專利名稱：一種電磁耦極子天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明專利涉及一種電磁耦極子天線，尤其是用于移動(dòng)通信系統(tǒng)的小型化無線天線。
背景技術(shù)：
移動(dòng)通信技術(shù)的迅速發(fā)展和應(yīng)用，有力地推動(dòng)了現(xiàn)代通信向小型化、集成化、多功能(多頻段、多極化和多用途)的方向發(fā)展。天線作為無線通信系統(tǒng)中最重要的部件之一，它的尺寸成為制約通信系統(tǒng)進(jìn)一步小型化的瓶頸之一，因而設(shè)計(jì)小型化、集成化、多功能天線己成為當(dāng)前天線界研究的重點(diǎn)。
國內(nèi)外在小型化多頻段天線方面有很多文獻(xiàn)，其中，《信息技術(shù)》在2011年12月25日刊登有一篇文章《小型化基站天線帶來的影響》最有代表性，該文主要介紹了一種可用于806 960MHz、1710 2170MHz和1710 2170MHz的三頻段基站天線，該天線的體積為1340mmX380mmX 100mm。但對(duì)于天線小型化要求日益提高的新型通信系統(tǒng)，該天線的體積仍然過大，需要進(jìn)一步研究小型化天線，特別是研究具有低輪廓特性的小型化天線，以便方便天線的架設(shè)和安裝?！禔 Dual-Polarized Magneto-Electric Dipole With Dielectric Loading》是在IEEE TRANS ON AP, VOL. 57, NO. 3, MARCH 2009發(fā)表的一篇論文。該論文中電磁極子天線結(jié)構(gòu)如圖I所示，該結(jié)構(gòu)包括了一個(gè)常規(guī)電極子102以及一個(gè)L型的磁耦極子103，101為金屬地，104為射頻電信號(hào)通過SMA連接器的接口。如圖I所示的天線雖然厚度較大，加工困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明實(shí)施例提供一種電磁耦極子天線，包括天線輻射單元和金屬地，天線輻射單元主要包括垂直電振子、水平磁振子，垂直電振子和水平磁振子一起構(gòu)成的電磁耦合結(jié)構(gòu)。本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種電磁耦極子天線，可用于無線通信系統(tǒng)，該天線體積較小，輪廓低，可覆蓋多個(gè)頻段也可以優(yōu)化覆蓋特定頻段。本發(fā)明天線主要包括天線輻射單元、金屬地以及二者之間的電磁耦合結(jié)構(gòu)。天線輻射單元包括垂直電振子組和水平磁振子組。所述垂直電振子和水平磁振子之間通過介質(zhì)實(shí)現(xiàn)電磁耦合；金屬地可以是平面地結(jié)構(gòu)也可以是其它非平面地結(jié)構(gòu)；垂直電振子組主要包括nl個(gè)T形饋電結(jié)構(gòu)。每個(gè)T形饋電結(jié)構(gòu)由頂部加載的水平片狀導(dǎo)體結(jié)構(gòu)以及與其垂直電氣相連的金屬棒狀結(jié)構(gòu)組成。在具體實(shí)施中，垂直電振子數(shù)目nl以及棒狀結(jié)構(gòu)和片式結(jié)構(gòu)可以進(jìn)行優(yōu)化。水平磁振子組包括若干個(gè)水平封閉平面金屬環(huán)狀結(jié)構(gòu)，或者由與上述環(huán)狀結(jié)構(gòu)相連的十字形導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)。其中每個(gè)水平磁振子主要包括一層或多層金屬導(dǎo)帶。其中的每層金屬導(dǎo)帶可由一個(gè)封閉平面金屬環(huán)組成，各層金屬導(dǎo)帶間可以包含介質(zhì)填充材料，可以通過金屬過孔電氣連接。天線工作過程是，pi個(gè)激勵(lì)源通過加載在地板與T型結(jié)構(gòu)底部間的空間結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)電偶極子的電磁激勵(lì)，該T形饋電結(jié)構(gòu)的片狀部分通過介質(zhì)與水平磁振子進(jìn)行電磁耦合，通過上述二者的聯(lián)合作用，實(shí)現(xiàn)電磁振子的電磁能量輻射。上述發(fā)明所涉及的小型化電磁耦極子天線，其邏輯示意圖如圖10所示。本發(fā)明天線低輪廓的機(jī)理由電磁場的二重性原理可知，良導(dǎo)體平面上方水平磁極子的鏡像磁流與該水平磁極子磁流(簡稱源磁流)方向相同，因此，它在激勵(lì)源所在半空間產(chǎn)生的電磁場可由源磁流及其鏡像磁流所組成的2元陣表征，當(dāng)該2元陣的間距小于半波長時(shí)，即磁極子與良導(dǎo)體間距小于四分之一波長，上述陣列產(chǎn)生的電磁場是增強(qiáng)性疊加的。因此，在良導(dǎo)體上方采用水平磁極子，可以實(shí)現(xiàn)低輪廓。本發(fā)明天線寬帶的機(jī)理是由若干個(gè)水平封閉平面金屬環(huán)或者由與上述環(huán)狀結(jié)構(gòu)相連的十字形導(dǎo)帶構(gòu)成的水平磁振子是一個(gè)多模輻射器，多模輻射器的每I個(gè)輻射模式都 有I個(gè)諧振頻率與之對(duì)應(yīng)。其中，水平磁振子的金屬環(huán)周長的一半長度對(duì)應(yīng)于本輻射器的最低諧振頻率；而與上述環(huán)狀結(jié)構(gòu)相連的十字形導(dǎo)帶長度的一半對(duì)應(yīng)于本輻射器的最高諧振頻率；因此，本發(fā)明的水平磁振子能實(shí)現(xiàn)寬頻段電磁輻射。另一方面，垂直電振子可視為其頂部電磁加載的單極子天線，用于傳輸和輻射電磁波。由于加載效應(yīng)明顯，因此垂直電振子與水平磁振子之間的電磁耦合是該天線內(nèi)部能量傳輸?shù)闹饕蛩兀撾姶篷詈贤瑫r(shí)也在垂直電振子與水平磁振子之間起著阻抗變化的作用，因而展寬了該天線的阻抗帶寬。本發(fā)明天線+-45度雙極化機(jī)理本發(fā)明采用了以幾何中心點(diǎn)為對(duì)稱中心、水平方向角度依次相差90度的4個(gè)端口饋電結(jié)構(gòu)，同時(shí)采用對(duì)角端口為一組差分激勵(lì)端口對(duì)的激勵(lì)方式，保證了 +-45度雙極化的電磁波輻射。本發(fā)明天線保形能力機(jī)理為了進(jìn)一步增加輻射單元的方向圖頻率帶寬，即增加輻射單元的方向圖保形能力，采用了在八邊形金屬環(huán)的頂層加具有中心圓孔的八邊形金屬貼片，從而使原來被限制在八邊形金屬環(huán)面的電流路徑增加為八邊形金屬環(huán)面電流路徑和八邊形金屬貼片電流路徑，從而增加了輻射單元表面電流的流動(dòng)路徑數(shù)目，促進(jìn)了天線方向圖對(duì)不同頻率的保形能力提升。


為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的類似方案。圖I是現(xiàn)有技術(shù)電磁極子天線示意圖。圖2是實(shí)施例的電磁耦極子天線物理示意圖。圖3是實(shí)施例的垂直電振子示意圖。圖4是實(shí)施例的水平磁振子去除上層金屬導(dǎo)帶的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是實(shí)施例的水平磁振子的上層金屬導(dǎo)帶示意圖。圖6是實(shí)施例的電磁耦極子天線駐波比曲線。圖7是實(shí)施例的電磁耦極子天線在I. 8GHz時(shí)的增益方向圖。
圖8是實(shí)施例的電磁耦極子天線在2. IGHz時(shí)的增益方向圖。圖9是實(shí)施例的電磁耦極子天線在2. 4GHz時(shí)的增益方向圖。圖10是電磁耦極子天線工作原理示意圖。
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種電磁耦極子天線，可用于基站等無線通信系統(tǒng)，該天線的體積可以縮小到65mmX65mmX23mm，可覆蓋I. 8GHz、2. I GHz, 2. 4GHz等多個(gè)頻段。
由圖2所示，本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例包括天線輻射單元210和金屬地220兩部分。天線輻射單元210包括垂直電振子組230、水平磁振子組240。垂直電振子組230和水平磁振子組240構(gòu)成電磁耦合結(jié)構(gòu)250。金屬地220為一個(gè)正方形平面結(jié)構(gòu)，尺寸可以為150mmX 150mmX 1mm。圖3所示為4個(gè)垂直電振子組成的垂直電振子組。每個(gè)垂直電振子為一個(gè)T型結(jié)構(gòu)330，T型結(jié)構(gòu)330由頂部加載的水平片狀導(dǎo)體結(jié)構(gòu)331以及與其垂直電氣相連的金屬棒狀結(jié)構(gòu)332組成，實(shí)施例中金屬棒狀結(jié)構(gòu)332可以為半徑為I. 29mm的圓柱體，其高度為17. 6mm。片狀導(dǎo)體結(jié)構(gòu)331可以為半徑5. 3mm厚為O. 5mm的圓盤。由圖4所示，水平磁振子為水平封閉平面金屬環(huán)狀結(jié)構(gòu)。圖中僅示出了水平磁振子的一個(gè)八邊形的金屬環(huán)441和下層金屬導(dǎo)帶442。下層金屬導(dǎo)帶442為十字形狀。金屬環(huán)441的外徑為27. 4mm和寬度為3. 64mm。由圖5所示，水平磁振子的上層金屬導(dǎo)帶543，也是十字形導(dǎo)帶。上層金屬導(dǎo)帶543的末端為過孔544，通過過孔544與金屬環(huán)441構(gòu)成電氣連接。參考圖2，在上述兩層金屬導(dǎo)帶之間填充有介電常數(shù)為2. 55的介質(zhì)材料。本實(shí)施例電磁耦極子天線的駐波比S11參數(shù)曲線如附圖6所示，在1.8GHz、2. I GHz, 2. 4GHz等核心頻點(diǎn)上均低于-IOdB通過饋電網(wǎng)絡(luò)可以調(diào)整到_14以下，滿足宏蜂
窩基站天線的需求。圖7、圖8和圖9分別上述天線的I. 8GHz, 2. I GHz, 2. 4GHz的增益方向圖。如圖10為另一實(shí)施例電磁耦極子天線工作原理示意圖。垂直電振子組1030主要包括Ii1AT型結(jié)構(gòu)。在具體實(shí)施中，垂直電振子數(shù)目II1可以有適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。金屬棒狀結(jié)構(gòu)和水平片狀導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形狀可以有適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。水平磁振子組1040可以包括一個(gè)金屬環(huán)和一個(gè)金屬導(dǎo)帶，金屬導(dǎo)帶為十字形。其中的金屬環(huán)可以由一層金屬構(gòu)成，也可以由多層金屬構(gòu)成，各層金屬間可以包含有介質(zhì)填充材料。一個(gè)金屬導(dǎo)帶可以只包括一層金屬，也可以有兩層金屬，甚至多層金屬，導(dǎo)帶的各層金屬間可以包含介質(zhì)填充材料。金屬導(dǎo)帶和金屬環(huán)通過過孔電氣連接。水平磁振子組也可以由多個(gè)水平封閉平面金屬環(huán)狀結(jié)構(gòu)構(gòu)成。所述垂直電振子和水平磁振子之間通過介質(zhì)實(shí)現(xiàn)電磁耦合。金屬地可以是平面結(jié)構(gòu)也可以是其它非平面結(jié)構(gòu)。
天線工作過程如下Pl個(gè)激勵(lì)源通過加載在金屬地1020與T型結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)電耦極子的電磁激勵(lì)，該T型結(jié)構(gòu)的水平片狀導(dǎo)體結(jié)構(gòu)通過介質(zhì)與水平磁振子進(jìn)行電磁耦合，通過上述二者的聯(lián)合作用，實(shí)現(xiàn)電磁振子的電磁能量輻射。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解，本文中所公開的結(jié)構(gòu)僅為示例性質(zhì)。除了上述例舉的內(nèi)容之外，根據(jù)具體應(yīng)用場合的需要，所述結(jié)構(gòu)可以有適當(dāng)變動(dòng)。專業(yè)技術(shù)人員可以對(duì) 每個(gè)特定的應(yīng)用來使用不同結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，但是這種實(shí)現(xiàn)不應(yīng)認(rèn)為超出本發(fā)明的范圍。盡管已示出和描述了本發(fā)明的一些實(shí)施例，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下，可對(duì)這些實(shí)施例進(jìn)行各種修改，這樣的修改應(yīng)落入本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種電磁耦極子天線，包括天線輻射單元和金屬地，其特征在于，天線輻射單元主要包括垂直電振子、水平磁振子，垂直電振子和水平磁振子一起構(gòu)成的電磁耦合結(jié)構(gòu)。
2.如權(quán)利要求I所述的天線，其特征在于，所述垂直電振子包括若干個(gè)垂直電振子，其中每個(gè)垂直電振子由一個(gè)T型結(jié)構(gòu)構(gòu)成。
3.如權(quán)利要求2所述的天線，其特征在于，所述T型結(jié)構(gòu)由頂部加載的水平片狀導(dǎo)體結(jié)構(gòu)以及與其垂直電氣相連的金屬棒狀結(jié)構(gòu)組成。
4.如權(quán)利要求I所述的天線，其特征在于，所述水平磁振子包括水平封閉平面的金屬環(huán)狀結(jié)構(gòu)和與所述金屬環(huán)狀結(jié)構(gòu)相連的金屬導(dǎo)帶。
5.如權(quán)利要求I所述的天線，其特征在于，所述垂直電振子和水平磁振子之間通過介質(zhì)實(shí)現(xiàn)電磁f禹合。
6.如權(quán)利要求I所述的天線，其特征在于，金屬地可以是平面結(jié)構(gòu)也可以是其它非平面結(jié)構(gòu)。
7.如權(quán)利要求I所述的天線，其特征在于，有多個(gè)垂直電振子，一起組成垂直電振子組。
8.如權(quán)利要求I或者7所述的天線，其特征在于，有一個(gè)或者多個(gè)水平磁振子，組成水平磁振子組。
9.如權(quán)利要求4所述的天線，其特征在于，所述水平封閉平面金屬環(huán)狀結(jié)構(gòu)，可以包括位于頂層的外邊為八邊形內(nèi)邊為圓形的金屬環(huán)帶以及包括位于底層的內(nèi)接十字型導(dǎo)帶的八邊形金屬環(huán)。
10.如權(quán)利要求9所述的天線，其特征在于，所述頂層金屬環(huán)帶與所述底層內(nèi)接十字型導(dǎo)帶的金屬環(huán)之間可以通過4個(gè)連接導(dǎo)體呈電氣連接狀態(tài)。
全文摘要
本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種電磁耦極子天線，包括天線輻射單元和金屬地，天線輻射單元主要包括垂直電振子、水平磁振子，垂直電振子和水平磁振子一起構(gòu)成的電磁耦合結(jié)構(gòu)。該天線具有體積小和低輪廓等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01Q9/44GK102882004SQ20121034565
公開日2013年1月16日 申請(qǐng)日期2012年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月29日
發(fā)明者章文昕, 徐琪皓, 彭宏利, 朱澤河, 趙建平, 馬霓 申請(qǐng)人:華為技術(shù)有限公司, 上海交通大學(xué)