基于人工表面等离激元的低剖面磁电偶极子天线单元及频扫阵列

摘要

本发明提供了一种涉及电子领域和无线通信技术领域的基于人工表面等离激元的低剖面磁电偶极子天线单元及频扫阵列，包括磁电偶极子辐射结构和共面波导馈电结构，磁电偶极子辐射结构通过共面波导馈电结构进行馈电；磁电偶极子辐射结构包括水平结构的人工表面等离激元传输线和呈开口凸字状的立体人工表面等离激元传输线结构，水平结构的人工表面等离激元传输线作为电偶极子进行辐射，位于水平结构的人工表面等离激元传输线中间的立体人工表面等离激元传输线结构作为磁偶极子进行辐射，实现了磁电偶极子天线的低剖面和小型化。沿轴向周期性延伸该磁电单元结构形成串馈的频扫天线阵列，在带宽范围内实现较大角度的波束扫描，扫描范围边界接近侧射方向。

权利要求

1.一种基于人工表面等离激元的低剖面磁电偶极子天线单元，其特征在于，包括磁电偶极子辐射结构(1)和共面波导馈电结构(2)，所述共面波导馈电结构(2)位于所述磁电偶极子辐射结构(1)一端，所述磁电偶极子辐射结构(1)通过所述共面波导馈电结构(2)进行馈电；

所述磁电偶极子辐射结构(1)包括水平结构的人工表面等离激元传输线(11)和立体人工表面等离激元传输线结构(12)，所述立体人工表面等离激元传输线结构(12)位于所述水平结构的人工表面等离激元传输线(11)的中间，所述水平结构的人工表面等离激元传输线(11)作为电偶极子进行辐射，所述立体人工表面等离激元传输线结构(12)作为磁偶极子进行辐射；

所述立体人工表面等离激元传输线结构(12)呈开口凸字型。

2.根据权利要求1所述的基于人工表面等离激元的低剖面磁电偶极子天线单元，其特征在于，所述磁电偶极子辐射结构(1)由良导体折弯而成，弯折的角度为90°。

3.根据权利要求2所述的基于人工表面等离激元的低剖面磁电偶极子天线单元，其特征在于，还包括菱形贴片(3)，所述菱形贴片(3)位于所述水平结构的人工表面等离激元传输线(11)靠近所述共面波导馈电结构(2)的一侧中心，所述菱形贴片(3)弥补由于槽深渐变(4)而引起的电偶极子辐射能量的不平衡。

4.根据权利要求3所述的基于人工表面等离激元的低剖面磁电偶极子天线单元，其特征在于，所述槽深渐变(4)位于所述水平结构的人工表面等离激元传输线(11)靠近所述共面波导馈电结构(2)的一侧上，所述槽深渐变(4)使能量更好的传输进所述磁电偶极子辐射结构(1)中。

5.根据权利要求1所述的基于人工表面等离激元的低剖面磁电偶极子天线单元，其特征在于，所述立体人工表面等离激元传输线结构(12)的电流走向呈开口电流环状。

6.一种基于人工表面等离激元的低剖面磁电偶极子频扫阵列，其特征在于，包括权利要求1‑5任一项所述的基于人工表面等离激元的低剖面磁电偶极子天线单元。

7.根据权利要求6所述的基于人工表面等离激元的低剖面磁电偶极子频扫阵列，其特征在于，所述磁电偶极子辐射结构(1)沿轴向周期性扩展连接成串馈阵列(5)，所述共面波导馈电结构(2)对所述串馈阵列(5)进行激励，所述共面波导馈电结构(2)分别位于所述串馈阵列(5)端部两侧。

说明书

基于人工表面等离激元的低剖面磁电偶极子天线单元及频扫

阵列

技术领域

[0001] 本发明涉及电子领域和无线通信技术领域，具体地，涉及一种低剖面的磁电偶极子天线设计的基于人工表面等离激元的低剖面磁电偶极子天线单元及频扫阵列。

背景技术

[0002] 随着无线通信技术的快速发展，同时受限于有限的安装空间，为了保障已有的网络和服务能够平稳地演进，现有的无线通信系统通常需要磁电偶极子天线具有较低的剖面，然而受限于磁电偶极子的工作原理，大多数磁电偶极子天线设计剖面通常为0.25λ左右，因此这一要求显著增加了天线设计的难度。

[0003] 文献1(查尔文(A.Chlaviin)公布了一种拥有相同E面与H面方向图的新型天线，天线与传播专业IRE学报(Transactions of the IRE Professional Group on Antennas and Propagation),1954,2(3):113‑119)中首次提出了基于两种偶极子实现方向图互补这一理论的可行性。

[0004] 文献2(卢克(K.M.Luk),王(H.Wong)公开了一种新型宽带单向天线[J].国际微波和光学技术杂志(International Journal of Microwave and Optical Technology),2006,1(1):35‑44)设计了一种工作于一个极化的磁电偶极子天线，通过采用一个Γ型探针同时激励一对水平贴片和垂直短路贴片来实现电偶极子与磁偶极子辐射，然而单元整体尺寸为0.64λ×0.5λ×0.25λ，尺寸较大且馈电复杂，不利于组成扫描阵列。

[0005] 之后，对于该类型的天线，相关领域的专家、学者和工程技术人员进行了广泛的研究，获得了一系列的技术成果，然而，就已公开的相关磁电偶极子天线技术与结构而言，还存在着以下几个问题。

[0006] 首先，这些改进大多更关注于增加此类天线的阻抗带宽，虽然也进行了较多低剖面小型化设计，但剖面大多大于0.1λ。其次，目前公开的大部分磁电偶极子天线，为保持良好的性能，大多馈电结构复杂，加工困难，不易于组成大角度扫描阵列。由此可见，如何实现低剖面的磁电偶极子，简单的馈电方式，及其在大角度扫描阵列的应用是业内人士亟待解决的问题。

[0007] 经现有技术专利文献检索发现，中国发明专利公开号为CN111262005A，公开了一种适用于5G基站的双极化宽带磁电偶极子天线单元及天线阵列，属于移动通信基站天线技术领域，不仅实现了双极化，而且具有小型化、宽频带、增益大、后瓣小、方向图稳定、隔离度大等优点，完全可以满足现代5G通信基站的需求。包括金属盒装反射结构以及磁电偶极子、馈电结构，金属盒装结构包括金属底板，磁电偶极子包括对称且间隔分布的多个磁电偶极单元，每个磁电偶极单元均包括上层介质基板以及位于其下方的平行介质板，上层介质基板表面的介质层上印刷有金属贴片以作为电偶极子，平行介质板上设置有金属涂层，金属涂层以及金属底板共同形成磁偶极子；馈电结构包括一对正交布设的馈线，每个馈线的底部与穿过金属底板布设的同轴线连接。而本发明提供了小尺寸的零部件安装结构，解决狭窄造型车灯内部空间不足的问题。因此，该文献与本发明所介绍的方法是属于不同的发明构思。

发明内容

[0008] 针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于人工表面等离激元的低剖面磁电偶极子天线单元及频扫阵列。

[0009] 根据本发明提供的一种基于人工表面等离激元的低剖面磁电偶极子天线单元，包括磁电偶极子辐射结构和共面波导馈电结构，共面波导馈电结构位于磁电偶极子辐射结构一端，磁电偶极子辐射结构通过共面波导馈电结构进行馈电；

[0010] 磁电偶极子辐射结构包括水平结构的人工表面等离激元传输线和立体人工表面等离激元传输线结构，立体人工表面等离激元传输线结构位于水平结构的人工表面等离激元传输线的中间，水平结构的人工表面等离激元传输线作为电偶极子进行辐射，立体人工表面等离激元传输线结构作为磁偶极子进行辐射。

[0011] 一些实施例中，磁电偶极子辐射结构由良导体折弯而成，弯折的角度为90°。

[0012] 一些实施例中，还包括菱形贴片，菱形贴片位于水平结构的人工表面等离激元传输线靠近共面波导馈电结构的一侧中心，菱形贴片弥补由于槽深渐变渐变而引起的电偶极子辐射能量的不平衡。

[0013] 一些实施例中，槽深渐变位于水平结构的人工表面等离激元传输线靠近共面波导馈电结构的一侧上，槽深渐变使能量更好的传输进磁电偶极子辐射结构中。

[0014] 一些实施例中，立体人工表面等离激元传输线结构呈开口凸字型。

[0015] 一些实施例中，立体人工表面等离激元传输线结构的电流走向呈开口电流环状。

[0016] 本发明还提供了一种基于人工表面等离激元的低剖面磁电偶极子频扫阵列，包括基于人工表面等离激元的低剖面磁电偶极子天线单元。

[0017] 一些实施例中，磁电偶极子辐射结构沿轴向周期性扩展连接成串馈阵列，共面波导馈电结构对串馈阵列进行激励，共面波导馈电结构分别位于串馈阵列端部两侧。

[0018] 与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

[0019] (1)本发明通过磁电偶极子辐射结构实现磁电偶极子的更低剖面，减小天线整体尺寸；

[0020] (2)本发明通过磁电偶极子辐射结构组成串馈阵列具有频扫特性，可以实现较大角度范围内的波束扫描，波束扫描范围边界接近侧射方向；

[0021] (3)本发明天线采用共面波导直接馈电，降低了制作成本，整体结构简单，易于加工。

附图说明

[0022] 通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

[0023] 图1为本发明实施例提供的一种基于人工表面等离激元的低剖面磁电偶极子天线单元的整体示意图；

[0024] 图2为本发明实施例提供的一种基于人工表面等离激元的低剖面磁电偶极子天线单元的侧视图；

[0025] 图3为本发明实施例提供的一种基于人工表面等离激元的低剖面磁电偶极子天线单元的俯视图；

[0026] 图4为本发明实施例提供的当输入端口被激励时，天线于2.85GHz处的电流幅值分布图；

[0027] 图5为本发明实施例提供的当输入端口被激励时，天线于2.85GHz处的矢量电流分布整体图；

[0028] 图6为本发明实施例提供的当输入端口被激励时，天线于2.85GHz处的矢量电流分布侧视图；

[0029] 图7为本发明实施例中单元天线输入端口的反射系数仿真结果；

[0030] 图8为本发明实施例在2.7GHz时于phi＝0°与phi＝90°方位面上的方向图仿真结果。

[0031] 图9为本发明实施例在2.85GHz时于phi＝0°与phi＝90°方位面上的方向图仿真结果。

[0032] 图10为本发明实施例在3GHz时于phi＝0°与phi＝90°方位面上的方向图仿真结果。

[0033] 图11为本发明实施例提供的一种基于人工表面等离激元的低剖面磁电偶极子频扫天线阵列的整体示意图。

[0034] 图12为本发明实施例提供的一种基于人工表面等离激元的低剖面磁电偶极子频扫天线阵列的侧视图。

[0035] 图13为本发明实施例提供的频扫阵列天线输入端口的反射系数及两个端口传输系数的仿真结果。

[0036] 图14为本发明实施例提供的频扫阵列天线在2.4GHz、2.5GHz、2.6GHz、2.7GHz、2.8GHz、2.9GHz、3GHz时于phi＝90°方位面上的方向图仿真结果。

[0037] 图15为本发明实施例提供的频扫阵列天线在2.3GHz‑3GHz频段于phi＝90°方位面上最大增益角度的变化。

[0038] 图16为本发明实施例提供的频扫阵列天线在2.3GHz‑3GHz频段阵列最大增益的变化。

[0039] 图中标号：

[0040] 磁电偶极子辐射结构1、水平结构的人工表面等离激元传输线11、立体人工表面等离激元传输线结构12、共面波导馈电结构2、菱形贴片3、槽深渐变4、串馈阵列5。

具体实施方式

[0041] 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

[0042] 实施例1

[0043] 本发明提供的一种基于人工表面等离激元的低剖面磁电偶极子天线单元，根据图1‑3所示，包括磁电偶极子辐射结构1、共面波导馈电结构2、菱形贴片3以及槽深渐变4，共面波导馈电结构2位于磁电偶极子辐射结构1一端，磁电偶极子辐射结构1通过共面波导馈电结构2进行馈电。其中，磁电偶极子辐射结构1由良导体弯折90°，磁电偶极子辐射结构1沿轴向周期性扩展。

[0044] 磁电偶极子辐射结构1包括水平结构的人工表面等离激元传输线11和呈开口凸字型的立体人工表面等离激元传输线结构12，立体人工表面等离激元传输线结构12位于水平结构的人工表面等离激元传输线11的中间。水平结构的人工表面等离激元传输线11作为电偶极子进行辐射；立体人工表面等离激元传输线结构12作为磁偶极子进行辐射。优选的，其电流走向呈开口电流环状。

[0045] 菱形贴片3连接于水平结构的人工表面等离激元传输线11靠近共面波导馈电结构2的一侧中心，菱形贴片3弥补由于槽深渐变4而引起的电偶极子辐射能量的不平衡。槽深渐变4位于水平结构的人工表面等离激元传输线11靠近共面波导馈电结构2的一侧上，槽深渐变4使能量更好的传输进磁电偶极子辐射结构1中。

[0046] 更为具体的，根据图4‑6所示，将具有慢波特性的磁电偶极子辐射结构1多次直角弯折，使得所构成的单元于中心频率2.85GHz处，开口“凸”型立体人工表面等离激元传输线结构12上的电流分布类似于一个顺时针电流走向的开口电流环，作为一个磁偶极子进行辐射。而单元两侧的水平人工表面等离激元传输线11结构上的电流方向一致，作为一对电偶极子进行辐射。在本实施案例中，所使用的人工表面等离激元传输线采用共面波导进行馈电，并对靠近馈电侧的人工表面等离激元传输线槽深渐变4进行渐变设计以扩大天线的工作带宽。一个菱形贴片3被附加在靠近馈电侧的水平结构的人工表面等离激元传输线11结构中心以弥补由槽深渐变4而引起的电偶极子两端辐射能量的不对称。

[0047] 附图7‑附图10给出了实例天线的相关性能仿真参数，仿真结果可以看出，该天线在2.73GHz‑2.97GHz频段上工作良好，相对阻抗带宽为8.4％。天线具有明显的磁电偶极子工作特性，具有较高的天线增益(8.5‑9dBi),较低的后瓣辐射，单元在E面(phi＝90°)和H面(phi＝0°)上的方向图较为对称。而单元的E面方向图之所以主瓣有所偏移，主要是因为为了更好地传输能量，单元靠近馈电侧的人工表面等离激元传输线槽深渐变进行了渐变设计，破坏了电偶极子两端辐射能量的平衡。

[0048] 实施例2

[0049] 本发明还提供了一种基于人工表面等离激元的低剖面磁电偶极子频扫阵列，根据图11‑12所示，包括基于人工表面等离激元的低剖面磁电偶极子天线单元。多个磁电偶极子辐射结构1串联成串馈阵列5，共面波导馈电结构2对串馈阵列5进行激励，共面波导馈电结构2分别位于串馈阵列5端部两侧。优选的，共面波导馈电结构5采用印制电路板工艺实现，而串馈阵列5则通过将5个磁电偶极子辐射结构1相互连接来实现，该结构由良导体折弯而成。

[0050] 更为具体的，附图13‑附图16给出了频扫阵列实例天线的相关性能仿真参数，从仿真结果可以看出，该频扫阵列天线在2.4GHz‑3GHz具有良好的阻抗性能，相对工作带宽为22.2％，端口有源反射系数<‑10dB,端口间隔离度>10dB。阵列在该频段内可以实现54°的波束扫描，阵列增益>8dBi,其中在2.4‑2.7GHz，阵列以较稳定的速率(120°/GHz)扫描，而在
2.7‑3GHz，由于波束越来越靠近阵列侧射方向，扫描速率减慢，但仍然可以实现一定角度范围的波束扫描。

[0051] 在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

[0052] 以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。