一种极化可重构磁电偶极子天线的制作方法

本发明涉及微波无源器件，尤其涉及一种极化可重构磁电偶极子天线。

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背景技术：
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随着无线通信的蓬勃发展，现代无线通信系统对天线的频宽及方向性的要求日渐提高，现有的宽带微带贴片天线和传统的定向偶极子天线已不能满足要求。磁电偶极子天线作为新一代宽带定向天线，以其带宽宽、增益高、辐射效率高、结构紧凑、制造工艺简单、成本低等诸多优点，自提出之日起便受到业界的广泛关注。磁电偶极子通常由正交放置的电偶极子和磁偶极子构成，且两个偶极子被共同放置或者分开一小段距离放置。根据常识，我们都知道电偶极子的方向图在电场平面看起来是8字型，在磁场平面是O字型，而磁偶极子的方向图在电场平面看起来是O字型，在磁场平面是8字型。因此，当两个偶极子共同放置，并以等能量等相位激励时，得出的辐射方向图在电场平面和磁场平面是相同的心脏形状，且具有较宽的带宽，更重要的是后向辐射被显著抑制。

近年来，WiFi技术应用的不断普及，使得应用于5G频段WiFi的天线技术也越来越受到人们的关注。然而，随着无线通信频谱变得越来越拥挤、电波多径传播造成的信号衰落越来越严重，仅是覆盖工作频段(5.15-5.85GHz)的单一极化方式的WiFi天线将不再适用于现代无线通信系统中，设计具有抗多径衰落同时能够实现频率复用增加信道容量的极化可重构天线可以有效确保通信质量，从而提高用户体验。

在目前已公开的文献中，极化可重构天线类型主要包括极化可重构贴片天线、极化可重构槽天线以及极化可重构单极子天线。然而，(1)极化可重构贴片天线虽然容易实现且成本较低，但其小于10％的工作带宽，无法满足日新月异的宽带无线通信的要求；(2)极化可重构槽天线虽然具有更宽的工作带宽，但较低的增益将使其应用价值极大受限；(3)极化可重构单极子天线虽然具有较宽的带宽和全向辐射特性，但其复杂的结构将使整个通信系统的结构更加复杂。如上所述的各方面缺陷将限制这些极化可重构天线在现代无线通信系统中的应用，尤其在5G WiFi系统中的应用。

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技术实现要素：
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本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单、损耗低、在极化状态之间切换方便的极化可重构磁电偶极子天线。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种极化可重构磁电偶极子天线，包括方形的上PCB板、方形的下PCB板、馈电端口和4个天线单元，4个天线单元中心对称地布置在上PCB板的对角线上；天线单元包括直流馈线、小方形贴片、大方形贴片、三角形贴片、电控开关、直流导线、电容和方形金属柱体，小方形贴片是上PCB板上表面蚀刻的金属箔，大方形贴片和三角形贴片是上PCB板下表面蚀刻的金属箔；小方形贴片布置在三角形贴片的正上方，两者通过金属化过孔连接；三角形贴片布置在大方形贴片的内侧，两者通过电控开关连接；电容跨接在本天线单元三角形贴片与相邻天线单元三角形贴片之间，小方形贴片通过直流馈线与直流导线连接；方形金属柱体的上端与大方形贴片连接，下端与下PCB板上表面的金属贴片连接；下PCB板包括方形基片集成波导谐振腔和耦合槽，馈电端口的内导体与下PCB板上表面的贴片连接，外导体与下PCB板下表面的贴片连接。

以上所述的极化可重构磁电偶极子天线，天线单元包括电感，小方形贴片通过电感与直流馈线连接。

以上所述的极化可重构磁电偶极子天线，三角形贴片为等边直角三角形，等边直角三角形直角的角平分线与上PCB板的对角线重合，大方形贴片的一条对角线与上PCB板的对角线重合；大方形贴片的形状为切角矩形，大方形贴片的切角部位朝向三角形贴片。

以上所述的极化可重构磁电偶极子天线，大方形贴片包括圆形孔，方形金属柱体包括立孔，圆形孔和立孔同轴；方形金属柱体的下端包括横孔，横孔与立孔相通；下PCB板的四角各包括一个导线孔，直流导线自上而下地穿过上PCB板，经方形金属柱体的立孔和横孔，沿下PCB板的上表面向外伸出，然后自上而下地穿过导线孔与直流电源连接。

以上所述的极化可重构磁电偶极子天线，直流导线与直流电源的正极连接，下PCB板下表面的贴片与直流电源的负极连接。

以上所述的极化可重构磁电偶极子天线，第一天线单元的电控开关和第三天线单元的电控开关由一组直流电源控制，第二天线单元的电控开关和第四天线单元的电控开关由另一组直流电源控制；第一天线单元和第三天线单元布置在上PCB板的一条对角线上，第二天线单元和第四天线单元布置在上PCB板的另一条对角线上。

以上所述的极化可重构磁电偶极子天线，下PCB板包括4排金属化通孔，4排金属化通孔围成方形；方形基片集成波导谐振腔包括下PCB板上、下表面的贴片以及所述4排金属化通孔围成的方形立体区域；耦合槽为矩形槽，蚀刻在下PCB板上表面的贴片上；矩形槽位于第一天线单元、第四天线单元与第二天线单元、第三天线单元之间，矩形槽的长轴在4排金属化通孔围成的方形的中轴线布置。

以上所述的极化可重构磁电偶极子天线，矩形槽的长度小于每排金属化通孔的长度，大于上PCB板的长度；矩形槽的宽度小于大方形贴片之间的间距。

以上所述的极化可重构磁电偶极子天线，所述的电控开关为二极管，二极管的阳极接三角形贴片，阴极接大方形贴片。

以上所述的极化可重构磁电偶极子天线，各天线单元的电控开关都接通时，处于线极化状态；上PCB板一三象限对角线上的两个天线单元的电控开关都接通，二四象限对角线上的两个天线单元的电控开关都断开时，处于右旋圆极化状态；上PCB板一三象限对角线上的天线单元的两个电控开关都断开，二四象限对角线上的两个天线单元的电控开关都接通时，处于左旋圆极化状态。

本发明具有结构简单、损耗低、带宽宽、增益高、辐射效率高、在三种极化状态之间可方便切换等优点，该极化可重构磁电偶极子天线非常适用于现代无线通信系统，尤其是5G频段WiFi系统的应用。

[附图说明]

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明实施例极化可重构磁电偶极子天线的立体图。

图2是本发明实施例极化可重构磁电偶极子天线的俯视图。

图3是图2中的AA'向剖视图。

图4是本发明实施例第一介质基板上、下表面的示意图，其中(a)是俯视图，(b)是仰视图。

图5是本发明实施例第二介质基板上、下表面示意图，其中(a)是俯视图，(b)是仰视图。

图6是本发明实施例极化可重构磁电偶极子天线的实施例的结构尺寸示意图，其中(a)是俯视图，(b)是是图2中的AA'向剖视图。

图7是本发明实施例极化可重构磁电偶极子天线在三种极化状态下的辐射单元组成结构示意图，其中(a)是线极化示意图，(b)是右旋圆极化示意图，(c)是左旋圆极化示意图。

图8是本发明实施例极化可重构磁电偶极子天线的实施例在线极化状态下回波损耗和增益的仿真和实测结果图。

图9是本发明实施例极化可重构磁电偶极子天线的实施例在圆极化状态下回波损耗和增益的仿真和实测结果图。

图10是本发明实施例极化可重构磁电偶极子天线的实施例在圆极化状态下轴比的仿真和实测结果图。

图11是本发明实施例极化可重构磁电偶极子天线的实施例在线极化状态的仿真和实测辐射方向图，其中(a)是5.2GHz处，(b)是5.8GHz处。

图12是本发明实施例极化可重构磁电偶极子天线的实施例在右旋圆极化状态下的仿真和实测辐射方向图，其中(a)是5.2GHz处，(b)是5.8GHz处。

图13是本发明实施例极化可重构磁电偶极子天线的实施例在左旋圆极化状态下的仿真和实测辐射方向图，其中(a)是5.2GHz处，(b)是5.8GHz处。

[具体实施方式]

本发明的极化可重构磁电偶极子天线包括方形的上PCB板、方形的下PCB板、馈电端口和4个天线单元，4个天线单元中心对称地布置在上PCB板的对角线上。天线单元包括直流馈线、小方形贴片、电感、大方形贴片、三角形贴片、电控开关、直流导线、电容和方形金属柱体，小方形贴片是上PCB板上表面蚀刻的金属箔，大方形贴片和三角形贴片是上PCB板下表面蚀刻的金属箔。小方形贴片布置在三角形贴片的正上方，两者通过金属化过孔连接。三角形贴片布置在大方形贴片的内侧，两者通过电控开关连接。电容跨接在本天线单元三角形贴片与相邻天线单元三角形贴片之间，小方形贴片通过电感与直流馈线连接。方形金属柱体的上端与大方形贴片连接，下端与下PCB板上表面的金属贴片连接。下PCB板包括方形基片集成波导谐振腔和耦合槽，馈电端口的内导体与下PCB板上表面的贴片连接，外导体与下PCB板下表面的贴片连接。电控开关为二极管，二极管的阳极接三角形贴片，阴极接大方形贴片。

三角形贴片为等边直角三角形，等边直角三角形直角的角平分线与上PCB板的对角线重合，大方形贴片的一条对角线与上PCB板的对角线重合。大方形贴片的形状为切角矩形，大方形贴片的切角部位朝向三角形贴片。

大方形贴片包括圆形孔，方形金属柱体包括立孔，圆形孔和立孔同轴。方形金属柱体的下端包括横孔，横孔与立孔相通。下PCB板的四角各包括一个导线孔，直流导线自上而下地穿过上PCB板，经方形金属柱体的立孔和横孔，沿下PCB板的上表面向外伸出，然后自上而下地穿过导线孔与与直流电源的正极连接，下PCB板下表面的贴片与直流电源的负极连接。

第一天线单元的电控开关和第三天线单元的电控开关由一组直流电源控制，第二天线单元的电控开关和第四天线单元的电控开关由另一组直流电源控制。第一天线单元和第三天线单元布置在上PCB板的一条对角线上，第二天线单元和第四天线单元布置在上PCB板的另一条对角线上。

下PCB板包括4排金属化通孔，4排金属化通孔围成方形。方形基片集成波导谐振腔包括下PCB板上、下表面的贴片以及所述4排金属化通孔围成的方形立体区域。耦合槽为矩形槽，蚀刻在下PCB板上表面的贴片上。矩形槽位于第一天线单元、第四天线单元与第二天线单元、第三天线单元之间，矩形槽的长轴在4排金属化通孔围成的方形的中轴线布置。矩形槽的长度小于每排金属化通孔的长度，大于上PCB板的长度。矩形槽的宽度小于大方形贴片之间的间距。

各天线单元的电控开关都接通时，处于线极化状态。上PCB板一三象限对角线上的两个天线单元的电控开关都接通，二四象限对角线上的两个天线单元的电控开关都断开时，处于右旋圆极化状态。上PCB板一三象限对角线上的天线单元的两个电控开关都断开，二四象限对角线上的两个天线单元的电控开关都接通时，处于左旋圆极化状态。

如图1、图2、图3、图4、图5和图6所示，本发明实施例的极化可重构的磁电偶极子天线，包括第一介质基板1、第一直流馈线111、第二直流馈线112、第三直流馈线113、第四直流馈线114，第一小方形贴片121、第二小方形贴片122、第三小方形贴片123、第四小方形贴片124，第一贴片电感131、第二贴片电感132、第三贴片电感133、第四贴片电感134，第一方形贴片141、第二方形贴片142、第三方形贴片143、第四方形贴片144，第一三角形贴片151、第二三角形贴片152、第三三角形贴片153、第四三角形贴片154，第一电控开关161、第二电控开关162、第三电控开关163、第四电控开关164，第一圆形孔171、第二圆形孔172、第三圆形孔173、第四圆形孔174，第一组贴片电容181、第二组贴片电容182、第三组贴片电容183、第四组贴片电容184，第一金属化通孔191、第二金属化通孔192、第三金属化通孔193、第四金属化通孔194，第一方形金属柱体21、第二方形金属柱体22、第三方形金属柱体23、第四方形金属柱体24，第二介质基板3、方形基片集成波导谐振腔31、矩形槽32，第一圆孔331、第二圆孔332、第三圆孔333、第四圆孔334、第五圆孔34，馈电端口4、第一直流导线51、第二直流导线52、第三直流导线53和第四直流导线54。

其中第一直流馈线111、第二直流馈线112、第三直流馈线113、第四直流馈线114，第一小方形贴片121、第二小方形贴片122、第三小方形贴片123、第四小方形贴片124，第一贴片电感131、第二贴片电感132、第三贴片电感133和第四贴片电感134位于第一介质基板1的上表面。

第一方形贴片141、第二方形贴片142、第三方形贴片143、第四方形贴片144，第一三角形贴片151、第二三角形贴片152、第三三角形贴片153、第四三角形贴片154，第一电控开关161、第二电控开关162、第三电控开关163、第四电控开关164，第一组贴片电容181、第二组贴片电容182、第三组贴片电容183、第四组贴片电容184位于第一介质基板1的下表面。

第二介质基板3的上、下表面均贴有与第二介质基板相同大小的金属贴片，矩形槽32蚀刻在第二介质基板3上表面的金属贴片上。方形基片集成波导谐振腔31由第二介质基板3的上、下表面金属贴片以及贯穿第二介质基板3的4排金属化通孔围成的方形立体区域组成。第一圆孔331、第二圆孔332、第三圆孔333、第四圆孔334穿过在第二介质基板3以及其上、下表面金属贴片，第五圆孔34蚀刻在第二介质基板2的下表面金属贴片上，第一方形金属柱体21、第二方形金属柱体22、第三方形金属柱体23、第四方形金属柱体24位于第二介质基板3的上表面，其底部与第二介质基板3上表面金属贴片连接，其顶部分别与第一方形贴片141、第二方形贴片142、第三方形贴片143、第四方形贴片144连接，支撑起第一介质基板1。

馈电端口4的内导体探针垂直穿过第二介质基板3，且与第二介质基板3上表面的金属贴片连接，馈电端口4的外导体与第二介质基板3下表面的金属贴片连接。

本发明实施例极化可重构磁电偶极子天线，实施例第一介质基板1和第二介质基板3均为印刷电路板的基板，其中，第一介质基板1和第二介质基板3相对介电常数均为2.33，其厚度分别为3.75mm和0.787mm，损耗角正切均为0.0009。

本发明实施例极化可重构磁电偶极子天线，实施例第一三角形贴片151、第二三角形贴片152、第三三角形贴片153、第四三角形贴片154均为同样大小的等边直角三角形，且围绕第一介质基板1的中心呈对称放置；第一方形贴片141、第二方形贴片142、第三方形贴片143、第四方形贴片144均为相同大小的方形贴片，且分别围绕着第一三角形贴片151、第二三角形贴片152、第三三角形贴片153、第四三角形贴片154对称放置；第一圆形孔171、第二圆形孔172、第三圆形孔173、第四圆形孔174均为大小相同的圆形孔，且分别对称地蚀刻在第一方形贴片141、第二方形贴片142、第三方形贴片143、第四方形贴片144上。

本发明实施例极化可重构磁电偶极子天线，实施例第一三角形贴片151、第二三角形贴片152、第三三角形贴片153、第四三角形贴片154分别经由第一金属化通孔191、第二金属化通孔192、第三金属化通孔193、第四金属化通孔194与第一小方形贴片121、第二小方形贴片122、第三小方形贴片123、第四小方形贴片124连接，第一小方形贴片121、第二小方形贴片122、第三小方形贴片123、第四小方形贴片124分别经由第一贴片电感131、第二贴片电感132、第三贴片电感133、第四贴片电感134与第一直流馈线111、第二直流馈线112、第三直流馈线113、第四直流馈线114连接。

本发明实施例极化可重构磁电偶极子天线，实施例第一电控开关161跨接在第一方形贴片141和第一三角形贴片151之间，第二电控开关162跨接在第二方形贴片142和第一三角形贴片152之间，第三电控开关163跨接在第三方形贴片143和第三三角形贴片153之间，第四电控开关164跨接在第四方形贴片144和第四三角形贴片154之间，其中，第一电控开关161、第二电控开关162、第三电控开关163、第四电控开关164的阳极分别与第一三角形贴片151、第二三角形贴片152、第三三角形贴片153、第四三角形贴片154连接，第一电控开关161、第二电控开关162、第三电控开关163、第四电控开关164的阴极分别与第一方形贴片141、第二方形贴片142、第三方形贴片143、第四方形贴片144连接。

本发明实施例极化可重构磁电偶极子天线，第一组贴片电容181、第二组贴片电容182、第三组贴片电容183、第四组贴片电容184均由两个100pF的贴片电容构成，且第一组电容181跨接在第一三角形贴片151和第二三角形贴片152之间，第二组电容182跨接在第二三角形贴片152和第三三角形贴片153之间，第三组电容183跨接在第三三角形贴片153和第四三角形贴片154之间，第四组电容184跨接在第四三角形贴片154和第一三角形贴片151之间。

本发明实施例极化可重构磁电偶极子天线，第一直流导线51、第二直流导线52、第三直流导线53、第四直流导线54分别与第一直流馈线111、第二直流馈线112、第三直流馈线113、第四直流馈线114连接，且穿过第一介质基板1，再分别穿过第一方形金属柱体21、第二方形金属柱体22、第三方形金属柱体23、第四方形金属柱体24内部和第二介质基板3上的第一圆孔(导线孔)331、第二圆孔(导线孔)332、第三圆孔(导线孔)333、第四圆孔(导线孔)334，与两组直流电源的正极连接，其中第一电控开关161和第三电控开关163由一组直流电源控制，第二电控开关162和第四电控开关164由另一组直流电源控制，通过两组直流电源提供高低电平信号来控制电控开关的通断，当直流电源提供的是高电平信号(5V电压)时，电控开关导通，当直流电源提供的是低电平信号(0V电压)，电控开关断开。第二介质基板3的下表面金属贴片经由导线与两组直流电源的负极连接，这样做的主要目的是将直流导线尽可能地放置在地板的下方，减少辐射的射频信号对直流导线的影响，从而避免对电控开关控制电压的准确输出的影响。

本发明实施例极化可重构磁电偶极子天线，第一贴片电感131、第二贴片电感132、第三贴片电感133、第四贴片电感134的感值均为25nH，是被用来隔离射频信号而保持直流信号导通，从而实现在为第一电控开关161、第二电控开关162、第三电控开关163、第四电控开关164正常提供直流控制电压的同时，避免额外引入的第一直流馈线111、第二直流馈线112、第三直流馈线113、第四直流馈线114及第一直流导线51、第二直流导线52、第三直流导线53、第四直流导线54对天线辐射性能的影响。

本发明实施例极化可重构磁电偶极子天线，第一组贴片电容181、第二组贴片电容182、第三组贴片电容183、第四组贴片电容184是用来隔离直流信号，实现第一电控开关161、第二电控开关162、第三电控开关163、第四电控开关164的状态独立控制，而保持射频信号的连续。

本发明实施例极化可重构磁电偶极子天线，第一电控开关161、第二电控开关162、第三电控开关163、第四电控开关164采用英飞凌公司的型号为BAR50-02L的二极管开关，通过高低电平来控制其通断。

本发明实施例极化可重构磁电偶极子天线通过馈电端口4接入馈源信号，激励起方形基片集成波导谐振腔31，然后经由位于第二介质基板3上表面金属贴片上蚀刻的矩形槽32，耦合激励起天线辐射单元，从而实现能量的发射和接收。

本发明实施例极化可重构磁电偶极子天线，按照工作原理主要包括电偶极子和磁偶极子两部分，其中电偶极子是由第一方形贴片141、第二方形贴片142、第三方形贴片143、第四方形贴片144、第一三角形贴片151、第二三角形贴片152、第三三角形贴片153、第四三角形贴片154组成，磁偶极子是由第一方形贴片141、第二方形贴片142、第三方形贴片143、第四方形贴片144两两之间的缝隙组成，通过两组电压分别控制两组二极管电控开关的通断，改变天线辐射单元的结构，从而实现天线的极化可重构。(1)当两组二极管电控开关都打开时，天线仅被激励起与矩形槽32平行的磁偶极子(即第一方形贴片141和第二方形贴片142、第三方形贴片143和第四方形贴片144之间的缝隙)、以及电偶极子(即第一方形贴片141、第二方形贴片142、第三方形贴片143、第四方形贴片144、第一三角形贴片151、第二三角形贴片152、第三三角形贴片153、第四三角形贴片154组成的辐射单元)，两个偶极子的辐射场相位相等，此时天线具有线极化的辐射特性；(2)当两组二极管电控开关一组打开、一组关闭时，天线被激励起与矩形槽32平行的磁偶极子以及电偶极子的同时，激励起与矩形槽32平行的磁偶极子(即第一方形贴片141和第四方形贴片144、第二方形贴片142和第三方形贴片143之间的缝隙)，最终形成两个正交，且幅度相同，相位相差90°的辐射场，此时天线具有圆极化的辐射特性，交换改变两组二极管电控开关的状态就可以实现天线在左旋圆极化和右旋圆极化状态之间切换。下表列出了本发明实施例极化可重构磁电偶极子天线可实现的三种极化状态及其相对应的四个二极管开关的工作状态。三种极化状态下天线辐射单元的组成结构如图7所示。

下面结合细化的实施例对本发明实施例作进一步详细描述。

如图6所示，以中心工作频率在5.5GHz的极化可重构磁电偶极子天线为例，采用的第一介质基板1和第二介质基板3相对介电常数均为2.33，其厚度分别为3.75mm和0.787mm，损耗角正切均为0.0009。该极化可重构磁电偶极子天线的各尺寸参数如下：第一方形贴片141、第二方形贴片142、第三方形贴片143、第四方形贴片144的边长均为L＝11mm，且其两两之间的间隙宽度均为S1＝3mm，第一方形贴片141和第一三角形贴片151、第二方形贴片142和第二三角形贴片152、第三方形贴片143和第三三角形贴片153、第四方形贴片144和第四三角形贴片154之间的间隙宽度均为S2＝0.5mm，第一三角形贴片151、第二三角形贴片152、第三三角形贴片153及第四三角形贴片154构成的方形区域的边长为P＝5.5mm，

第一方形金属柱体21、第二方形金属柱体22、第三方形金属柱体23和第四方形金属柱体24的底边边长均为W＝7mm，高度均为H＝11mm，第二介质基板3的长度和宽度均为G＝54mm，矩形槽32的长度为Ls＝27.5mm，宽度为Ws＝1.5mm，方形基片集成波导谐振腔31的边长为G2＝34mm，构成方形基片集成波导谐振腔31的金属化通孔的直径均为D＝1mm，且相邻两个金属化通孔之间的间距为S＝1.7mm，馈电端口4和第二介质基板3的中心间距为offset＝6mm。

本实施例的极化可重构磁电偶极子天线是在Ansys公司的商业全波电磁仿真软件HFSS建模仿真设计。

图8和图9是本实施例中的极化可重构磁电偶极子天线在线极化和圆极化状态下回波损耗和增益的仿真和实测结果图。从图中的实测结果可以看出，该极化可重构磁电偶极子天线在线极化状态下具有27.2％(4.77-6.27GHz)的带宽，在左旋和右旋圆极化状态下具有2.9％(5.07-6.32GHz)的带宽，通带内回波损耗均低于-10dB，在线极化状态下，通带内的增益为8.2±0.4dBi，在左旋和右旋圆极化状态下，通带内的增益为8.2±0.8dBi。

图10是本实施例中的极化可重构磁电偶极子天线在两种圆极化状态下轴比的仿真和实测结果图。从图中的实测结果可以看出，该极化可重构磁电偶极子天线在左、右旋圆极化状态下，同时满足回波损耗小于-10dB、轴比小于3dB的带宽为16％(5.07-5.95GHz)，完全覆盖了5G频段WiFi工作带宽。

图11、图12和图13分别是本实施例中的极化可重构磁电偶极子天线在线极化、右旋圆极化和左旋圆极化三种极化状态下5.2GHz和5.8GHz处的xoz面(左图)和yoz面(右图)的仿真和实测辐射方向图。从图中可以看出，该实例极化可重构磁电偶极子天线在三种极化状态下均具有相同的辐射方向图，并且在每种极化状态下天线都具有非定向的辐射特性，交叉极化都低于-13dB。

综上所述，本发明实施例极化可重构磁电偶极子天线，具有结构简单、损耗低、带宽宽、增益高、辐射效率高、在三种极化状态之间可方便切换等优点，该极化可重构磁电偶极子天线非常适用于现代无线通信系统，尤其是5G频段WiFi系统的应用。