技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明專利涉及一種電磁耦極子天線，尤其是用于移動通信系統(tǒng)的小型化無線天線。

背景技術(shù)：

移動通信技術(shù)的迅速發(fā)展和應(yīng)用，有力地推動了現(xiàn)代通信向小型化、集成化、多功能(多頻段、多極化和多用途)的方向發(fā)展。天線作為無線通信系統(tǒng)中最重要的部件之一，它的尺寸成為制約通信系統(tǒng)進(jìn)一步小型化的瓶頸之一，因而設(shè)計(jì)小型化、集成化、多功能天線己成為當(dāng)前天線界研究的重點(diǎn)。

國內(nèi)外在小型化多頻段天線方面有很多文獻(xiàn)，其中，《信息技術(shù)》在2011年12月25日刊登有一篇文章《小型化基站天線帶來的影響》最有代表性，該文主要介紹了一種可用于806～960MHz、1710～2170MHz和1710～2170MHz的三頻段基站天線，該天線的體積為：1340mm×380mm×100mm。但對于天線小型化要求日益提高的新型通信系統(tǒng)，該天線的體積仍然過大，需要進(jìn)一步研究小型化天線，特別是研究具有低輪廓特性的小型化天線，以便方便天線的架設(shè)和安裝。

《A Dual-Polarized Magneto-Electric Dipole With Dielectric Loading》是在IEEE TRANS ON AP,VOL.57,NO.3,MARCH 2009發(fā)表的一篇論文。該論文中電磁極子天線結(jié)構(gòu)如圖1所示，該結(jié)構(gòu)包括了一個常規(guī)電極子102以及一個L型的磁耦極子103，101為金屬地，104為射頻電信號通過SMA連接器的接口。

如圖1所示的天線雖然厚度較大，加工困難。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明實(shí)施例提供一種電磁耦極子天線，包括天線輻射單元和金屬地，天線輻射單元主要包括垂直電振子、水平磁振子，垂直電振子和水平磁振子一起構(gòu)成的電磁耦合結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種電磁耦極子天線，可用于無線通信系統(tǒng)，該天線體積較小，輪廓低，可覆蓋多個頻段也可以優(yōu)化覆蓋特定頻段。

本發(fā)明天線主要包括天線輻射單元、金屬地以及二者之間的電磁耦合結(jié)構(gòu)。

天線輻射單元包括垂直電振子組和水平磁振子組。所述垂直電振子和水平磁振子之間通過介質(zhì)實(shí)現(xiàn)電磁耦合；金屬地可以是平面地結(jié)構(gòu)也可以是其它非平面地結(jié)構(gòu)；

垂直電振子組主要包括n1個T形饋電結(jié)構(gòu)。每個T形饋電結(jié)構(gòu)由頂部加載的水平片狀導(dǎo)體結(jié)構(gòu)以及與其垂直電氣相連的金屬棒狀結(jié)構(gòu)組成。在具體實(shí)施中，垂直電振子數(shù)目n1以及棒狀結(jié)構(gòu)和片式結(jié)構(gòu)可以進(jìn)行優(yōu)化。

水平磁振子組包括若干個水平封閉平面金屬環(huán)狀結(jié)構(gòu)，或者由與上述環(huán)狀結(jié)構(gòu)相連的十字形導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)。其中每個水平磁振子主要包括一層或多層金屬導(dǎo)帶。其中的每層金屬導(dǎo)帶可由一個封閉平面金屬環(huán)組成，各層金屬導(dǎo)帶間可以包含介質(zhì)填充材料，可以通過金屬過孔電氣連接。

天線工作過程是，p1個激勵源通過加載在地板與T型結(jié)構(gòu)底部間的空間結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對電偶極子的電磁激勵，該T形饋電結(jié)構(gòu)的片狀部分通過介質(zhì)與水平磁振子進(jìn)行電磁耦合，通過上述二者的聯(lián)合作用，實(shí)現(xiàn)電磁振子的電磁能量輻射。

上述發(fā)明所涉及的小型化電磁耦極子天線，其邏輯示意圖如圖10所示。

本發(fā)明天線低輪廓的機(jī)理：由電磁場的二重性原理可知，良導(dǎo)體平面上方水平磁極子的鏡像磁流與該水平磁極子磁流(簡稱源磁流)方向相同，因此，它在激勵源所在半空間產(chǎn)生的電磁場可由源磁流及其鏡像磁流所組成的2元陣表征，當(dāng)該2元陣的間距小于半波長時，即磁極子與良導(dǎo)體間距小于四分之一波長，上述陣列產(chǎn)生的電磁場是增強(qiáng)性疊加的。因此，在良導(dǎo)體上方采用水平磁極子，可以實(shí)現(xiàn)低輪廓。

本發(fā)明天線寬帶的機(jī)理是：由若干個水平封閉平面金屬環(huán)或者由與上述環(huán)狀結(jié)構(gòu)相連的十字形導(dǎo)帶構(gòu)成的水平磁振子是一個多模輻射器，多模輻射器的每1個輻射模式都有1個諧振頻率與之對應(yīng)。其中，水平磁振子的金屬環(huán)周長的一半長度對應(yīng)于本輻射器的最低諧振頻率；而與上述環(huán)狀結(jié)構(gòu)相連的十字形導(dǎo)帶長度的一半對應(yīng)于本輻射器的最高諧振頻率；因此，本發(fā)明的水平磁振子能實(shí)現(xiàn)寬頻段電磁輻射。另一方面，垂直電振子可視為其頂部電磁加載的單極子天線，用于傳輸和輻射電磁波。由于加載效應(yīng)明顯，因此垂直電振子與水平磁振子之間的電磁耦合是該天線內(nèi)部能量傳輸?shù)闹饕蛩?，該電磁耦合同時也在垂直電振子與水平磁振子之間起著阻抗變化的作用，因而展寬了該天線的阻抗帶寬。

本發(fā)明天線+-45度雙極化機(jī)理：本發(fā)明采用了以幾何中心點(diǎn)為對稱中心、水平方向角度依次相差90度的4個端口饋電結(jié)構(gòu)，同時采用對角端口為一組差分激勵端口對的激勵方式，保證了+-45度雙極化的電磁波輻射。

本發(fā)明天線保形能力機(jī)理：為了進(jìn)一步增加輻射單元的方向圖頻率帶寬，即增加輻射單元的方向圖保形能力，采用了在八邊形金屬環(huán)的頂層加具有中心圓孔的八邊形金屬貼片，從而使原來被限制在八邊形金屬環(huán)面的電流路徑增加為八邊形金屬環(huán)面電流路徑和八邊形金屬貼片電流路徑，從而增加了輻射單元表面電流的流動路徑數(shù)目，促進(jìn)了天線方向圖對不同頻率的保形能力提升。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的類似方案。

圖1是現(xiàn)有技術(shù)電磁極子天線示意圖。

圖2是實(shí)施例的電磁耦極子天線物理示意圖。

圖3是實(shí)施例的垂直電振子示意圖。

圖4是實(shí)施例的水平磁振子去除上層金屬導(dǎo)帶的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5是實(shí)施例的水平磁振子的上層金屬導(dǎo)帶示意圖。

圖6是實(shí)施例的電磁耦極子天線駐波比曲線。

圖7是實(shí)施例的電磁耦極子天線在1.8GHz時的增益方向圖。

圖8是實(shí)施例的電磁耦極子天線在2.1GHz時的增益方向圖。

圖9是實(shí)施例的電磁耦極子天線在2.4GHz時的增益方向圖。

圖10是電磁耦極子天線工作原理示意圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種電磁耦極子天線，可用于基站等無線通信系統(tǒng)，該天線的體積可以縮小到：65mm×65mm×23mm，可覆蓋1.8GHz、2.1GHz、2.4GHz等多個頻段。

由圖2所示，本發(fā)明的一個實(shí)施例包括天線輻射單元210和金屬地220兩部分。天線輻射單元210包括垂直電振子組230、水平磁振子組240。垂直電振子組230和水平磁振子組240構(gòu)成電磁耦合結(jié)構(gòu)250。

金屬地220為一個正方形平面結(jié)構(gòu)，尺寸可以為150mm×150mm×1mm。

圖3所示為4個垂直電振子組成的垂直電振子組。每個垂直電振子為一個T型結(jié)構(gòu)330，T型結(jié)構(gòu)330由頂部加載的水平片狀導(dǎo)體結(jié)構(gòu)331以及與其垂直電氣相連的金屬棒狀結(jié)構(gòu)332組成，實(shí)施例中金屬棒狀結(jié)構(gòu)332可以為半徑為1.29mm的圓柱體，其高度為17.6mm。片狀導(dǎo)體結(jié)構(gòu)331可以為半徑5.3mm厚為0.5mm的圓盤。

由圖4所示，水平磁振子為水平封閉平面金屬環(huán)狀結(jié)構(gòu)。圖中僅示出了水平磁振子的一個八邊形的金屬環(huán)441和下層金屬導(dǎo)帶442。下層金屬導(dǎo)帶442為十字形狀。金屬環(huán)441的外徑為27.4mm和寬度為3.64mm。

由圖5所示，水平磁振子的上層金屬導(dǎo)帶543，也是十字形導(dǎo)帶。上層金屬導(dǎo)帶543的末端為過孔544，通過過孔544與金屬環(huán)441構(gòu)成電氣連接。參考圖2，在上述兩層金屬導(dǎo)帶之間填充有介電常數(shù)為2.55的介質(zhì)材料。

本實(shí)施例電磁耦極子天線的駐波比：S11參數(shù)曲線如附圖6所示，在1.8GHz、2.1GHz、2.4GHz等核心頻點(diǎn)上均低于-10dB通過饋電網(wǎng)絡(luò)可以調(diào)整到-14以下,滿足宏蜂窩基站天線的需求。

圖7、圖8和圖9分別上述天線的1.8GHz、2.1GHz、2.4GHz的增益方向圖。

如圖10為另一實(shí)施例電磁耦極子天線工作原理示意圖。垂直電振子組1030主要包括n₁個T型結(jié)構(gòu)。在具體實(shí)施中，垂直電振子數(shù)目n₁可以有適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。金屬棒狀結(jié)構(gòu)和水平片狀導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形狀可以有適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

水平磁振子組1040可以包括一個金屬環(huán)和一個金屬導(dǎo)帶，金屬導(dǎo)帶為十字形。其中的金屬環(huán)可以由一層金屬構(gòu)成，也可以由多層金屬構(gòu)成，各層金屬間可以包含有介質(zhì)填充材料。一個金屬導(dǎo)帶可以只包括一層金屬，也可以有兩層金屬，甚至多層金屬，導(dǎo)帶的各層金屬間可以包含介質(zhì)填充材料。金屬導(dǎo)帶和金屬環(huán)通過過孔電氣連接。

水平磁振子組也可以由多個水平封閉平面金屬環(huán)狀結(jié)構(gòu)構(gòu)成。

所述垂直電振子和水平磁振子之間通過介質(zhì)實(shí)現(xiàn)電磁耦合。金屬地可以是平面結(jié)構(gòu)也可以是其它非平面結(jié)構(gòu)。

天線工作過程如下：p₁個激勵源通過加載在金屬地1020與T型結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對電耦極子的電磁激勵，該T型結(jié)構(gòu)的水平片狀導(dǎo)體結(jié)構(gòu)通過介質(zhì)與水平磁振子進(jìn)行電磁耦合，通過上述二者的聯(lián)合作用，實(shí)現(xiàn)電磁振子的電磁能量輻射。

本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解，本文中所公開的結(jié)構(gòu)僅為示例性質(zhì)。除了上述例舉的內(nèi)容之外，根據(jù)具體應(yīng)用場合的需要，所述結(jié)構(gòu)可以有適當(dāng)變動。專業(yè)技術(shù)人員可以對每個特定的應(yīng)用來使用不同結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，但是這種實(shí)現(xiàn)不應(yīng)認(rèn)為超出本發(fā)明的范圍。

盡管已示出和描述了本發(fā)明的一些實(shí)施例，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下，可對這些實(shí)施例進(jìn)行各種修改，這樣的修改應(yīng)落入本發(fā)明的范圍內(nèi)。