CN105390809A - 基于平面单极子贴片激励的宽带介质谐振器天线 - Google Patents

基于平面单极子贴片激励的宽带介质谐振器天线 Download PDF

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李绪平
赵迎超
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Abstract

本发明涉及一种基于平面单极子贴片激励的宽带介质谐振器天线，包括具有豁口的圆柱体介质谐振器，支撑泡沫材料，平面单极子贴片，方形金属地板以及馈电用SMA连接器。该天线的辐射本体为具有豁口的圆柱体介质谐振器，其顶面加载金属覆层并且采用倒梯形平面单极子贴片进行激励。介质谐振器置于金属地板之上，介电常数接近于1.0的泡沫材料用于支撑介质谐振器。该天线结构紧凑可靠，成本低廉，加工难度低，具有高的辐射效率，能够满足3GHz～6.5GHz工作频带性能要求，非常适合于C波段宽带无线通信系统应用。

Description

基于平面单极子贴片激励的宽带介质谐振器天线
技术领域
本发明涉及一种基于平面单极子贴片激励的宽带介质谐振器天线，可作为C波段宽带无线通信系统的终端天线，属于无线通信系统天线技术领域。
背景技术
无线通信系统的飞速发展，对作为其关键部件的终端天线提出了小型化、宽频带、高效率等高性能要求。在该技术领域，微带贴片天线因其剖面低、易集成、成本低等优点，已经得到了深入的研究和广泛的应用。然而，由于微带贴片天线存在高频段金属导体欧姆损耗高、低频段天线几何尺寸较大的两个关键性技术瓶颈，一定程度上限制了其进一步发展和应用。近年来，介质谐振器天线由于自身所具有的良好性能得到了较快发展。它除了具有传统微带贴片天线的一些特点之外，还具有馈电机制灵活、高效率、宽频带及小型化等优点。鉴于介质谐振器天线的独特优势及其潜在应用前景，设计一种适用于无线通信系统的宽带高效率终端天线具有重要的现实意义。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于平面单极子贴片激励的宽带介质谐振器天线。该天线结构紧凑可靠，成本低廉，加工难度低，具有宽带高效率特性，能够满足C波段宽带无线通信系统的应用需求。
技术方案
一种基于平面单极子贴片激励的宽带介质谐振器天线，其特征在于包括介质谐振器、泡沫材料、平面单极子贴片、金属地板、SMA连接器和金属覆层；介质谐振器为具有豁口的圆柱体，顶面加载金属覆层，平面单极子贴片位于介质谐振器的豁口处，与SMA连接器连接，在介质谐振器与金属地板之间设有泡沫材料用来支撑介质谐振器。
所述的介质谐振器选用介电常数εr＝9.8的RogersTMM10i微波陶瓷基材。
所述的金属覆层为铝箔或铜箔。
所述的平面单极子贴片为倒梯形结构。
所述的泡沫材料为聚甲基丙烯亚胺刚性泡沫，介电常数为1.0。
有益效果
本发明提出的一种基于平面单极子贴片激励的宽带介质谐振器天线，具有的有益效果：
1.宽频带：通过选择合适的介质谐振器形状、介电常数，采用简单灵活的平面单极子贴片激励方式，并且在介质谐振器与金属地板之间填充泡沫材料代替空气层，使得两种模式对应的谐振频率带宽叠加交叉，同时降低了天线辐射Q值，以此实现了介质谐振器天线工作频率覆盖需求的3GHz～6.5GHz频带。因此，本发明提出的介质谐振器的宽带性能明显优于传统的微带贴片天线，更适于C波段宽带无线通信系统应用。
2.高效率：微带贴片天线的金属导体欧姆损耗高，介质基板损耗大且存在较大的表面波损耗，导致其辐射效率较低，尤其是在微波毫米波频段。而本发明提出的介质谐振器天线介质损耗小，基本不存在表面波损耗，具有较高的辐射效率。
3.小型化：微带贴片天线作为二维结构形式，几何尺寸与频率相关，不易实现小型化。而本发明提出的介质谐振器天线是一种三维结构形式，具有更灵活的设计自由度。设计选用高介电常数的介质谐振器辐射本体，并且在其顶面加载金属覆层，有效地降低了剖面，实现了小型化。
附图说明
图1为本发明宽带介质谐振器天线的结构主视图
图2为本发明宽带介质谐振器天线的结构前视图
图3为本发明宽带介质谐振器天线的结构侧视图
图4为本发明宽带介质谐振器天线的实测端口回波损耗曲线
图5为本发明宽带介质谐振器天线的实测增益曲线
1-介质谐振器，2-泡沫材料，3-平面单极子贴片，4-金属地板，5-SMA连接器，6-金属覆层。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
基于平面单极子贴片激励的宽带介质谐振器天线，从结构上看主要包括介质谐振器，支撑泡沫材料，平面单极子贴片，金属地板以及SMA连接器。介质谐振器作为天线辐射本体，结构外形为具有豁口的圆柱体，所选择材料为介电常数εr＝9.8的RogersTMM10i微波陶瓷基材。在介质谐振器圆柱体顶面加载金属覆层，可视为理想电导体(PEC)界面，利于宽带性能实现。由于介质谐振器介电常数远大于空气，其与空气交界面又可视为理想磁导体(PMC)界面。因此，提出的介质谐振器为具有PEC与PMC界面的腔体，利于宽带特性的实现。此外，介质谐振器顶面加载金属覆层，使得垂直方向的波数变为零，有效地降低天线谐振频率，利于天线小型化的实现。
介质谐振器的形状及尺寸决定天线的主谐振频率，其采用倒梯形平面单极子贴片进行激励。特殊的激励方式可产生另一种新的工作模式，形成天线的次谐振频率。通过调整平面单极子贴片的尺寸，可以产生双谐振模式，以使这两部分谐振频率的带宽相互交叉，进而可以展宽介质谐振器天线的工作带宽。介质谐振器置于方形金属地板之上，在其与地板之间引入合适的空气层，可降低天线辐射Q值，使得天线有更宽的阻抗带宽。空气层采用聚甲基丙烯亚胺刚性泡沫进行填充，该材料介电常数接近于1.0，也可起到支撑介质谐振器的作用。此外，出于阻抗匹配和实用角度考虑，介质谐振器天线采用同轴探针馈电方式，SMA连接器的内导体直接与平面单极子贴片电气连接。
基于平面单极子贴片激励的介质谐振器天线，该天线具有宽频带、高辐射效率特性。参照图1～图3，本发明提出的宽带介质谐振器天线主要由具有豁口的圆柱体介质谐振器1，支撑泡沫材料2，平面单极子贴片3，方形金属地板4以及馈电用SMA连接器5组成。其中，金属覆层6置于介质谐振器1的顶面，可视为理想电导体(PEC)，实际天线样机加工时可用铝箔或铜箔代替。
作为天线的辐射本体，圆柱体介质谐振器1选用介电常数εr＝9.8的RogersTMM10i微波陶瓷基材，圆柱体直径为23mm，高度为9mm。参照图3，为了便于电磁场模式激励，介质谐振器1局部进行了切割处理，切割豁口深度为4mm，豁口高度为3mm。介质谐振器1置于60mm×60mm(长×宽)的方形金属地板4之上，两者之间有6mm间隙的空气层。实际加工时，采用聚甲基丙烯亚胺刚性泡沫对空气层进行填充，选用的泡沫材料2的介电常数接近于1.0，也利于支撑介质谐振器1。
参照图2，倒梯形平面单极子贴片3用于激励介质谐振器1，其贴附于介质谐振器1切割豁口形成的平面处。调整平面单极子贴片3的尺寸，可产生双谐振模式，有利于展宽天线的工作带宽。标准的50欧姆SMA连接器5作为整个天线的对外电气接口，其内导体直接与平面单极子贴片3电气连接，而SMA连接器5的法兰盘固定于金属地板4的底面。
图4为天线的实测端口回波损耗曲线，从图中可见在要求的3GHz～6.5GHz频带范围内回波损耗S11＜-10dB，达到了约73％的相对带宽。
图5为天线的实测增益曲线，从图中可见在要求的3GHz～6.5GHz频带范围内增益介于4.8dBi～6.5dBi之间，频带内增益稳定。

Claims (5)

1.一种基于平面单极子贴片激励的宽带介质谐振器天线，其特征在于包括介质谐振器(1)、泡沫材料(2)、平面单极子贴片(3)、金属地板(4)、SMA连接器(5)和金属覆层(6)；介质谐振器(1)为具有豁口的圆柱体，顶面加载金属覆层(6)，平面单极子贴片(3)位于介质谐振器(1)的豁口处，与SMA连接器(5)连接，在介质谐振器(1)与金属地板(4)之间设有泡沫材料(2)用来支撑介质谐振器(1)。
2.根据权利要求1所述的基于平面单极子贴片激励的宽带介质谐振器天线，其特征在于所述的介质谐振器(1)选用介电常数εr＝9.8的RogersTMM10i微波陶瓷基材。
3.根据权利要求1所述的基于平面单极子贴片激励的宽带介质谐振器天线，其特征在于所述的金属覆层(6)为铝箔或铜箔。
4.根据权利要求1所述的基于平面单极子贴片激励的宽带介质谐振器天线，其特征在于所述的平面单极子贴片(3)为倒梯形结构。
5.根据权利要求1所述的基于平面单极子贴片激励的宽带介质谐振器天线，其特征在于所述的泡沫材料(2)为聚甲基丙烯亚胺刚性泡沫，介电常数为1.0。
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