CN110635228B - 一种双通带圆极化介质谐振器天线 - Google Patents

一种双通带圆极化介质谐振器天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种差分嵌入式馈电的紧凑型双通带圆极化介质谐振器天线，解决了现有技术中缺乏基于差分系统且性能、尺寸优良的双通带圆极化介质谐振器天线的技术问题，该天线包括：介质基板(10)；设置在介质基板(10)表面的介质谐振器(30)；嵌入设置在介质谐振器(30)中的第一、第二弧形带条(41，42)和第一、第二同轴探针(51，52)；第一同轴探针(51)的一端与第一弧形带条(41)连接、另一端与第一差分端口(61)连接，第二同轴探针(52)的一端与第二弧形带条(42)连接、另一端与第二差分端口(62)连接。本方案具有独立可控的特性，极大的简化了双通带圆极化介质谐振器天线的设计流程，同时实现了天线的紧凑型设计。

Description

一种双通带圆极化介质谐振器天线
技术领域
本发明涉及射频通信技术领域，尤其涉及一种差分嵌入式馈电的紧凑型双通带圆极化介质谐振器天线。
背景技术
射频微波天线是无线通信系统不可或缺的收发组件，而介质天线结构紧凑、一致性好、成本低、效率高，近年来得到了长足的发展。圆极化天线和双通带天线是介质天线的两种天线形式。
具体而言，圆极化天线因其可以有效的克服天线信号传输间的多径效应及极化失配，在当代卫星及手机通信系统中得到了广泛的使用。另外，为了进一步追求系统的紧凑型设计，双通带天线被提出并被广泛研究。圆极化天线技术和双通带天线技术结合的双通带圆极化天线也成为了研究的热点。相比于传统的金属贴片天线，介质天线因其具有的高辐射效率及宽带等特性，目前也已被广泛的应用于双通带圆极化天线设计中，从而获得双通带圆极化介质谐振器天线。
目前所报道的双通带圆极化介质谐振器天线设计方案可分为两种。
在第一种设计方案中，介质谐振器的主模和高阶模分别被用来设计为双通带天线中的一通带和二通带。天线的圆极化由额外的耦合器、具有不等长的耦合缝隙或将介质天线旋转形成。在此种方案中，由于介质谐振器天线中高阶模式的使用，一方面会造成天线的剖面尺寸较高，另一方面所设计天线中的低通带和高通带无法被独立控制，这将会极大的限制该类天线在实际中的应用。
在第二种设计方案中，介质谐振器的基模及加载在介质谐振器上的寄生谐振单元的模式分别用于产生天线的一通带及二通带。天线的圆极化特性由寄生单元的形状决定。但在已报道的文献中指出采用第二种方案设计的双通带天线的阻抗带宽较窄，无法满足实际使用需求。
另外，差分系统因其具有的共模噪声抑制能力而被广泛的研究与使用。对应的，差分天线因可以直接的与差分系统相连接，所以无需额外的巴伦。这将极大的减小天线在射频前端中所占用的体积，同时也将极大的减小由器件相互连接所带来的损耗。
可见，设计一款基于差分系统且性能、尺寸优良的双通带圆极化介质谐振器天线是非常有必要的。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的，缺乏基于差分系统且性能、尺寸优良的双通带圆极化介质谐振器天线的技术问题，提供了一种差分嵌入式馈电的紧凑型双通带圆极化介质谐振器天线，支持差分系统，具有低剖面、宽带、高增益等特性，同时该双通带圆极化介质谐振器天线的两个通带均可以被独立控制。
本发明实施例提供了一种双通带圆极化介质谐振器天线，包括：
介质基板，所述介质基板的第一表面铺设有金属地层，所述介质基板的与所述第一表面相对的第二表面设置有介质谐振器；
差分嵌入式馈电结构，包括：嵌入设置在所述介质谐振器中的第一弧形带条和第二弧形带条；其中，所述第一弧形带条和所述第二弧形带条为金属材质；
嵌入设置在所述介质谐振器中的第一同轴探针和第二同轴探针；所述第一同轴探针的一端与所述第一弧形带条连接，所述第二同轴探针的一端与所述第二弧形带条连接；
差分端口对，包括第一端口和第二端口；所述第一端口与所述第一同轴探针远离所述第一弧形带条的一端连接，所述第二端口与第二同轴探针远离所述第二弧形带条的一端连接；
其中，所述介质谐振器的主模HEM111被激励形成第一谐振模式，以形成所述双通带圆极化介质谐振器天线的第一通带；所述差分嵌入式馈电结构的与所述主模HEM111不同的模式被激励形成第二谐振模式，以形成所述双通带圆极化介质谐振器天线的第二通带。
可选的，所述介质谐振器由第一介质层和第二介质层粘合而成；所述第一介质层的厚度为第一厚度，所述第二介质层的厚度为与所述第一厚度不同的第二厚度。
可选的，所述差分嵌入式馈电结构嵌入设置于所述第一介质层和所述第二介质层的层间粘合处。
可选的，所述第一介质层与所述介质基板的第二表面粘合连接；
第一同轴探针和第二同轴探针分别与所述介质基板的第二表面垂直，且嵌入设置在所述第一介质层中。
可选的，所述介质谐振器的中心部位设置有过孔。
可选的，所述第一介质层、所述第二介质层和所述过孔的尺寸均根据所述双通带圆极化介质谐振器天线的主模HEM111和工作频率而定。
可选的，所述差分嵌入式馈电结构与所述介质基板的第二表面平行；
所述第一弧形带条包括：第一端，第二端，以及位于所述第一端和所述第二端之间的第一弧形条身；所述第一端与所述第一同轴探针的一端连接；从所述第一端沿所述第一弧形条身至所述第二端为第一方向；
所述第二弧形带条包括：第三端，第四端，以及位于所述第三端和所述第四端之间的第二弧形条身；所述第三端与所述第二同轴探针的一端连接，从所述第三端沿所述第二弧形条身至所述第四端为第二方向。
可选的，所述第一方向和所述第二方向同为顺时针方向或同为逆时针方向。
可选的，当所述第一方向和所述第二方向同为顺时针方向时，所述第一弧形带条和所述第二弧形带条用于产生天线的右旋圆极化辐射。
可选的，当所述第一方向和所述第二方向同为逆时针方向时，所述第一弧形带条和所述第二弧形带条用于产生天线的左旋圆极化辐射。
本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：由于在本发明中，提供了一种差分嵌入式馈电的紧凑型双通带圆极化介质谐振器天线，包括：介质基板；设置在介质基板一表面的介质谐振器；嵌入设置在所述介质谐振器中的由第一弧形带条和第二弧形带条构成的差分嵌入式馈电结构；嵌入设置在所述介质谐振器中的第一同轴探针和第二同轴探针；所述第一同轴探针的一端与所述第一弧形带条连接、另一端与差分端口连接，所述第二同轴探针的一端与所述第二弧形带条连接、另一端与差分端口连接；其中，所述介质谐振器的主模HEM111被激励形成第一谐振模式，以形成所述双通带圆极化介质谐振器天线的第一通带；所述差分嵌入式馈电结构的与所述主模HEM111不同的模式被激励形成第二谐振模式，以形成所述双通带圆极化介质谐振器天线的第二通带。
一方面，本方案中差分嵌入式馈电结构不仅可以激励介质谐振器天线的主模HEM111，同时还可以在不增加额外尺寸的条件下，提供额外的谐振模式，形成天线的第二通带，从而实现了天线的紧凑型设计。另一方面，本方案双通带圆极化介质谐振器天线实现的双通带具有独立可控的特性，第一通带的谐振频率由介质谐振器的尺寸控制，第二通带的谐振频率由弧形带条的尺寸控制，极大的简化了双通带圆极化介质谐振器天线的设计流程。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种双通带圆极化介质谐振器天线的三维结构示意图；
图2A为本发明实施例提供的一种双通带圆极化介质谐振器天线的水平结构示意图；
图2B为本发明实施例提供的一种双通带圆极化介质谐振器天线的垂直结构示意图；
图3A为本发明实施例提供的双通带圆极化介质谐振器天线工作频率在3.5GHz处的电场矢量分布图；
图3B为本发明实施例提供的双通带圆极化介质谐振器天线工作频率在4.9GHz处的电场矢量分布图；
图4A为本发明实施例提供的关于一种双通带圆极化介质谐振器天线的仿真反射系数和频率随介质中心过孔直径的变化示意图；
图4B为本发明实施例提供的关于一种双通带圆极化介质谐振器天线的轴比和频率随介质中心过孔直径的变化示意图；
图5A为本发明实施例提供的关于一种双通带圆极化介质谐振器天线的仿真反射系数和频率随弧形带条长度的变化示意图；
图5B为本发明实施例提供的关于一种双通带圆极化介质谐振器天线的轴比和频率随弧形带条长度的变化示意图；
图6为本发明实施例提供的一种双通带圆极化介质谐振器天线仿真的反射系数和频率变化示意图；
图7为本发明实施例提供的一种双通带圆极化介质谐振器天线仿真的3dB轴比带宽、增益和频率变化示意图；
图8A为本发明实施例提供的一种双通带圆极化介质谐振器天线仿真的第一通带中轴比最低点对应频点在xz和yz平面的辐射方向图；
图8B为本发明实施例提供的一种双通带圆极化介质谐振器天线仿真的第二通带中轴比最低点对应频点在xz和yz平面的辐射方向图。
具体实施方式
本发明实施例通过提供一种差分嵌入式馈电的紧凑型双通带圆极化介质谐振器天线，解决了现有技术中缺乏基于差分系统且性能、尺寸优良的双通带圆极化介质谐振器天线的技术问题，该天线支持差分通信系统，具有低剖面、宽带、高增益等特性，同时该双通带圆极化介质谐振器天线的两个通带均可以被独立控制，实现了天线的紧凑型设计，以及极大的简化了双通带圆极化介质谐振器天线的设计流程。
本发明实施例的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：
本发明实施例提供了一种差分嵌入式馈电的紧凑型双通带圆极化介质谐振器天线，包括：介质基板；设置在介质基板一表面的介质谐振器；嵌入设置在所述介质谐振器中的由第一弧形带条和第二弧形带条构成的差分嵌入式馈电结构；嵌入设置在所述介质谐振器中的第一同轴探针和第二同轴探针；所述第一同轴探针的一端与所述第一弧形带条连接、另一端与差分端口连接，所述第二同轴探针的一端与所述第二弧形带条连接、另一端与差分端口连接；其中，所述介质谐振器的主模HEM111被激励形成第一谐振模式，以形成所述双通带圆极化介质谐振器天线的第一通带；所述差分嵌入式馈电结构的与所述主模HEM111不同的模式被激励形成第二谐振模式，以形成所述双通带圆极化介质谐振器天线的第二通带。
可见，在本发明实施例中，双通带圆极化介质谐振器天线的差分嵌入式馈电结构在不增加额外尺寸的条件下，提供额外的谐振模式，形成天线的第二通带，从而实现了天线的紧凑型设计。通过对介质谐振器及弧形带条的尺寸进行控制，可以独立的对两个通带的工作频率进行调节，极大的简化了双通带介质谐振器天线的设计。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明，应当理解本发明实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本发明实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
实施例一
请参考图1和图2A，本发明实施例提供了一种差分嵌入式馈电的紧凑型双通带圆极化介质谐振器天线，包括：
介质基板10，介质基板10的第一表面101铺设有金属地层20，介质基板10的与第一表面101相对的第二表面102设置有介质谐振器30；
差分嵌入式馈电结构，包括：嵌入设置在介质谐振器30中的第一弧形带条41和第二弧形带条42；其中，第一弧形带条41和第二弧形带条42为金属材质，如银。
嵌入设置在介质谐振器30中的第一同轴探针51和第二同轴探针52；第一同轴探针51的一端与第一弧形带条41连接，第二同轴探针52的一端与第二弧形带条42连接；
差分端口对，包括第一端口61和第二端口62；第一端口61与第一同轴探针51远离第一弧形带条41的一端连接，第二端口62与第二同轴探针52远离第二弧形带条42的一端连接；具体的，差分端口对阻抗可为100Ω，用于输入差分信号；其中，第一端口61与第二端口62关于y轴对称分布；
其中，介质谐振器30的主模HEM111被激励形成第一谐振模式，以形成所述双通带圆极化介质谐振器天线的第一通带；所述差分嵌入式馈电结构的与所述主模HEM111不同的模式被激励形成第二谐振模式，以形成所述双通带圆极化介质谐振器天线的第二通带。
在具体实施过程中，请参考图2A和图2B，介质谐振器30通过介质胶水粘合在介质基板10的第二表面102上。介质基板10型号可为Ro4003c，其厚度为ts(见图2B)、高度为ls(见图2A)，介质基板10的相对介电常数为9.9，所述介质胶水的相对介电常数为9.5。接着，请参考图1和图2B，介质谐振器30由第一介质层31和第二介质层32通过所述介质胶水粘合而成；介质谐振器30的厚度为h1，第一介质层31的厚度为第一厚度h2，第二介质层32的厚度为与所述第一厚度h2不同的第二厚度h3，第一厚度h2大于第二厚度h3。
进一步，在具体实施过程中，仍请参考图1和图2B，介质谐振器30为圆柱形，其直径为d1(见图2B)；介质谐振器30的中心部位设置有直径为d3的过孔33，也就是说，第一介质层31和第二介质层32的中心部位设置有同样的直径为d3的过孔。第一介质层31、第二介质层32和过孔33的尺寸均根据所述双通带圆极化介质谐振器天线工作的主模HEM111模式结合具体工作频率进行确定。
仍请参考图1、图2A和图2B，差分嵌入式馈电结构嵌入设置于第一介质层31和第二介质层32的层间粘合处。即第一弧形带条41和第二弧形带条42嵌入设置于第一介质层31和第二介质层32的层间粘合处。第一弧形带条41和第二弧形带条42尺寸相同，长度均为l(见图2A)。
在具体实施过程中，请参考图1和图2B，第一介质层31与介质基板10的第二表面102粘合连接；第一同轴探针51和第二同轴探针52分别与介质基板10的第二表面102垂直，且嵌入设置在第一介质层31中。
在具体实施过程中，请参考图1、图2A和图2B，所述差分嵌入式馈电结构(即设置第一弧形带条41和第二弧形带条42的平面)与介质基板10的第二表面102平行；第一弧形带条41包括：与第一同轴探针51的一端连接的第一端411；第二弧形带条42包括：与第二同轴探针52的一端连接的第三端421，第一端411与第三端421的距离为d2(见图2B)。其中，直径d1大于距离d2大于过孔33的直径d3。
进一步，仍请参考图1和图2A，第一弧形带条41还包括第二端412，以及位于第一端411和第二端412之间的第一弧形条身413；从第一端411沿第一弧形条身413至第二端412为第一方向；第二弧形带条42还包括：第四端422，以及位于第三端421和第四端422之间的第二弧形条身423；第三端421与第二同轴探针52的一端连接，从第三端421沿第二弧形条身423至第四端422为第二方向。
其中，所述第一方向和所述第二方向同为顺时针方向或同为逆时针方向。当所述第一方向和所述第二方向同为顺时针方向时，第一弧形带条41和第二弧形带条42用于产生天线的右旋圆极化辐射。当所述第一方向和所述第二方向同为逆时针方向时，第一弧形带条41和第二弧形带条42用于产生天线的左旋圆极化辐射。
下面对本实施例中差分嵌入式馈电的紧凑型双通带圆极化介质谐振器天线的工作原理进行分析。
为了实现天线的双通带工作特性，介质谐振器30的基模HEM111用于产生天线的第一通带，差分嵌入式馈电结构的第一弧形带条41和第二弧形带条42用于产生天线的第二通带。通常，在介质天线中同时工作的模式越多，介质的尺寸就越大；在本申请实施例中，差分嵌入式馈电结构在不增加外部尺寸的前提下，一方面激励了介质谐振器天线的基模，另一方面引入额外的谐振点，构成第二通带。第一通带和第二通带的谐振频率均可以通过适当的调整介质谐振器30、第一弧形带条41和第二弧形带条42的尺寸得以控制。图3A和图3B为仿真的天线电场矢量分布图。图3A所示为3.5GHz处天线的电场矢量分布图，从图3A中可以看出，该频点处天线的工作模式为HEM111模式。相位为0°处的电场矢量垂直于相位为90°处的电场矢量，且随相位增加矢量图中的电场方向呈现逆时针的分布特性。图3B为4.9GHz处的电场矢量分布图，从图3B中可以看出，此频点处的电场主要集中在弧形金属带条附近。随着相位从0°到90°变化，矢量图中的电场方向呈现逆时针的分布特性，表现为右旋圆极化的辐射。同理，天线的左旋圆极化辐射可以同样获得，只需将第一弧形带条41和第二弧形带条42的旋转方向从顺时针改为逆时针。
为了进一步的对天线的工作原理进行解释说明，下面对天线的关键参数产生进行分析，用以进一步验证前文所述设计理论。
图4A为仿真反射系数(|Sdd11|)和频率(Frequency)随介质中心过孔33直径d3的变化示意图，图4B为轴比(Axial Ratio)和频率(Frequency)随介质中心过孔33直径d3的变化示意图。从图4A中可以看出，过孔33直径d3的变化对于第一通带与第二通带反射系数均有一定影响，但相比第二通带而言，第一通带的工作频率影响更大。从图4B中可以明显的看出第一通带的工作频率随着孔径的直径增加呈现上升的趋势，而第二通带的工作频率变化较小。同样的从图4B中也可以看出，随着过孔33直径d3的增加，第二通带轴比的工作频点变化较小，而度第一通带的工作频点随着孔径的增大呈现上升的趋势。
图5A为仿真反射系数(|Sdd11|)和频率(Frequency)随弧形带条长度l的变化示意图，图5B为轴比(Axial Ratio)和频率(Frequency)随弧形带条长度l的变化示意图。从图5A中可以看出，随着弧形带条长度l的减小，第一通带的反射系数受影响较小，而第二通带的反射系数受弧形带条长度影响较大。同样的从图5B可以看出，随着弧形带条长度l的减小，第一通带轴比受影响较小，几乎不变，而第二通带轴比的工作频点呈现上移的趋势。
基于上述参数分析，可以得到的结论为：本实施例中差分嵌入式馈电的紧凑型双通带圆极化介质谐振器天线的第一通带和第二通带分别由介质谐振器30、第一弧形带条41和第二弧形带条42的工作模式产生。通过对介质谐振器30、第一弧形带条41和第二弧形带条42的尺寸进行控制，可以独立的对第一通带和第二通带的工作频率进行调节。上述特性极大的简化了双通带介质谐振器天线的设计。
在具体实施过程中，本实施例双通带圆极化介质谐振器天线设计基于Ansys公司的HFSS电磁仿真软件。图6为天线仿真的反射系数(|Sdd11|)和频率(Frequency)变化示意图，从图6可以看出，该天线具有30.4％的第一通带及18.5％的第二通带阻抗带宽。仿真的3dB轴比(Axial Ratio)带宽、增益(Realized Gain)与频率(Frequency)变化如图7所示，从图7可以看出，该天线第一通带和第二通带的3dB轴比(Axial Ratio)带宽分别为8.06％及6.38％；增益(Realized Gain)分别为6.9及7.3dBic。图8A为仿真的第一通带中轴比最低点对应频点在xz和yz平面的辐射方向图，图8B为仿真的第二通带中轴比最低点对应频点在xz和yz平面的辐射方向图。图中，RHCP(Right-Hand Circular Polarization)为右旋圆偏振，LHCP(Left-Hand Circular Polarization)为左旋圆偏振。从图8A和8B中可以看出，辐射方向图呈现极好的对称性，在第一通带和第二通带均为右旋圆极化辐射且对应的交叉极化均大于20dB。
可见，在本发明实施例中，双通带圆极化介质谐振器天线的差分嵌入式馈电结构在不增加额外尺寸的条件下，提供额外的谐振模式，形成天线的第二通带，从而实现了天线的紧凑型设计。通过对介质谐振器及弧形带条的尺寸进行控制，可以独立的对两个通带的工作频率进行调节，极大的简化了双通带介质谐振器天线的设计。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种双通带圆极化介质谐振器天线，其特征在于，包括：
介质基板，所述介质基板的第一表面铺设有金属地层，所述介质基板的与所述第一表面相对的第二表面设置有介质谐振器；
差分嵌入式馈电结构，包括：嵌入设置在所述介质谐振器中的第一弧形带条和第二弧形带条；
嵌入设置在所述介质谐振器中的第一同轴探针和第二同轴探针；所述第一同轴探针的一端与所述第一弧形带条连接，所述第二同轴探针的一端与所述第二弧形带条连接；
所述第一弧形带条包括：第一端，第二端，以及位于所述第一端和所述第二端之间的第一弧形条身；所述第一端与所述第一同轴探针的一端连接；从所述第一端沿所述第一弧形条身至所述第二端为第一方向；所述第二弧形带条包括：第三端，第四端，以及位于所述第三端和所述第四端之间的第二弧形条身；所述第三端与所述第二同轴探针的一端连接，从所述第三端沿所述第二弧形条身至所述第四端为第二方向；所述第一方向和所述第二方向同为顺时针方向或同为逆时针方向；
差分端口对，包括第一端口和第二端口；所述第一端口与所述第一同轴探针远离所述第一弧形带条的一端连接，所述第二端口与第二同轴探针远离所述第二弧形带条的一端连接；
其中，所述介质谐振器的主模HEM111被激励形成第一谐振模式，以形成所述双通带圆极化介质谐振器天线的第一通带；所述差分嵌入式馈电结构的与所述主模HEM111不同的模式被激励形成第二谐振模式，以形成所述双通带圆极化介质谐振器天线的第二通带。
2.如权利要求1所述的双通带圆极化介质谐振器天线，其特征在于，所述介质谐振器由第一介质层和第二介质层粘合而成；所述第一介质层的厚度为第一厚度，所述第二介质层的厚度为与所述第一厚度不同的第二厚度。
3.如权利要求2所述的双通带圆极化介质谐振器天线，其特征在于，所述差分嵌入式馈电结构嵌入设置于所述第一介质层和所述第二介质层的层间粘合处。
4.如权利要求2所述的双通带圆极化介质谐振器天线，其特征在于，所述第一介质层与所述介质基板的第二表面粘合连接；
第一同轴探针和第二同轴探针分别与所述介质基板的第二表面垂直，且嵌入设置在所述第一介质层中。
5.如权利要求2所述的双通带圆极化介质谐振器天线，其特征在于，所述介质谐振器的中心部位设置有过孔。
6.如权利要求5所述的双通带圆极化介质谐振器天线，其特征在于，所述第一介质层、所述第二介质层和所述过孔的尺寸均根据所述双通带圆极化介质谐振器天线的主模HEM111和工作频率而定。
7.如权利要求1所述的双通带圆极化介质谐振器天线，其特征在于，所述差分嵌入式馈电结构与所述介质基板的第二表面平行。
8.如权利要求1所述的双通带圆极化介质谐振器天线，其特征在于，当所述第一方向和所述第二方向同为顺时针方向时，所述第一弧形带条和所述第二弧形带条用于产生天线的右旋圆极化辐射。
9.如权利要求1所述的双通带圆极化介质谐振器天线，其特征在于，当所述第一方向和所述第二方向同为逆时针方向时，所述第一弧形带条和所述第二弧形带条用于产生天线的左旋圆极化辐射。
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Assignor: Nantong University Technology Transfer Center Co.,Ltd.

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Denomination of invention: A dual band circularly polarized dielectric resonator antenna

Granted publication date: 20201208

License type: Common License

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