一种双频双极化磁电偶极子滤波天线

本发明涉及磁电偶极子天线，尤其是涉及一种双频双极化磁电偶极子滤波天线。

背景技术：

1、第五代(5g)移动通信具有大带宽、低时延、海量连接等特点，是新一代信息技术的发展方向和数字经济的重要基础，得到各国高度重视和大力发展。

2、近年来，我国的5g大规模商用正式开启，sub-6ghz(低于6ghz频段)和毫米波(30～100ghz)已经被纳入5g nr频段范围内，其中sub-6g频谱的传播范围广，毫米波与其相差很大，技术须不断改进和累积，在毫米波最终确定之前，sub-6ghz仍然是近期5g技术的首选。

3、我国目前分配的sub 6g频段，具体包括中国移动2515～2675mhz(n41)与4800～4900mhz(n79)两个频段共260mhz,中国电信3400～3500mhz(n78)的100mhz频段，中国联通3500～3600mhz(n78)的100mhz,以及中国广电4900～5000mhz(n79)的100mhz。新频段的出现，天线结构也必然会做出调整，如新的适合3.4ghz和5ghz频段的双频天线。

4、目前，已经有不少实现双频天线的方式，但是它们的频率比不可调，且带外辐射能力抑制程度欠佳。一种潜在的解决方案是使用滤波天线与宽带天线结合，在宽带基础上，将双工作频带之外的信号进行滤波。现有的宽带技术有改变高次模、适当增加天线高度、引入差分馈电结构等。现有的滤波天线的实现手段一般有通过修改馈电结构、利用耦合矩阵理论将天线和滤波器集成在一起、引入寄生元件等。这种解决方案不仅能获得可控的频率比，而且滤波天线将滤波和辐射功能集成，既消除电路间的互连和匹配网络，减小插入损耗，实现小型化，又能够减少不同频带、距离较近的天线单元间的异频耦合。磁电偶极子天线具有稳定的工作模式且带宽非常宽。在此基础上，经过众多学者的研究，更多特性如双极化特性、滤波特性等被引入磁电偶极子天线，其优秀的特性使其适合成为双频天线的备选方案。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有技术不足，提供利用并联谐振滤波器的电路特性，将双极化功能和滤波特性在磁电偶极子天线上一体化设计，能够实现可调的频率比且不引入额外插入损耗的一种双频双极化磁电偶极子滤波天线。

2、本发明包括磁偶极子介质板组、磁偶极子贴片、电偶极子介质板、电偶极子贴片、滤波磁偶极子介质板组、滤波磁偶极子贴片、底层介质板、馈电结构；

3、所述磁偶极子介质板组包括8块相同的磁偶极子介质板，每相对放置的2块磁偶极子介质板为1组，4组磁偶极子介质板沿竖直中轴线旋转对称垂直放置，磁偶极子介质板的底部设置宽度较窄的介质板，与底层介质板固定，磁偶极子介质板的顶部部分设置宽度较窄的介质板与电偶极子介质板固定连接；所述磁偶极子贴片包括8个金属贴片，分别设在8块磁偶极子介质板的内表面；每2个平行的金属贴片为一组，所述磁偶极子贴片底部与金属地连接，磁偶极子贴片上部宽度比下部窄，磁偶极子贴片上部通过电偶极子介质板的插槽与电偶极子贴片连接，形成磁电偶极子天线；

4、所述电偶极子贴片为4块金属贴片，设于电偶极子介质板的上表面作为辐射体结构，所述电偶极子介质板上设有一组插槽，磁偶极子介质板组顶部均设有一段宽度较窄的介质板部分，通过该插槽与电偶极子介质板连接，所述磁偶极子贴片顶部通过该插槽与电偶极子贴片接触设置；所述电偶极子介质板另设有一组插槽用于滤波磁偶极子介质板组穿过；

5、所述滤波磁偶极子贴片设在滤波磁偶极子介质板组表面；所述滤波磁偶极子介质板组包括8块介质板，每相对平行放置的2块介质板为一组，在磁偶极子介质板组平行的2块介质板板间平行放置；所述滤波磁偶极子贴片包括高频带外滤波磁偶极子贴片和中频带间滤波磁偶极子贴片，分别包括8块长条形金属贴片，每块滤波磁偶极子介质板的一面均设置1块高频带外滤波磁偶极子贴片和1块中频带间滤波磁偶极子贴片；

6、所述底层介质板上表面印刷金属地，所述底层介质板上设有插槽用于滤波磁偶极子介质板组连接固定；磁偶极子介质板组底部与底层介质板连接；金属地通过插槽与磁偶极子贴片连接；底层介质板中心处设置十字槽用于微带线进行缝隙耦合馈电，底层介质板上设用于磁偶极子介质板组连接固定的插槽，同时磁偶极子贴片通过该插槽与金属地接触设置；底层介质板上还设有用于滤波磁偶极子介质板组连接固定的插槽，同时滤波磁偶极子贴片通过该插槽与金属地接触设置；

7、所述馈电结构采用一对相互正交的馈电微带线；所述馈电微带线为正交放置的两个极化方向的一分二的微带功分器，具体为微带线结构，印刷在底层介质板上下表面并且通过跳线连接以避免相互接触。

8、进一步的，所述4组磁偶极子介质板沿竖直中轴线旋转对称垂直放置，依次设置在底层介质板的中心位置的正上方、正下方、正左方和正右方竖直放置；

9、进一步的，所述馈电结构包括第一馈电单元和第二馈电单元，第一馈电单元为一个极化方向的一分二的微带功分器，印刷在底层介质板的下表面；第二馈电单元为另一个极化方向的一分二的微带功分器，印刷在底层介质板的上下表面并通过跳线连接，与第一馈电单元正交放置，通过跳线避免互相接触；第一馈电单元和第二馈电单元的微带线经过十字馈电槽后均延长一部分。

10、本发明天线结构简单，磁电偶极子天线的固有结构产生低频辐射零点ⅰ，将微带功分器的末端微带线延长，得到中频带间辐射零点ⅱ，引入中频带间滤波磁偶极子贴片得到中频带间辐射零点ⅲ，在磁偶极子顶部和电偶极子的连接结构中设置槽结构，得到高频边带辐射零点ⅳ，引入高频带外滤波磁偶极子贴片得到高频辐射零点ⅴ，引入的滤波磁偶极子放置在磁电偶极子天线内部，不会进一步增加天线的剖面高度和轮廓尺寸，无需任何滤波器网络产生双频带通滤波辐射效果，带外辐射水平均在-10dbi以下，实现17db以上的带外抑制水平。

11、本发明的低频辐射零点ⅰ由天线结构产生，可通过所述电偶极子贴片的长度和所述磁偶极子贴片的高度共同独立控制；

12、本发明的中频带间辐射零点ⅱ由微带功分器的末端微带线延长得到，通所馈电单元微带线末端长度控制，其原理是该频点处电流在馈电微带线末端形成驻波，波节点位于与十字馈电槽处，无法向天线馈电；

13、本发明的中频带间辐射零点ⅲ由中频带间滤波磁偶极子贴片产生，通过控制中频带间滤波磁偶极子贴片的高度控制，其原理是该贴片视为开路线谐振器，当其长度为四分之一波长时等效的并联谐振电路会产生带阻特性，该频点处滤波磁偶极子贴片等效为并联谐振电路，产生带阻效果；

14、本发明的高频边带辐射零点ⅳ由磁偶极子贴片和电偶极子贴片的连接结构形成的束缚电流的槽产生，可通过槽的总长度独立控制；其长度对应波长的电磁波无法向外辐射；

15、本发明的高频辐射零点ⅴ由高频带外滤波磁偶极子贴片产生，可通过控制高频带外滤波磁偶极子贴片的高度独立控制；其原理与中频带间辐射零点ⅲ的产生原理类似，由等效并联谐振电路的带阻特性产生；

16、所有辐射零点均可独立控制，未引入额外的滤波网络，不增加天线的剖面尺寸，易于实现滤波功能和天线辐射效果一体化，且可以通过合理选择辐射零点的频率以设计任何频率比的双频天线。所述天线的方向图稳定，实现交叉极化水平在-18db以下，前后比高于10db。

17、本发明的有益效果如下：

18、(1)本发明涉及的双频双极化磁电偶极子滤波天线结构简单，与传统磁电偶极子天线相比，仅在内部增加滤波磁偶极子，不会增加轮廓尺寸。同时，无需任何滤波器网络，通过多个等效并联谐振电路结合，产生双频带通滤波辐射效果，实现17db以上的带外抑制水平。

19、(2)本发明涉及的双频双极化磁电偶极子滤波天线的辐射零点可以独立控制：通过控制电偶极子的长度和磁偶极子的高度，可以独立控制低频辐射零点ⅰ；通过控制微带功分器的末端微带线长度，可以独立控制中频带间辐射零点ⅱ；通过控制中频带间滤波磁偶极子贴片的高度，可以独立中频带间辐射零点ⅲ；通过控制磁偶极子贴片和电偶极子贴片连接处槽的总长度，可以独立控制高频边带辐射零点ⅳ；通过控制高频带外滤波磁偶极子贴片的高度可以独立控制高频辐射零点ⅴ。

20、(3)本发明涉及的双频双极化磁电偶极子滤波天线实现覆盖的阻抗带宽是2.8～3.4ghz和4.9～5.3ghz，由于所有辐射零点均可独立控制，因此可以利用本发明结构实现任意频率比的双频天线。

21、(4)本发明涉及的双频双极化磁电偶极子滤波天线的方向图稳定，实现交叉极化水平在-18db以下。