一种基于奇模和偶模融合的双极化偶极子天线

1.本发明涉及移动通信技术领域，具体是一种基于奇模和偶模融合的双极化偶极子天线。


背景技术：

2.偶极子天线是无线电通信中使用最早、结构最简单、应用最广泛的一类天线。它由一对对称放置的导体(也称为“偶极子臂”)构成，导体相互靠近的两端分别与馈电线相连。偶极子天线的臂的直径远小于工作波长及其臂长，偶极子天线的臂可以是一对对称的细金属管，或者是一对对称的微带线等。常见偶极子天线的臂长为半个波长(0.5λ，λ为偶极子工作频段的中心频率对应的自由空间波长)，它可以谐振在奇模模式，即谐振在0.5λ、1.5λ、2.5λ等对应的频点，但是它无法在1λ、2λ、3λ等偶模模式对应的频点产生谐振。关于偶极子天线奇模、偶模的相关知识可以参考“bing xiao,hang wong,min li,bo wang and kwan l.yeung.dipole antenna with both odd and even modes excited and tuned[j].ieee transactions on antennas and propagation,70(3):1643～1652,2022”一文。
[0003]
偶极子的带宽主要由偶极子臂的粗细或宽度决定，一定范围内，偶极子臂越粗或越宽，偶极子带宽越大，比如，文献“zengdi bao,zaiping nie and xianzheng zong.a novel broadband dual-polarization antenna utilizing strong mutual coupling[j].ieee transactions on antennas and propagation,62(1):450～454,2014”提出了一种双极化偶极子天线，每个偶极子的臂均为边长23.8mm(0.18λ)的方环(由于偶极子边缘效应，单个偶极子臂的长度小于0.25λ，整个偶极子长度小于0.5λ)，方环结构相当于增加了偶极子的辐射面积，使得天线带宽增大，接着，将上述两个具有方环形臂的偶极子交叉放置，利用相邻两个偶极子臂之间的耦合，天线带宽进一步展宽，最终，该天线可覆盖1.7-2.7ghz频段。再比如，申请号为201580002401.3的发明专利“一种多频通信天线以及基站”，其主辐射体同样由两个相互交叉的偶极子组成，每个偶极子的臂均为类方环结构，该天线具体尺寸虽未给出，但根据半波偶极子基础理论可知，该天线每一个辐射体臂的边长大约为0.15～0.25λ，再结合几何知识，可估算出单个偶极子长度约为0.42～0.79λ，单个偶极子宽度约为0.21～0.35λ。
[0004]
现亟需一种小型化、具有较宽带宽的双极化偶极子天线。


技术实现要素：

[0005]
为克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于奇模和偶模融合的双极化偶极子天线，解决现有技术存在的难以实现同时满足小型化且能具有较宽带宽的双极化偶极子天线等问题。
[0006]
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：
[0007]
一种基于奇模和偶模融合的双极化偶极子天线，包括介质板、第一偶极子、第二偶极子，第一偶极子印制在介质板的上表面，第二偶极子印制在介质板的下表面，第一偶极子
与第二偶极子相互垂直。
[0008]
作为一种优选的技术方案，第一偶极子包括第一馈电点、连接于第一馈电点一端的第一辐射臂、连接于第一馈电点另一端的第二辐射臂；第二偶极子包括第二馈电点、连接于第二馈电点一端的第三辐射臂、连接于第二馈电点另一端的第四辐射臂。
[0009]
作为一种优选的技术方案，第一辐射臂包括第一窄矩形微带、第一宽矩形微带，第二辐射臂包括第二窄矩形微带、第二宽矩形微带，第一宽矩形微带、第一窄矩形微带、第一馈电点、第二窄矩形微带、第二宽矩形微带依次连接；第三辐射臂包括第三窄矩形微带、第三宽矩形微带，第四辐射臂包括第四窄矩形微带、第四宽矩形微带，第三宽矩形微带、第三窄矩形微带、第二馈电点、第四窄矩形微带、第四宽矩形微带依次连接。
[0010]
作为一种优选的技术方案，还包括第一矩形耦合条，第一宽矩形微带、第一窄矩形微带、第一馈电点、第二窄矩形微带、第二宽矩形微带合围形成一个矩形缝隙，第一矩形耦合条设于该矩形缝隙内，第一矩形耦合条、第一辐射臂、第二辐射臂合围构成第一u字型缝隙；还包括第二矩形耦合条，第三宽矩形微带、第三窄矩形微带、第二馈电点、第四窄矩形微带、第四宽矩形微带合围形成另一个矩形缝隙，第二矩形耦合条设于该矩形缝隙内，第二矩形耦合条、第三辐射臂、第四辐射臂合围构成第二u字型缝隙。
[0011]
作为一种优选的技术方案，第一u字型缝隙、第二u字型缝隙的宽度范围均为0.1mm～2mm。
[0012]
作为一种优选的技术方案，第一偶极子、第二偶极子的长度范围均为52mm～67mm，第一偶极子、第二偶极子的宽度范围均为6mm～10mm。
[0013]
作为一种优选的技术方案，第一馈电点偏离第一偶极子几何中心点的距离为3mm～13mm，第二馈电点偏离第二偶极子几何中心点的距离为3mm～13mm。
[0014]
作为一种优选的技术方案，介质板的介电常数为1～20。
[0015]
作为一种优选的技术方案，介质板的厚度为0.5mm～3mm。
[0016]
作为一种优选的技术方案，介质板为fr-4介质板。
[0017]
本发明相比于现有技术，具有以下有益效果：
[0018]
本发明将传统半波长偶极子居于中心位置的馈电点进行平移，激发出偶模模式(1λ)，产生工作在偶模模式的谐振点，上述谐振点在组成双极化天线后向低频移动，与偶极子本身的奇模模式(0.5λ)融合，扩展了天线带宽；通过在偶极子臂上刻凹形槽，并在槽内设置耦合条带，削弱了非激励端口对应的偶极子臂上的感应电流，提高了双极化偶极子在偶模谐振点附近的端口隔离度。上述双极化天线可覆盖1.7-2.7ghz，带内隔离度保持在31.7db以上，单个偶极子长度为0.43λ，宽度仅为0.056λ。
附图说明
[0019]
图1是本发明实施例的整体结构示意图；
[0020]
图2为本发明第一偶极子的结构示意图；
[0021]
图3为本发明第二偶极子的结构示意图；
[0022]
图4是本发明实施例的技术演进示意图；
[0023]
图5是图4中天线1～2对应的s参数曲线图；
[0024]
图6是图4中天线3～4对应的s参数曲线图；
[0025]
图7是本发明在xoz面的方向图；
[0026]
图8是本发明在yoz面的方向图。
[0027]
附图中标记及其相应的名称：1-介质板、2-第一偶极子、21-第一辐射臂、22-第二辐射臂、23-第一矩形耦合条、24-第一u字型缝隙、25-第一馈电点、3-第二偶极子、31-第三辐射臂、32-第四辐射臂、33-第二矩形耦合条、34-第二u字型缝隙、35-第二馈电点。
具体实施方式
[0028]
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
[0029]
在下面的描述中对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0030]
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0031]
实施例1
[0032]
如图1至图8所示，本发明的目的是提出基于奇模和偶模融合的小型宽带双极化偶极子天线，首先，利用偶极子馈电点的偏移，激发偶极子的偶模模式，其次，将其旋转90度，与原来的偏馈偶极子组成双极化天线，偶模模式对应的谐振点向低频移动，最后，在偶极子臂合适的位置刻蚀凹槽，在槽中设置耦合条，削弱双极化偶极子端口之间的隔离度。
[0033]
基于奇模和偶模融合的小型宽带双极化偶极子天线，如图1所示，包括介质板1、第一偶极子2以及第二偶极子3，第一偶极子2印制在介质板1的上表面，第二偶极子3印制在介质板1的下表面。第一偶极子2与第二偶极子3空间上相互垂直。本实施例中，介质板1采用相对介电常数为4.4、厚度为1.6mm的fr4板材，介质板1的介电常数以及厚度可根据实际需要进行选择。
[0034]
所述第一偶极子2包括第一辐射臂21、第二辐射臂22、第一矩形耦合条23、第一u字型缝隙24和第一馈电点25。第一馈电点25是在仿真软件中设置的馈电端口，它模拟了同轴线馈电结构，在实际制作过程中，同轴线的内芯与第一辐射臂21相连，同轴线的外芯与第二辐射臂22相连。第一辐射臂21由一段较窄的矩形微带和一段较宽的矩形微带组成，第二辐射臂22也由一段较窄的矩形微带和一段较宽的矩形微带组成，第一辐射臂21较窄的矩形微带和第二辐射臂22较窄的矩形微带，与第一辐射臂21较宽的矩形微带和第二辐射臂22较宽的矩形微带围成了一个矩形区域，在矩形区域中，设置了第一矩形耦合条23，第一矩形耦合条23与第一辐射臂21和第二辐射臂22之间形成了第一u字型缝隙24。
[0035]
所述第二偶极子3包括第三辐射臂31、第四辐射臂32、第二矩形耦合条33、第二u字型缝隙34和第二馈电点35。其结构尺寸与第一偶极子2相同。
[0036]
第一偶极子2和第二偶极子3的长度为58mm(0.43λ)，宽度为7.5mm(0.056λ)；第一u字型缝隙24和第二u字型缝隙34的宽度为0.3mm，其大小不仅对天线反射系数(|s
11
|)有影响，还对端口之间的隔离度(|s
21
|)有影响。研究人员可根据指标要求对上述结构及尺寸进行调整。
[0037]
为了说明天线的工作原理，图4给出了该天线的技术演进示意图，天线1是中心馈电的单极化偶极子，天线2是馈电点偏移的单极化偶极子，天线3是在天线2的基础上，在介质板背面增加了一个旋转了90度的偶极子得到的，天线4是本实施例。图5给出了图4中天线1～2对应的|s
11
|曲线，由图5可知，天线1在|s
11
|＜-10db时，仅有1.8ghz一个谐振点，对应的是偶极子奇模(0.5λ)，此时偶极子的偶模(1λ)无法被激励；通过将馈电点偏移，天线2不但在1.8ghz产生了谐振，还在2倍于奇模频点的位置，即3.6ghz产生了谐振，此时，偶极子的奇模和偶模被同时激发。图6给出了图4中天线3～4对应的|s
11
|、|s
21
|曲线，由图可知，在天线2的基础上形成双极化天线3以后，由于两个极化天线之间的耦合，偶模模式对应的频点向低频段移动，移动至2.4ghz左右，不过此时两个偶极子之间的端口隔离度非常差，尤其在2.4ghz，端口隔离度仅为7db，这说明虽然耦合能够使偶模模式对应的谐振点向低频移动，但是其生成的耦合电流无法在非激励端口得到抵消，导致端口隔离度小。于是，我们在偶极子臂上刻凹形槽，在槽中设置第一矩形耦合条23和第二矩形耦合条33，提高了双极化偶极子端口之间的隔离度，如图6所示，天线4不但能覆盖1.7～2.7ghz频段，而且第一馈电点25和第二馈电点35之间的隔离度可提升至31.7db以上。
[0038]
图7和8分别给出了该天线在xoz面和yoz面的方向图，从图7、图8中可以看出，该天线在yoz面可以全向辐射，在xoz面方向图类似“8”字形，符合偶极子方向图特征，辐射性能良好。
[0039]
上述实施例在yoz面方向图为全向，研究人员亦可以在距离该天线约四分之一波长的位置放置金属反射地面，形成定向辐射。
[0040]
本发明的有益效果是，一种基于奇模和偶模融合的小型宽带双极化偶极子天线，将传统半波长偶极子居于中心位置的馈电点进行平移，激发出偶模模式(1λ)，产生工作在偶模模式的谐振点，上述谐振点在组成双极化天线后向低频移动，与偶极子本身的奇模模式(0.5λ)融合，扩展了天线带宽；通过在偶极子臂上刻凹形槽，并在槽内设置耦合条带，削弱了非激励端口对应的偶极子臂上的感应电流，提高了双极化偶极子在偶模谐振点附近的端口隔离度。上述双极化天线可覆盖1.7-2.7ghz，带内隔离度保持在31.7db以上，单个偶极子长度为0.43λ，宽度仅为0.056λ。
[0041]
如上所述，可较好地实现本发明。
[0042]
本说明书中所有实施例公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。
[0043]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于奇模和偶模融合的双极化偶极子天线，其特征在于，包括介质板(1)、第一偶极子(2)、第二偶极子(3)，第一偶极子(2)印制在介质板(1)的上表面，第二偶极子(3)印制在介质板(1)的下表面，第一偶极子(2)与第二偶极子(3)相互垂直。2.根据权利要求1所述的一种基于奇模和偶模融合的双极化偶极子天线，其特征在于，第一偶极子(2)包括第一馈电点(25)、连接于第一馈电点(25)一端的第一辐射臂(21)、连接于第一馈电点(25)另一端的第二辐射臂(22)；第二偶极子(3)包括第二馈电点(35)、连接于第二馈电点(35)一端的第三辐射臂(31)、连接于第二馈电点(35)另一端的第四辐射臂(32)。3.根据权利要求2所述的一种基于奇模和偶模融合的双极化偶极子天线，其特征在于，第一辐射臂(21)包括第一窄矩形微带(211)、第一宽矩形微带(212)，第二辐射臂(22)包括第二窄矩形微带(221)、第二宽矩形微带(222)，第一宽矩形微带(212)、第一窄矩形微带(211)、第一馈电点(25)、第二窄矩形微带(221)、第二宽矩形微带(222)依次连接；第三辐射臂(31)包括第三窄矩形微带(311)、第三宽矩形微带(312)，第四辐射臂(32)包括第四窄矩形微带(321)、第四宽矩形微带(322)，第三宽矩形微带(312)、第三窄矩形微带(311)、第二馈电点(35)、第四窄矩形微带(321)、第四宽矩形微带(322)依次连接。4.根据权利要求3所述的一种基于奇模和偶模融合的双极化偶极子天线，其特征在于，还包括第一矩形耦合条(23)，第一宽矩形微带(212)、第一窄矩形微带(211)、第一馈电点(25)、第二窄矩形微带(221)、第二宽矩形微带(222)合围形成一个矩形缝隙，第一矩形耦合条(23)设于该矩形缝隙内，第一矩形耦合条(23)、第一辐射臂(21)、第二辐射臂(22)合围构成第一u字型缝隙(24)；还包括第二矩形耦合条(33)，第三宽矩形微带(312)、第三窄矩形微带(311)、第二馈电点(35)、第四窄矩形微带(321)、第四宽矩形微带(322)合围形成另一个矩形缝隙，第二矩形耦合条(33)设于该矩形缝隙内，第二矩形耦合条(33)、第三辐射臂(31)、第四辐射臂(32)合围构成第二u字型缝隙(34)。5.根据权利要求4所述的一种基于奇模和偶模融合的双极化偶极子天线，其特征在于，第一u字型缝隙(24)、第二u字型缝隙(34)的宽度范围均为0.1mm～2mm。6.根据权利要求1所述的一种基于奇模和偶模融合的双极化偶极子天线，其特征在于，第一偶极子(2)、第二偶极子(3)的长度范围均为52mm～67mm，第一偶极子(2)、第二偶极子(3)的宽度范围均为6mm～10mm。7.根据权利要求2所述的一种基于奇模和偶模融合的双极化偶极子天线，其特征在于，第一馈电点(25)偏离第一偶极子(2)几何中心点的距离为3mm～13mm，第二馈电点(35)偏离第二偶极子(3)几何中心点的距离为3mm～13mm。8.根据权利要求1至7任一项所述的一种基于奇模和偶模融合的双极化偶极子天线，其特征在于，介质板(1)的介电常数为1～20。9.根据权利要求8所述的一种基于奇模和偶模融合的双极化偶极子天线，其特征在于，介质板(1)的厚度为0.5mm～3mm。10.根据权利要求9所述的一种基于奇模和偶模融合的双极化偶极子天线，其特征在于，介质板(1)为fr-4介质板。

技术总结
本发明涉及移动通信技术领域，公开了一种基于奇模和偶模融合的双极化偶极子天线，包括介质板、第一偶极子、第二偶极子，第一偶极子印制在介质板的上表面，第二偶极子印制在介质板的下表面，第一偶极子与第二偶极子相互垂直。本发明解决了现有技术存在的难以实现同时满足小型化且能具有较宽带宽的双极化偶极子天线等问题。线等问题。线等问题。


技术研发人员：黄河 李博 李小平 刘彦明
受保护的技术使用者：西安电子科技大学
技术研发日：2023.04.17
技术公布日：2023/7/25