一种宽带高增益圆极化磁电偶极子天线阵列

1.本发明涉及圆极化磁电偶极子天线技术领域，特别是一种宽带高增益圆极化磁电偶极子天线阵列。


背景技术：

2.随着现代无线通信技术的快速发展，工作在不同频段的无线设备越来越多，同时留给单个天线的设计空间越来越有限。在同一载体上，无线通信设备越多，电磁环境越复杂，不同天线之间的相互干扰会极大的影响天线的性能。这就迫切需要一副天线能够工作在多个通信系统，兼容多种通信频段，从而减少天线的数目，实现设备的小型化。因此，宽频带天线成为天线设计的主要趋势之一。
3.电磁波的频率高、波长短、穿透力差、衰减大，在相同覆盖范围的情况内需要安放更多的天线，数据传输量剧增。相比于线极化天线，圆极化天线能够抑制多径干扰，极化偏转损失小，可以对抗恶劣天气的影响，因此开发宽频带的圆极化天线是十分必要的。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种结构简单、容易实现的宽带高增益圆极化磁电偶极子天线阵列，该天线通信频带宽，圆极化频带宽，定向增益高。
5.实现本发明目的的技术解决方案为：一种宽带高增益圆极化磁电偶极子天线阵列，包括由上至下设置的上层金属贴片、上层介质基板、中间层金属贴片、下层介质基板、下层金属贴片，其中：
6.所述上层金属贴片由四组结构完全相同的金属片单元组成，每组金属片单元由5个金属片组成，分别采用矩形金属片切角以及添加矩形微扰的结构实现圆极化特性；同时每组金属片单元设有多个金属通孔，贯穿上层介质基板，连接上层金属贴片和中间层金属贴片；
7.所述中间层金属贴片平铺整个下层介质基板的上表面并刻蚀四个圆形通孔；下层介质基板被四个金属通孔贯穿，连接中间层金属贴片及下层金属贴片；
8.所述下层金属贴片采用微带线组成一分四功分器。
9.进一步地，上层金属贴片由4组结构完全相同的金属片单元组成，呈2
×
2阵列式排列，分别是设置于左上角的第一组金属片单元，右上角的第二组金属片单元，右下角的第三组金属片单元和设置于左下角的第四组金属片单元；
10.所述第一组金属片单元由5个金属片组成，分别是设置于左上角的第一金属片，右上角的第二金属片，右下角的第三金属片，左下角的第四金属片和设置于中间位置的第五金属片；第一金属片和第三金属片结构相同且二者关于中心对称设置，第一金属片采用将矩形金属片切除第一三角形的金属片，刻蚀第一金属通孔阵；第三金属片采用将矩形金属片切除第二三角形的金属片，刻蚀第三金属通孔阵；第二金属片和第四金属片结构相同且二者关于中心对称设置，第二金属片采用将矩形金属片右上角增加第六金属片，刻蚀第二
金属通孔阵；第四金属片采用将矩形金属片左下角增加第七金属片，刻蚀第四金属通孔阵；
11.第五金属片左侧刻蚀第一金属通孔，第二组金属片单元、第三组金属片单元、第四组金属片单元左侧相同位置分别刻蚀第二金属通孔、第三金属通孔、第四金属通孔。
12.进一步地，第二金属通孔阵和第一金属通孔阵结构相同且二者按照左右对称设置，第三金属通孔阵和第一金属通孔阵结构相同且二者关于中心对称设置，第四金属通孔阵和第一金属通孔阵结构相同且二者按照上下对称设置；
13.在与第一组金属片单元相对应的位置，上层介质基板被第一组金属片单元中的第一金属通孔阵、第二金属通孔阵、第三金属通孔阵、第四金属通孔阵以及第一金属通孔贯穿，形成第一组金属通孔；
14.同理，在与第二组金属片单元、第三组金属片单元、第四组金属片单元相对应的位置，上层介质基板上分别形成第二组金属通孔、第三组金属通孔、第四组金属通孔。
15.进一步地，所述中间层金属贴片平铺整个下层介质基板的上表面，由完全相同的4组通孔组成，分别是设置于左上角的第一组通孔，右上角的第二组通孔，右下角的第三组通孔和设置于左下角的第四组通孔；
16.在与第一组金属片单元相对应的位置，中间层金属贴片被第一组金属片单元中的第一金属通孔阵、第二金属通孔阵、第三金属通孔阵、第四金属通孔阵贯穿，形成第一组通孔；同理，在与第二组金属片单元、第三组金属片单元、第四组金属片单元相对应的位置，中间层金属贴片上分别形成第二组通孔、第三组通孔、第四组通孔；
17.第一组通孔、第二组通孔、第三组通孔、第四组通孔中分别刻蚀一个圆形通孔，分别是第一圆形通孔、第二圆形通孔、第三圆形通孔、第四圆形通孔；第一～第四圆形通孔一一对应设置于第一～第四金属通孔的正投影下方，对应位置圆形通孔与金属通孔的圆心位置相同，第一～第四圆形通孔的半径大于第一～第四金属通孔。
18.进一步地，下层介质基板被第一～第四金属通孔贯穿，用于连接中间层金属贴片和下层金属贴片。
19.进一步地，所述下层金属贴片是由微带线组成的1分4功分器，整体由7部分组成，分别是第八金属片、第九金属片、第十金属片、第十一金属片、第十二金属片、第十三金属片和第十四金属片；
20.所述第九金属片和第十金属片左右对称，结构完全相同，第九金属片的右上角刻蚀第三三角形，第十金属片左上角刻蚀第四三角形；
21.所述第十一金属片，第十二金属片，第十三金属片和第十四金属片结构完全相同，其中第十一金属片和第十三金属片上下对称，第十二金属片和第十四金属片上下对称；第十一金属片左上角刻蚀第五三角形，左下角刻蚀第六三角形，右上角被第一金属通孔贯穿；第十二金属片左上角刻蚀第七三角形，右下角刻蚀第八三角形，右上角被第二金属通孔贯穿；第十三金属片左上角刻蚀第九三角形，左下角刻蚀第十三角形，右下角被第四金属通孔贯穿；第十四金属片右上角刻蚀第十一三角形，左下角刻蚀第十二三角形，右下角被第三金属通孔贯穿。
22.进一步地，能量由第八金属片输入，经第九金属片和第十金属片传输到第十一～第十四金属片，然后通过第一～第四金属通孔穿过第一～第四圆形通孔传输到第一组～第四组金属片向外辐射，中间层金属贴片为天线和功分器的共用地板，馈线位于下层金属贴
片。
23.进一步地，第一金属片与第三金属片为梯形结构。
24.进一步地，第十二金属片、第十四金属片分别是由第十一金属片、第十三金属片向右平移得到。
25.进一步地，上层介质基板的厚度为1.57mm，下层介质基板的厚度为0.254mm，天线的整体高度为1.824mm。
26.本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)采用矩形贴片切角以及添加矩形微扰的结构实现圆极化特性，结构简单，易于集成，并拓宽了轴比带宽；(2)通过采用金属通孔和圆形通孔过孔馈电的方式，获得更宽的阻抗带宽；(3)采用微带线组成的一分四功分器，使天线实现高增益性能，具有稳定的辐射模式，并且辐射方向更集中。
附图说明
27.图1a是本发明圆极化磁电偶极子天线阵列的天线侧视图。
28.图1b是本发明圆极化磁电偶极子天线阵列的上层金属贴片电路图。
29.图1c是本发明圆极化磁电偶极子天线阵列的上层介质层基板俯视图。
30.图1d是本发明圆极化磁电偶极子天线阵列的中间层金属贴片电路图。
31.图1e是本发明圆极化磁电偶极子天线阵列的下层介质基板俯视图。
32.图1f是本发明圆极化磁电偶极子天线阵列的下层金属贴片电路图。
33.图1g是本发明圆极化磁电偶极子天线阵列从上层介质层基板到下层金属贴片的俯视图。
34.图2是本发明宽带高增益圆极化磁电偶极子天线阵列的s
11
曲线图。
35.图3是本发明宽带高增益圆极化磁电偶极子天线阵列的轴比曲线图。
36.图4是本发明宽带高增益圆极化磁电偶极子天线阵列的增益曲线图。
37.图5是本发明宽带高增益圆极化磁电偶极子天线阵列在40ghz的e面辐射方向图。
38.图6是本发明宽带高增益圆极化磁电偶极子天线阵列在40ghz的h面辐射方向图。
具体实施方式
39.本发明宽带高增益圆极化磁电偶极子天线阵列包括三层金属贴片和两层介质基板，分别是上层金属贴片、上层介质基板，中间层金属贴片，下层介质基板以及下层金属贴片；所述的上层金属贴片由四组结构完全相同的天线单元组成，每组金属片单元由5个金属片组成，分别采用矩形金属片切角以及添加矩形微扰的结构实现圆极化特性，且具有更宽的轴比频带，同时每组金属片单元设有17个金属通孔，贯穿上层介质基板，连接上层和中间层金属贴片；中间层金属贴片平铺整个下层介质基板的上表面并刻蚀四个圆形通孔；下层介质基板被四个金属通孔贯穿，连接中间层金属贴片及下层金属贴片；下层金属贴片采用微带线组成的一分四功分器，使天线更紧凑，辐射方向更集中，实现高增益特性。本发明天线具有频带宽、轴比带宽宽、增益高、体积小的优点。
40.本发明宽带高增益圆极化磁电偶极子天线阵列，具有宽频带，宽轴比带宽以及高增益特性，为减少微带线对天线性能的影响，将其作为底层金属贴片，使天线性能更稳定，采用金属通孔与圆形通孔过孔馈电的方式使天线具有更宽的阻抗带宽，上层金属贴片采用
矩形贴片切角以及添加矩形微扰实现圆极化特性结构使天线具有更宽的轴比频带。
41.结合图1，本发明宽带高增益圆极化磁电偶极子天线阵列，包括由上至下设置的上层金属贴片1、上层介质基板2、中间层金属贴片3、下层介质基板4、下层金属贴片5，其中：
42.所述上层金属贴片1由四组结构完全相同的金属片单元组成，每组金属片单元由5个金属片组成，分别采用矩形金属片切角以及添加矩形微扰的结构实现圆极化特性；同时每组金属片单元设有多个金属通孔，贯穿上层介质基板2，连接上层金属贴片1和中间层金属贴片3；
43.所述中间层金属贴片3平铺整个下层介质基板4的上表面并刻蚀四个圆形通孔；下层介质基板4被四个金属通孔贯穿，连接中间层金属贴片3及下层金属贴片5；
44.所述下层金属贴片5采用微带线组成一分四功分器。
45.作为一种具体示例，上层金属贴片1由4组结构完全相同的金属片单元组成，呈2
×
2阵列式排列，分别是设置于左上角的第一组金属片单元11，右上角的第二组金属片单元12，右下角的第三组金属片单元13和设置于左下角的第四组金属片单元14；
46.所述第一组金属片单元11由5个金属片组成，分别是设置于左上角的第一金属片111，右上角的第二金属片112，右下角的第三金属片113，左下角的第四金属片114和设置于中间位置的第五金属片115；第一金属片111和第三金属片113结构相同且二者关于中心对称设置，第一金属片111采用将矩形金属片切除第一三角形116的金属片，刻蚀第一金属通孔阵25；第三金属片113采用将矩形金属片切除第二三角形118的金属片，刻蚀第三金属通孔阵27；第二金属片112和第四金属片114结构相同且二者关于中心对称设置，第二金属片112采用将矩形金属片右上角增加第六金属片117，刻蚀第二金属通孔阵26；第四金属片114采用将矩形金属片左下角增加第七金属片119，刻蚀第四金属通孔阵28；
47.第五金属片115左侧刻蚀第一金属通孔41，第二组金属片单元12、第三组金属片单元13、第四组金属片单元14左侧相同位置分别刻蚀第二金属通孔42、第三金属通孔43、第四金属通孔44。
48.作为一种具体示例，第二金属通孔阵26和第一金属通孔阵25结构相同且二者按照左右对称设置，第三金属通孔阵27和第一金属通孔阵25结构相同且二者关于中心对称设置，第四金属通孔阵28和第一金属通孔阵25结构相同且二者按照上下对称设置；
49.在与第一组金属片单元11相对应的位置，上层介质基板2被第一组金属片单元11中的第一金属通孔阵25、第二金属通孔阵26、第三金属通孔阵27、第四金属通孔阵28以及第一金属通孔41贯穿，形成第一组金属通孔21；
50.同理，在与第二组金属片单元12、第三组金属片单元13、第四组金属片单元14相对应的位置，上层介质基板2上分别形成第二组金属通孔22、第三组金属通孔23、第四组金属通孔24。
51.作为一种具体示例，所述中间层金属贴片3平铺整个下层介质基板4的上表面，由完全相同的4组通孔组成，分别是设置于左上角的第一组通孔31，右上角的第二组通孔32，右下角的第三组通孔33和设置于左下角的第四组通孔34；
52.在与第一组金属片单元11相对应的位置，中间层金属贴片3被第一组金属片单元11中的第一金属通孔阵25、第二金属通孔阵26、第三金属通孔阵27、第四金属通孔阵28贯穿，形成第一组通孔31；同理，在与第二组金属片单元12、第三组金属片单元13、第四组金属
片单元14相对应的位置，中间层金属贴片3上分别形成第二组通孔32、第三组通孔33、第四组通孔34；
53.第一组通孔31、第二组通孔32、第三组通孔33、第四组通孔34中分别刻蚀一个圆形通孔，分别是第一圆形通孔35、第二圆形通孔36、第三圆形通孔37、第四圆形通孔38；第一～第四圆形通孔35、36、37、38一一对应设置于第一～第四金属通孔41、42、43、44的正投影下方，对应位置圆形通孔与金属通孔的圆心位置相同，第一～第四圆形通孔35、36、37、38的半径大于第一～第四金属通孔41、42、43、44。
54.作为一种具体示例，下层介质基板4被第一～第四金属通孔41、42、43、44贯穿，用于连接中间层金属贴片3和下层金属贴片5。
55.作为一种具体示例，所述下层金属贴片5是由微带线组成的1分4功分器，整体由7部分组成，分别是第八金属片51、第九金属片52、第十金属片53、第十一金属片54、第十二金属片55、第十三金属片56和第十四金属片57；
56.所述第九金属片52和第十金属片53左右对称，结构完全相同，第九金属片52的右上角刻蚀第三三角形521，第十金属片53左上角刻蚀第四三角形531；
57.所述第十一金属片54，第十二金属片55，第十三金属片56和第十四金属片57结构完全相同，其中第十一金属片54和第十三金属片56上下对称，第十二金属片55和第十四金属片57上下对称；第十一金属片54左上角刻蚀第五三角形541，左下角刻蚀第六三角形542，右上角被第一金属通孔41贯穿；第十二金属片55左上角刻蚀第七三角形551，右下角刻蚀第八三角形552，右上角被第二金属通孔42贯穿；第十三金属片56左上角刻蚀第九三角形562，左下角刻蚀第十三角形561，右下角被第四金属通孔44贯穿；第十四金属片57右上角刻蚀第十一三角形572，左下角刻蚀第十二三角形571，右下角被第三金属通孔43贯穿。
58.作为一种具体示例，能量由第八金属片51输入，经第九金属片52和第十金属片53传输到第十一～第十四金属片54、55、56、57，然后通过第一～第四金属通孔41、42、43、44穿过第一～第四圆形通孔35、36、37、38传输到第一组～第四组金属片11、12、13、14向外辐射，中间层金属贴片3为天线和功分器的共用地板，馈线位于下层金属贴片5。
59.作为一种具体实施方式，第一金属片111与第三金属片113为梯形结构。
60.作为一种具体实施方式，第十二金属片55、第十四金属片57分别是由第十一金属片54、第十三金属片56向右平移得到。
61.作为一种具体实施方式，上层介质基板2的厚度为1.57mm，下层介质基板4的厚度为0.254mm，天线的整体高度为1.824mm。
62.下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细描述。
63.实施例
64.结合图1，本发明宽带高增益圆极化天线阵列，包括上层金属贴片1、上层介质基板2、中间层金属贴片3、下层介质基板4、下层金属贴片5；所述上层金属贴片1由四组结构完全相同的金属片单元11、12、13、14组成；以第一组金属片单元11为例，第一组金属片单元11由5个金属片组成，分别是设置于左上角的第一金属片111，右上角的第二金属片112，右下角的第三金属片113，左下角的第四金属片114和设置于中间位置的第五金属片115；第一金属片111和第三金属片113结构相同且二者关于中心对称设置，第一金属片111采用将矩形金属片切除第一三角形116的金属片，刻蚀第一金属通孔阵25；第三金属片113采用将矩形金
属片切除第二三角形118的金属片，刻蚀第三金属通孔阵27；第二金属片112和第四金属片114相同且二者关于中心对称设置，第二金属片112采用将矩形金属片右上角增加第六矩形金属片117，刻蚀第二金属通孔阵26；第四金属片114采用将矩形金属片左下角增加第七矩形金属片119，刻蚀第四金属通孔阵28；第五金属片115左侧刻蚀第一金属通孔41。金属通孔41、42、43、44贯穿介质基板2，用于连接上层金属贴片1和中层金属贴片3；中层金属贴片3平铺整个下层介质基板4的上表面，并刻蚀四个圆形通孔35、36、37、38，其中圆形通孔35、36、37、38的半径大于金属通孔41、42、43、44，二者圆心相同；金属通孔41、42、43、44贯穿介质基板4，用于连接中层金属贴片3和下层金属贴片5；下层金属贴片5由金属片51、52、53、54、55、56、57组成，金属片52、53左右对称，结构完全相同，金属片52的右上角刻蚀三角形521，金属片53左上角刻蚀三角形531；金属片54、55、56、57结构完全相同，金属片54、56上下对称，金属片55、57上下对称；金属片54左上角刻蚀三角形541，左下角刻蚀三角形542，右上角刻蚀金属通孔41，金属片55左上角刻蚀三角形551，右下角刻蚀三角形552，右上角刻蚀金属通孔42，金属片56左上角刻蚀三角形562，左下角刻蚀三角形561，右下角刻蚀金属通孔44，金属片57右上角刻蚀三角形572，左下角刻蚀三角形571，右下角刻蚀金属通孔43。
65.本发明设计过程如下：
66.(一)上层介质基板2的厚度为1.57mm、介电常数为2.2，下层介质基板4的厚度为0.254mm、介电常数为2.2。
67.(二)上层金属贴片1通过对矩形贴片进行切角及添加微扰结构使天线实现圆极化性能，并拓宽了轴比带宽，采用金属通孔41、42、43、44和圆形通孔35、36、37、38过孔的方式使天线具有宽带特性；
68.(三)下层金属贴片5为微带线组成的一分四功分器的设计，通过将四组完全相同的金属片排列成2
×
2结构，使所设计的天线有高增益特性，并且使辐射方向更集中。
69.结合图1a～图1g，本发明宽带高增益圆极化天线阵列，介质基片2的材料为roger rt5880，介电常数εr＝2.2，厚度h1＝1.57mm,尺寸为20mm
×
21.6mm
×
1.57mm,介质基片4的材料为roger rt5880，介电常数εr＝2.2，厚度h2＝0.254mm，尺寸为20.3mm
×
21.6mm
×
0.254mm；贯穿上层层介质基板2的金属通孔41、42、43、44直径为0.4mm，中层金属贴片上的圆形通孔35、36、37、38直径为0.9mm，第一三角形116两直角边长为1.1mm
×
1.7mm，矩形金属片117宽度为1.1mm，长度为0.2mm。
70.图2是本发明宽带高增益圆极化磁电偶极子天线阵列的s
11
曲线图，宽带高增益圆极化天线阵列的工作频带为32～48ghz，绝对带宽为16ghz，相对带宽为40％，本天线具有较宽的工作频带。
71.图3是本发明宽带高增益圆极化磁电偶极子天线阵列轴比曲线图，宽带高增益圆极化天线阵列的轴比频带为32～48ghz，绝对轴比带宽为16ghz，相对轴比带宽为40％。
72.图4是本发明宽带高增益圆极化磁电偶极子天线阵列的增益随频率变化的曲线图，增益最高达到14dbic，与单个圆极化天线单元相比具有更高的增益。
73.图5、图6是本发明宽带高增益圆极化天线阵列在40ghz辐射方向图，宽带高增益圆极化天线阵列方向图稳定，交叉极化水平低。
74.综上所述，本发明宽带高增益圆极化天线阵列方向图稳定，交叉极化水平低，结构简单，易于加工实现。