CN102130377B

CN102130377B - 同轴馈电的三频介质谐振天线

Info

Publication number: CN102130377B
Application number: CN 201110028200
Authority: CN
Inventors: 吴锡东; 吴慧娴; 杨楠; 周金芳; 李波
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2011-01-26
Filing date: 2011-01-26
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2031-01-26
Also published as: CN102130377A

Abstract

本发明公开了一种同轴馈电的三频介质谐振天线。介质谐振腔是高介电常数材料构成的介质谐振腔，介质谐振腔放置在地电位面上，介质谐振腔内部中央的上部嵌有一个空气谐振腔，空气谐振腔的内部填充介质为空气，介质谐振腔和空气谐振腔上端中央放置金属贴片，同轴馈源包括探针、介质层和外导体，探针从地电位面的下方穿过地电位面进入介质谐振腔，地电位面与探针之间为介质层，地电位面下方的介质层外设有外导体。本发明通过介质谐振腔，空气谐振腔和金属贴片三个结构集成在一起提供三个不同的频点，具有体积小同时频带宽的特点，在卫星通信中有着重要的应用，此外在军事电子对抗中也可以起到其他天线无法起到的作用。

Description

同轴馈电的三频介质谐振天线

技术领域

本发明涉及介质谐振天线，尤其涉及一种同轴馈电的三频介质谐振天线。

背景技术

由于无线通信技术的发展，人们对系统中必不可少的天线的各项性能的要求也日益提高，如体积更小、带宽更大、损耗更低等。但是天线的应用和发展却受到在高频段金属欧姆损耗高和低频段天线几何尺寸大这两个关键技术的限制。因此，介质谐振天线由于其良好的性能得到了广泛的关注和研究。介质谐振天线在无线通信中的应用十分广泛，例如移动终端、无线接入点、基站等各种通信设备和系统，在一些国防部感兴趣的战术系统中，比如雷达中也有广泛应用。

介质谐振天线是用高介电常数和低损耗的介质材料制成的，经常用于屏蔽微波电路中。从上个世纪70年代起，介质谐振器就开始用于屏蔽微波电路中，其一般由低损耗（tan δ =10^-4以下）、高介电常数（10-100）的材料做成。当介质谐振器放在自由空间中，并在一定的激励条件下，就能制作成高效率的介质谐振天线。

介质谐振天线因为没有导体和表面波损耗，自身介质损耗小，并具有较低的辐射Q因子高效的辐射效率。它与具有相同介电常数的微带天线相比，介质谐振天线的带宽要宽的多。其设计具有灵活性，如介质谐振器的形状可以多种多样，如圆柱形，矩形等；有多种馈电机制，通过改变馈电位置可控制输入阻抗，易于匹配，且其它天线技术可以很容易地应用到介质谐振天线。同时，介电常数的选择范围很大，允许设计者灵活控制尺寸和带宽（低介电常数对应大带宽，高介电常数对应小尺寸），通过选择合适的谐振参数可以得到很宽的工作带宽，也可以同时具有多个频带。此外，相似天线之间的隔离度很好，且对附近物体引起的失谐有较好的抵抗能力；体积小又易于集成，适用于在很小的空间内设置多个天线的情况。而且，介质谐振天线对加工误差不像微带天线那样敏感，特别是在频率很高的时候。

介质谐振天线的极化方式和带宽现在仍然是研究热点。提高介质谐振天线的带宽一直是DRA研究的一大热点。DRA设计中增加带宽的方法有很多，例如堆叠结构、增加一个单元、空气缝法、负载导体带片、使用特殊形状的介质谐振器或者更好的馈电结构等。例如堆叠结构就是将两个不同的介质谐振器堆叠在一起，使每一个介质谐振器在不同的频率，两个谐振频率互相接近，从而展宽天线的带宽。在天线设计中极化特性是一个非常重要的考虑因素。在很长的一段时间内，介质谐振天线的研究主要集中在线极化介质谐振天线，但线极化天线对传输和接受的方向很敏感，此时，圆极化天线就开始受到关注，尤其在卫星通信中下面我们将简要介绍一种典型的介质谐振天线的结构及其性能指标，并以此提出本发明的内容。

中国专利CN1331856公开了一种介质谐振天线，其介质谐振器安装在由导电材料形成的地电位面上，馈源由相互分开而置第一和第二探针组成，将第一和第二探针电气耦合到谐振器，以将第一和第二信号分别提供给谐振器或从其接收所述信号，第一和第二探针由导电带形成，导电带电气连接到谐振器周围，并基本上关于地电位面垂直，第一和第二信号具有相同振幅，但是相位相差90度，以产生圆极化辐射图案。在该方案中双频带天线可通过将两个介质谐振器天线放置并连接在一起而形成。在双频带配置中的每一个谐振器以特定频率谐振，由此提供双频带工作。谐振器能够并排放置，或相互垂直放置。这样的结构使得该介质谐振天线的体积较大。

发明内容

本发明的目的是克服上述已有技术的不足，提供一种同轴馈电的三频介质谐振天线。

一种同轴馈电的三频介质谐振天线包括介质谐振腔、金属贴片、空气谐振腔、地电位面、同轴馈源；介质谐振腔是高介电常数材料构成的介质谐振腔，介质谐振腔放置在地电位面上，介质谐振腔内部中央的上部嵌有一个空气谐振腔，空气谐振腔的内部填充介质为空气，介质谐振腔和空气谐振腔上端中央放置金属贴片，同轴馈源包括探针、介质层和外导体，探针从地电位面的下方穿过地电位面进入介质谐振腔，地电位面与探针之间为介质层，地电位面下方的介质层外设有外导体。

所述的介质谐振腔或空气谐振腔为立方体或圆柱体；金属贴片为长方形或圆形。所述的谐振腔或空气谐振腔为立方体时，同轴馈源的位置在介质谐振腔下底面平行于边长的对称轴上，此时实现线极化。所述的谐振腔或空气谐振腔为立方体时，同轴馈源的位置在介质谐振腔下底面穿过中心的一条斜线上，该斜线不与任何一条与底面边长平行的对称轴重合，此时实现圆极化。

另一种同轴馈电的三频介质谐振天线包括介质谐振腔、金属贴片、空气谐振腔、地电位面、双同轴馈源；介质谐振腔是高介电常数材料构成的介质谐振腔，介质谐振腔放置在地电位面上，介质谐振腔内部中央的上部嵌有一个空气谐振腔，空气谐振腔的内部填充介质为空气，介质谐振腔和空气谐振腔上端中央放置金属贴片，双同轴馈源由两个同轴馈源构成，同轴馈源包括探针、介质层和外导体，探针从地电位面的下方穿过地电位面进入介质谐振腔，地电位面与探针之间为介质层，地电位面下方的介质层外设有外导体。

进一步地，所述的介质谐振腔或空气谐振腔为立方体或圆柱体，金属贴片为正方形或圆形。

进一步地，所述的谐振腔或空气谐振腔为立方体时，双同轴馈源的两个馈源的位置分别位于介质谐振腔下底面平行于相交的两条边的两条对称轴上，此时实现双线极化。

进一步地，所述的谐振腔或空气谐振腔为立方体时，双同轴馈源中的一个馈源的位置位于介质谐振腔下底面一条过中心点的斜线上，该斜线与任何一条与底面平行的对称轴不重合，双同轴馈源中的两个馈源位置关于与底边平行的对称轴对称，此时实现双圆极化。

跟现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）高效的辐射效率（95%），因为没有导体和表面波损耗，自身介质损耗小，并具有较低的辐射Q因子；

（2）介电常数的选择范围很大，允许设计者灵活控制尺寸和带宽（低介电常数对应大带宽，高介电常数对应小尺寸），通过选择合适的谐振参数可以得到很宽的工作带宽，也可以同时具有多个频带；

（3）相似天线之间的隔离度很好，且对附近物体引起的失谐有较好的抵抗能力；

（4）体积小又易于集成，适用于在很小的空间内设置多个天线的情况；

（5）对加工误差不像微带天线那样敏感，特别是在频率很高的时候。

附图说明

图1是同轴馈电的三频介质谐振天线的结构示意图；

图2是图1的A-A剖视图；

图3是本发明线极化结构具体实施方式1的俯视图；

图4是本发明线极化结构具体实施方式2的俯视图；

图5是本发明线极化结构具体实施方式3的俯视图；

图6是本发明线极化结构具体实施方式4的俯视图；

图7是本发明线极化结构具体实施方式5的俯视图；

图8是本发明线极化结构具体实施方式6的俯视图；

图9是本发明线极化结构具体实施方式7的俯视图；

图10是本发明线极化结构具体实施方式8的俯视图；

图11是本发明双线极化的三频介质谐振天线的俯视图；

图12是本发明圆极化的三频介质谐振天线的俯视图；

图13是本发明双圆极化的三频介质谐振天线的俯视图。

具体实施方式

凡能够限定电磁能量在一定体积内振荡的结构均可构成电磁谐振器。这种振荡结构一般是由任意形状的电壁或磁壁所限定的体积，在外界的激励下结构内部产生微波电磁振荡。介质谐振器是一种具有存储能和选频特性的微波谐振元件，起功过原理类似于电路理论中的集总元件谐振器。

由高介电常数介质与空气界面的反射和折射情况可以得到结论高介电常数的界面与导体壁有着类似的特性，能使电磁波发生完全的或近似完全的反射。导体壁被称为电壁，其电场的切向分量为零，磁场的法向分量为零，电磁波被完全反射，合成场的电力线垂直与导体表面。而在高介电常数的介质界面上，磁场切向分量近似为零，入射波与反射波的磁场切向分量近似相抵消，合成场的磁力线近似垂直介质界面，于是高介电常数的介质表面可近似看成磁壁，只有当

趋向于无穷时，才能成为真正的磁壁。用磁壁围成一个封闭的腔，当适当频率的电磁波馈入时，波将在腔的磁壁上来回反射，形成谐振。因此高介电常数的介质块可以近似为微波谐振器，电磁能量在介质内振荡，不会穿过磁壁泄漏到空气中去。然而，没有介质的介电常数可以达到无穷大，这意味着介质振荡的同时会向外辐射能量，选择适当的介电常数的介质，可以使谐振器能辐射足够的能量，这样就形成了介质谐振天线。

如图1、2所示，一种同轴馈电的三频介质谐振天线包括介质谐振腔1、金属贴片2、空气谐振腔3、地电位面4、同轴馈源5；介质谐振腔1是高介电常数材料构成的介质谐振腔，介质谐振腔1放置在地电位面4上，介质谐振腔1内部中央的上部嵌有一个空气谐振腔3，空气谐振腔3的内部填充介质为空气，介质谐振腔1和空气谐振腔3上端中央放置金属贴片2，同轴馈源5包括探针51、介质层52和外导体53，探针51从地电位面4的下方穿过地电位面4进入介质谐振腔1，地电位面4与探针51之间为介质层52，地电位面4下方的介质层52外设有外导体53。

如图11所示，另一种同轴馈电的三频介质谐振天线包括介质谐振腔1、金属贴片2、空气谐振腔3、地电位面4、双同轴馈源6；介质谐振腔1是高介电常数材料构成的介质谐振腔，介质谐振腔1放置在地电位面4上，介质谐振腔1内部中央的上部嵌有一个空气谐振腔3，空气谐振腔3的内部填充介质为空气，介质谐振腔1和空气谐振腔3上端中央放置金属贴片2，双同轴馈源6由两个同轴馈源5构成，同轴馈源5包括探针51、介质层52和外导体53，探针51从地电位面4的下方穿过地电位面4进入介质谐振腔1，地电位面4与探针51之间为介质层52，地电位面4下方的介质层52外设有外导体53。

介质谐振腔1提供三频介质谐振天线的第一个频点，通过改变介质谐振腔1的尺寸参数，可以调节第一个天线谐振点的位置；金属贴片2提供三频介质谐振天线的第二个频点，通过改变金属贴片2的尺寸参数可以调节第二个天线谐振点的位置；空气谐振腔3提供三频介质谐振天线的第三个频点，通过改变空气谐振腔3的尺寸参数，可以调节第三个天线谐振点的位置；由这三个结构可以实现本发明介质谐振天线的三频点特征。

本发明中介质谐振天线端口的阻抗值是由同轴材料的介电常数以及其内径和外径决定的：

式中μ_r，ε_r为填充介质的相对磁导率和相对介电常数，b为外导体53内半径，a为介质层52外半径。这个阻抗值通常是固定的。

如图3～10所示，所述的介质谐振腔1或空气谐振腔3为立方体或圆柱体；金属贴片2为长方形或圆形。

本发明通过同轴馈源5的位置和其探针51的长度来实现极化方式和调节阻抗匹配。图3、11、12、13分别给出了4种不同的极化方式。

图3表示线极化的三频介质谐振天线，其同轴馈源5的位置在介质谐振腔1下底面平行于边长的对称轴上。

图11表示双线极化的三频介质谐振天线，在图3结构的基础上增加一个馈源，以实现双馈源，双同轴馈源6的两个馈源的位置分别位于介质谐振腔1下底面平行于相交的两条边的两条对称轴上，从而实现两个垂直方向的双线极化。

图12表示圆极化的三频介质谐振天线，同轴馈源5的位置在介质谐振腔1下底面穿过中心的一条斜线上，该斜线不与任何一条与底面边长平行的对称轴重合。

图13表示双圆极化的三频介质谐振天线，在图5结构的基础上增加一个馈源，以实现双馈源，双同轴馈源6中的一个馈源的位置位于介质谐振腔1下底面一条过中心点的斜线上，该斜线与任何一条与底面平行的对称轴不重合，双同轴馈源5中的两个馈源位置关于与底边平行的对称轴对称。

本发明将结构的多样性与馈源的多样性结合，就能产生出更多种的具体实施方式来。本发明所提到的8种结构和4种馈源，就可以产生32种不同的介质谐振天线。

以上是本发明的几种具体实施方式，本领域的技术人员可以通过应用本发明公开的方法以及发明中提到的一些替代方式制作出本介质谐振天线。本发明仅是一种特殊材料的较佳实例，并非对本发明作任何形式上的限定，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或修饰为等同变化的等效实例，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。本发明通过介质谐振腔，空气谐振腔和金属贴片三个结构集成在一起提供三个不同的频点，具有体积小同时频带宽的特点，此外，还有结构简单、成本低、误差容忍度高等优点。在卫星通信中有着重要的应用,此外在军事电子对抗中也可以起到其他天线无法起到的作用。

Claims

1.一种同轴馈电的三频介质谐振天线，其特征在于包括介质谐振腔（1）、金属贴片（2）、空气谐振腔（3）、地电位面（4）、同轴馈源（5）；介质谐振腔（1）是高介电常数材料构成的介质谐振腔，介质谐振腔（1）放置在地电位面（4）上，介质谐振腔（1）内部中央的上部嵌有一个空气谐振腔（3），空气谐振腔（3）的内部填充介质为空气，介质谐振腔（1）和空气谐振腔（3）上端中央放置金属贴片（2），同轴馈源（5）包括探针（51）、介质层（52）和外导体（53），探针（51）从地电位面（4）的下方穿过地电位面（4）进入介质谐振腔（1），地电位面（4）与探针（51）之间为介质层（52），地电位面（4）下方的介质层（52）外设有外导体（53）。

2.根据权利要求1所述的一种同轴馈电的三频介质谐振天线，其特征在于所述的介质谐振腔（1）或空气谐振腔（3）为立方体或圆柱体；金属贴片（2）为长方形或圆形。

3.根据权利要求1或2所述的一种同轴馈电的三频介质谐振天线，其特征在于所述的介质谐振腔（1）或空气谐振腔（3）为立方体时，同轴馈源（5）的位置在介质谐振腔（1）下底面平行于边长的对称轴上。

4.根据权利要求1或2所述的一种同轴馈电的三频介质谐振天线，其特征在于所述的介质谐振腔（1）或空气谐振腔（3）为立方体时，同轴馈源（5）的位置在介质谐振腔（1）下底面穿过中心的一条斜线上，该斜线不与任何一条与底面边长平行的对称轴重合。

5.一种同轴馈电的三频介质谐振天线，其特征在于包括介质谐振腔（1）、金属贴片（2）、空气谐振腔（3）、地电位面（4）、双同轴馈源（5）；介质谐振腔（1）是高介电常数材料构成的介质谐振腔，介质谐振腔（1）放置在地电位面（4）上，介质谐振腔（1）内部中央的上部嵌有一个空气谐振腔（3），空气谐振腔（3）的内部填充介质为空气，介质谐振腔（1）和空气谐振腔（3）上端中央放置金属贴片（2），双同轴馈源（5）由两个同轴馈源构成，同轴馈源包括探针（51）、介质层（52）和外导体（53），探针（51）从地电位面（4）的下方穿过地电位面（4）进入介质谐振腔（1），地电位面（4）与探针（51）之间为介质层（52），地电位面（4）下方的介质层（52）外设有外导体（53）。

6.根据权利要求5所述的一种同轴馈电的三频介质谐振天线，其特征在于所述的介质谐振腔（1）或空气谐振腔（3）为立方体或圆柱体；金属贴片（2）为正方形或圆形。

7.根据权利要求5或6所述的一种同轴馈电的三频介质谐振天线，其特征在于所述的介质谐振腔（1）或空气谐振腔（3）为立方体时，双同轴馈源（5）的两个馈源的位置分别位于介质谐振腔（1）下底面平行于相交的两条边的两条对称轴上。

8.根据权利要求5或6所述的一种同轴馈电的三频介质谐振天线，其特征在于所述的介质谐振腔（1）或空气谐振腔（3）为立方体时，双同轴馈源（5）中的一个馈源的位置位于介质谐振腔（1）下底面一条过中心点的斜线上，该斜线与任何一条与底面平行的对称轴不重合，双同轴馈源（5）中的两个馈源位置关于与底边平行的对称轴对称。