一种可切换的宽带环形磁电偶极子阵列天线及其设计方法

本发明涉及射频通信，更具体的说是涉及一种可切换的宽带环形磁电偶极子阵列天线及其设计方法。

背景技术：

1、在现代无线通信中，固定波束或方向图单一的天线难以与移动用户提供稳定的通信，因此通常需要多波束和波束可切换的天线。多波束天线可以产生多个预定方向的波束，覆盖不同的空间覆盖区域或用户，可以在很大程度上减少多径衰落现象，使无线电波在空间的覆盖更加稳定。此外，由于避免了其他网络的干扰，具有较高的信噪比和传输速率，这对无线通信非常有利。随着智慧城市和智能家居的快速发展和兴起，对多波束转向天线的需求也愈来愈高。另一方面，宽带通信技术也因其能提高通信速率、扩大通信容量等优点而受到广泛关注和需求，而电磁偶极子作为一种典型的宽带天线，因其具有增益稳定、交叉极化低、后向辐射小等优点，近年来受到了研究人员的广泛研究。

2、截至目前，基于磁电偶极子的研究主要集中在宽带宽、多极化、高增益天线阵列、毫米波及太赫兹磁电偶极子、多波束相控阵等，对于单个单元天线同时具有宽带和多波束特性研究的较少。另一方面，传统的磁电偶极子辐射方向图主要为边射或者端射，对于具有倾斜辐射方向图的磁电偶极子天线研究的较少。本发明正是针对目前通信系统日益增长的宽带化、多功能性需求，设计出一款具有天然倾斜波束的宽带磁电偶极子天线单元，通过不同端口切换，可以实现不同方位角的波束覆盖，实现四波束切换，并总结了相应种类磁电偶极子天线的设计方法。

3、因此，提出一种可切换的宽带环形磁电偶极子阵列天线及其设计方法，来解决现有技术存在的困难，是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种可切换的宽带环形磁电偶极子阵列天线及其设计方法，用于解决现有技术中存在的技术问题。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种可切换的宽带环形磁电偶极子阵列天线，包括：位于顶部的顶层介质基板，顶层介质基板上表面设有环形金属贴片和四个设在周围边界处的顶层金属条带，下表面设有四个环形缝隙的金属板；八个垂直贯穿顶部和顶部介质的垂直金属通孔；位于底部的底层介质基板，底层介质基板的下表面设有四个设在周围边界处的底层金属条带和四条设在周围边界处的金属馈线；与四条金属馈线连接的第一馈电端口、第二馈电端口、第三馈电端口、第四馈电端口作为天线的输入端口。

4、可选的，还包括：用于粘合顶层介质基板和底层介质基板的粘合层；位于顶层介质基板和底层介质基板四周的金属侧壁，底层金属条带与金属侧壁连接。

5、可选的，垂直贯穿顶部和顶部介质的垂直金属通孔，内圈四个金属通孔底端与金属馈线连接，顶端与环形金属贴片连接；四条金属馈线的末端与第一馈电端口、第二馈电端口、第三馈电端口、第四馈电端口的内导体相连，作为天线的馈电部分；外圈四个金属通孔用于构造磁电偶极子部分将天线的阻抗带宽进行展宽，外圈四个金属通孔和顶层介质基板下表面的金属板构成四个不同位置放置的磁电偶极子。

6、可选的，顶层介质基板上表面的环形金属贴片与底层介质基板的下表面的金属馈线通过内圈的四个金属通孔连接。

7、可选的，底层介质基板为金属馈线的馈电结构，通过内圈四个金属通孔将底层介质基板下表面的金属馈线与顶层介质基板上表面的环形金属贴片连接，从而将射频信号馈入，使天线正常工作。

8、可选的，顶层介质基板上表面的环形金属贴片和垂直贯穿顶部和顶部介质的垂直金属通孔共同构成磁电偶极子，作为天线的辐射结构。

9、可选的，环形金属贴片的数量为一个，其具有高度的旋转对称性，在不同端口馈电时，可以等效构成不同位置放置的磁电偶极子。

10、可选的，底层介质基板下表面的四条金属馈线的末端焊接有第一馈电端口、第二馈电端口、第三馈电端口、第四馈电端口，激励其中的一个端口时，其他三个端口接入匹配负载吸收多余的能量减少不必要的反射，每个端口单独激励时，天线可等效为两对磁电偶极子天线共同作用产生一定方位角指向的倾斜波束。

11、一种可切换的宽带环形磁电偶极子阵列天线的设计方法，应用上述任一项的一种可切换的宽带环形磁电偶极子阵列天线，包括以下步骤：

12、s1、构建具有天然倾斜波束辐射的磁电偶极子天线单元；

13、s2、通过引入多个等效磁电偶极子天线单元构成互补源阵列天线，作为天线的辐射结构，并将阻抗带宽有效展宽；

14、s3、通过合适的馈电结构并优化结构参数使阻抗匹配达到最佳；

15、s4、通过不同端口的切换，实现不同方位角的倾斜波束。

16、一种通信设备，应用上述任一项的一种可切换的宽带环形磁电偶极子阵列天线，通信设备为射频通信设备。

17、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种可切换的宽带环形磁电偶极子阵列天线及其设计方法，其有益效果为：

18、1)本发明结构简单，仅需端口切换即可实现四波束的切换，并且具有超过50％的带宽，解决传统方案采取宽带二维多波束天线复杂度高、结构复杂、成本高等问题，适用于宽带多用户通信；

19、2)本发明相较于传统具有端射或者边射特性的磁电偶极子，提出了一种产生倾斜波束辐射磁电偶极子的方法，并通过端口切换实现宽带多波束辐射特性的实现；

20、3)本发明具有普适性，任何基于该馈电结构的具有倾斜波束的等效电偶极子天线均可通过本发明的设计方法实现带宽的展宽和波束的切换；

21、4)本发明是传统的pcb加工工艺，成本低，天线可靠性强，适合大规模产业化加工。

技术特征：

1.一种可切换的宽带环形磁电偶极子阵列天线，其特征在于，包括：位于顶部的顶层介质基板(5)，顶层介质基板(5)上表面设有环形金属贴片(1)和四个设在周围边界处的顶层金属条带(3)，下表面设有四个环形缝隙的金属板(6)；八个垂直贯穿顶部和顶部介质的垂直金属通孔(4)；位于底部的底层介质基板(8)，底层介质基板(8)的下表面设有四个设在周围边界处的底层金属条带(9)和四条设在周围边界处的金属馈线(10)；与四条金属馈线(10)连接的第一馈电端口(11)、第二馈电端口(12)、第三馈电端口(13)、第四馈电端口(14)作为天线的输入端口。

2.根据权利要求1所述的一种可切换的宽带环形磁电偶极子阵列天线，其特征在于，还包括：用于粘合顶层介质基板(5)和底层介质基板(8)的粘合层(7)；位于顶层介质基板(5)和底层介质基板(8)四周的金属侧壁(2)，底层金属条带(9)与金属侧壁(2)连接。

3.根据权利要求1所述的一种可切换的宽带环形磁电偶极子阵列天线，其特征在于，垂直贯穿顶部和顶部介质的垂直金属通孔(4)，内圈四个金属通孔(4)底端与金属馈线(10)连接，顶端与环形金属贴片(1)连接；四条金属馈线(10)的末端与第一馈电端口(11)、第二馈电端口(12)、第三馈电端口(13)、第四馈电端口(14)的内导体相连，作为天线的馈电部分；外圈四个金属通孔(4)用于构造磁电偶极子部分将天线的阻抗带宽进行展宽，外圈四个金属通孔(4)和顶层介质基板(5)下表面的金属板(6)构成四个不同位置放置的磁电偶极子。

4.根据权利要求3所述的一种可切换的宽带环形磁电偶极子阵列天线，其特征在于，顶层介质基板(5)上表面的环形金属贴片与底层介质基板(8)的下表面的金属馈线(10)通过内圈的四个金属通孔(4)连接。

5.根据权利要求1所述的一种可切换的宽带环形磁电偶极子阵列天线，其特征在于，底层介质基板(8)为金属馈线(10)的馈电结构，通过内圈四个金属通孔(4)将底层介质基板(8)下表面的金属馈线(10)与顶层介质基板(5)上表面的环形金属贴片(1)连接，从而将射频信号馈入，使天线正常工作。

6.根据权利要求1所述的一种可切换的宽带环形磁电偶极子阵列天线，其特征在于，顶层介质基板(5)上表面的环形金属贴片(1)和垂直贯穿顶部和顶部介质的垂直金属通孔(4)共同构成磁电偶极子，作为天线的辐射结构。

7.根据权利要求1所述的一种可切换的宽带环形磁电偶极子阵列天线，其特征在于，环形金属贴片(1)的数量为一个，其具有高度的旋转对称性，在不同端口馈电时，可以等效构成不同位置放置的磁电偶极子。

8.根据权利要求1所述的一种可切换的宽带环形磁电偶极子阵列天线，其特征在于，底层介质基板(8)下表面的四条金属馈线(10)的末端焊接有第一馈电端口(11)、第二馈电端口(12)、第三馈电端口(13)、第四馈电端口(14)，激励其中的一个端口时，其他三个端口接入匹配负载吸收多余的能量减少不必要的反射，每个端口单独激励时，天线可等效为两对磁电偶极子天线共同作用产生一定方位角指向的倾斜波束。

9.一种可切换的宽带环形磁电偶极子阵列天线的设计方法，应用上述权利要求1-8任一项所述的一种可切换的宽带环形磁电偶极子阵列天线，其特征在于，包括以下步骤：

10.一种通信设备，应用上述权利要求1-8任一项所述的一种可切换的宽带环形磁电偶极子阵列天线，其特征在于：通信设备为射频通信设备。

技术总结
本发明公开了一种可切换的宽带环形磁电偶极子阵列天线及其设计方法，应用于射频通信技术领域。包括：位于顶部的顶层介质基板，顶层介质基板上表面设有环形金属贴片和四个设在周围边界处的顶层金属条带，下表面设有四个环形缝隙的金属板；垂直贯穿顶部和顶部介质的垂直金属通孔；位于底部的底层介质基板，底层介质基板的下表面设有四个设在周围边界处的底层金属条带和四条设在周围边界处的金属馈线；与四条金属馈线连接的四个端口作为天线的输入端口。本发明可以等效为四个电偶极子和四个磁偶极子，当分别激励四个不同端口时，靠近馈电位置的两对磁电偶极子共同作用，可以产生一个方位面上的倾斜波束，通过四个端口切换，从而实现二维四波束切换。

技术研发人员：王均宏,郑伟
受保护的技术使用者：北京交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14