一种可切换的宽带环形磁电偶极子阵列天线及其设计方法

1.本发明涉及射频通信技术领域，更具体的说是涉及一种可切换的宽带环形磁电偶极子阵列天线及其设计方法。


背景技术：

2.在现代无线通信中，固定波束或方向图单一的天线难以与移动用户提供稳定的通信，因此通常需要多波束和波束可切换的天线。多波束天线可以产生多个预定方向的波束，覆盖不同的空间覆盖区域或用户，可以在很大程度上减少多径衰落现象，使无线电波在空间的覆盖更加稳定。此外，由于避免了其他网络的干扰，具有较高的信噪比和传输速率，这对无线通信非常有利。随着智慧城市和智能家居的快速发展和兴起，对多波束转向天线的需求也愈来愈高。另一方面，宽带通信技术也因其能提高通信速率、扩大通信容量等优点而受到广泛关注和需求，而电磁偶极子作为一种典型的宽带天线，因其具有增益稳定、交叉极化低、后向辐射小等优点，近年来受到了研究人员的广泛研究。
3.截至目前，基于磁电偶极子的研究主要集中在宽带宽、多极化、高增益天线阵列、毫米波及太赫兹磁电偶极子、多波束相控阵等，对于单个单元天线同时具有宽带和多波束特性研究的较少。另一方面，传统的磁电偶极子辐射方向图主要为边射或者端射，对于具有倾斜辐射方向图的磁电偶极子天线研究的较少。本发明正是针对目前通信系统日益增长的宽带化、多功能性需求，设计出一款具有天然倾斜波束的宽带磁电偶极子天线单元，通过不同端口切换，可以实现不同方位角的波束覆盖，实现四波束切换，并总结了相应种类磁电偶极子天线的设计方法。
4.因此，提出一种可切换的宽带环形磁电偶极子阵列天线及其设计方法，来解决现有技术存在的困难，是本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供了一种可切换的宽带环形磁电偶极子阵列天线及其设计方法，用于解决现有技术中存在的技术问题。
6.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.一种可切换的宽带环形磁电偶极子阵列天线，包括：位于顶部的顶层介质基板，顶层介质基板上表面设有环形金属贴片和四个设在周围边界处的顶层金属条带，下表面设有四个环形缝隙的金属板；八个垂直贯穿顶部和顶部介质的垂直金属通孔；位于底部的底层介质基板，底层介质基板的下表面设有四个设在周围边界处的底层金属条带和四条设在周围边界处的金属馈线；与四条金属馈线连接的第一馈电端口、第二馈电端口、第三馈电端口、第四馈电端口作为天线的输入端口。
8.可选的，还包括：用于粘合顶层介质基板和底层介质基板的粘合层；位于顶层介质基板和底层介质基板四周的金属侧壁，底层金属条带与金属侧壁连接。
9.可选的，垂直贯穿顶部和顶部介质的垂直金属通孔，内圈四个金属通孔底端与金
属馈线连接，顶端与环形金属贴片连接；四条金属馈线的末端与第一馈电端口、第二馈电端口、第三馈电端口、第四馈电端口的内导体相连，作为天线的馈电部分；外圈四个金属通孔用于构造磁电偶极子部分将天线的阻抗带宽进行展宽，外圈四个金属通孔和顶层介质基板下表面的金属板构成四个不同位置放置的磁电偶极子。
10.可选的，顶层介质基板上表面的环形金属贴片与底层介质基板的下表面的金属馈线通过内圈的四个金属通孔连接。
11.可选的，底层介质基板为金属馈线的馈电结构，通过内圈四个金属通孔将底层介质基板下表面的金属馈线与顶层介质基板上表面的环形金属贴片连接，从而将射频信号馈入，使天线正常工作。
12.可选的，顶层介质基板上表面的环形金属贴片和垂直贯穿顶部和顶部介质的垂直金属通孔共同构成磁电偶极子，作为天线的辐射结构。
13.可选的，环形金属贴片的数量为一个，其具有高度的旋转对称性，在不同端口馈电时，可以等效构成不同位置放置的磁电偶极子。
14.可选的，底层介质基板下表面的四条金属馈线的末端焊接有第一馈电端口、第二馈电端口、第三馈电端口、第四馈电端口，激励其中的一个端口时，其他三个端口接入匹配负载吸收多余的能量减少不必要的反射，每个端口单独激励时，天线可等效为两对磁电偶极子天线共同作用产生一定方位角指向的倾斜波束。
15.一种可切换的宽带环形磁电偶极子阵列天线的设计方法，应用上述任一项的一种可切换的宽带环形磁电偶极子阵列天线，包括以下步骤：
16.s1、构建具有天然倾斜波束辐射的磁电偶极子天线单元；
17.s2、通过引入多个等效磁电偶极子天线单元构成互补源阵列天线，作为天线的辐射结构，并将阻抗带宽有效展宽；
18.s3、通过合适的馈电结构并优化结构参数使阻抗匹配达到最佳；
19.s4、通过不同端口的切换，实现不同方位角的倾斜波束。
20.一种通信设备，应用上述任一项的一种可切换的宽带环形磁电偶极子阵列天线，通信设备为射频通信设备。
21.经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种可切换的宽带环形磁电偶极子阵列天线及其设计方法，其有益效果为：
22.1)本发明结构简单，仅需端口切换即可实现四波束的切换，并且具有超过50％的带宽，解决传统方案采取宽带二维多波束天线复杂度高、结构复杂、成本高等问题，适用于宽带多用户通信；
23.2)本发明相较于传统具有端射或者边射特性的磁电偶极子，提出了一种产生倾斜波束辐射磁电偶极子的方法，并通过端口切换实现宽带多波束辐射特性的实现；
24.3)本发明具有普适性，任何基于该馈电结构的具有倾斜波束的等效电偶极子天线均可通过本发明的设计方法实现带宽的展宽和波束的切换；
25.4)本发明是传统的pcb加工工艺，成本低，天线可靠性强，适合大规模产业化加工。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现
有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
27.图1为本发明提供的一种可切换的宽带环形磁电偶极子阵列天线的三维结构图；
28.图2为本发明提供的设计思路基本流程图，其中2a为通过端口切换实现一定带宽内的四波束切换，2b为引入四个金属通孔与顶部贴片和底部地板可等效为四个磁偶极子，2c为对四叶草环形天线单元的贴片形状进行改进，2d为对天线的馈电方式进行改进；
29.图3为本发明提供的有无金属通孔的性能对比图；
30.图4为本发明提供的金属通孔对天线性能影响的示意图；
31.图5为本发明提供的传统定向辐射磁电偶极子天线构成原理的示意图；
32.图6为本发明提供的实测结构图；
33.图7为本发明提供的俯视结构图；
34.图8为本发明提供的仰视结构图；
35.图9为本发明提供的在不同端口激励时的散射参数和实测结果图；
36.图10为本发明提供的仿真与实测增益曲线图；
37.图11为本发明提供的四种状态下贴片表面的电流分布图，其中11a为第一种状态下的电流分布图，11b为第二种状态下的电流分布图，11c为第三种状态下的电流分布图，11d为第四种状态下的电流分布图；
38.图12为本发明提供的半波偶极子和半波弧形振子等效方向图示意图；
39.图13为本发明提供的以端口1激励时天线等效方向图原理示意图；
40.图14为本发明提供的四波束切换的工作示意图；
41.图15为本发明提供的激励馈电端口1时，馈电端口2、3、4与馈电端口1之间的耦合系数图；
42.图16为本发明提供的激励馈电端口2时，馈电端口1、3、4与馈电端口2之间的耦合系数图；
43.图17为本发明提供的激励馈电端口3时，馈电端口1、2、4与馈电端口3之间的耦合系数图；
44.图18为本发明提供的激励馈电端口4时，馈电端口1、2、3与馈电端口4之间的耦合系数图。
45.其中，1-环形金属贴片、2-金属侧壁、3-顶层金属条带、4-金属通孔、5-顶层介质基板、6-金属板、7-粘合层、8-底层介质基板、9-底层金属条带、10-金属馈线、11-第一馈电端口、12-第二馈电端口、13-第三馈电端口、14-第四馈电端口。
具体实施方式
46.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
47.参见图1所示，本发明公开了一种可切换的宽带环形磁电偶极子阵列天线，包括：
位于顶部的顶层介质基板5，顶层介质基板5上表面设有环形金属贴片1和四个设在周围边界处的顶层金属条带3，下表面设有四个环形缝隙的金属板6；八个垂直贯穿顶部和顶部介质的垂直金属通孔4；位于底部的底层介质基板8，底层介质基板8的下表面设有四个设在周围边界处的底层金属条带9和四条设在周围边界处的金属馈线10；与四条金属馈线10连接的第一馈电端口11、第二馈电端口12、第三馈电端口13、第四馈电端口14作为天线的输入端口。
48.进一步的，还包括：用于粘合顶层介质基板5和底层介质基板8的粘合层7；位于顶层介质基板5和底层介质基板8四周的金属侧壁2，底层金属条带9与金属侧壁2连接。
49.具体的，参见图6所示，金属侧壁2用于作为第一馈电端口11、第二馈电端口12、第三馈电端口13、第四馈电端口14的负极，并增加结构的稳定性和可靠性。
50.具体的，参见图7和图8所示，底层金属条带9与金属侧壁2连接，从而增加结构的稳定性和可靠性。
51.进一步的，垂直贯穿顶部和顶部介质的垂直金属通孔4，内圈四个金属通孔4底端与金属馈线10连接，顶端与环形金属贴片1连接；四条金属馈线10的末端与第一馈电端口11、第二馈电端口12、第三馈电端口13、第四馈电端口14的内导体相连，作为天线的馈电部分；外圈四个金属通孔4用于构造磁电偶极子部分将天线的阻抗带宽进行展宽，外圈四个金属通孔4和顶层介质基板5下表面的金属板6构成四个不同位置放置的磁电偶极子。
52.进一步的，顶层介质基板5上表面的环形金属贴片与底层介质基板8的下表面的金属馈线10通过内圈的四个金属通孔4连接。
53.进一步的，底层介质基板8为金属馈线10的馈电结构，通过内圈四个金属通孔4将底层介质基板8下表面的金属馈线10与顶层介质基板5上表面的环形金属贴片1连接，从而将射频信号馈入，使天线正常工作。
54.进一步的，顶层介质基板5上表面的环形金属贴片1和垂直贯穿顶部和顶部介质的垂直金属通孔4共同构成磁电偶极子，作为天线的辐射结构。
55.进一步的，环形金属贴片1的数量为一个，其具有高度的旋转对称性，在不同端口馈电时，可以等效构成不同位置放置的磁电偶极子。
56.进一步的，底层介质基板8下表面的四条金属馈线10的末端焊接有第一馈电端口11、第二馈电端口12、第三馈电端口13、第四馈电端口14，激励第一馈电端口11时，参见图13所示，其他三个端口接入匹配负载吸收多余的能量减少不必要的反射，每个端口单独激励时，天线可等效为两对磁电偶极子天线共同作用产生一定方位角指向的倾斜波束。
57.具体的，通过四个端口切换，就可以高效利用不同位置放置的磁电偶极子，从而实现天线的二维四波束可切换。
58.具体的，参见图15、图16、图17、图18所示，给出了分别单独激励馈电端口1、2、3和4时，其余三个馈电端口和激励馈电端口的耦合系数，实际使用时，激励某一端口时，其余三个端口接入50欧姆的吸收负载避免能量反射影响天线的辐射性能，通过四个端口切换，就可以实现天线的二维四波束可切换。
59.一种可切换的宽带环形磁电偶极子阵列天线的设计方法，应用上述的一种可切换的宽带环形磁电偶极子阵列天线，包括以下步骤：
60.s1、构建具有天然倾斜波束辐射的磁电偶极子天线单元；
61.s2、通过引入多个等效磁电偶极子天线单元构成互补源阵列天线，作为天线的辐射结构，并将阻抗带宽有效展宽；
62.s3、通过合适的馈电结构并优化结构参数使阻抗匹配达到最佳；
63.s4、通过不同端口的切换，实现不同方位角的倾斜波束。
64.具体的，该设计方法具有通用性，可以通过端口切换实现一定带宽内的四波束切换。
65.在一个具体的实施例中，参见图2所示为设计思路基本流程图，具体的，如图2b所示，本发明首先对四叶草环形天线单元，参见图2a所示，引入四个金属通孔与顶部贴片和底部地板可等效为四个磁偶极子，将四叶草环形天线单元的带宽有效展宽至30％以上，效果与图2a的对比图参照图3所示。
66.参见图4所示，通过对引入金属通孔的半径分析，可以得知半径一方面影响带宽，另一方面影响阻抗匹配，实际设计中，根据需求折中地选择合适尺寸的金属通孔尺寸。
67.参见图2c所示，对四叶草环形天线单元的贴片形状进行改进，使得天线在基本不改变电流路径的前提下增大贴片的面积，从而在带内获得更宽的带宽。
68.参见图2d所示，对天线的馈电方式进行了改进，从原来的同轴直接馈电改进为封装微带线馈电，从而在馈电处引入更多的自由度，利于调节天线的参数，将带宽进一步展宽至50％以上。
69.一种通信设备，应用上述的一种可切换的宽带环形磁电偶极子阵列天线，通信设备为射频通信设备。
70.具体的，此设备结构简单、设计合理、可以在不同方向上实现不同区域的波束覆盖。
71.具体的，参见图5所示，本发明所提出的一种可切换的宽带环形磁电偶极子阵列天线，区别于传统的端射或边射辐射特性的磁电偶极子，将边射辐射特性的磁电偶极子的电偶极子部分替换为具有倾斜波束特性的环形四叶草形贴片，再通过与磁偶极子的互补，从而构造出紧凑型倾斜波束可切换的宽带环形磁电偶极子阵列天线，再通过端口切换改变不同状态时天线的电流分布，可以实现四波束的不同指向。端口1、2、3和4分别激励时天线顶层贴片的电流分布参见图11a、图11b、图11c、图11d所示，由分析可知每个端口单独激励时，天线可以等效为两对磁电偶极子阵列。由天线理论可知，半波振子和半波弧形振子的等效方向图参见图12所示，可以看出弧形振子的方向性相较于直线振子更强。由于天线具有旋转对称性，激励端口2、3和4时分析方法与分析端口1激励相同，故这里以端口1激励时天线的情况为例进行分析。当端口1被激励时，根据图11a和图12可以分析出天线此时电流主要集中在靠近馈电点的两个金属臂上，因此此时天线整体可以等效为两对磁电偶极子阵列共同作用，产生指向一个方位角的波束。考虑到金属地板对方向图起到上倾的作用，具有一定方向角指向的倾斜波束磁电偶极子天线就被构造出来了。通过不同端口分别激励，天线的口面可以高效的复用从而产生指向不同方位面的辐射特性。
72.参见图10所示天线在不同状态下的仿真和实测增益图，结果吻合较一致，验证了所提出方案的可行性。
73.参见图9所示为天线工作在不同状态下仿真和实测的结果图，在不同端口馈电时阻抗带宽均超过50％。
74.参见图14所示为天线9.5ghz下在俯仰角为49
°
、不同端口工作时波束覆盖的示意图，此时天线在偏离法相41
°
产生最强辐射，通过端口切换，就可以改变天线表面的电流分布，可以使天线在不同端口激励时分别指向方位面为0
°
、90
°
、180和270度的方向。
75.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
76.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

技术特征：
1.一种可切换的宽带环形磁电偶极子阵列天线，其特征在于，包括：位于顶部的顶层介质基板(5)，顶层介质基板(5)上表面设有环形金属贴片(1)和四个设在周围边界处的顶层金属条带(3)，下表面设有四个环形缝隙的金属板(6)；八个垂直贯穿顶部和顶部介质的垂直金属通孔(4)；位于底部的底层介质基板(8)，底层介质基板(8)的下表面设有四个设在周围边界处的底层金属条带(9)和四条设在周围边界处的金属馈线(10)；与四条金属馈线(10)连接的第一馈电端口(11)、第二馈电端口(12)、第三馈电端口(13)、第四馈电端口(14)作为天线的输入端口。2.根据权利要求1所述的一种可切换的宽带环形磁电偶极子阵列天线，其特征在于，还包括：用于粘合顶层介质基板(5)和底层介质基板(8)的粘合层(7)；位于顶层介质基板(5)和底层介质基板(8)四周的金属侧壁(2)，底层金属条带(9)与金属侧壁(2)连接。3.根据权利要求1所述的一种可切换的宽带环形磁电偶极子阵列天线，其特征在于，垂直贯穿顶部和顶部介质的垂直金属通孔(4)，内圈四个金属通孔(4)底端与金属馈线(10)连接，顶端与环形金属贴片(1)连接；四条金属馈线(10)的末端与第一馈电端口(11)、第二馈电端口(12)、第三馈电端口(13)、第四馈电端口(14)的内导体相连，作为天线的馈电部分；外圈四个金属通孔(4)用于构造磁电偶极子部分将天线的阻抗带宽进行展宽，外圈四个金属通孔(4)和顶层介质基板(5)下表面的金属板(6)构成四个不同位置放置的磁电偶极子。4.根据权利要求3所述的一种可切换的宽带环形磁电偶极子阵列天线，其特征在于，顶层介质基板(5)上表面的环形金属贴片与底层介质基板(8)的下表面的金属馈线(10)通过内圈的四个金属通孔(4)连接。5.根据权利要求1所述的一种可切换的宽带环形磁电偶极子阵列天线，其特征在于，底层介质基板(8)为金属馈线(10)的馈电结构，通过内圈四个金属通孔(4)将底层介质基板(8)下表面的金属馈线(10)与顶层介质基板(5)上表面的环形金属贴片(1)连接，从而将射频信号馈入，使天线正常工作。6.根据权利要求1所述的一种可切换的宽带环形磁电偶极子阵列天线，其特征在于，顶层介质基板(5)上表面的环形金属贴片(1)和垂直贯穿顶部和顶部介质的垂直金属通孔(4)共同构成磁电偶极子，作为天线的辐射结构。7.根据权利要求1所述的一种可切换的宽带环形磁电偶极子阵列天线，其特征在于，环形金属贴片(1)的数量为一个，其具有高度的旋转对称性，在不同端口馈电时，可以等效构成不同位置放置的磁电偶极子。8.根据权利要求1所述的一种可切换的宽带环形磁电偶极子阵列天线，其特征在于，底层介质基板(8)下表面的四条金属馈线(10)的末端焊接有第一馈电端口(11)、第二馈电端口(12)、第三馈电端口(13)、第四馈电端口(14)，激励其中的一个端口时，其他三个端口接入匹配负载吸收多余的能量减少不必要的反射，每个端口单独激励时，天线可等效为两对磁电偶极子天线共同作用产生一定方位角指向的倾斜波束。9.一种可切换的宽带环形磁电偶极子阵列天线的设计方法，应用上述权利要求1-8任一项所述的一种可切换的宽带环形磁电偶极子阵列天线，其特征在于，包括以下步骤：s1、构建具有天然倾斜波束辐射的磁电偶极子天线单元；s2、通过引入多个等效磁电偶极子天线单元构成互补源阵列天线，作为天线的辐射结构，并将阻抗带宽有效展宽；
s3、通过合适的馈电结构并优化结构参数使阻抗匹配达到最佳；s4、通过不同端口的切换，实现不同方位角的倾斜波束。10.一种通信设备，应用上述权利要求1-8任一项所述的一种可切换的宽带环形磁电偶极子阵列天线，其特征在于：通信设备为射频通信设备。

技术总结
本发明公开了一种可切换的宽带环形磁电偶极子阵列天线及其设计方法，应用于射频通信技术领域。包括：位于顶部的顶层介质基板，顶层介质基板上表面设有环形金属贴片和四个设在周围边界处的顶层金属条带，下表面设有四个环形缝隙的金属板；垂直贯穿顶部和顶部介质的垂直金属通孔；位于底部的底层介质基板，底层介质基板的下表面设有四个设在周围边界处的底层金属条带和四条设在周围边界处的金属馈线；与四条金属馈线连接的四个端口作为天线的输入端口。本发明可以等效为四个电偶极子和四个磁偶极子，当分别激励四个不同端口时，靠近馈电位置的两对磁电偶极子共同作用，可以产生一个方位面上的倾斜波束，通过四个端口切换，从而实现二维四波束切换。而实现二维四波束切换。而实现二维四波束切换。


技术研发人员：王均宏 郑伟
受保护的技术使用者：北京交通大学
技术研发日：2023.06.30
技术公布日：2023/8/31