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CN118117328A - 一种毫米波超宽带圆极化磁电偶极子天线 - Google Patents

一种毫米波超宽带圆极化磁电偶极子天线 Download PDF

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CN118117328A
CN118117328A CN202410319791.8A CN202410319791A CN118117328A CN 118117328 A CN118117328 A CN 118117328A CN 202410319791 A CN202410319791 A CN 202410319791A CN 118117328 A CN118117328 A CN 118117328A
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CN
China
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metal
patches
circularly polarized
millimeter
radiation layer
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CN202410319791.8A
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English (en)
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张乃柏
鲍瑞瑞
黄建明
崔岩松
王子莱
杨光耀
邓琨
殷光强
李依桐
李晓瑜
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Kashgar Electronic Information Industry Technology Research Institute
Beijing University of Posts and Telecommunications
CETC 54 Research Institute
Original Assignee
Kashgar Electronic Information Industry Technology Research Institute
Beijing University of Posts and Telecommunications
CETC 54 Research Institute
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Abstract

本发明公开了一种毫米波超宽带圆极化磁电偶极子天线，属于射频前端器件技术领域，其包括天线辐射体和馈电模块；所述天线辐射体包括上辐射层、下辐射层以及金属过孔；所述上辐射层和下辐射层均设置有两个矩形贴片，且在同一辐射层上的四个矩形贴片正投影分别位于方形的四个顶点；同一辐射层的两个辐射贴片位于方形的对角线上；其中一辐射层上的两个辐射贴片相邻端平面连接；金属过孔与矩形贴片一一对应；所述金属过孔的顶端与对应的矩形贴片短接，底端与金属地连接；本发明在30Ghz附近频段内达到超过40％阻抗带宽的性能，以及圆极化轴比带宽也高于20％，在保持上述性能优势下，还具备在工作频段内的高增益性能。

Description

一种毫米波超宽带圆极化磁电偶极子天线
技术领域
本发明是一种超宽带圆极化磁电偶极子天线，主要应用于毫米波30Ghz附近通信频段，属于射频前端器件领域。
背景技术
基于磁电偶极子天线辐射理论而拓展构建的天线，因其超宽带、高增益、低背辐射、低交叉辐射等特性，在微波通信及无线电导航、无线电遥控等领域具有重要研究价值。磁电偶极子天线相关的研究在2006年开始飞速进展和受到广泛关注，得益于陆贵文教授团队数十年在该领域的努力和探索，目前磁电偶极子天线在蓝牙频段、毫米波60Ghz频段都具备多种优质模型，基本覆盖双极化、圆极化、宽波束、可重构等技术特点。其中在毫米波通信频段上建立的磁电偶极子模型，具备宽阻抗带宽、宽轴比带宽、低交叉辐射等优质特性，同时其圆极化辐射结构设计简单，集成在一层基板上易于制作。但由于圆极化辐射的要求，在磁电偶极子天线辐射贴片结构设计上做出了一定的让步，主对角线上的贴片进行了切角以补偿圆极化连接贴片占用的物理空间，这也对带宽、轴比等性能造成了一定的影响。陆贵文教授2016年发表在IEEE Transactions on Antennas and Propagation的60Ghz宽带圆极化天线就具备上述问题。
由于磁电偶极子天线的物理结构和圆极化特性结构存在的难以消除的干扰，二者相互让步和补偿对该类天线的性能造成了一的影响，是限制磁电偶极子天线在该领域应用的重要因素。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明设计是基于磁电偶极子“互补源”辐射原理搭建的超宽带毫米波圆极化天线。其优点包括优异的超宽带性能，在30Ghz附近频段内达到超过40％阻抗带宽的性能，以及圆极化轴比带宽也高于20％，在保持上述性能优势下，还具备在工作频段内的高增益性能。该发明将成为毫米波30Ghz频段通信天线的理想选型。
为了解决背景中的技术问题，实现上述的理想性能，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种毫米波超宽带圆极化磁电偶极子天线，包括天线辐射体和馈电模块；所述天线辐射体包括上辐射层、下辐射层以及金属过孔；所述上辐射层和下辐射层均设置有两个矩形贴片，且在同一辐射层上的四个矩形贴片正投影分别位于方形的四个顶点；同一辐射层的两个辐射贴片位于方形的对角线上；其中一辐射层上的两个辐射贴片相邻端平面连接；
所述金属过孔与矩形贴片一一对应；所述金属过孔的顶端与对应的矩形贴片短接，底端与金属地连接；
所述馈电模块位于天线辐射体的下方，其主体为介质基板III，所述介质基板III的上表面设有金属地，所述金属地的中心设有馈电缝隙，且馈电缝隙位于天线辐射体的正下方；
所述介质基板III的下表面还贴有金属板；所述介质基板的其中三边缘均阵列有多个金属通孔，且金属过孔的顶端与金属地连接，金属过孔的底端与金属板连接。
进一步的，在下辐射层，对角线上的两个矩形贴片的相邻端平面连接。
进一步的，所述馈电缝隙平行于方形的其中一边。
进一步的，每边缘的金属通孔均设有7个，且相邻边缘共用一个金属通孔；相对两边缘的每一相邻金属通孔间距均相同。
进一步的，所述上辐射层的主体为介质基板I，下辐射层的主体为介质基板II；所述矩形贴片均为对应辐射层的上表面；
所述金属过孔位于贯穿介质基板II。
本发明采取上述技术方案所产生的有益效果在于：
a)毫米波30Ghz频段实现，为磁电偶极子天线拓展了Ka波段的应用，是Ka波段通信的理想选型。
b)性能优势明显，实现了超过40％的阻抗带宽，以及圆极化轴比带宽也高于20％，在保持上述性能优势下，还具备在工作频段内的高增益性能。
c)结构简单、制造方便，相对于传统圆极化磁电偶极子天线，该模型不需要对贴片进行切角，降低了制作复杂度。
附图说明
图1是整体天线模型的结构俯视示意图；
图2是磁电偶极子辐射模块的结构俯视示意图；
图3是图1的结构侧视图；
图4是毫米波超宽带圆极化天线的反射系数曲线图；
图5是毫米波超宽带圆极化天线的轴比曲线图；
图6是毫米波超宽带圆极化天线的增益曲线图；
具体实施方式
下面，结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
基于磁电偶极子辐射模型的圆极化毫米波超宽带天线，包括天线辐射体和馈电模块两部分。整个天线模型建立在介质基板III19、介质基板II20和介质基板I21上。
参照图2，其中天线辐射体，采用4个矩形贴片12和14(或者1和3指的是同一结构)分别短接金属过孔9至金属地的结构，在任一极化方向上，构成两对磁电偶极子模型，进行辐射。具体来说，在水平与垂直极化方向，天线物理结构保持一定的相似性，两对磁电偶极子辐射模型复用，对于圆极化辐射的轴比带宽是极为有利的。
本实施例在基本磁电偶极子辐射模型上做了改进，主对角线上的矩形贴片12位于介质基板II20的上表面，副对角线的矩形贴片14位于介质板I21的上表面，后者在物理层级上高于前者，二者进行了分层，避免辐射贴片(矩形贴片12)的金属连接段15在物理平面上与矩形贴片14冲突，这样的设计，即满足了圆极化辐射的馈电要求，也保留了完整的矩形辐射贴片，将辐射性能有利。
此外，该天线的馈电部分采用基片集成波导的缝隙馈电，将电磁波通过馈电缝隙2从波导中传递到辐射模块，利用电磁波的极化性质在金属贴片和金属通孔表面产生电流，继而产生辐射。基片集成波导由前端(即无金属通孔一侧)接入电磁信号，其余三端均使用7个金属通孔6阻隔信号，其中左右两端通孔间距7相同，但与后端通孔间距4略有差异。馈电缝隙2位于基片集成波导的中心位置，横向放置。通过这样的结构束缚电磁波，可以获得良好的阻抗带宽。
为了减小损耗，金属材料采用电阻率小的金属，如铝、铜、金等，介质基板II20采用损耗小的材料，如高阻硅，Rogers5880等。
辐射体的尺寸参数和金属连接的宽度都会对天线带宽和轴比产生重要影响，具体表现为：
a)矩形贴片的尺寸16、17将极大地影响谐振频率，从而使带宽偏移，不平衡的尺寸比例将会恶化阻抗带宽和轴比带宽；
b)金属连接段15的宽度会对圆极化轴比带宽产生巨大的影响，其宽度11小于理想值时，随着宽度减小，轴比会明显增加，而当其大于理想值，则变化不明显；
c)金属贴片之间的距离10和13需要优化和配比到理想值，在数值偏移时，带宽和轴比将发生不同程度的恶化，且恶化程度不可忽略。
在连接基片集成波导馈电时，基片集成波导的宽度和缝隙尺寸会对天线带宽产生重要影响，具体表现为：
d)在一定范围内，基片集成波导的宽度与阻抗带宽性能呈正比例关系，即宽度增加，回波损耗降低，阻抗带宽拓宽。但超过一定阈值，这种变化将可以忽略；
e)馈电缝隙的尺寸同样对阻抗带宽有着重要影响，具体为在理想值两侧变化，都将使得带宽恶化，这是容易理解的，缝隙的尺寸决定着对应频段的电磁波通过的难易程度。
因此选择合理的辐射金属贴片尺寸、金属连接宽度、贴片间距、馈电相关参数，对提升天线性能具有重要意义，同时不同的需求对应不同的结构。
该基于圆极化毫米波超宽带结构在这里选择一种尺寸组合进行实施例说明，(下面数据单位为微米)：
当图1结构的尺寸为：
基片集成波导后侧金属通孔间距4＝1420，左(右)侧金属通孔间距7＝1300；
当图2结构的尺寸为：
贴片水平横向间距10＝350，水平纵向结构13＝280，结构11＝1000，结构16＝1750，结构17＝1900，馈电缝隙宽度18＝450；
当图3结构的尺寸为：
结构22＝1080，结构23＝250，结构24＝1580，结构25＝1580；
扫描时，中心频率为30GHz。
此时反射系数仿真图为：
图4中显示的是该超宽带圆极化磁电偶极子天线的反射系数曲线，显示该天线在23.76-36.41GHz的频率范围内S11显著小于-10dB，高达42％的带宽宽度。
此时天线轴比仿真图为：
图5中显示的是该超宽带圆极化磁电偶极子天线的轴比曲线，是单辐射方向(Phi＝0deg，Theta＝0deg)上的轴比随频率变化的曲线图，显示该天线在25.16-31.47Ghz的频率范围内轴比AR小于3dB，为22％的轴比带宽。
图6中显示的是该超宽带圆极化磁电偶极子天线的增益曲线，是单辐射方向(Phi＝0deg，Theta＝0deg)上的增益随频率变化的曲线图，显示该天线单元在工作频段内，基本维持8dB左右的增益。
上述仅为一个例子，若想得到不同辐射频段的超宽带圆极化辐射天线，可以根据具体实施方式调整不同参数，如调整矩形辐射贴片尺寸来进行谐振频率偏移、调节贴片间距适配上述变化等。

Claims (5)

1.一种毫米波超宽带圆极化磁电偶极子天线，包括天线辐射体和馈电模块；其特征在于，所述天线辐射体包括上辐射层、下辐射层以及金属过孔；所述上辐射层和下辐射层均设置有两个矩形贴片，且在同一辐射层上的四个矩形贴片正投影分别位于方形的四个顶点；同一辐射层的两个辐射贴片位于方形的对角线上；其中一辐射层上的两个辐射贴片相邻端平面连接；
所述金属过孔与矩形贴片一一对应；所述金属过孔的顶端与对应的矩形贴片短接，底端与金属地连接；
所述馈电模块位于天线辐射体的下方，其主体为介质基板III，所述介质基板III的上表面设有金属地，所述金属地的中心设有馈电缝隙，且馈电缝隙位于天线辐射体的正下方；
所述介质基板III的下表面还贴有金属板；所述介质基板的其中三边缘均阵列有多个金属通孔，且金属过孔的顶端与金属地连接，金属过孔的底端与金属板连接。
2.根据权利要求1所述的一种毫米波超宽带圆极化磁电偶极子天线，其特征在于，在下辐射层，对角线上的两个矩形贴片的相邻端平面连接。
3.根据权利要求1所述的一种毫米波超宽带圆极化磁电偶极子天线，其特征在于，所述馈电缝隙平行于方形的其中一边。
4.根据权利要求1所述的一种毫米波超宽带圆极化磁电偶极子天线，其特征在于，每边缘的金属通孔均设有7个，且相邻边缘共用一个金属通孔；相对两边缘的每一相邻金属通孔间距均相同。
5.根据权利要求1所述的一种毫米波超宽带圆极化磁电偶极子天线，其特征在于，所述上辐射层的主体为介质基板I，下辐射层的主体为介质基板II；所述矩形贴片均为对应辐射层的上表面；
所述金属过孔位于贯穿介质基板II。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN121097389A (zh) * 2025-11-07 2025-12-09 中国电子科技集团公司第五十四研究所 一种Ka波段辐射模式叠加的宽带圆极化磁电偶极子天线

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