一种高增益宽带电磁偶极子介质天线

1.本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种高增益宽带电磁偶极子介质天线。


背景技术：

2.5g nr是一种统一且更强大的5g新型无线空口全球标准。它将为未来的通信系统在移动设备和蜂窝网络中的基站之间提供更快和更大的容量。低于6ghz频率下的5g nr新频谱是5g网络部署的重要频段，提供覆盖和容量之间的最佳平衡，特别是n77(3300-4200mhz)、n78(3300-3800mhz)、n79(4400-5000mhz)。因此，如何利用先进技术在这些5g nr频谱中开发新的应用，并提高性能具有重要意义。大规模多入多出技术是射频前端常用的重要技术之一，它通过空间多路复用的方式组成阵列，提高了信道容量和增益的性能。然而，天线组成阵列体积庞大、重量重，给小型化多入多出系统带来了严峻的挑战。因此，小型化、轻量化的天线是未来5g nr中多入多出阵列的迫切需求。
3.介质谐振器天线具有损耗小、体积小、重量轻、设计自由度高、介电常数可选等优点，已广泛应用于天线中。但是，这些天线的高度总是超过0.20λ0(λ0是中心工作频率f0处的自由空间波长)，这对于满足基站的小型化和轻量化的严格要求来说仍然太高了。其难点在于恶化的辐射方向图和阻抗匹配变差。为了解决这一问题，介电常数较高的介质陶瓷被使用在天线中。然而，使用较高的介电常数会导致天线中工作模式的无载品质因数q增大。q与带宽成反比，即高q将导致天线的带宽变窄，或在最坏的情况下，根本没有辐射。除此之外，高后瓣辐射和低增益也是大多数介质天线面临的主要挑战。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于：克服上述现有技术的缺陷，提出一种结构简单的高增益宽带电磁偶极子介质天线。
5.为了实现本发明目的，本发明提供的高增益宽带电磁偶极子介质天线，其特征在于：包括架空设置于金属反射地板上方的矩形辐射介质，该矩形辐射介质的下表面与金属反射地板平行，且对称地附着有与矩形辐射介质的长边平行一对共线的金属带线，所述金属带线内端通过金属探针连接一对输入端口。
6.本发明将矩形辐射介质和金属带线集成设计，分别实现磁偶极子和电偶极子功能。受益于电磁偶极子天线独特的工作原理，电磁偶极子的辐射后瓣能够相互抵消，从而提高天线辐射方向图的前后比。该设计采用高介电常数的介质材料，从而实现天线的小型化。此外，在架空的介质与金属反射地之间预留的空间，可以增强增益和带宽，并且在整个阻抗带宽内提供稳定的增益。
7.其中一对金属带线在同一直线上，而矩形的支撑介质位于矩形辐射介质中心的正下方，与一对金属带线垂直但不相交。矩形的支撑介质位于所述金属反射地板中心的正上方。sma输入端口垂直于金属反射地板。同时，sma输入端口穿过金属反射地板上的圆形通孔与金属带线的一端相连接。
8.本发明提出的一种高增益宽带电磁偶极子介质天线，将矩形辐射介质和金属带线集成设计，分别实现磁偶极子和电偶极子功能。受益于电磁偶极子天线独特的工作原理，电磁偶极子的辐射后瓣能够相互抵消，从而提高天线辐射方向图的前后比。架空设置的高介电常数介质的电磁偶极子天线结构是本设计中的关键技术。它不仅体积小、可以增强天线增益、提供宽的阻抗带宽，还可以在阻抗带宽内提供大小稳定的增益。该天线具宽阻抗带宽、小尺寸、高隔离、高增益和低交叉极化等优越性能。
附图说明
9.下面结合附图对本发明作进一步的说明。
10.图1是本发明实施例天线的分解图。
11.图2是本发明实施例天线的俯视透视图。
12.图3是本发明实施例天线的侧视透视图。
13.图4是本发明实施例天线在差分激励时的反射系数以及辐射增益的性能参数图。
14.图5是本发明实施例天线在3.4ghz时的e面和h面辐射图。
15.图6是本发明实施例天线在3.7ghz时的e面和h面辐射图。
16.图中标号示意如下：
17.1-矩形辐射介质，2-支撑介质，3-金属带线，4-金属反射地板，5-圆形通孔，6-正向信号输入端口，7-反向信号输入端口。
具体实施方式
18.下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
19.如图1至图3所示，本实施例一种高增益宽带电磁偶极子介质天线，包括包括架空设置于金属反射地板4上方的矩形辐射介质1，该矩形辐射介质1的下表面与金属反射地板4平行。矩形辐射介质1的下表面对称地附着有与矩形辐射介质1的长边平行一对共线的金属带线3，金属带线3内端通过金属探针连接一对输入端口(本例选用sma输入端口)，其中6为正向信号输入端口，7为反向信号输入端口。本例中，矩形辐射介质1中部通过支撑介质2支撑于金属反射地板4的中央上方。支撑介质2为长方体状，其侧面与金属带线3垂直，并且支撑介质2与金属带线3之间具有间隙。如图1所示，金属反射地板4上开设的圆形通孔5，sma接口穿过金属反射地板4上开设的圆形通孔5进行固定。sma接口的外壳部分为外导体，直接与金属反射地板4的圆形通孔5焊接固定，内导体则作为金属探针(或通过金属探针)与金属带线3内端连接。
20.本例中使用sma同轴头进行馈电，该同轴头与本结构的结合最适合于在工业上进行产业化制造。当然理论上也可以采用其他接口形式，比如：通过设置底部基板，并通过微带传输线进行馈电。
21.本例中，矩形辐射介质1为介质陶瓷材料，介电常数ε
r1
＝20，损耗角正切tanδ＝7
×
10-4
，体积为w1×
l2×
h1。矩形支撑介质2用于支撑矩形辐射介质1，其位于矩形辐射介质1中心正下方，材质与矩形辐射介质1相同，矩形支撑介质2的体积为w3×
w3×
h2。矩形辐射介质1的下表面与金属反射地板4的距离(即矩形支撑介质2的高度h2)与天线的工作频率相关，本例中为h2＝6mm。
22.在差分馈电的条件下，一对等幅反向的射频信号分别沿一对微带馈线传输，利用输入的差分信号实现对天线的激励。金属反射地板4的尺寸为l1×
l1，两sma输入端口(正向信号输入端口6、反向信号输入端口7)穿过金属反射地板4上的圆形通孔5与金属带线的一端相连接，且圆心与金属反射地板4上的圆形通孔5的圆心重叠，其中金属带线的长度均为l3，宽度均为w2，圆孔的直径为d1，两输入端口的中心间距为s。
23.本实施例天线的详细尺寸列于表i中。其天线部分电尺寸为0.43mm
×
0.19mm
×
0.14mm。
24.表i天线的详细尺寸
[0025][0026]
如图4所示，为实施例天线为在差分端口激励时的反射系数以及天线增益性能参数图。可以看出，天线在3.27-3.8ghz范围内在可在-15db实现15％阻抗带宽，且增益曲线在阻抗带宽内，只在7.9dbi到8.4dbi之间存在的微小波动。图5展示了天线实例在3.34ghz时端口1的e面和h面辐射图。图6展示了天线实例在3.69ghz时端口1的e面和h面辐射图。可以观察到，辐射图具有良好的对称性和稳定性。天线辐射方向图的前后比大于为32db。而主计划极化场比相应的交叉极化场强40db。最后，矩形辐射介质天线实例的半功率波束宽度列于表ⅱ。
[0027]
表ⅱ不同频率下矩形辐射介质双极化电磁偶极子天线的3db波束宽度
[0028][0029]
根据上述结果可以看出，本实例的高增益宽带电磁偶极子介质天线具有体积小，前后比高，带内增益稳定且相对较高和交叉极化低的特点。
[0030]
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。