层介质和一层薄膜，通过设计恰当的馈电网络，将能量通过缝隙耦合到磁电偶极子天线上。一个单元以及4
×
4阵列结构可以实现46%的s11带宽，最大增益为19.18db。
3.但是，由于天线以及缝隙的电特性，现有的天线设计馈电网络结构复杂，且会带来更多的损耗；其次，缝隙耦合馈电会增加单个天线的设计难度；第三，由于需要黏合两层材料，因此堆叠结构在加工中更容易产生不必要的误差；第四，对于材料以及加工精度的要求更高。


技术实现要素：

4.针对以上技术问题，本实用新型公开了一种单层线极化磁电偶极子天线及天线阵列。
5.对此，本实用新型采用的技术方案为：
6.一种单层线极化磁电偶极子天线，其为单层结构，其包括中心单元；
7.所述中心单元包括l形馈电结构的馈源，所述中心单元在馈电点的两侧分别设置两个相同的磁电偶极子；所述中心单元包括同轴探针，所述中心单元的两侧连接第一拓展单元，所述第一拓展单元沿中心单元的e面拓展，所述第一拓展单元除没有同轴探针之外与中心单元的结构相同；
8.或所述中心单元包括t形馈电结构的馈源，在馈电点的两侧分别设置一个磁电偶极子形成振子臂；所述中心单元的两侧连接第二拓展单元，所述第二拓展单元沿中心单元的h面拓展，所述第二拓展单元包括对称设置的两个长方形金属贴片，所述长方形金属贴片上设有金属过孔，与中心单元相邻的第二拓展单元的两个长方形金属贴片分别与中心单元的两个振子臂通过传输线连接，相邻的第二拓展单元的长方形金属贴片对应的通过传输线连接。
9.此技术方案采用单层结构，馈电网络结构简单，损耗低，制备工艺简单。
10.作为本实用新型的进一步改进，所述l形馈电结构包括位于中部的长方形金属贴片，所述同轴探针位于长方形金属贴片的一端；
11.所述长方形金属贴片的一侧设有第一方形金属贴片和第二方形金属贴片，另一侧设有第三方形金属贴片和第四方形金属贴片，所述第一方形金属贴片、第二方形金属贴片、第三方形金属贴片和第四方形金属贴片，每个方形金属贴片上均设有一组呈l型设置的金
属过孔，第一方形金属贴片和第二方形金属贴片、第三方形金属贴片和第四方形金属贴片的l型的底部相对；所述第二方形金属贴片、第四方形金属贴片位于同轴探针的两侧。
12.作为本实用新型的进一步改进，所述单层线极化磁电偶极子天线包括位于中心单元两侧的拓展单元，所述拓展单元除中部的长方形金属贴片没有同轴探针之外，与中心单元的结构相同；所述中心单元与相邻的拓展单元的长方形金属贴片之间、相邻的拓展单元的长方形金属贴片之间通过传输线连接，所述金属过孔位于靠近传输线的一侧。
13.采用此技术方案，相邻两个单元通过传输线细线连接，主要用于以电流的方式互联，长方形金属贴片即宽线作为馈点用于将传输线所传递的能量进行耦合。为了避免磁电偶极子天线对于传输线的影响，因此在两侧天线上的x方向靠近传输线处设置金属过孔以减小干扰。通过调节两侧磁电偶极子的长度可以来调节天线谐振点，通过调节两侧磁电偶极子的宽度以及传输线宽线、细线的宽度以及长度，可以实现阻抗匹配。
14.作为本实用新型的进一步改进，所述t形馈电结构包括位于中部的t型金属贴片，所述t型金属贴片的t型顶部设有同轴探针；
15.所述t型金属贴片的凸起部设有第一金属贴片，所述t型金属贴片的竖直部的一侧设有第二金属贴片，所述第一金属贴片的中部设有与t型金属贴片的凸起部配合的凹槽，所述第一金属贴片在凹槽的两侧各设有一个金属过孔；所述第二金属贴片为长方形，所述第二金属贴片依次设有第一金属过孔、第二金属过孔和第三金属过孔，所述第一金属过孔、第二金属过孔和第三金属过孔位于靠近t型金属贴片的一侧，所述第二金属过孔朝着同轴探针。
16.作为本实用新型的进一步改进，所述单层线极化磁电偶极子天线包括位于中心单元两侧的拓展单元，每个拓展单元包括对称设置的两个长方形金属贴片，位于第二金属贴片拓展方向上的长方形金属贴片与第二金属贴片的结构相同，所述拓展单元的两个长方形金属贴片分别与中心单元的第一金属贴片、第二金属贴片通过传输线连接，相连的拓展单元的长方形金属贴片对应的通过传输线连接。
17.作为本实用新型的进一步改进，所述第二拓展单元为五个以上，所述传输线上设有缝隙。进一步的，相邻的两个第二拓展单元之间的传输线与靠近中心单元的第二拓展单元的长方形金属贴片之间设有缝隙。进一步的，所述缝隙的宽度为0.05-0.15mm。进一步优选的，所述缝隙的宽度为0.1mm。
18.作为本实用新型的进一步改进，所述中心单元与第一拓展单元或第二拓展单元之间、相邻的第一拓展单元或相邻的第二拓展单元之间的距离约为一个传播波长。进一步的，所述中心单元与第一拓展单元或第二拓展单元之间、相邻的第一拓展单元或相邻的第二拓展单元之间的距离为0.67λ0~λ0，其中λ0为电磁波的真空波长。
19.本实用新型还公开了一种单层线极化磁电偶极子天线阵列，其包括如上所述的单层线极化磁电偶极子天线，其包括l形馈电结构的馈源的中心单元、若干第一拓展单元和若干第二拓展单元，所述第一拓展单元从l形馈电结构的馈源的中心单元的两侧沿e面拓展，所述第二拓展单元从第一拓展单元的两侧向与e面拓展方向垂直的两侧沿呈h面拓展；
20.或其包括t形馈电结构的馈源的中心单元、若干第一拓展单元和若干第二拓展单元，所述第二拓展单元从t形馈电结构的馈源的中心单元的两侧沿h面拓展，所述第一拓展单元从第二拓展单元的两侧向与h面拓展方向垂直的两侧沿e面拓展。
21.采用此技术方案，只有一个馈电点，并为线极化，阵列结构为单端口馈电，且为单层，结构简单，且不需要设计复杂馈电网络。该技术方案通过对中心单元通过添加传输线的方式沿e面拓展，再分别对e面拓展成功的每个单元通过磁流传输的方式进行h面的拓展，对于相邻单元间距要使得e面电流传播同相、h面磁流传播同相，从而将馈电点能量作用于整个阵列，最终形成n
×
n磁电偶极子阵列。
22.作为本实用新型的进一步改进，所述中心单元包括位于中部的长方形金属贴片，所述长方形金属贴片的一端设有同轴探针；所述长方形金属贴片的一侧设有第一方形金属贴片和第二方形金属贴片，另一侧设有第三方形金属贴片和第四方形金属贴片，所述第一方形金属贴片、第二方形金属贴片、第三方形金属贴片和第四方形金属贴片，每个方形金属贴片上均设有一组呈l型设置的金属过孔，第一方形金属贴片和第二方形金属贴片、第三方形金属贴片和第四方形金属贴片的l型的底部相对；所述第二方形金属贴片、第四方形金属贴片位于同轴探针的两侧；
23.所述第一拓展单元除中部的长方形金属贴片不设同轴探针之外，与中心单元的结构相同；所述中心单元与相邻的第一拓展单元的长方形金属贴片之间、相邻的第一拓展单元的长方形金属贴片之间通过单条微带线连接，所述金属过孔位于靠近单条微带线的一侧。
24.作为本实用新型的进一步改进，所述第二拓展单元包括对称设置的两个长方形金属贴片，所述长方形金属贴片靠近第二拓展单元的中部分别设有金属过孔，所述第一拓展单元与相邻的第二拓展单元之间，所述相邻的第二拓展单元之间通过双线连接。进一步的，所述第二拓展单元为五个以上，所述双线的每个传输线上设有缝隙。
25.进一步的，天线介质基板为rogers 5880，为单极化。
26.与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：
27.第一，采用本实用新型的技术方案，单独e面或h面的磁电偶极子延拓构成了一维磁电偶极子阵列，并且只需要一个馈源。一维拓展可以获得拓展面窄波束、非拓展面宽波束的特点，这可以更好的应用于需要此类辐射特性的情境下，例如智能驾驶的远辐射雷达。并且这两种一维拓展方式也为构成二维阵列奠定了基础。馈电网络结构简单，损耗低，因为采用单层结构，加工容易，误差小，制备工艺简单。
28.第二，基于两种不同类型的磁电偶极子天线，将两种磁电偶极子结合使用，分别根据其不同的耦合特点进行延拓，因此可以采用单个同轴馈电的方式构成的整个阵列。可以通过调节x轴方向不同行的距离以及每行中各个天线振子臂的长宽，使每行天线（y轴方向）表面电流呈梯度下降，以此来降低e面旁瓣。
29.第三，采用本实用新型的技术方案的天线阵列实现了25.54ghz-34.56ghz的9.02ghz的宽频带；在28ghz处为最大增益20.85db；其频率增益曲线的3db带宽为26.11ghz-29.76ghz的3.65ghz；在28ghz下的e面与h面的交叉极化水平均小于-20db，且主旁瓣比为-13.38db以及-16.06db，均大于要求的-10db；设计结构更为简单、损耗更小。
附图说明
30.图1是本实用新型实施例1的一种单层线极化磁电偶极子天线的中心单元的俯视和正视对应图。
31.图2是本实用新型实施例1的一种单层线极化磁电偶极子天线的俯视图。
32.图3是本实用新型实施例2的一种单层线极化磁电偶极子天线的中心单元的俯视和正视对应图。
33.图4是本实用新型实施例2的一种单层线极化磁电偶极子天线的俯视图。
34.图5是本实用新型实施例3的一种单层线极化磁电偶极子天线阵列的俯视图。
35.图6是本实用新型实施例3的h面拓展的传输线电场图，其中（a）为yox面，（b）为yoz面。
36.图7是本实用新型实施例3的e面拓展的传输线电场图，其中（a）为yox面，（b）为yoz面。
37.图8是本实用新型实施例3的端口反射系数结果图。
38.图9是本实用新型实施例3的最大实际增益结果图。
39.图10是本实用新型实施例3的e面方向图。
40.图11是本实用新型实施例3的h面方向图。
41.附图标记包括：
42.1-中心单元，2-第一拓展单元，3-第二拓展单元；
43.11-长方形金属贴片，12-同轴探针，13-第一方形金属贴片，14-第二方形金属贴片，15-第三方形金属贴片，16-第四方形金属贴片，17-金属过孔，18-传输线；
44.21-t型金属贴片，22-同轴探针，23-第一金属贴片，24-第二金属贴片，25-凹槽，26-第一金属过孔，27-第二金属过孔，28-第三金属过孔，29-长方形金属贴片，30-双线。
具体实施方式
45.下面对本实用新型的较优的实施例作进一步的详细说明。
46.对于不设计馈电网络的磁电偶极子天线来说，设计重点在如何构造相邻单元的互联结构，本具体实施方式的延拓主要分为e面以及h面的延拓，进而构成整个阵列，下面通过实施例进行进一步的说明。
47.实施例1
48.如图1和图2所示，一种单层线极化磁电偶极子天线，为单层结构，其包括中心单元1和位于中心单元1两侧的第一拓展单元2。所述中心单元1包括l形馈电结构的馈源，在馈电点的两侧分别设置两个相同的磁电偶极子，馈电点通过耦合馈电的方式将能量耦合到两边的两个磁电偶极子上，在磁电偶极子上形成x轴方向变化的电流。
49.所述l形馈电结构包括位于中部的长方形金属贴片11，所述长方形金属贴片11的一端设有同轴探针12；所述长方形金属贴片11的一侧设有第一方形金属贴片13和第二方形金属贴片14，另一侧设有第三方形金属贴片15和第四方形金属贴片16，所述第一方形金属贴片13、第二方形金属贴片14、第三方形金属贴片15和第四方形金属贴片16，每个方形金属贴片上均设有一组呈l型设置的金属过孔17，第一方形金属贴片13和第二方形金属贴片14、第三方形金属贴片15和第四方形金属贴片16的l型的底部相对；所述第二方形金属贴片14、第四方形金属贴片16位于同轴探针12的两侧。
50.所述第一拓展单元2除中部的长方形金属贴片11没有同轴探针12之外，与中心单元1的结构相同；所述中心单元1与相邻的第一拓展单元2的长方形金属贴片11之间、相邻的
第一拓展单元2的长方形金属贴片11之间通过传输线18连接，所述金属过孔17位于靠近传输线18的一侧。
51.所述中心单元1与第一拓展单元2之间、相邻的第一拓展单元2之间的距离约为一个传播波长；进一步的，为0.67λ0~λ0，其中λ0为电磁波的真空波长。
52.下面以五个单元为例，e面拓展的磁电偶极子天线结构图如图2所示。该天线阵列只在中心单元1处有一个馈源，为l形馈电结构。以中心单元1为例，在馈电点两边分布着两个相同的磁电偶极子，通过耦合馈电的方式将能量耦合到两边的两个磁电偶极子上，在磁电偶极子上形成x轴方向变化的电流。对于e面拓展来说，其关键是在每个单元上都形成x方向变化的电流，这要保证传输线18宽线处电流同相，因此要使两单元之间的距离约为一个传播波长。传输线18的细线主要用于相邻两个单元以电流的方式互联，宽线作为馈点用于将传输线18所传递的能量进行耦合。为了避免磁电偶极子天线对于传输线18的影响，因此在两侧天线上的x方向靠近传输线18处打上金属孔以减小干扰。通过调节两侧磁电偶极子的长度来调节天线谐振点，通过调节两侧磁电偶极子的宽度以及传输线18宽线、细线的宽度以及长度来实现阻抗匹配。对于更多单元沿e面拓展也以此类推。
53.进一步的，天线介质基板为rogers 5880，为单极化。
54.所述中心单元的长方形金属贴片11的中部距离与其相邻的第一拓展单元的长方形金属贴片的中部之间的距离小于相邻的两个第一拓展单元的长方形金属贴片的中部之间的距离。当天线个数增加会造成波瓣分裂，且随着个数的增加，旁瓣的相对幅值会变大，为了解决主旁瓣比较小的问题（要求大于10db），采用该方案可以使相位失配。每个第一拓展单元与中心单元的相位相同时增益最大。又因为可以采用从中心单元到两边的第一拓展单元的馈电幅值缓慢减小的方式降低旁瓣，因此只要使中心单元与两侧的第一拓展单元相位逐渐失配，使中心元素电流幅值最大时，相比于同样间距两侧幅值更小，即可在互联结构中实现递减式馈电。
55.实施例2
56.如图3所示，一种单层线极化磁电偶极子天线，其包括中心单元1和位于中心单元1两侧的第二拓展单元3。所述中心单元1设有t形馈电结构的馈源，在馈电点的两侧分别设置一个磁电偶极子形成振子臂，馈电点通过耦合的方式在左右两个振子臂上形成y轴方向的电流，在两个振子臂之间的金属壁形成磁流。
57.所述t形馈电结构包括位于中部的t型金属贴片21，所述t型金属贴片21的t型顶部设有同轴探针22；所述t型金属贴片21的凸起部设有第一金属贴片23，所述t型金属贴片21的竖直部的一侧设有第二金属贴片24，所述第一金属贴片23的中部设有与t型金属贴片21的凸起部配合的凹槽25，所述第一金属贴片23在凹槽25的两侧各设有一个金属过孔；所述第二金属贴片24为长方形，所述第二金属贴片24依次设有第一金属过孔26、第二金属过孔27和第三金属过孔28，所述第一金属过孔26、第二金属过孔27和第三金属过孔28位于靠近t型金属贴片21的一侧，所述第二金属过孔27朝着同轴探针22。进一步的同轴探针22为sma 特氟龙同轴探针。
58.每个第二拓展单元3包括对称设置的两个长方形金属贴片29，位于第二金属贴片24拓展方向上的长方形金属贴片29与第二金属贴片24的结构相同，所述第二拓展单元3的两个长方形金属贴片29分别与中心单元1的第一金属贴片23、第二金属贴片24通过双线30
连接，相连的第二拓展单元3的长方形金属贴片29对应的通过双线30连接。
59.所述中心单元1与第二拓展单元3之间、相邻的第二拓展单元3之间的距离约为一个传播波长。
60.下面同样以五个单元为例，h面拓展的磁电偶极子天线结构图如图4所示。该天线阵列只在中心单元1处有一个馈源，为t形馈电结构。以中心单元1为例，馈电点通过耦合的方式在左右两个振子臂上形成y轴方向的电流，在两个振子臂之间的金属壁（以金属过孔的方式形成）存在磁流。对于h面拓展来说，其关键是在每个单元上都形成y方向变化的电流，这要保证通过双线30传播的磁流在各单元中同相，因此要使两单元之间的距离约为一个传播波长。而磁流的传输可采用双线30结构，通过调节两侧磁电偶极子的长度来调节天线谐振点，通过调节两侧磁电偶极子的宽度以及传输线宽度来实现阻抗匹配。
61.进一步的，天线介质基板为rogers 5880，为单极化。
62.进一步的，第二拓展单元3为五个以上，相邻的两个第二拓展单元3之间的传输线与靠近中心单元的第二拓展单元3的长方形金属贴片29之间设有缝隙。进一步的，所述缝隙的大小为0.05-0.15mm。进一步优选的，所述缝隙的大小为0.1mm。所述传输线上设有缝隙，从而降低q值，进而增加带宽。
63.通过调整磁电偶极子的间距来调整天线的谐振点，可以控制各单元上的电流是否同相。阻抗匹配不仅通过调整两侧磁电偶极子的长度和宽度以及传输线的宽度来实现，还可以看出参数中多了一个slot，及在微带线与天线连接处加了一个缝隙，这相当于在电感上串联了一个电容，相当于降低了电感，从而使输入阻抗随频率变化的曲线z11平缓，最终使天线满足要求。实施例3
64.如图5所示，一种单层线极化磁电偶极子天线阵列，在实施例1和实施例2的基础上进行拓展组合，该天线阵列包括如实施例1所述的设有l形馈电结构的馈源的中心单元、若干第一拓展单元（如实施例1的第一拓展单元2）和若干第二拓展单元（如实施例2的第二拓展单元3），所述第一拓展单元沿e面拓展，所述第二拓展单元从第一拓展单元的两侧向与e面拓展方向垂直的两侧呈h面拓展。
65.具体而言，所述中心单元包括位于中部的长方形金属贴片，所述长方形金属贴片的一端设有同轴探针；所述长方形金属贴片的一侧设有第一方形金属贴片和第二方形金属贴片，另一侧设有第三方形金属贴片和第四方形金属贴片，所述第一方形金属贴片、第二方形金属贴片、第三方形金属贴片和第四方形金属贴片，每个方形金属贴片上均设有一组呈l型设置的金属过孔，第一方形金属贴片和第二方形金属贴片、第三方形金属贴片和第四方形金属贴片的l型的底部相对；所述第二方形金属贴片、第四方形金属贴片位于同轴探针的两侧；所述第一拓展单元除中部的长方形金属贴片不设同轴探针之外，与中心单元的结构相同；所述中心单元与相邻的第一拓展单元的长方形金属贴片之间、相邻的第一拓展单元的长方形金属贴片之间通过单条微带线连接，所述金属过孔位于靠近传输线的一侧。所述第二拓展单元包括对称设置的两个长方形金属贴片，所述长方形金属贴片靠近第二拓展单元的中部分别设有金属过孔，所述第一拓展单元与相邻的第二拓展单元之间，所述相邻的第二拓展单元之间通过双线连接。
66.以5
×
5阵列为例，俯视图如图5所示，其中xoz面为e面，yoz面为h面。
67.首先，对中心单元沿e面进行拓展，再分别对e面每个单元进行h面拓展，最终形成5
×
5磁电偶极子阵列。本实施例的结构将两种磁电偶极子结合使用，采用e面电流传播同相、h面磁流传播同相的方式将馈电点能量作用于整个阵列，最终形成5
×
5磁电偶极子阵列，同样也可以拓展成n
×
n磁电偶极子阵列。
68.该天线介质基板选择rogers 5880，其厚度为1.57mm，介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009。浅灰色圆形区域为金属打孔处，整体尺寸为43
×
50mm，沿x轴中心5个天线为l型馈电的磁电偶极子天线，彼此之间通过单条微带线连接。两侧为磁流传播的t型馈电磁电偶极子天线，彼此之间通过双线连接。
69.对于阵列的天线，随着阵列数量的增加，远场辐射图旁瓣会有明显增加。而且，在阵列由中心元素进行拓展时，连接各个单元的微带线的长度和粗细的选择对于天线谐振有着很大的影响，并且x方向与y方向的天线间距并不相同。本实施例基于两种不同类型的磁电偶极子天线，将两种磁电偶极子结合使用，分别根据其不同的耦合特点进行延拓，因此可以采用单个同轴馈电的方式构成的整个阵列。通过调节x轴方向不同行的距离以及每行中各个天线振子臂的长宽，使每行天线（y轴方向）表面电流呈梯度下降，以此来降低e面旁瓣。
70.具体来说，为了降低旁瓣可以采用从中心元素到两边元素馈电幅值缓慢减小的方式降低旁瓣，主要通过如下思路解决：
71.1）使中心元素与两侧元素相位逐渐失配，使中心元素幅值最大时，相比于同样间距两侧幅值更小，即可在互联结构中实现递减式馈电。在使微带线变长的同时，也会增加电阻值，从而使天线电流逐级递减。
72.2）除了使相位失配造成幅度递减，还可以调节天线大小，中心位置天线的尺寸最大，向两侧依次递减，小的天线表面积小，因此电流和磁流的数量少，从而使电流逐级递减。
73.另外，本实施例天线阵列拓展的距离采用一个传播波长，但是对于x方向与y方向其传播波长不同，这是因为电场存在于介质的部分不同，会导致实际波长有所差别，传输线电场分布原理图如下图6和图7所示，可以看出e面拓展的电场基本都位于介质内，因此e面拓展阵列的有效介电常数更大，所以e面拓展的实际波长更短。因此两单圆间距更近，理论分析与实际模型相同。因此调节旁瓣时距离在一个传播波长附近变动。
74.本实施例的天线阵列的端口反射系数、最大实际增益的结果如图8和图9所示，e面方向图和h面方向图如图10和图11所示，该天线阵列实现了25.54ghz-34.56ghz的9.02ghz的宽频带；在28ghz处为最大增益20.85db；其频率增益曲线的3db带宽为26.11ghz-29.76ghz的3.65ghz；在28ghz下的e面与h面的交叉极化水平均小于-20db，且主旁瓣比为-13.38db以及-16.06db，均大于要求的-10db。
75.以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。