一种基于方环形AMC表面的宽带低剖面双极化交叉偶极天线的制作方法

本发明属于天线技术领域，具体涉及一种基于方环形amc表面的宽带低剖面双极化交叉偶极天线。

背景技术：

双极化天线作为多极化天线中的一种，能够同时发射或者接收两个正交极化的电磁波，大大缓解通信系统中的多径衰减问题，减少基站系统中天线的数量，降低系统成本，并且实现频率复用。因此，双极化天线被广泛用于无线通信系统中的基站天线。

随着无线通信系统的快速发展，低剖面基站天线越来越受到重视。低剖面天线具有小型化和易于实现的优点。

amc的结构特征与理想磁导体的反射特性相同，理想磁导体作为天线反射板时，比理想电导体(pec)可以减小天线的高度。

现有技术存在的问题是：

(1)传统双极化天线采用pec地板，因此天线高度得保持在四分之一波长，无法满足天线小型化、低剖面的要求。

(2)一般形式的amc反射板作为天线的地板可以降低天线的高度，但是对天线的带宽性能并没有帮助。

解决上述技术问题的意义：

设计出宽带低剖面双极化交叉偶极天线作为基站天线的一部分，实现了天线的小型化，降低成本。利用所设计的amc结构不仅能够降低天线的高度，还能够扩展天线的带宽。因此，设计出结构简单的宽带低剖面双极化交叉偶极天线是天线技术领域亟需解决的问题，具有较大的实用意义。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于方环形amc表面的宽带低剖面双极化交叉偶极天线。

本发明是这样实现的，一种基于方环形amc表面的宽带低剖面双极化交叉偶极天线，所述基于方环形amc表面的宽带低剖面双极化交叉偶极天线正交放置两对偶极子；印刷的偶极子放置在fr4介质板的一侧，另一侧是微带耦合馈电线；双极化交叉偶极天线垂直放置在amc反射器的中心。

进一步，所述偶极子天线中使用的fr4基板的厚度为0.5mm。

进一步，所述amc单元阵列布置是8×8。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明的天线为一个方环形amc表面，amc单元排列形式为8×8，双极化交叉偶极天线垂直放置在amc反射器的中心；amc结构能够降低天线的高度；方环形amc反射板为天线增加了一个新的谐振点，以扩大带宽；天线在端口1处阻抗带宽为2.67至3.44ghz(21.6％的带宽)，以及端口2处阻抗带宽从2.83至3.47ghz(20.3％的带宽)；同时天线高度降至0.1λ(λ为频率3ghz时天线在自由空间中的波长)，并且实现了稳定的辐射方向图。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于方环形amc表面的宽带低剖面双极化交叉偶极天线的结构示意图。

图2是本发明实施例提供的amc等效电路示意图。

图3是本发明实施例提供的amc单元结构示意图。

图4是本发明实施例提供的amc反射相位示意图。

图5是本发明实施例提供的一对偶极子天线结构示意图；

图中：(1)一对偶极子天线介质板正面；(2)一对偶极子天线介质板反面。

图6是本发明实施例提供的另一对偶极子天线结构示意图；

图中：(1)该对偶极子天线介质板正面；(2)该对偶极子天线介质板反面。

图7是本发明实施例提供的两个端口天线的模拟回波损耗示意图；

图中：(1)端口1的s参数；(b)端口2的s参数。

图8是本发明实施例提供的天线两个端口在2.9ghz和3.35ghz下辐射方向图；

图中：图中：(a)端口1在2.9ghz下的辐射模式；(b)端口1在3.35ghz下的辐射模式；(c)端口2在2.9ghz下的辐射模式；(d)端口2在3.35ghz下的辐射模式。

图9是本发明实施例提供的拟用天线加载amc、pec时在3ghz频率下工作的辐射图。

图10是本发明实施例提供的拟用天线模拟端口隔离度s21示意图。

图中：1、双极化交叉偶极天线本体；2、方环形amc反射板；3、方环形amc反射板单元激励端口；4、方环形amc单元；5、印刷偶极子；6、fr4介质板；7、微带耦合馈电线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明为基于方环形amc结构表面的宽带低剖面双极化偶极天线，可以实现稳定的方向图；根据本发明的amc反射器，天线在端口1处阻抗带宽为2.67至3.44ghz(21.6％的带宽)，以及端口2处阻抗带宽从2.83至3.47ghz(20.3％的带宽)，天线的高度为0.1λ0(λ0是3ghz的频率时天线在自由空间中的波长)。与此同时，天线具有良好的方向性和对称性。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的基于方环形amc表面的宽带低剖面双极化交叉偶极天线包括：正交放置两对印刷偶极子如图5和图6所示，具有相同的结构组成，以制成极化交叉偶极天线本体1。图5和图6中印刷偶极子5放置在fr4介质板6的一侧，另一侧是微带耦合馈电线7。偶极子天线中使用的fr4介质板6的基板的厚度为0.5mm。方环形amc反射板2表面上的低剖面双极化交叉偶极天线如图4所示。amc周期阵列布置是8×8，并且天线垂直放置在amc反射器的中心。

下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。

1天线设计

1.1amc原理

作为周期性人造电磁材料，amc具有平面波的同相反射特性。amc单元的基本结构包括介质板，板上的金属贴片和金属底板。当电磁波垂直入射时，其阻抗可视为电容贴片阵列，损耗介质和感知金属底板三个并联，如图2所示。l1和c是amc单元之间的电感和电容，r是包括衬底的介电损耗和金属的欧姆损耗，l2是金属贴片和地板之间的电感。电路的导纳和电抗表达式如下：

1.2amc结构

amc结构包括一个fr4介质板，在介质板上层的周期性方环形贴片，和介质板下层的金属地板，如图3所示是单个amc单元模型图。fr4介质板介电常数为4.4，损耗正切是0.02，厚度为3mm。方环形贴片外边长为11mm，内边长为8.2mm，相邻贴片之间间距为1mm。根据d.sievenpiper的理论，amc结构的同相反射相带隙是对应于从+90度到-90度的反射相位的频率范围。对于单元而言，带宽从2.48–3.39ghz，如图4所示即为amc仿真反射相位图。

1.3天线设计

正交放置两对偶极子，它们具有相同的结构组成，以制成双极化交叉偶极天线。印刷的偶极子放置在fr4介质板的一侧，另一侧是微带耦合馈电线。偶极子中使用的fr4基板的厚度均为0.5mm。

为使两对偶极子天线能够正交放置，采用开槽镶嵌交叉放置的方式。因此在一对偶极子天线采用的fr4介质板上方开槽，如图5所示，图5(1)是该对偶极子天线介质板正面，印刷有偶极子单元，如图5(2)是该对偶极子天线介质板反面，有微带耦合馈电线在上面；另一对偶极子天线的fr4介质板下方开槽如图6所示，图6(1)是该对偶极子天线介质板正面，印刷有偶极子单元，如图6(2)是该对偶极子天线介质板反面，有微带耦合馈电线在上面。为使两对偶极子能在中间开槽部分交叉镶嵌，采用的耦合微带线高度不同。

1.4整体结构

方环形amc表面上的宽带低剖面双极化交叉偶极天线如图1所示。amc阵列布置是8×8周期，并且双极化交叉偶极天线垂直放置在amc反射器的中心。

2、模拟和讨论

使用ansyshfss软件用于天线仿真。仿真后天线的s参数如图7所示。天线端口1的阻抗带宽为2.77至3.44ghz，相对带宽为21.6％(s11<-10db)，如图7(1)。天线端口2的阻抗带宽为2.83至3.47ghz，相对带宽为20.3％(s22<-10db)，如图7(2)。当pec用作反射器时，天线端口1的阻抗带宽为2.81至3.37ghz，相对带宽为18％(s11<-10db)，如图7(1)；同时，天线端口2的阻抗带宽为2.79至3.26ghz，相对带宽为15.5％(s22<-10db)，如图7(2)。显然，当amc结构作为反射器加载时，天线的带宽得到改善。另一方面，天线的高度从0.25λ0降低到0.1λ0(λ0是频率为3ghz时天线在自由空间中的波长)。

图8(a)、(b)、(c)、(d)分别示出了当所设计的双极化交叉偶极子工作在2.9ghz和3.35ghz时两个端口的辐射方向图。可以看出，所设计的天线在工作频带上具有良好的定向性和对称性。图9是当天线分别加载amc和加载pec时在3ghz频率下工作的辐射图。加载amc时前后比为23.6db，加载pec反射板时前后比仅为16.3db。因此看出，加载amc反射板的天线的前后比提高。此外在图10可以看出，天线在工作频段内两个端口隔离度大于30db。

本发明设计了一个加载方环形amc表面的低剖面双极化交叉偶极天线。与pec反射器不同，装有amc反射器的天线高度降至0.1λ0。天线的相对带宽也得到改善。方环形amc为天线增加了一个新的谐振点，以扩大天线带宽。在端口1的s11<-10db时阻抗带宽为2.77至3.44ghz(相对带宽为21.6％)，在端口2的s22<-10db时阻抗带宽为2.83至3.47ghz(相对带宽为20.3％)。所提出的天线两端口间隔离超过30db，并且辐射模式在工作频带上是稳定的。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。