CN101807745B - 一种工作在谐振TExδ01模式下的介质谐振天线 - Google Patents
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Abstract
一种工作在谐振TEx δ01模式下的介质谐振天线,属于天线技术领域,其特征在于含有:矩形介质单元1、金属地4以及都沿着所述矩形长度方向两侧间的底部和所述金属地4之间垂直布置的T型馈电电极2和两个末端短路金属片31、32,其中:T型馈电电极2位于偏离所述矩形长度方向的垂直中心线处,两个末端短路金属片分别固定在所述矩形长度方向的两侧,其中第一个末端金属短路片31呈矩形,位于偏离T型馈电电极2处;第二个末端金属片呈T形,位于靠近T型馈电电极2处。本发明便于生产和安装。谐振TEx δ01模式的电场在整个辐射口面上均匀分布,具有较高口径辐射效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种包含两个末端金属短路片和T型馈电电极的矩形介质谐振天线,该天线工作在谐振模式TEx δ01下,具有较高的口径辐射效率。
背景技术
在过去,由于介质被看作绝缘体,无法应用于天线设计。但最近的研究表明:只要它们被恰当地激励,就可以实现高效辐射。在许多无线通信和传感应用中,介质天线正逐步取代传统的金属天线。介质天线拥有很多的优点,例如尺寸小、辐射效率高以及便于调节匹配。同频段内,介质天线尺寸仅是导体天线的对于常用的材料,介电常数一般在35-100之间,这就意味着介质天线尺寸将仅是类似传统天线的1/10-1/6。同时,介质天线使用介质辐射,减小金属损耗,可以实现高效率辐射。这一点对毫米波频段天线设计至关重要。
介质天线常见的基本结构有矩形、圆柱和半球形。矩形介质谐振天线与其它形状相比有更多的优势。例如,长宽高三个尺寸提供两个自由度,比圆柱多一个,比半球多两个,使其成为变化最多样的基本结构。同时在实际操作中,矩形结构也最容易加工、组装。因此,我们选择矩形介质谐振天线作为研究对象。
在介质谐振天线中可以激励出许多不同模式,产生不同的天线特性和辐射方向图。根据金属波导、金属谐振腔的相关知识,分析矩形介质天线的谐振模式。由分析结果可知:置于地板上的矩形介质谐振天线可以支持TEx,TEy或TEz模式,辐射方向图类似x-,y-和z-方向的磁偶极子。目前,矩形谐振天线的最低模式分别是TEx δ11,TEy δ11和TEz 11δ。若同时激励两个或更多的模式,可以使工作频带进一步展宽。因此,如何激励并有效利用其它天线模式,使其具有更加优良的特性是介质谐振天线研究的重要问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种工作在谐振模式TEx δ01下的介质谐振天线的结构设计。该天线包括由陶瓷粉末烧结的矩形介质单元,两个末端金属短路片,T型馈电电极以及金属地。采用新型的介质谐振单元,激励起TEx δ01模式。这是该模式首次应用于天线设计。
本发明的特征在于,含有矩形介质单元1、金属地4以及都沿着所述矩形长度方向两侧间的底部和所述金属地4之间垂直固定布置的两个末端金属短路片31、32和T型馈电电极2,其中:
矩形介质单元1,是所述介质谐振天线的主辐射单元;
T型馈电电极2,位于偏离所述矩形长度方向的垂直中心线处;
两个末端金属短路片31、32,其中第一末端金属短路片31位于偏离所述T型馈电电极2处,第二末端金属短路片32位于靠近所述T型馈电电极2处。
所述的一种工作在谐振模式TEx δ01下的介质谐振天线,其特征在于:所述矩形介质单元1由陶瓷粉末烧结制成。
所述的一种工作在谐振模式TEx δ01下的介质谐振天线,其特征在于:所述第一个末端金属短路片31呈矩形,第二个末端金属短路片32呈T形,T型水平分支的厚度与所述矩形介质单元1的厚度相同。
根据本发明的一种工作在谐振模式TEx δ01下的在介质谐振天线,介质单元采用矩形结构,设计灵活且便于生产组装。同时,在所述介质谐振天线中有效激励起TEx δ01模式,该模式电场在整个辐射口面上均匀分布,使所述介质谐振天线具有较高口径辐射效率。
附图说明
图1为本发明提供的一种工作在谐振模式TEx δ01下的介质谐振天线三维图,矩形部分是介质单元,其它部分是金属。
图2为图1的A向视图。
图3为图1的B向视图。
图4为图1的C向视图。
图5为图1的D向视图。
图6为图1的A向视图结构的实施实例尺寸图,单位均为毫米(mm)。
图7为图1的B向视图结构的实施实例尺寸图,单位均为毫米(mm)。
图8为图1的C向视图结构的实施实例尺寸图,单位均为毫米(mm)。
图9为图1的D向视图结构的实施实例尺寸图,单位均为毫米(mm)。
图10为图6-图9的实施实例介质谐振天线的电场分布图,箭头表示电场方向,线条的粗细表示电场强度。
具体实施方式
本发明的目的是提供一种工作在谐振模式TEx δ01下的介质谐振天线,具体实施方案包括:
矩形介质单元1,由陶瓷粉末烧结制成,作为天线的主辐射单元;
T型馈电电极2偏离介质单元长度方向的垂直中心线处放置,以便提供合适的阻抗匹配;
两个末端金属短路片31、32,置于所述介质单元1的两个末端,连接介质单元1和金属地4作为介质单元的支撑结构,使介质单元与金属地之间保持一定的距离;
金属地4;
本发明的技术方案是这样实现的:采用偏离介质单元1长度方向垂直中心线放置的T型馈电电极2,向介质单元1馈电。同时,在介质单元1的两个末端端面分别添加金属短路片31、32与金属地4相连。金属短路片31、32的加入,使得矩形介质单元1可以工作在谐振TEx δ01模式。所述介质谐振天线的电场分布如图10所示:电场沿x轴似均匀分布;沿y轴均匀分布;在z轴方向随着高度的减小,电场强度减小,到达金属地4时水平电场消失。在满足边界约束条件的情况下,电场分布构成谐振TEx δ01模式。同时,所述介质谐振天线的工作频率仅由介质单元1的高度以及与金属地4的距离共同决定,与介质单元1的长度与宽度无关。
以图6-图9所示尺寸制作的介质谐振天线的回波损耗(S11)仿真与实测结果如图11所示。测量的阻抗带宽(S11≤-10dB)为3.465GHz到3.550GHz,中心频率3.505GHz;仿真结果的中心谐振频率为3.5GHz,带宽85MHz。仿真结果与实测结果吻合良好。
以图6-图9所示尺寸制作的介质谐振天线的归一化方向图如图12和13所示。E面归一化方向图如图12所示,测量的交叉极化隔离度大于20dB,验证了电场主要沿y轴分布;H面归一化方向图如图13所示,在主辐射方向上,测量的交叉极化隔离度约20dB。仿真与实测的方向图吻合良好,说明谐振TEx δ01模式已经在所设计的结构中实现。
电场在天线的主辐射口径xoy平面上均匀分布。因此,天线可以提供较高的口径辐射效率。仿真的增益最大值出现在θ=0°点处为5.72dB。
Claims (1)
1.一种工作在谐振TEx δ01模式下的介质谐振天线,其特征在于含有:矩形介质单元(1)、金属地(4)以及都沿着所述矩形长度方向两侧间的底部和所述金属地(4)之间垂直固定布置的两个末端金属短路片(31,32)和T型馈电电极(2),其中:
矩形介质单元(1)由陶瓷粉末烧结制成,是所述介质谐振天线的主辐射单元;
T型馈电电极(2)位于偏离所述矩形长度方向的垂直中心线处;
两个末端金属短路片(31、32),其中第一个末端金属短路片(31)呈矩形,位于偏离所述T型馈电电极(2)处,第二个末端金属短路片(32)呈T形,位于靠近所述T型馈电电极(2)处。
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