一种双极化磁电偶极子引向器的天线

1.本技术涉及天线领域，尤其涉及一种双极化磁电偶极子引向器的天线。


背景技术：

2.在天线中，双极化磁电偶极子天线因其宽带能力、稳定的辐射方向图和低交叉极化而越来越受欢迎。
3.然而，传统的双极化磁电偶极子天线的天线增益不足以满足需要高天线增益的现代通信系统的要求，还有很大的提升空间，传统的电偶极子引向器只能在单一极化方向上提高天线增益，因此并不适用于双极化磁电偶极子天线。
4.而通过将天线组成阵列的方法，虽然可以提高天线增益，但会带来复杂的馈电网络、较大的尺寸以及功率损耗。
5.文献
[0006]“a.dadgarpour,n.bayat-makou,m.a.antoniades,a.a.kishkanda.sebak,"adual-polarizedmagnetoelectricdipolearraybasedonprintedridgegapwaveguidewithdual-polarizedsplit-ringresonatorlens,"inieeetrans.antennaspropag.,vol.68,no.5,pp.3578-3585,may2020”中提出一种双极化脊隙波导磁电偶极子天线，通过印刷在不同板层的微带线激励。
[0007]
天线的双极化通过两层脊隙波导结构实现。为了提高天线增益，设计了双极化的分裂谐振环放置在天线辐射源上方。每层谐振环的数目为3
×
3，共计三层。该堆叠谐振环结构可以实现3db的增益提升。并且作者在加载该结构的基础上更进一步组成1
×
4单元的天线阵列，更进一步提高增益。但是该结构为多层结构，制作工艺复杂，且由于谐振环组成了阵列，进一步加大了天线的口径尺寸。
[0008]
文献
[0009]“j.y.yinandl.zhang,"designofadual-polarizedmagnetoelectricdipoleantennawit hgainimprovementatlowelevationangleforabasestation,"inieeeantennaswireless propag.lett.,vol.19,no.5,pp.756-760,may2020.”中提出了一种双极化磁电偶天线，通过两交叉放置的γ型探针馈电。
[0010]
该天线中为了提高天线增益，使用了缺口反射腔。该反射腔可以令天线增益提高2db。但是该天线的总增益仍然较低，两个端口的增益均只有7.4db。
[0011]
文献
[0012]“j.tao,q.fengandt.liu,"dual-widebandmagnetoelectricdipoleantennawithdirectorl oaded,"inieeeantennaswirelesspropag.lett.,vol.17,no.10,pp.1885-1889,oct.2018.”中提出了一种具有双层水平板的双频带磁电偶极子天线，在该天线上方hd＝13mm处加载了长宽分别为ld＝30mm,wd＝6mm的金属矩形水平板作为电偶极子引向器，使得该天线工作在准八木天线模式。
[0013]
然而该电偶极子引向器仅能在较高的频率范围处提高天线的增益大约2db，而对
于下频带带宽内增益提升效果不明显。
[0014]
因此，现有技术中单一的电偶极子引向器对于天线增益的提升往往只能作用在一个极化方向上，且集中在某一较窄频率范围内，不能适用于双极化磁电偶极子天线。


技术实现要素：

[0015]
本发明的目的在于克服现有技术中电偶极子引向器对于天线增益的提升往往只能作用于单一极化的天线上，不能适用于双极化磁电偶极子天线的缺陷，提供一种双极化磁电偶极子引向器的天线。
[0016]
本技术提供一种双极化磁电偶极子引向器的天线，包括：反射腔、辐射器、馈电探针和引向器；
[0017]
所述反射腔包括金属地面，以及垂直或倾斜一定角度的围绕在金属地面周围的围板；
[0018]
所述辐射器包括放置在所述金属地面上的四组折叠的垂直金属板，以及对应连接到每个所述垂直金属板上端的四块水平金属板；
[0019]
所述馈电探针非连接的设置在所述辐射器上，由两个不同高度，且不连接交叉放置的γ形探针构成，垂直部分平行所述垂直金属板的弯角形成空气微带线，水平部分通过所述水平板上设置的矩形槽延伸到对角的水平金属板；
[0020]
所述引向器包括四组折叠的第二垂直金属板，以及对应连接到每个所述第二垂直金属板上端的四块第二水平金属板，且相邻的第二垂直金属板相连；
[0021]
所述引向器通过尼龙螺柱与所述辐射器上下方向固定。
[0022]
可选地，还包括：
[0023]
所述反射腔和所述辐射器一体制造，或者所述辐射器单独制造之后安装到反射腔金属地面上。
[0024]
可选地，包括：所述馈电探针对角放置的两块水平金属板形成电偶极子，在同一排放置的每两组垂直金属板构成的狭槽等效为一个磁偶极子。
[0025]
可选地，还包括：
[0026]
所述探针的另一端穿过水平金属板向下延伸，通过调节向下延伸的长度，调节探针的阻抗。
[0027]
可选地，对角交叉放置的所述馈电探针，通过两个端口分别馈电，形成了辐射器互不干扰的双极化磁电偶极子辐射。
[0028]
本技术的优点和有益效果：
[0029]
本技术提供一种双极化磁电偶极子引向器的天线，包括：反射腔、辐射器、馈电探针和引向器；所述反射腔包括金属地面，以及垂直或倾斜一定角度的围绕在金属地面周围的围板；所述辐射器包括放置在所述金属地面上的四组折叠的垂直金属板，以及对应连接到每个所述垂直金属板上端的四块水平金属板；所述馈电探针非连接的设置在所述辐射器上，由两个不同高度，且不连接交叉放置的γ形探针构成，垂直部分平行所述垂直金属板的弯角形成空气微带线，水平部分通过所述水平板上设置的矩形槽延伸到对角的水平金属板；所述引向器包括四组折叠的第二垂直金属板，以及对应连接到每个所述第二垂直金属板上端的四块第二水平金属板，且相邻的第二垂直金属板相连；所述引向器通过尼龙螺柱
与所述辐射器上下方向固定。该双极化磁电偶极子引向器，弥补了电偶极子单极化的缺点，同时由于集成了电偶极子与磁偶极子，使得天线的增益可以在较宽的频带范围内得到平稳提升。本技术双极化磁电偶极子引向器，弥补了电偶极子单极化的缺点，同时由于集成了电偶极子与磁偶极子，使得天线的增益可以在较宽的频带范围内得到平稳提升。
附图说明
[0030]
图1图是本技术中天线结构示意图。
[0031]
图2图是本技术中辐射器与馈电探针示意图。
[0032]
图3图是本技术中馈电探针结构示意图。
[0033]
图4图是本技术中天线结构侧视示意图。
[0034]
图5图是本技术参考天线与所提出的天线性能对比示意图。
[0035]
图6图是本技术天线的测量和仿真结果对比示意图。
[0036]
图7是本技术中2.75ghz时端口1和端口2的仿真与测量时的天线方向示意图。
具体实施方式
[0037]
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施。
[0038]
以下内容均是为了详细说明本技术要保护的技术方案所提供的具体实施过程的示例，但是本技术还可以采用不同于此的描述的其他方式实施，本领域技术人员可以在本技术构思的指引下，采用不同的技术手段实现本技术，因此本技术不受下面具体实施例的限制。
[0039]
本技术属于天线领域，解决的技术问题包括：将磁偶极子与电偶极子相结合以构成磁电偶极子引向器以改善引向器的效果；通过引向器结构实现天线在两个极化方向上的增益同时提升。
[0040]
本技术提供一种双极化磁电偶极子引向器的天线，包括：反射腔、辐射器、馈电探针和引向器。
[0041]
参照图1所示，所述反射腔包括金属地面，以及垂直或倾斜一定角度的围绕在金属地面周围的围板。
[0042]
具体的，所述反射腔是通过在金属地面周围围绕高度为hf＝26mm的垂直或倾斜一定角度的金属板，以形成类似于喇叭形状，从而实现天线的前向辐射增强的效果。优选的，反射腔尺寸为gl(边长)＝200mm。
[0043]
所述反射腔可通过机器加工和辐射器一体制造，也可单独制造之后再将辐射器安装到反射腔地面上。优选的，反射腔四周金属壁的厚度为2mm，地面厚度设置为4mm，以安装固定sma接头。
[0044]
所述辐射器包括放置在所述金属地面上的四组折叠的垂直金属板，以及对应连接到每个所述垂直金属板上端的四块水平金属板。
[0045]
参照图1所示，所述辐射器是天线的双极化辐射器，包括四组折叠的高度为hr＝26mm，宽度为vr＝18.5mm的垂直金属板，以及四块边长为wr＝29.2mm的水平金属板。
[0046]
所述水平金属板与垂直金属板的顶端一一对应的相连。优选的，金属板的厚度均
为2mm。
[0047]
所述馈电探针非连接的设置在所述辐射器上，由两个不同高度，且不连接交叉放置的γ形探针构成，垂直部分平行所述垂直金属板的弯角形成空气微带线，水平部分通过所述水平板上设置的矩形槽延伸到对角的水平金属板。
[0048]
参照图2和图3所示，天线的馈电探针结构如下：
[0049]
具有两个馈电探针。两个探针均由厚度为0.5mm，宽度为fm＝2mm的铜条弯折制成，不同之处在于探针的高度以及总长度。具体的，探针1的总长度为a1+fl1+fh1＝51.5mm，其中探针1的高度为fh1＝28mm；探针2的总长度为a2+fl1+fh2＝50mm，其中探针1的高度为fh2＝27mm。
[0050]
不同的高度，使得两探针交叉放置时，不会出现短接现象。
[0051]
所述水平板上还开有宽度为w1＝4mm的矩形槽，这是为了探针通过时不会与辐射器有电气连接。探针的垂直部分与垂直金属板的弯角形成空气微带线，而水平部分通过辐射器水平板的矩形槽延伸到另一端水平金属板。将能量耦合到水平金属板上，而探针的另一端穿过水平金属板向下延伸。通过调节向下延伸的长度，即a1与a2的长度，可以调节探针的阻抗。
[0052]
需要注意的是，辐射器上的矩形槽略宽于探针宽度，因此探针与辐射器互不连接。
[0053]
通过对角交叉放置的馈电探针，通过两个端口分别馈电，形成了辐射器互不干扰的双极化磁电偶极子辐射。
[0054]
每沿着馈电探针方向的对角放置的两块水平金属板形成电偶极子，而在同一排放置的每两组垂直金属板构成的狭槽等效为一个磁偶极子。因此，辐射器的十字形的狭槽可以等效为两磁偶极子。所述两磁偶极子的矢量和具有和水平电偶极子正交的位置关系。因此，电偶极子和磁偶极子共同存在，从而形成了磁电偶极子的辐射模式。
[0055]
优选的，天线的辐射器可以和反射器一同通过机器切割的方式，将一整块金属铝雕刻成所设计的形状，这种方法的精度更高，并能免除辐射器安装时的位置偏差。另一种方法是，将辐射器的各部分金属板分别加工，然后将其安装在反射腔地面的对应的位置，这种制作成本更为低廉，但是相对应地，易出现安装误差。
[0056]
如图1所示，所述引向器包括四组折叠的第二垂直金属板，以及对应连接到每个所述第二垂直金属板上端的四块第二水平金属板，且相邻的第二垂直金属板相连；
[0057]
天线增益的提升主要得益于引向器结构的加载。所述引向器的整体形状与双极化辐射器较为类似，但是尺寸具有较大的不同。
[0058]
具体的，每两个高度为hd＝28mm，宽度为vd＝22mm的互相垂直放置的金属板为一组第二垂直金属板，四组第二垂直金属板与十字形地面共同构成了交叉槽以等效为两组磁偶极子，这两组磁偶极子可以合成一个矢量和。
[0059]
四块宽度为wd＝26mm的第二水平金属板与第二垂直金属板的顶端相连接，分别处于每条对角线上的两块第二水平金属板互相构成一对电偶极子。磁偶极子形成的矢量和与水平对角线上的电偶极子相互正交，两者共同构成了磁电偶极子引向器。
[0060]
所述引向器通过尼龙螺柱与所述辐射器上下方向固定。
[0061]
具体的，在辐射器的四块水平金属板上均开有直径为4mm的孔洞，安装尼龙螺柱。与辐射器一样，引向器同样在第二水平金属板上开有直径4mm的金属孔。制作时，天线的引
向器可以单独制作，之后通过直径4mm的尼龙螺柱与底部的辐射器固定在一起。引向器与辐射器之间的距离，可以通过调节螺母的高度来进行微调。该结构安装拆卸方便，距离可调，制作较为简单。
[0062]
在天线不同的端口工作时，所述辐射器具有不同的极化方向，同样地，引向器也能在对应地极化方向上提高天线增益。
[0063]
通过加载双极化磁电偶极子引向器，本技术的天线可以同时提高两个极化方向上的增益。由于该引向器结合了电偶极子与磁偶极子引向器，使得天线增益可以在较宽范围内得到平稳的提升。同时，天线的原本的性能优势，如高前后比等得到保留。
[0064]
传统的单极化引向器如电偶极子引向器，只能在单一极化方向上提升天线增益，同时会引起天线的增益曲线不平滑等缺点。该双极化磁电偶极子引向器，弥补了电偶极子单极化的缺点，同时由于集成了电偶极子与磁偶极子，使得天线的增益可以在较宽的频带范围内得到平稳提升。
[0065]
此前所提出的加载双极化分裂谐振环结构，虽然同样可以提高天线的双极化增益，但其周期性的结构较为复杂，且增加了天线的口径尺寸。本技术引向器结构简单，制作与安装均较为方便，且对于天线的精度要求没有上述方法苛刻。
[0066]
天线阵列在实现高增益的同时，也会带来复杂的馈电网络以及相应的传输损耗，本技术所提处的天线，避免了馈电网络带来的损耗的同时，仍然可以实现与天线阵列相媲美的增益值。即本设计所提天线更适用于现代通信基站中。
[0067]
请参照图5所示，参考天线和本技术所提出的天线端口1和端口2的共有仿真阻抗带宽分别为67.70％(1.70-3.44ghz)和38.87％(2.28-3.38ghz)。而参考天线和仿真天线端口1的各自带宽内平均增益为9.5dbi和12.99dbi。
[0068]
因此可以得出，在加载所提出的引向器之后，天线带宽内的增益得到了3.49db的显著提升。并且，由于引向器集成了电偶极子和磁偶极子引向器，使得天线增益在带宽内的提升是稳定的平滑的。此外，所提出的天线的两个端口工作时的阻抗带宽和各自增益都比较吻合，显示出了天线良好的性能。
[0069]
如图6中的(a)所示，在图中可以看出，端口1的测量阻抗带宽为34.63％(2.34-3.32ghz)，平均增益为13.69dbi。同时，端口2的实测阻抗带宽分别为36.03％(2.23-3.21ghz)和13.59dbi的平均增益。同时，测得的端口1和端口2的最大增益分别为14.13dbi和14.07dbi。天线测量结果与仿真结果具有合理的吻合性。此外，如图6中的(b)所示，通过测量在端口1和端口2之间获得了超过20db的高隔离度。这说明所提出的天线具有良好的正交性能。
[0070]
如图7所示。在图7中的(a)和(b)中可以看出，天线在e平面和h平面具有＜-20db的仿真交叉极化。而测量结果和仿真结果表明，两个端口的辐射方向图均具有较好的一致性。此外，根据测量数据，天线的前后比超过20db。通过加载双极化磁电偶极子引向器获得了天线的强定向性。

技术特征：
1.一种双极化磁电偶极子引向器的天线，其特征在于，包括：反射腔、辐射器、馈电探针和引向器；所述反射腔包括金属地面，以及垂直或倾斜一定角度的围绕在金属地面周围的围板；所述辐射器包括设置在所述金属地面上的四组折叠的垂直金属板，以及对应连接到每个所述垂直金属板上端的四块水平金属板；所述馈电探针非连接的设置在所述辐射器上，由两个不同高度，且不连接交叉放置的γ形探针构成，垂直部分平行所述垂直金属板的弯角形成空气微带线，水平部分通过所述水平板上设置的矩形槽延伸到对角的水平金属板；所述引向器包括四组折叠的第二垂直金属板，以及对应连接到每个所述第二垂直金属板上端的四块第二水平金属板，且相邻的第二垂直金属板相连；所述引向器通过尼龙螺柱与所述辐射器上下方向固定。2.根据权利要求1所述双极化磁电偶极子引向器的天线，其特征在于，还包括：所述反射腔和所述辐射器一体制造，或者所述辐射器单独制造之后安装到反射腔金属地面上。3.根据权利要求1所述双极化磁电偶极子引向器的天线，其特征在于，包括：所述馈电探针对角放置的两块水平金属板形成电偶极子，在同一排放置的每两组垂直金属板构成的狭槽等效为一个磁偶极子。4.根据权利要求1所述双极化磁电偶极子引向器的天线，其特征在于，还包括：所述探针的另一端穿过水平金属板向下延伸，通过调节向下延伸的长度，调节探针的阻抗。5.根据权利要求1所述双极化磁电偶极子引向器的天线，其特征在于，对角交叉放置的所述馈电探针，通过两个端口分别馈电，形成了辐射器互不干扰的双极化磁电偶极子辐射。

技术总结
本申请提供一种双极化磁电偶极子引向器的天线，包括：反射腔、辐射器、馈电探针和引向器；所述反射腔包括金属地面，所述辐射器包括放置在所述金属地面上的四组折叠的垂直金属板，以及对应连接到每个所述垂直金属板上端的四块水平金属板；所述馈电探针非连接的设置在所述辐射器上；所述引向器包括四组折叠的第二垂直金属板，以及对应连接到每个所述第二垂直金属板上端的四块第二水平金属板，且相邻的第二垂直金属板相连；所述引向器通过尼龙螺柱与所述辐射器上下方向固定。本申请双极化磁电偶极子引向器，弥补了电偶极子单极化的缺点，同时由于集成了电偶极子与磁偶极子，使得天线的增益可以在较宽的频带范围内得到平稳提升。增益可以在较宽的频带范围内得到平稳提升。增益可以在较宽的频带范围内得到平稳提升。


技术研发人员：冯立营 张超群
受保护的技术使用者：天津职业技术师范大学（中国职业培训指导教师进修中心）
技术研发日：2023.05.29
技术公布日：2023/7/22