发明内容
本发明针对现有技术的不足,提出一种由四个单端馈电线极化辐射单元及其馈电网络实现的圆极化介质谐振器阵列天线,该天线具有高增益,高前后比,馈电网络简单,易于制造等优点。
本发明采用如下的技术方案:
一种圆极化介质谐振器阵列天线,包括
一馈电单元和一四单元天线面阵。
上述的馈电单元,包含一基板、一接地面及一馈电网络。
该基板,具有相反的一第一平面及一第二平面。
该接地面,设于基板的第二平面上。
该馈电网络,设于基板的第一平面上。
上述的四单元天线面阵,设在基板的第一平面上的,其包含一第一介质谐振器辐射单元,一第二介质谐振器辐射单元,一第三介质谐振器辐射单元和一第四介质谐振器辐射单元。
该第一介质谐振器辐射单元与该第二介质谐振器辐射单元、该第三介质谐辐射单元、该第四介质谐辐射单元的中心间距分别为操作频率电磁波在真空中的半波长、
倍半波长和半波长。
该第二介质谐振器辐射单元与该第三介质谐振器辐射单元、该第四介质谐振器辐射单元的中心间距分别为操作频率电磁波在真空中的半波长和
倍半波长。
该第三介质振器辐射单元与该第四介质振器辐射单元的中心间距为操作频率电磁波在真空中的半波长。
该第一介质谐振器辐射单元、该第二介质谐振器辐射单元、该第三介质谐振器辐射单元和该第四介质谐振器辐射单元均为的陶瓷材料制成的圆柱体,物理尺寸完全相同。
上述的馈电网络由十九条传输线电性连接而成,其包含一第一功分器,一第二功分器,一第三功分器,一第一阻抗变换器,一第二阻抗变换器,一第三阻抗变换器,一第四阻抗变换器,一第五阻抗变换器,一第六阻抗变换器,一第一耦合器,一第二耦合器,一第三耦合器,一第四耦合器。
上述的第一功分器由三条传输线电性连接而成,其包含一输入线,一第一输出线和一第二输出线。
该第一功分器的输入线,其一端接SMA接头,用于对圆极化阵列天线馈入或输出电磁波,另一端与第一功分器的第一输出线和第一功分器的第二输出线电性连接。
该第一功分器的第一输出线,其一端与第一功分器的输入线和第一功分器的第二输出线电性连接,另一端与第一阻抗变换器电性连接。
该第一功分器的第二输出线,其一端与第一功分器的输入线和第一功分器的第一输出线的电性连接,另一端与第二阻抗变换器电性连接。
上述的第一功分器的第二输出线与第一功分器的第一输出线的电尺寸差为操作频率电磁波在基板中的半波长,故该第一功分器在其两个输出端上不但实现功率的等分,而且实现了180度移相。
上述的第二功分器由三条传输线电性连接而成,其包含一输入线,一第一输出线和一第二输出线。
该第二功分器的输入线,其一端与第一阻抗变换器电性连接,其另一端与第二功分器的第一输出线和第二功分器的第二输出线电性连接。
该第二功分器的第一输出线,其一端与第二功分器的输入线和第二功分器的第二输出线电性连接,另一端与第二阻抗变换器电性连接。
该第二功分器的第二输出线,其一端与第二功分器的输入线和第二功分器的第一输出线的电性连接,另一端与第三阻抗变换器电性连接。
该第二功分器的第二输出线与第二功分器的第一输出线的电尺寸差为操作频率电磁波在基板中的四分之一波长,故该第二功分器在其两个输出端上不但实现功率的等分,而且实现了90度移相。
上述的第三功分器由三条传输线电性连接而成,其包含一输入线,一第一输出线和一第二输出线。
该第三功分器的输入线,其一端与第四阻抗变换器电性连接,其另一端与第三功分器的第一输出线和第三功分器的第二输出线电性连接。
该第三功分器的第一输出线,其一端与第三功分器的输入线和第三功分器的第二输出线电性连接,另一端与第五阻抗变换器电性连接。
该第三功分器的第二输出线,其一端与第三功分器的输入线和第三功分器的第一输出线的电性连接,另一端与第六阻抗变换器电性连接。
该第三功分器的第二输出线与第三功分器的第一输出线的电尺寸差为操作频率电磁波在基板中的四分之一波长,故该第三功分器在其两个输出端上不但实现功率的等分,而且实现了90度移相。
上述的第二功分器和第三功分器具有相同的物理尺寸。
上述的第一阻抗变换器,其一端与第一功分器的第一输出线电性连接,其另一端与第二功分器的输入线电性连接,并实现该二器件间的阻抗变换。
上述的第二阻抗变换器,其一端与第二功分器的第一输出线电性连接,其另一端与第一耦合器电性连接,并实现该二器件间的阻抗变换。
上述的第三阻抗变换器,其一端与第二功分器的第二输出线电性连接,其另一端与第二耦合器电性连接,并实现该二器件间的阻抗变换。
上述的第四阻抗变换器,其一端与第一功分器的第二输出线电性连接,其另一端与第三功分器的输入线电性连接,并实现该二器件间的阻抗变换。
上述的第五阻抗变换器,其一端与第三功分器的第一输出线电性连接,其另一端与第三耦合器电性连接,并实现该二器件间的阻抗变换。
上述的第六阻抗变换器,其一端与第三功分器的第二输出线电性连接,其另一端与第四耦合器电性连接,并实现该二器件间的阻抗变换。
上述的第一耦合器,其一端与第二阻抗变换器电性连接,其另一端耦合于第一介质谐振器辐射单元。
上述的第二耦合器,其一端与第三阻抗变换器电性连接,其另一端耦合于第二介质谐振器辐射单元。
上述的第三耦合器,其一端与第五阻抗变换器电性连接,其另一端耦合于第三介质谐振器辐射单元。
上述的第四耦合器,其一端与第六阻抗变换器电性连接,其另一端耦合于第四介质谐振器辐射单元。
本发明圆极化介质谐振器阵列天线,采用了四元面阵,增益比普通单个介质谐振器圆极化天线高6dB,因而具备高增益特性。本发明天线的接地面不但能够起到聚集波束的作用,还能有效抑制天线尾瓣,因而天线的前后比很高。最后,本发明天线采用了三个功分器及相关阻抗变换器和耦合器实现了每个介质谐振器的等功率馈电及相邻介质谐振器的90度相移,因而本发明天线的馈电网络比传统的由双馈电介质谐振器单元构成的阵列天线的馈电网络的复杂度低。
具体实施方式
请参阅图1,所示为本发明圆极化介质谐振器阵列天线的一较佳实施实例,本实施实例的圆极化阵列天线1应用在1.575GHz的操作频率,其包括一馈电单元31和一四单元天线面阵21。
上述的馈电单元31,包含一基板11、一接地面12及一馈电网络32。
该基板11,具有相反的一第一平面111及一第二平面112,在本实施实例中,基板11是一矩形的高频介质板,其相对介电常数为6.15,厚度为0.64mm,尺寸为:160mm×210mm。
该接地面12,设于基板11的第二平面112,馈电网络32,设于基板11的第一平面111。接地面12是一矩形金属平面,其尺寸为:160mm×210mm。
上述的四单元天线面阵21,设在基板11的第一平面111上,其包含一第一介质谐振器辐射单元201,一第二介质谐振器辐射单元202,一第三介质谐振器辐射单元203和一第四介质谐振器辐射单元204。
该第一介质谐振器辐射单元201与该第二介质谐振器辐射单元202、该第三介质谐辐射单元203、该第四介质谐辐射单元204的中心间距分别为操作频率电磁波在真空中的半波长、
倍半波长和半波长。
该第二介质谐振器辐射单元202与该第三介质谐振器辐射单元203、该第四介质谐振器辐射单元204的中心间距分别为操作频率电磁波在真空中的半波长和
倍半波长。
该第三介质振器辐射单元203与该第四介质振器辐射单元204的中心间距为操作频率电磁波在真空中的半波长。
该第一介质谐振器辐射单元201、该第二介质谐振器辐射单元202、该第三介质谐振器辐射单元203和该第四介质谐振器辐射单元204均为相对介电常数为35的陶瓷材料制成的圆柱体,物理尺寸完全相同,直径均为30mm,高度均为15.57mm,谐振时输出阻抗均为70欧姆。
上述的馈电网络32由十九条传输线电性连接而成,其包含一第一功分器33,一第二功分器34,一第三功分器35,一第一阻抗变换器303,一第二阻抗变换器306,一第三阻抗变换器309,一第四阻抗变换器312,一第五阻抗变换器315,一第六阻抗变换器318,一第一耦合器307,一第二耦合器310,一第三耦合器316,一第四耦合器319。
上述的第一功分器33由三条传输线电性连接而成,其包含一输入线301,一第一输出线302和一第二输出线311。
该输入线301为特征阻抗为50欧姆的微带线,其一端接SMA接头,用于对圆极化阵列天线1馈入或输出电磁波,其另一端与第一输出线302和第二输出线311电性连接。
该第一输出线302为特征阻抗为100欧姆的微带线,其一端与输入线301和第二输出线311电性连接,另一端与第一阻抗变换器303电性连接。
该第二输出线311为特征阻抗为100欧姆的微带线,其一端与输入线301和第一输出线302的电性连接,另一端与第二阻抗变换器312电性连接。
该第二输出线311与第一输出线302的电尺寸差为操作频率电磁波在基板11中的半波长,故该第一功分器33在其两个输出端上不但实现功率的等分,而且实现了180度移相。
上述的第二功分器34由三条传输线电性连接而成,其包含一输入线304,一第一输出线305和一第二输出线308。
该输入线304为特征阻抗为50欧姆的微带线,其一端与第一阻抗变换器303电性连接,其另一端与第一输出线305和第二输出线308电性连接。
该第一输出线305为特征阻抗为100欧姆的微带线,其一端与输入线304和第二输出线308电性连接,另一端与第二阻抗变换器306电性连接。
该第二输出线308为特征阻抗为100欧姆的微带线,其一端与输入线304和第一输出线305的电性连接,另一端与第三阻抗变换器309电性连接。
该第二输出线308与第一输出线305的电尺寸差为操作频率电磁波在基板11中的四分之一波长,故该第二功分器34在其两个输出端上不但实现功率的等分,而且实现了90度移相。
上述的第三功分器35由三条传输线电性连接而成,其包含一输入线313,一第一输出线314和一第二输出线317。
该输入线313为特征阻抗为50欧姆的微带线,其一端与第四阻抗变换器312电性连接,其另一端与第一输出线314和第二输出线317电性连接。
该第一输出线314为特征阻抗为100欧姆的微带线,其一端与输入线313和第二输出线317电性连接,另一端与第五阻抗变换器315电性连接。
该第二输出线317为特征阻抗为100欧姆的微带线,其一端与输入线313和第一输出线314的电性连接,另一端与第六阻抗变换器318电性连接。
该第二输出线317与第一输出线314的电尺寸差为操作频率电磁波在基板11中的四分之一波长,故该第三功分器35在其两个输出端上不但实现功率的等分,而且实现了90度移相。
上述的第二功分器34和第三功分器35具有相同的物理尺寸。
上述的第一阻抗变换器303为特征阻抗为71欧姆的微带线,用于特征阻抗为100欧姆微带线到特征阻抗为50欧姆微带线的阻抗变换,其电尺寸为操作频率电磁波在基板11中的四分之一波长,其一端与第一功分器33的第一输出线302电性连接,其一端与第二功分器34的输入线304电性连接。
上述的第二阻抗变换器306为特征阻抗为84欧姆的微带线,用于特征阻抗为100欧姆微带线到特征阻抗为70欧姆微带线的阻抗变换,其电尺寸为操作频率电磁波在基板11中的四分之一波长,其一端与第二功分器34的第一输出线305电性连接,其另一端与第一耦合器307电性连接。
上述的第三阻抗变换器309为特征阻抗为84欧姆的微带线,用于特征阻抗为100欧姆微带线到特征阻抗为70欧姆微带线的阻抗变换,其电尺寸为操作频率电磁波在基板11中的四分之一波长,其一端与第二功分器34的第二输出线308电性连接,其另一端与第二耦合器310电性连接。
上述的第四阻抗变换器312为特征阻抗为71欧姆的微带线,用于特征阻抗为100欧姆微带线到特征阻抗为50欧姆微带线的阻抗变换,其电尺寸为操作频率电磁波在基板11中的四分之一波长,其一端与第一功分器33的第二输出线311电性连接,其另一端与第三功分器35的输入线313电性连接。
上述的第五阻抗变换器315为特征阻抗为84欧姆的微带线,用于特征阻抗为100欧姆微带线到特征阻抗为70欧姆微带线的阻抗变换,其电尺寸为操作频率电磁波在基板11中的四分之一波长,其一端与第三功分器35的第一输出线314电性连接,其另一端与第三耦合器316电性连接。
上述的第六阻抗变换器318为特征阻抗为84欧姆的微带线,用于特征阻抗为100欧姆微带线到特征阻抗为70欧姆微带线的阻抗变换,其电尺寸为操作频率电磁波在基板11中的四分之一波长,其一端与第三功分器35的第二输出线317电性连接,其另一端与第四耦合器319电性连接。
上述的第一耦合器307为特征阻抗为70欧姆的微带线,其一端与第二阻抗变换器306电性连接,其交线与第一介质谐振器辐射单元201在基板11的第一平面111上的投影圆相切,其另一端沿第一介质谐振器辐射单元201在基板11的第一平面111上的投影圆的直径向相反的方向延伸,调节该70欧姆的微带线的长度可以使该第一耦合器307与第一介质谐振器辐射单元201达到最佳匹配状态。
上述的第二耦合器310为特征阻抗为70欧姆的微带线,其一端与第三阻抗变换器309电性连接,其交线与第二介质谐振器辐射单元202在基板11的第一平面111上的投影圆相切,其另一端沿第二介质谐振器辐射单元202在基板11的第一平面111上的投影圆的直径向相反的方向延伸,调节该70欧姆的微带线的长度可以使该第二耦合器310与第二介质谐振器辐射单元202达到最佳匹配状态。
上述的第三耦合器316为特征阻抗为70欧姆的微带线,其一端与第五阻抗变换器315电性连接,其交线与第三介质谐振器辐射单元203在基板11的第一平面111上的投影圆相切,其另一端沿第三介质谐振器辐射单元203在基板11的第一平面111上的投影圆的直径向相反的方向延伸,调节该70欧姆的微带线的长度可以使该第三耦合器316与第三介质谐振器辐射单元203达到最佳匹配状态。
上述的第四耦合器319为特征阻抗为70欧姆的微带线,其一端与第六阻抗变换器318电性连接,其交线与第四介质谐振器辐射单元204在基板11的第一平面111上的投影圆相切,其另一端沿第四介质谐振器辐射单元204在基板11的第一平面111上的投影圆的直径向相反的方向延伸,调节该70欧姆的微带线的长度可以使该第四耦合器319与第四介质谐振器辐射单元204达到最佳匹配状态。
参阅图2,所示为经电磁模拟所得本发明实施方式中圆极化阵列天线1的电压反射系数测试图。图中,电压反射系数小于-10dB的频率范围是1.55GHz-1.60GHz,工作带宽为50MHz,中心工作频率为1.575GHz。
参阅图3,所示为经电磁模拟所得本发明实施方式中圆极化阵列天线1的轴比测试图。图中,圆极化阵列天线1的轴比在整个工作频段内都小于3dB。
参阅图4和图5,分别所示为经电磁模拟所得本发明实施方式中圆极化阵列天线1的E面和H面增益测试图。从图4和图5可以看出该天线1增益大于10dBi,最大尾瓣小于-10dBi,因而该天线的增益前后比大于20dB。
由于采用了单端馈电线极化介质谐振振器辐射单元实现了圆极化阵列天线,简化了馈电网络,因而天线1具有结构简单,体积小,易于制造等优点,另从模拟测量结果可以看出天线1在带宽、轴比、增益和前后比等方面性能都很优越,因此天线1非常适合在移动通信设备上应用,具有很高的推广价值。
以上所述,仅是本发明的较佳实施实例而已,并非对本发明做任何形式上的限制,任何未脱离本发明技术方案的内容,依据本发明的技术实质对以上实施实例所作的任何简单修改、等同变化与修饰,均属于本发明技术方案的范围。