一种边射惠更斯源二元天线阵列

摘要

本发明涉及一种边射惠更斯源二元天线阵列，属于天线技术领域。该天线包括：介质基板、两个埃及战斧电偶极子、两个磁偶极子、去耦结构、两个激励单元和六个3D打印的尼龙支撑架；去耦结构设置于第一介质基板，磁偶极子上表面设置于第二介质基板，电偶极子设置于第三介质基板，磁偶极子下表面和馈线分别设置于第四层介质基板正反面；两对电磁偶极子分别构成两个惠更斯源天线单元，去耦结构被放置于第一层介质基板的相对位置中心。两个激励单元通过耦合馈电方式激励起两个磁偶极子，进而磁偶极子激励起电偶极子形成惠更斯源辐射。本发明具有高隔离度、高方向性以及良好的惠更斯源特性，同时具有紧凑化、结构简单的特点。

说明书

技术领域

本发明属于天线技术领域，涉及一种边射惠更斯源二元天线阵列。

背景技术

天线阵列是提升无线通信系统功能和紧凑性的有效方法。在传统通信系统中，大多数阵列天线都需要依靠地板反射，使得系统尺寸过大。随着现代无线通信设备向着集成化、多功能化方向发展，其不可避免的要求天线具有更小的尺寸，而惠更斯源二元天线阵列在保持高隔离度的条件下，可以实现每个单元良好的定向辐射特性，可以有效的减小无线通信设备的尺寸并满足定向辐射的要求。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种边射惠更斯源二元天线阵列。在保证单元间距紧凑的前提下，抑制了两个惠更斯源单元间的耦合，实现了两个单元的惠更斯源辐射模式。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种边射惠更斯源二元天线阵列，该天线阵列包括第一介质基板1、第二介质基板2、第三介质基板3、第四层介质基板4、去耦结构5、两个相同的左单元磁偶极子6和右单元磁偶极子7、金属柱8、两个相同的左单元电偶极子9和右单元电偶极子10、两个相同的左单元激励源11和右单元激励源12、以及尼龙柱支架13；

所述第一介质基板1、第二介质基板2、第三介质基板3、第四介质基板4相互平行且彼此隔开；

所述去耦结构5贴设于第一介质基板1上表面，放置在+X轴上；

所述两个相同的左单元磁偶极子6和右单元磁偶极子7贴设于第二介质基板2的上表面和第四介质基板4上表面并通过金属柱8连接，平行于X轴放置；

所述两个相同的左单元电偶极子9和右单元电偶极子10贴设于第三介质基板3，平行于X轴放置；

所述两个相同的左单元激励源11和右单元激励源12贴设于第四介质基板4的下表面，平行于X轴放置；

所述尼龙柱支架13用来固定四个介质基板的相对高度。

可选的，所述去耦结构5由两个位置对称、尺寸相等的第一弯曲条带和第二弯曲条带，以及一个竖直摆放的第一金属条带按工字型组成；

所述第一弯曲条带、第二弯曲条带和第一金属条带贴设于第一介质基板1的上表面，所述第一金属条带放置在X轴上；

所述第一弯曲条带和第二弯曲条带贴设于第一介质基板1的上表面，位置相互对称且与第一金属条带垂直；

所述去耦结构5的第一弯曲条带、第二弯曲条带带由两个相同的第二金属条带、第三金属条带、第四金属条带、第五金属条带、第六金属条带及第七金属条带组成。

可选的，所述两个相同的左单元磁偶极子6和右单元磁偶极子7由第八金属条带、金属柱8和两个尺寸相等的第九金属条带组成；所述第八金属条带和两个尺寸相等的金属条带通过两个金属柱8连接，从而形成环形电流；所述左单元磁偶极子6和右单元磁偶极子7相互平行，平行于X轴放置；

所述两个相同的左单元电偶极子9和右单元电偶极子10由“埃及战斧”型偶极子组成且相互平行，其贴设于第三介质基板3的上表面，平行于X轴放置；

所述两个相同的左单元电偶极子9和右单元电偶极子10由两个相同的斧臂和第十金属条带组成；所述斧臂由两个同为60°的第一扇形、和第二扇形相减而得，通过第十金属条带连接形成电偶极子。

可选的，所述两个相同的左单元激励源11和右单元激励源12分别由第十一金属条带、第十二金属条带组成；所述第十一金属条带、第十二金属条带贴设于第四介质基板下表面平行于X轴放置。

可选的，所述两个相同的左单元磁偶极子6和右单元磁偶极子7互相平行；

所述两个相同的左单元电偶极子9和右单元电偶极子10互相平行；

所述两个相同的左单元激励源11和右单元激励源12互相平行；

每对电偶极子、磁偶极子及激励源相位中心重合；

左单元磁偶极子6、左单元电偶极子9及左单元激励源11组成第一惠更斯源天线单元；

右单元磁偶极子7、右单元电偶极子10及右单元激励源12组成第二惠更斯源天线单元；

第一惠更斯源天线单元和第二惠更斯源天线单元的中心间距g1为60mm，对应0.3λ

所述两个相同的左单元激励源11和右单元激励源12分别位于其对应的惠更斯源天线单元中左单元磁偶极子6和右单元磁偶极子7所在的第四介质基板4的下表面，左单元激励源11和右单元激励源12激励起对应的左单元磁偶极子6和右单元磁偶极子7，进而左单元磁偶极子6和右单元磁偶极子7激励起对应的左单元电偶极子9和右单元电偶极子10，从而形成惠更斯源二元天线阵列。

可选的，所述第一介质基板1、第二介质基板2、第三介质基板3和第四介质基板4均为半径R1为60mm的圆形结构；

所述第一介质基板1、第二介质基板2、第三介质基板3的厚度均为0.51mm，所述第四介质基板4厚度为1.58mm；

所述第一介质基板1到第四介质基板4的垂直高度为9.7mm～9.8mm，第二介质基板2到第四介质基板4的垂直高度为8.4mm～8.5mm，第三介质基板3到第四介质基板4的垂直高度为6.2mm～6.3mm；

所述第一金属条带的长度L7为102mm，宽度W2为2.4mm；

所述第二金属条带的长度L1为31mm，宽度W1为1.6mm；

所述第三金属条带的长度L2为8.6mm，宽带W1为1.6mm；

所述第四金属条带的长度L3为20.6mm，宽度W1为1.6mm；

所述第五金属条带的长度为L4为10.6mm，宽度W1为1.6mm；

所述第六金属条带的长度L5为20.6mm，宽度W1为1.6mm；

所述第七金属条带的长度L6为17.6mm，宽度W1为1.6mm；

所述第八金属条带的长度L8为41mm，宽度W3为3.5mm；

所述金属柱8的高度h3为6.8～6.9mm，半径R2为1.2mm～1.3mm；

所述两个相同的第九金属条带的长度L9为17.1mm，宽度W4为3.5mm，间距g2为6.8mm；

所述第十金属条带的长度L10为48.1mm，宽度W5为1.6mm。

可选的，所述第一扇形，第二扇形对应圆的半径分别为R3为24.05mm，R4为21.95mm，扇形弧度θ为60°。

可选的，所述两个相同的左单元电偶极子9和右单元电偶极子10的四个相同金属圆环的内半径R5为1.8mm，外半径R6为2.8mm。

可选的，所述第十一金属条带的长度L11为10mm，宽度W6为1.5mm；所述第十二金属条带的长度L12为6.5mm，宽度W7为1.5mm。

可选的，所述去耦结构5、两个相同的左单元磁偶极子6、右单元磁偶极子7、两个相同的左单元电偶极子9、右单元电偶极子10及两个相同的左单元激励源11、右单元激励源12均为厚度相同的覆铜薄膜。

本发明的有益效果在于：

1)本发明中每个惠更斯源天线单元均为电小尺寸，尺寸小，易于集成到无线通讯系统中；

2)本发明通过加载去耦结构抑制了两个惠更斯源天线单元间的耦合，实现了左右两个端口分别激励时阵列单元的惠更斯源辐射模式。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明所述天线结构的三维视图；

图2为本发明所述天线结构的侧视图；

图3为第一介质基板上表面去耦结构俯视图；

图4为第二介质基板上表面磁偶极子上表面俯视图；

图5为第三介质基板上表面电偶极子俯视图；

图6为第四介质基板上表面磁偶极子下表面俯视图和下表面激励源俯视图；

图7为本发明所述天线反射系数|S11|、|S22|、隔离度|S21|和频率的关系曲线图；

图8为本发明所述天线左端口激励时天线E平面、H平面辐射场方向图；

图9为本发明所述天线右端口激励时天线E平面、H平面辐射场方向图；

图10为本发明所述天线左、右端口同时激励时天线E平面、H平面辐射场方向图；

附图标记：1-第一介质基板，2-第二介质基板，3-第三介质基板，4-第四介质基板，5-去耦结构，6-左单元磁偶极子，7-右单元磁偶极子，8-金属柱，9-左单元电偶极子，10-右单元电偶极子，11-左单元激励源，12-右单元激励源，13-尼龙柱支架。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对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。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

如图1和图2所示，本发明提供一种具有高效率、高隔离度、高方向性、边射的惠更斯源二元天线阵列由第一介质基板1、第二介质基板2、第三介质基板3、第四介质基板4、去耦结构5、左单元磁偶极子6、右单元磁偶极子7、金属柱8、左单元电偶极子9、右单元电偶极子10、左单元激励源11、右单元激励源12及尼龙柱支架13组成；所述第一介质基板1、第二介质基板2、第三介质基板3及第四介质基板4相互平行且彼此隔开，从上到下分别为第一介质基板1、第二介质基板2、第三介质基板3及第四介质基板4；所述去耦结构5贴设于第一介质基板1上表面；所述两个相同的左单元磁偶极子6、右单元磁偶极子7贴设于第二介质基板2和第四介质基板4的上表面并通过四个金属柱8连接；所述两个相同的左单元电偶极子9、右单元电偶极子10贴设于第三介质基板3的上表面；所述两个相同的左单元激励源11、右单元激励源12贴设于第四介质基板4的下表面；所述尼龙柱支架13用来固定所述四个介质基板的相对高度。

上述天线，利用加载近场去耦结构技术使该阵列单元间隔离度提高，并且阵列单元尺寸小，易于集成到无线通讯系统中；另一方面，通过加载去耦结构抑制了两个不同频段的磁偶极子间的耦合，优化了惠更斯源单元的惠更斯源辐射模式。

如图3所示，去耦结构5由第一金属条带及两个尺寸相同，位置对称的第一弯曲条带、第二弯曲条带组成，其放置在X轴上；所述第一金属条带贴设于第一介质基板的上表面，其放置在X轴上；所述两个尺寸相同，位置对称的弯曲条带由第二金属条带、第三金属条带、第四金属条带、第五金属条带、第六金属条带、第七金属条带组成；所述第一弯曲条带、第二弯曲条带通过第一金属条带连接起来。

如图4和图6所示，两个相同的左单元磁偶极子6、右单元磁偶极子7由第八金属条带、两个金属柱8和两个尺寸相同的第九金属条带组成；所述第八金属条带贴设于第二介质基板的上表面，平行于X轴放置；所述两个尺寸相同的第九金属条带贴设于第四介质基板的上表面，平行于X轴放置；所述第八金属条带和两个尺寸相等的第九金属条带通过两个金属柱8连接，从而形成环形电流。

如图5所示，两个结构相同的左单元电偶极子9、右单元电偶极子10由“埃及战斧”型偶极子组成且相互平行，其贴设于第三介质基板的上表面，并放置于平行于X轴上；所述两个相同的“埃及战斧”型左单元电偶极子9、右单元电偶极子10由两个相同的斧臂和第十金属条带组成；所述斧臂由两个同为60°的第一扇形、第二扇形相减而得，通过第十金属条带连接形成电偶极子。

如图6所示，两个相同的左单元激励源11、右单元激励源12分别由第十一金属条带、第十二金属条带组成；所述第十一金属条带、第十二金属条带贴设于第四介质基板下表面沿X轴方向。

另外，去耦结构5、左单元磁偶极子6，右单元磁偶极子7、左单元电偶极子9，右单元电偶极子10和左单元激励源11，右单元激励源12均为厚度相同的覆铜薄膜。

为了更为方便地通过加载去耦结构来惠更斯源阵列天线的辐射特性，本发明中，四层介质基板均为半径60mm的圆形结构，第一介质基板、第二介质基板及第三介质基板厚度为0.4mm～0.6mm，第四介质基板厚度为1.5mm～1.6mm。第一介质基板1到第四介质基板4的垂直高度为9.7mm～9.8mm，第二介质基板2到第四介质基板4的垂直高度为8.4mm～8.5mm，第三介质基板3到第四介质基板4的垂直高度为6.2mm～6.3mm。去耦结构的第一金属条带的长度L7为102mm，宽度W2为2.4mm，两个尺寸相等，位置对称的弯曲金属条带由第二金属条带、第三金属条带、第四金属条带、第五金属条带、第六金属条带、第七金属条带组成，对应的长度L1为31mm、L2为8.6mm、L3为20.6mm、L4为10.6mm、L5为20.6mm、L6为17.6mm，宽度均为W1。磁偶极子的上表面第八金属条带长度L8为41mm，宽度W3为3.5mm，金属柱8的高度h3为0.8mm～0.9mm，半径R2为1.2mm～1.3mm，下表面第九金属条带长度L9为17.1mm，宽度W4为3.5mm。“埃及战斧”型电偶极子的第十金属条带长度L10为48.1mm，宽度W5为1.6mm，第一扇形2第二扇形的半径R3、R4分别为24.05mm、21.95mm，对应的角度θ为60°。激励源的第十一金属条带的长度L11为10mm，宽度W6为1.5mm，第十二金属条带的长度L12为6.5mm，宽度W7为1.5mm。

本发明提供了一个具体实施案例，四层介质基板均为半径60mm的圆形结构，第一介质基板、第二介质基板及第三介质基板厚度均为0.51mm，第四介质基板厚度为1.58mm。第一介质基板1到第四介质基板4的垂直高度为9.76mm，第二介质基板2到第四介质基板4的垂直高度为8.45mm，第三介质基板3到第四介质基板4的垂直高度为6.24mm。第一金属条带的长度L7为102mm，宽度W2为2.4mm，第二金属条带、第三金属条带、第四金属条带、第五金属条带、第六金属条带、第七金属条带组成，对应的长度L1为31mm、L2为8.6mm、L3为20.6mm、L4为10.6mm、L5为20.6mm、L6为17.6mm，宽度均为W1为，h3为0.8mm～0.9mm，半径R2为1.25mm，两个尺寸相等的第九金属条带的长度L9为17.1mm，宽度W4为3.5mm，它们之间的间距g2为6.8mm，金属柱8的高度h3为6.36mm，半径R2为1.25mm。“埃及战斧”型左单元电偶极子9、右单元电偶极子10的第十金属条带的长度L10为48.1mm，宽度W5为1.6mm，第一扇形、第二扇形的半径R3、R4分别为24.05mm、21.95mm，对应的角度θ为60°。激励源的第十一金属条带的长度L11为10mm，宽度W6为1.5mm，第十二金属条带的长度L12为6.5mm，宽度W7为1.5mm。

完成上述的初始设计后，使用高频电磁仿真软件HFSS 18.0进行仿真分析，经过仿真优化之后的各参数最佳尺寸如表1所示，其中：h1代表第一介质基板、第二介质基板及第三介质基板的厚度，h2代表第四介质基板的厚度，R1代表四层介质基板的半径，R2代表金属柱8的半径，L1代表第二金属条带的长度，W1代表第二金属条带、第三金属条带、第四金属条带、第五金属条带、第六金属条带和第七金属条带的宽度，L2代表第三金属条带的长度，L3代表第四金属条带的长度，L4代表第五金属条带的长度，L5代表第六金属条带的长度，L5代表第六金属条带的长度，L6代表第七金属条带的长度，L7代表第一金属条带的长度，W2代表第一金属条带的宽度，g1代表两个惠更斯源天线单元的中心距离，L8代表第八金属条带的长度，W3代表第八金属条带的宽度，h3代表金属柱8的高度，R2代表金属柱8的半径，L9代表第九金属条带的长度，W4代表第九金属条带的宽度，g2代表两个相同第九金属条带的距离，L10代表第十金属条带的长度，W5代表第十金属条带的宽度，R3代表第一扇形的半径，R4代表第二扇形的半径，θ代表第一扇形、第二扇形对应的角度，L11代表第十一金属条带的长度，W6代表第十一金属条带的宽度，L12代表第十二金属条带的长度，W7代表第十二金属条带的宽度。R5代表金属圆环的内半径，R6代表金属圆环的外半径。

表1本发明各参数最佳尺寸表

如图7～10所示，仿真结果验证了该天线设计的合理性，通过加载去耦结构有效抑制了两个惠更斯源天线单元的相互影响，从而实现了左右两个惠更斯源天线单元的惠更斯源辐射模式且辐射方向沿着+Z轴。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。