一种基于磁电偶极子的宽频带平稳高增益天线
阅读说明：本技术 一种基于磁电偶极子的宽频带平稳高增益天线 (Broadband stable high-gain antenna based on magnetoelectric dipole ) 是由 唐杰 周鑫 马若炎 罗乾峪 王杏林 于 2021-11-26 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于磁电偶极子的宽频带平稳高增益天线。所述天线包括反射装置、Г型馈电结构、通孔、垂直磁偶极子、水平电偶极子和固定板；Г型馈电结构和两个固定板设置在反射装置上,Г型馈电结构设置在反射装置上表面,两个固定板设置在Г型馈电结构两侧；两个固定板上均设置有一个水平电偶极子；两个垂直磁偶极子分别设置在两个固定板靠向Г型馈电结构的一侧；通孔设置于反射装置上,连通Г型馈电结构的底部；外接的SMA连接器通过通孔连接到Г型馈电结构,Г型馈电结构通过耦合馈电传递能量给垂直磁偶极子和水平电偶极子,从而进行空间辐射。本发明提供的宽频带平稳高增益天线辐射效率高,天线的能量利用率高。(The invention discloses a broadband stable high-gain antenna based on a magnetoelectric dipole. The antenna comprises a reflecting device, a Gamma type feed structure, a through hole, a vertical magnetic dipole, a horizontal electric dipole and a fixing plate; the reverse type feed structure and the two fixing plates are arranged on the reflecting device, the reverse type feed structure is arranged on the upper surface of the reflecting device, and the two fixing plates are arranged on two sides of the reverse type feed structure; a horizontal electric dipole is arranged on each of the two fixed plates; the two vertical magnetic dipoles are respectively arranged at one side of the two fixing plates, which is close to the Gamma type feed structure; the through hole is arranged on the reflecting device and communicated with the bottom of the Gamma type feed structure; the external SMA connector is connected to a Gamma type feed structure through a through hole, and the Gamma type feed structure transfers energy to a vertical magnetic dipole and a horizontal electric dipole through coupling feed, thereby carrying out space radiation. The broadband stable high-gain antenna provided by the invention has high radiation efficiency and high energy utilization rate.)
技术领域
本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种基于磁电偶极子的宽频带平稳高增益天线。
背景技术
随着现代天线技术的发展，天线已经广泛应用于移动通信、广播电视、雷达、导航、卫星等各个方面。天线技术已经具有成熟科学的许多特征，仍然还是一个极具活力的技术领域，拥有广阔的发展前景，目前来说，天线主要的发展方向有：多功能化（以一代多）、智能化（提供信息处理能力）、小型化、集成化以及高性能化（宽频带、高增益、低旁瓣、低交叉极化等）。
宽带天线拥有传输速率高、低功耗、能够提高现有频谱利用率的优点，这使得其得到了大量天线研究者的关注。从信号传播的角度看，超宽带无线电拥有能够有效减小多径传播的影响，这使得数据传输效率能够有一定的提升。并且利用带宽的优势，发射和接收端不需要使用复杂的调制和接收方式，能够降低系统的成本和复杂程度。
在天线的众多描述参量中，一直以来被大众广泛追求的就是天线的高增益，在同一发射功率的条件下，天线增益越高，电磁波传播的距离就越远，目前研究的高增益天线有微带结构高增益天线、超表面天线、抛物面天线、磁电偶极子等类型，微带天线在拥有高增益的同时也有窄带宽的缺点，目前已有多种方法在保证增益的同时可以提高阻抗带宽。
磁电偶极子天线在2006年由Luk在国际微波和光学技术杂志发表的《ANewWideband Unidirectional Antenna Element》提出，这种新型天线能够取得1.85GHz-2.89GHz范围内43.8%的相对带宽，在工作频带内的增益在8dBi左右，到现在已有多种变形的磁电偶极子。目前的磁电偶极子天线存在带宽较窄、增益相对较低，增益在阻抗带宽内波动幅度较大等普遍问题。
发明内容
本发明为解决以上现有技术的缺点，提供了一种基于磁电偶极子的宽频带平稳高增益天线，该天线拥有1.99GHz-4.8GHz内的82.77%的相对带宽，在整个阻抗带宽内拥有均大于9.2dBi的增益，最高增益有10.96dBi，并且整个频带内增益较为平稳。
本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
一种基于磁电偶极子的宽频带平稳高增益天线，包括反射装置、Г型馈电结构、通孔、垂直磁偶极子、水平电偶极子和固定板；
其中，Г型馈电结构和两个固定板设置在反射装置上，Г型馈电结构设置在反射装置上表面，两个固定板设置在Г型馈电结构两侧；两个固定板上均设置有一个水平电偶极子；两个垂直磁偶极子分别设置在两个固定板靠向Г型馈电结构的一侧；通孔设置于反射装置上，连通Г型馈电结构的底部；
外接的SMA连接器通过通孔连接到Г型馈电结构，Г型馈电结构通过耦合馈电传递能量给垂直磁偶极子和水平电偶极子，从而进行空间辐射。
进一步地，反射装置包括底面反射板和四个侧壁反射板；四个侧壁反射板均设置在底面反射板上，分别设置在底面反射板的四条边上，围成凹形结构的反射装置。
进一步地，底面反射板和四个侧壁反射板均包括介质层和覆铜层，介质层由覆铜层包裹，覆铜层的底面和介质层的顶面贴合。
进一步地，通孔设置在底面反射板中心，通孔贯通底面反射板的介质层和覆铜层；Г型馈电结构设置在底面反射板的上表面；SMA连接器的导体针在通孔中插入从而连接到覆铜层上方的Г型馈电结构，通过设置导体针在Г型馈电结构的内侧从而实现电能量的传输，同时底面反射板上的覆铜层作为地平面。
进一步地，两个固定板均分别通过两个支撑柱固定在底面反射板上。
支撑柱包括长支撑柱和两个短支撑柱；长支撑柱一端贯穿底面反射板连接一个短支撑柱，使得长支撑柱固定于底面反射板上，长支撑柱另一端贯穿固定板连接另一个短支撑柱，实现对固定板的固定；支撑柱使得固定板的底面高于侧壁反射板。
进一步地，两个水平电偶极子分别设置于两个固定板上，两个水平电偶极子相互平行。
水平电偶极子为波浪弯折状，弯折的角度相对水平方向为50°，弯折处均为平面，水平电偶极子放置于固定板的正中央，水平电偶极子的一侧连接垂直磁偶极子，水平电偶极子波浪弯折结构的设计使得天线在高频点处出现新的谐振频点，从而扩展了整个阻抗带宽。
垂直磁偶极子为垂直于底面反射板上表面的铜板，垂直磁偶极子的顶端和水平电偶极子的最顶部齐平；垂直磁偶极子一端连接水平电偶极子，另一端通过焊锡固定于底面反射板上表面；垂直磁偶极子一端连接水平电偶极子，另一端通过焊锡固定于底面反射板上表面；垂直偶极子沿着固定板长度方向的水平宽度和水平电偶极子每个弯折部分相隔的距离相差0.5 mm -2mm，这关系天线的匹配情况，在仿真过程中可以适当调节垂直偶极子沿着固定板长度方向的水平宽度，垂直偶极子的水平宽度取值范围为6 mm -9mm。
进一步地，Г型馈电结构包括第一铜板、第二铜板和第三铜板。
第一铜板为垂直于底面反射板放置的铜板，第一铜板底面衔接底面反射板上表面，第一铜板底面位于通孔上方，将电信号通过SMA连接器的导体针传输到第二铜板；第二铜板是相对底面反射板水平放置铜板，用于实现耦合馈电，第二铜板一端连接第一铜板顶端，将第一铜板传输的电能耦合到电磁偶极子，第二铜板另一端连接第三铜板上端；第三铜板平行于第一铜板，第三铜板底端悬空，构成开路传输线；第三铜板的等效电路呈现容性，加载第三铜板用于补偿第二铜板存在的感抗。
进一步地，第一铜板、第二铜板和第三铜板在加工过程中直接加工成一体，第一铜板、第二铜板和第三铜板的宽度一致； SMA连接器的导体针通过通孔插入到第一铜板。
进一步地，底面反射板和四个侧壁反射板的介质层，以及固定板均采用FR4材料。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
（1）本发明提供宽频带平稳高增益天线具有82.77%的相对带宽，整个工作频带内增益高并且相对稳定，没有出现大幅度的跳跃。
（2）本发明提供的宽频带平稳高增益天线辐射效率高，天线的能量利用率高。
（3）本发明中的材料均为市面上常见加工材料，加工成本低，通过弯折水平的电偶极子可以减小天线占用的体积空间，同时还相对减小了垂直磁偶极子的长度，使得天线辐射单元更加紧凑。
（4）本发明的馈电结构简单，只需要在反射板上打孔即可将SMA连接器的导体针插入Г型馈电结构实现激励。
（5）本发明的天线实际牢靠程度高，通过加载一对固定支撑板和两对支撑柱对水平电偶极子固定，提高了天线的稳定性。
附图说明
图1 为本发明实施例中宽频带平稳高增益天线的俯视图。
图2 为本发明实施例中宽频带平稳高增益天线的主视图。
图3 为本发明实施例中宽频带平稳高增益天线的Г型馈电结构侧视图。
图4为本发明实施例中宽频带平稳高增益天线的反射系数曲线图。
图5为本发明实施例中宽频带平稳高增益天线的增益曲线图。
图6 为本发明实施例中宽频带平稳高增益天线的2.45GHz处的H面增益图曲线图。
图7为本发明实施例中宽频带平稳高增益天线的2.45GHz处的E面增益图曲线图。
图8为本发明实施例中宽频带平稳高增益天线的4GHz处的E面增益图曲线图。
图9为本发明实施例中宽频带平稳高增益天线的4GHz处的H面增益图曲线图。
图10为本发明实施例中宽频带平稳高增益天线的驻波比（VSWR）的曲线图。
图11为本发明实施例中宽频带平稳高增益天线的2.45GHz处E面增益平面曲线图。
图12为本发明实施例中宽频带平稳高增益天线的2.45GHz处H面增益平面曲线图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明或原理性描述，不能理解为对本发明的限制；为了更好说明本发明，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表产品的尺寸。
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
一种基于磁电偶极子的宽频带平稳高增益天线，如图1、图2所示，包括反射装置、Г型馈电结构4、通孔6、垂直磁偶极子5、水平电偶极子7和固定板2。
其中，Г型馈电结构4和两个固定板2设置在反射装置上，Г型馈电结构4设置在反射装置上表面，两个固定板2设置在Г型馈电结构4两侧；两个固定板2上均设置有一个水平电偶极子7；两个垂直磁偶极子5分别设置在两个固定板2靠向Г型馈电结构4的一侧；通孔6设置于反射装置靠近中心位置，连通Г型馈电结构4底部。
外接的SMA连接器通过通孔6连接到Г型馈电结构4，Г型馈电结构4通过耦合馈电传递能量给垂直磁偶极子5和水平电偶极子7，从而进行空间辐射。
反射装置包括底面反射板1-1和四个侧壁反射板1-2；四个侧壁反射板1-2均设置在底面反射板1-1上，分别设置在底面反射板1-1的四条边上，围成凹形结构的反射装置。
底面反射板1-1和四个侧壁反射板1-2均包括介质层和覆铜层，介质层由覆铜层包裹，覆铜层的底面和介质层的顶面贴合。
通孔6设置在底面反射板1-1靠近中心位置，通孔6贯通底面反射板1-1的介质层和覆铜层；Г型馈电结构4设置在底面反射板1-1的上表面靠近通孔6边缘处；SMA连接器的导体针在通孔6中插入从而连接到覆铜层上方的Г型馈电结构4，通过焊接导体针在Г型馈电结构4的内侧从而实现电能量的传输，同时底面反射板1-1上的覆铜层作为地平面。
两个固定板2均分别通过两个支撑柱3固定在底面反射板1-1上。
支撑柱3包括长支撑柱3-1和两个短支撑柱3-2；长支撑柱3-1一端贯穿底面反射板1-1连接一个短支撑柱3-2，使得长支撑柱3-1固定于底面反射板1-1上，长支撑柱3-1另一端贯穿固定板2连接另一个短支撑柱3-2，实现对固定板2的固定；支撑柱3使得固定板2的底面高于侧壁反射板1-2。
两个水平电偶极子7分别设置于两个固定板2上，两个水平电偶极子7相互平行。
水平电偶极子7为波浪弯折状，弯折的角度相对水平方向为50°，弯折处均为平面，水平电偶极子7放置于固定板2的正中央，水平电偶极子7的一侧连接垂直磁偶极子5，连接处通过焊锡连接固定。水平电偶极子7波浪弯折结构的设计使得天线在高频点处出现新的谐振频点，从而扩展了整个阻抗带宽。
垂直磁偶极子5为在z方向上垂直于底面反射板1-1上表面的铜板，垂直磁偶极子5的顶端和水平电偶极子7的最顶部齐平；垂直磁偶极子5一端和水平电偶极子7的接壤处通过焊锡焊接在一起，垂直磁偶极子5另一端通过焊锡固定于底面反射板1-1上表面；垂直偶极子5在y方向上沿着固定板2长度方向的水平宽度和水平电偶极子7每个弯折部分相隔的距离相差0.5 mm -2mm，这关系天线的匹配情况，在仿真过程中可以适当调节垂直偶极子5的水平宽度，垂直偶极子5在y方向上沿着固定板2长度方向的水平宽度的取值范围为6 mm-9mm。
如图3所示，Г型馈电结构4包括第一铜板4-1、第二铜板4-2和第三铜板4-3。
第一铜板4-1为垂直于底面反射板1-1放置的铜板，第一铜板4-1底面衔接底面反射板1-1上表面，第一铜板4-1底面位于通孔6上方，将电信号通过SMA连接器的导体针传输到第二铜板4-2；第二铜板4-2是相对底面反射板1-1水平放置铜板，用于实现耦合馈电，第二铜板4-2一端连接第一铜板4-1顶端，将第一铜板4-1传输的电能耦合到电磁偶极子，第二铜板4-2另一端连接第三铜板4-3上端；第三铜板4-3平行于第一铜板4-1，第三铜板4-3底端悬空，构成开路传输线；第三铜板4-3的等效电路呈现容性，加载第三铜板4-3用于补偿第二铜板4-2存在的感抗。
第一铜板4-1、第二铜板4-2和第三铜板4-3在加工过程中直接加工成一体，第一铜板4-1、第二铜板4-2和第三铜板4-3的宽度一致； SMA连接器的导体针通过通孔6插入到第一铜板4-1然后焊接固定。
底面反射板1-1和四个侧壁反射板1-2的介质层，以及固定板2均采用FR4材料。
实施例1：
本实施例中，四个侧壁反射板1-2均为长方形，底面反射板1-1为正方形，均覆有0.035mm的铜层，底面反射板1-1的尺寸为102mm*102mm*1mm，侧壁反射板1-2的尺寸是100mm*20mm*1mm和102mm*20mm*1mm，通孔6的大小均是半径为1.5mm的圆，底面反射板1-1和四个侧壁反射板1-2的板材是FR4，相对介电常数ɛ =4.4，介质损耗正切角为tanб=0.02。四个支撑柱3均是圆柱形的尼龙柱组成，高度均为21mm。固定板2的尺寸为21mm*50mm*1mm，材料为FR4，没有覆铜层。固定板2上方放置的是波浪弯折的水平电偶极子7，其尺寸由每部分弯折的长度xsize、弯折角度rotation_angle、纵向长度l组成，其中xsize=6.5mm，rotation_angle=50°，l=21mm，弯折铜板的厚度为1mm。两个水平电偶极子7顶端齐平并且紧贴其一侧的是垂直磁偶极子5，垂直磁偶极子5的尺寸是7.5mm*1mm*27mm，数目是两块，且左右对称，垂直磁偶极子5的宽度对天线的匹配情况影响较大。Г型馈电结构4包括第一铜板4-1、第二铜板4-2和第三铜板4-3，第一铜板4-1直接连接SMA连接器，尺寸为4.9mm*15mm*1mm；第二铜板4-2是水平放置，其尺寸是4.9mm*7.7mm*1mm，第二铜板4-2是耦合激励的关键，其尺寸对于天线的匹配情况影响较大。第三铜板4-3和第二铜板4-2组成γ/4开路传输线的末尾，同时也是弥补第二铜板4-2产生的容抗，第三铜板4-3的大小为4.9mm*1mm*14mm。SMA连接器中的导体针通过在底面反射板1-1上的通孔6连接到Г型馈电结构4的第一铜板4-1，底面反射板1-1通孔6为正方形，其大小是2.3mm*2.3mm*1mm，微波能量通过同轴馈电的SMA接口，通过耦合馈电进行能量传输，然后通过垂直磁偶极子5将能量辐射到自由空间里。
本发明提供的宽频带平稳高增益天线在采用波浪弯折的水平电偶极子7之后，观察到在高频4.5GHz处出现了新的谐振频点，所以天线总共出现了三个谐振频点，分别是在频率为2.2GHz、3.2GHz、4.5GHz处，从而大大扩展了天线的带宽。仿真结果表明，本发明提供的天线的总体增益大于9.2dBi，其中最大增益约为11dBi，并且在阻抗带宽内的总体增益变化较为平缓。在本发明设计的天线中，2.45GHz处E面的半功率波束宽度HPBW约为59°，H面HPBW为67.5°。
实施例2
本实施例对实施例1提供的宽频带稳定高增益天线进行了具体的实验，其实验结果如图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11、图12所示。
如图4所示，实施例1提供的宽频带稳定高增益天线由三个谐振点，分别是2.2GHz、3.2GHz、4.5GHz处，分别拥有的反射系数是S11=-28.34dB、-24.1dB、-24.76dB。
如图5所示，实施例1提供的宽频带稳定高增益天线的增益范围是9.23dBi-10.96dBi，最大增益10.96dBi此时的频率是3.61GHz，在2.45GHz处的增益是9.33dBi。
如图6、7所示，实施例1提供的宽频带稳定高增益天线在2.45GHz处的辐射方向图，在E面、H面上均有良好的对称性和较低的后向辐射特性。
如图8、9所示，实施例1提供的宽频带稳定高增益天线在4GHz处的辐射方向图，在E面、H面上均有良好的对称性，此时后向辐射增大，但此时的E面半功率波束宽度更大。
如图10所示，实施例1提供的宽频带稳定高增益天线的驻波比随频率的变化关系，VSWR<2的范围即为1.98GHz-4.82GHz。
如图11、12所示，实施例1提供的宽频带稳定高增益天线在2.45GHz处的E面、H面增益和theta、phi的关系，其中2.45GHz处E面的半功率波束宽度HPBW约为59°，H面HPBW为67.5°。
以上公开的本申请优选实施例只是用于帮助理解本发明及核心思想。对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体应用场景和实施操作上均会有改变之处，本说明书不应理解对本发明的限制。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
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