毫米波四极化电磁偶极子天线

技术领域

本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种毫米波四极化电磁偶极子天线。

背景技术

毫米波频段具有宽带宽，受气候影响小，天线波束窄，天线及系统尺寸小等优势。在5G移动通信，毫米波卫星通信和汽车雷达中，毫米波技术得到了广泛关注和应用。这些应用都集中在22GHz-33 GHz频段内，因此这个频段具有广阔的市场前景。

毫米波技术的发展对天线提出了新的要求，例如宽带，高增益，低交叉极化和多极化等。电磁偶极子天线具有宽带，单向辐射，方向图对称，增益稳定，低交叉极化，设计简单等特点，在毫米波频段具有很大优势。此外，多极化天线还能增强系统的容量。

传统的电磁偶极子天线采用探针直接馈电或者基片集成波导（SIW）缝隙耦合。 如中国专利202111266978.9所公开的一种十字形的高增益宽带介质双极化电磁偶极子天线，采用探针耦合的方式，设计复杂，加工难度大，难以在毫米波频段实现。如中国专利201810308995.6公开的一种毫米波差分馈电的双极化电磁偶极子天线，采用SIW馈电的方式会导致天线尺寸较大，增加天线成本，且难以与系统的其它部分集成，降低了系统的集成度和紧凑性，此外，SIW馈电的电磁偶极子带宽受到限制。

发明内容

基于上述问题，本发明的目的在于提出一种毫米波四极化电磁偶极子天线，采用微带线差分馈电和十字型缝隙耦合结构，使其具备宽带宽、方向图稳定且对称，交叉极化低，结构简单等优势。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种毫米波四极化电磁偶极子天线，其关键在于：包括第一介质层、金属地板层和第二介质层，所述第一介质层的外表面设置有由高阻抗线和差分微带线构成的馈电结构；所述第二介质层的外表面设置有四个折叠金属贴片，所述金属地板层设置在所述第一介质层和所述第二介质层之间，且在所述金属地板层上开设有十字型缝隙，所述四个折叠金属贴片分别通过金属通孔与所述金属地板层导通，且与所述十字型缝隙构成辐射结构。

可选地，所述高阻抗线呈“米”字型分布，在水平方向和竖直方向的两个端部分别设置有一段微带线，通过水平方向和竖直方向各个端部馈电信号的不同设置可以实现天线不同的极化方式。

可选地，所述十字型缝隙四个方向的缝隙与所述高阻抗线中未连接微带线的四个端头方向重合。

可选地，在所述十字型缝隙相邻两条缝隙之间区域所对应的第二介质层上设置一个折叠金属贴片，相邻两个折叠金属贴片之间预留有与所述十字型缝隙所对应的间隙。

可选地，每一个所述折叠金属贴片通过两个金属通孔与所述金属地板层导通。

可选地，所述第一介质层与所述金属地板层之间通过粘接层连接固定。

可选地，所述第一介质层、所述金属地板层、所述第二介质层均设置呈矩形或圆形。

可选地，四个所述折叠金属贴片同时按水平方向和竖直方向对称设置。

可选地，每一个所述折叠金属贴片均包括一段弧形贴片和一段直线形贴片，四个所述折叠金属贴片的形状和尺寸相同，并作为电偶极子；所述十字型缝隙四个方向的缝隙尺寸相同，且作为磁偶极子。

可选地，在所述金属地板层的四个边上分别凸出设置有用于卡接所述第一介质层的限位片。

本发明的效果是：

（1）本发明提出的高阻抗线与微带线相融合的馈电结构，利用极化合成技术，在保留传统微带线缝隙耦合优势的基础上，可以实现4种极化方式；

（2）采用差分馈电的方式，具有较宽的带宽，在工作频带内，具有稳定的增益、方向图和低交叉极化；

（3）整体结构可采用PCB工艺加工，成本较低，天线的尺寸较小，容易与系统的其它部分集成。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明具体实施例的天线结构正向拆分图；

图2为本发明具体实施例的天线结构底向拆分图；

图3为本发明具体实施例的天线结构正向立体图；

图4为本发明具体实施例的天线结构底向立体图；

图5为本发明具体实施例的天线结构正向平面示意图；

图6为本发明具体实施例的天线结构底向平面示意图；

图7为不同端口馈电情况下的缝隙电场分布示意图，其中：图7（a）为端口1和端口2等幅反相馈电，端口3和端口4不馈电时，十字型缝隙中的电场分布状态；图7（b）为端口3和端口4馈电，端口1和端口2不馈电时，十字型缝隙中的电场分布状态；

图8为不同极化方式下电场合成原理图，其中：图8（a）为x方向线极化电场合成效果图；图8（b）为y方向线极化电场合成效果图；图8（c）为左旋圆极化电场合成效果图；图8（d）为右旋圆极化电场合成效果图；

图9为十字型缝隙的结构示意图；

图10为本发明具体实施例S参数仿真效果图；

图11为本发明具体实施例中x方向线极化时的天线仿真效果图；

图12为本发明具体实施例中y方向线极化时的天线仿真效果图；

图13为本发明具体实施例中左旋圆极化时的天线仿真效果图；

图14为本发明具体实施例中右旋圆极化时的天线仿真效果图；

图15为天线在4种极化下的增益频率曲线图；

图16为天线在两种圆极化的轴比频率曲线图。

附图标记：10-第一介质层，20-金属地板层，30-第二介质层，40-粘接层，11-高阻抗线，12-差分微带线，21-十字型缝隙，22-限位片，31-折叠金属贴片，32-金属通孔。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

如图1、图2、图3、图4所示，本实施例提供了一种毫米波四极化电磁偶极子天线，包括第一介质层10、金属地板层20和第二介质层30，金属地板层20设置在第一介质层10和第二介质层30之间，金属地板层20和第二介质层30可以通过PCB工艺集成化加工，第一介质层10可以通过粘接层40连接固定，具体实施是，在金属地板层20的四个边上还分别凸出设置有用于卡接所述第一介质层10的限位片22。

在第一介质层10的外表面设置有由高阻抗线11和差分微带线12构成的馈电结构；从图2、图4和图6可以看出，高阻抗线11呈“米”字型分布，在水平方向和竖直方向的两个端部分别设置有一段微带线，具体实施时，各个方向的微带线尺寸相同。

通过图1，图3和图5可以看出，在第二介质层30的外表面设置有四个折叠金属贴片31，四个所述折叠金属贴片31同时按水平方向和竖直方向对称设置，每一个折叠金属贴片31均包括一段弧形贴片和一段直线形贴片，通过与弧形贴片相连的两个金属通孔32与金属地板层20导通，从而可以实现多种极化。

通过图1和图2可以看出，在所述金属地板层20上开设有十字型缝隙21，在所述十字型缝隙21相邻两条缝隙之间区域所对应的第二介质层30上设置一个折叠金属贴片31，相邻两个折叠金属贴片31之间预留有与所述十字型缝隙21所对应的间隙，四个所述折叠金属贴片31的形状和尺寸相同，并作为电偶极子，十字型缝隙21四个方向的缝隙尺寸相同，且作为磁偶极子，从而整体构成天线的辐射结构。

结合图1和图2还可以看出，具体实施时，十字型缝隙21四个方向的缝隙与所述高阻抗线11中未连接微带线的四个端头方向重合。所述第一介质层10、所述金属地板层20、所述第二介质层30均设置呈矩形或圆形。

结合图6、图7和图8所示，通过设计十字型缝隙结构，当端口1和端口2等幅反相馈电，端口3和 端口4不馈电时，在缝隙中产生如图7（a）所示的E1和E2两个45度方向的电场，从而可以合成出图8（a）所示的x方向的电场，天线工作于x方向的线极化；当端口3和端口4馈电，端口1和端口2不馈电时，在缝隙中产生如图7（b）所示E3和E4两个45度方向的电场，从而可以合成出图8（b）所示y方向的电场，天线工作于y方向的线极化。当端口1和端口2等幅反相，端口3和端口4等幅反相，且端口1和端口3幅度相等，相位差90度时，天线可工作于如图8（c）所示的左旋圆极化；当端口1和端口2等幅反相，端口3和端口4等幅反相，且端口1和端口3幅度相等，相位差-90度时，天线可工作于如图8（d）所示的右旋圆极化。

为了进一步验证上述天线结构的性能，按表1所示的具体参数设置进行仿真，仿真效果如图10-图14所示。

表1天线尺寸参数仿真数据

结合图5、图6、图9所标注的各个参数位置可以看出，L1表示十字型缝隙每个方向的缝隙长度，W1表示十字型缝隙每个方向的缝隙宽度，L2表示“米”字型高阻抗线11每个方向的长度，W2表示“米”字型高阻抗线11每个方向的宽度，L3表示折叠金属贴片31直线形贴片段的长度，W3表示折叠金属贴片31直线形贴片段的宽度，W4为第一介质层10、金属地板层20和第二介质层30均按正方形设置时的边长，D2表示折叠金属贴片31弧形贴片段的外径，D1表示折叠金属贴片31弧形贴片段的内径。

通过图10可以看出：天线端口1对应的S11、和端口3对应的S33在22GHz ~ 34GHz频率范围内小于-10dB，-10dB相对带宽大于42%。4种极化的匹配特性良好，满足应用需求。

通过图11可以看出：中心频率28GHz处，天线的x方向线极化方向图的E面和H面对称，交叉极化低于-40dB，前后比低于15dB。

通过图12可以看出： 中心频率28GHz处，天线的y方向线极化方向图的E面和H面对称，交叉极化低于-35dB，前后比低于15dB。

通过图13可以看出：中心频率28GHz处，天线的左旋圆极化方向图的E面和H面对称，交叉极化低于-35dB，前后比低于15dB。

通过图14可以看出：中心频率28GHz处，天线的右旋圆极化方向图的E面和H面对称，交叉极化低于-50dB，前后比低于15dB。

通过图15可以看出：天线4种极化的增益随频率变化趋势相同。在22GHz处，天线增益最大，为6.45dBi。在22GHz ~ 32GHz的频率范围内，天线的增益变化小于2dBi。

通过图16可以看出：天线的两种圆极化状态LHCP和RHCP，轴比在22GHz ~ 32GHz的范围内小于0.25dB，轴比的相对带宽大于42%。

综上可以看出，本发明提出一种毫米波四极化电磁偶极子天线，天线采用微带线差分馈电和十字型缝隙耦合结构，具有宽带、方向图稳定且对称，交叉极化低，结构简单等优势，能够稳定实现多种极化方式，天线的尺寸较小，成本低，集成化容易。

最后需要说明的是，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，这样的变换均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。