一种垂直极化双向辐射天线

本发明涉及一种微波通信器件，尤其涉及一种垂直极化双向辐射天线。

背景技术：

1、双向辐射天线是指在两个完全相反的方向上分别产生一个波束的天线，能够覆盖两个对称且相反的区域，与两个天线各自覆盖一个方向相比，减少了天线数量及馈电。垂直极化双向辐射天线是指保证自身极化方向垂直于大地且辐射出两个反向波束的天线，在传播中具有较低的传输损耗。在隧道、走廊及高速公路等狭长通信场景中，垂直极化双向辐射天线的增益决定了其覆盖距离。因此，设计一种垂直极化双向辐射天线具有较高的工程及研究价值，并且提高垂直极化双向辐射天线的增益对于工程应用非常重要。

2、现有垂直极化双向辐射天线主要有两种：第一种是利用四臂加载过孔的双层h型金属贴片构建一对槽模，实现垂直极化双向辐射；第二种利用双层贴片与两组过孔构建槽模，并利用上下层贴片引导槽模向两侧辐射，形成垂直极化双向辐射。上述两种方式实现了基础的垂直极化双向辐射，并没有基于驱动振子进一步提升增益，并且需要较高的金属柱支撑双层电路板，导致整体结构复杂、剖面高。因此，有必要探索具有增益增强效果的平面型垂直极化双向辐射天线。

技术实现思路

1、发明目的：针对上述现有技术，提出一种垂直极化双向辐射天线，实现增益增强功能，并且简化整体天线结构，降低剖面。

2、技术方案：一种垂直极化双向辐射天线，包括顶层金属结构、介质基板、底层金属结构、金属化过孔以及金属探针；

3、顶层金属结构包括中心开有第一圆形槽的第一矩形金属贴片、金属圆环及两列第一s型金属条带；两列第一s型金属条带对称位于第一矩形金属贴片的左右两侧；金属圆环的外径小于第一圆形槽的直径，金属圆环与第一圆形槽同心设置；

4、底层金属结构包括中心开有第二圆形槽的第二矩形金属贴片和两列第二s型金属条带；第二矩形金属贴片与第一矩形金属贴片外围轮廓对齐，第二s型金属条带与第一s型金属条带上下对齐；

5、金属化过孔包括金属化过孔一、金属化过孔二、金属化过孔三以及金属化过孔四；其中，两列金属化过孔一对称排列在第一矩形金属贴片的中心两侧，两排水平排列的金属化过孔二对称排列在第一矩形金属贴片的上下侧边缘，金属化过孔一和金属化过孔二连接第一矩形金属贴片与第二矩形金属贴片；各第二s型金属条带与正对的第一s型金属条带分别通过金属化过孔三连接，并且金属化过孔三位于各s型金属条带的中心位置；金属探针从底层金属结构中央穿过金属化过孔四，并与顶层金属圆环连接，形成馈电结构；

6、其中，第一矩形金属贴片、第二矩形金属贴片、介质基板、金属化过孔一及金属化过孔二组成半开放型双模谐振器，作为驱动振子；第一s型金属条带、第二s型金属条带、介质基板及金属化过孔三组成两列s型高折射率微单元。

7、进一步的，第一矩形金属贴片上下侧的宽边长度为0.63λ0-0.65λ0，左右两侧的窄边长度为0.47λ0-0.49λ0，每列第一s型金属条带与第一矩形金属贴片相邻窄边边缘距离为0.05λ0-0.07λ0，单个第一s型金属条带的总长度为0.29λ0-0.31λ0，同列中相邻第一s型金属条带间的间距为0.04λ0-0.08λ0，λ0为中心频率对应的空气波长。

8、进一步的，两列金属化过孔一与第一矩形金属贴片相邻窄边边缘的距离为0.13λ0-0.15λ0，金属化过孔一的直径为0.03λ0-0.05λ0；每列金属化过孔一中，上一半过孔与下一半过孔之间为长度在0.1λ0-0.12λ0之间的无孔区域。

9、进一步的，金属化过孔三的直径为0.004λ0-0.006λ0。

10、有益效果：现有的垂直极化双向辐射天线，仅实现基础的垂直极化双向辐射，并没有增益增强的功能，并且存在整体结构复杂、剖面高等问题。本发明将两列s型高折射率微单元均匀排布在半开放型双模谐振器两侧，利用s型高折射率微单元半波长偶模模式形成的宽频带高折射率覆盖半开放型双模谐振器的上下对称双模，使得半开放型双模谐振器产生的水平反向波束在垂直切平面上得到压缩聚拢，实现具有增益增强效果的垂直极化双向辐射天线，并且结构简单、剖面低。

11、具体的，每个s型高折射率单元由上下表面相同的s型金属条带以及位于s型金属条带中心的金属化过孔组成，通过半波长偶模模式工作，可以提取出高于基板折射率的高折射率频段，并能覆盖半开放型谐振器的双模工作频段，其中s型高折射率微单元的频率覆盖区间可由s型条带的总长度、宽度及水平条带之间的间隙调控。

12、当两列高折射率微单元对称设置于半开放型双模谐振器两侧，s型高折射率微单元与半开放型双模谐振器距离在0.05λ0-0.07λ0之间，同列s型高折射率微单元之间的间距在0.04λ0-0.08λ0之间，此时能够对半开放型谐振器的垂直极化双模信号对应的水平双向波束在垂直切平面上得到压缩聚拢，获得对天线的增益增强效果。

13、半开放型双模谐振器由上下层外轮廓相同的矩形金属贴片及两对π型金属化过孔组成，每个π型金属化过孔由一排水平金属化过孔和两列竖直金属化过孔组成，水平金属化过孔位于矩形金属贴片宽边边缘，竖直金属化过孔与矩形贴片窄边边缘的距离在0.13λ0-0.15λ0之间，每列金属化过孔一中上一半过孔与下一半过孔之间为长度在0.1λ0-0.12λ0之间的无孔区域；半开放型双模谐振器的两个模式具有在z方向上上下对称的垂直电场，都能形成沿水平方向的两个反向的垂直极化基础辐射波束。

14、金属探针从中间金属化过孔内穿过并跟顶层金属圆环连接组成馈电结构，整体位于天线中心，通过圆形槽耦合至外围矩形金属贴片，从而激励起半开放型双模谐振器的两个模式。

技术特征：

1.一种垂直极化双向辐射天线，其特征在于，包括顶层金属结构(1)、介质基板(2)、底层金属结构(3)、金属化过孔(4)以及金属探针(5)；

2.根据权利要求1所述的垂直极化双向辐射天线，其特征在于，第一矩形金属贴片(101)上下侧的宽边长度为0.63λ0-0.65λ0，左右两侧的窄边长度为0.47λ0-0.49λ0，每列第一s型金属条带(104)与第一矩形金属贴片(101)相邻窄边边缘距离为0.05λ0-0.07λ0，单个第一s型金属条带(104)的总长度为0.29λ0-0.31λ0，同列中相邻第一s型金属条带(104)间的间距为0.04λ0-0.08λ0，λ0为中心频率对应的空气波长。

3.根据权利要求2所述的垂直极化双向辐射天线，其特征在于，两列金属化过孔一(401)与第一矩形金属贴片(101)相邻窄边边缘的距离为0.13λ0-0.15λ0，金属化过孔一(401)的直径为0.03λ0-0.05λ0；每列金属化过孔一(401)中，上一半过孔与下一半过孔之间为长度在0.1λ0-0.12λ0之间的无孔区域。

4.根据权利要求2所述的垂直极化双向辐射天线，其特征在于，金属化过孔三(403)的直径为0.004λ0-0.006λ0。

技术总结
本发明公开了一种垂直极化双向辐射天线，现有的垂直极化双向辐射天线，仅实现基础的垂直极化双向辐射，并没有增益增强的功能，并且存在整体结构复杂、剖面高等问题。本发明将两列S型高折射率微单元均匀排布在半开放型双模谐振器两侧，利用S型高折射率微单元半波长偶模模式形成的宽频带高折射率覆盖半开放型双模谐振器的上下对称双模，使得半开放型双模谐振器产生的水平反向波束在垂直切平面上得到压缩聚拢，实现具有增益增强效果的垂直极化双向辐射天线，并且结构简单、剖面低。

技术研发人员：钱俊宏,施金,张威,徐凯,姜芮芮,张凌燕,郁梅
受保护的技术使用者：南通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15