CN106025547A - 一种双极化介质谐振器天线 - Google Patents

一种双极化介质谐振器天线 Download PDF

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陈建新
葛杰
褚慧
陆清源
杨汶汶
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Abstract

本发明适用于天线技术领域，提供了一种双极化谐振器天线，包括：介质基板、设置在所述介质基板上的介质谐振器、设置在所述介质谐振器的馈电结构，其中，所述介质谐振器为长方体介质谐振器，所述馈电结构包括结构一致的第一馈电单元及第二馈电单元，所述第一馈电单元及第二馈电单元分别设置在所述长方体介质谐振器的相邻两个侧面上，所述第一馈电单元与第一馈电端口电连接，所述第二馈电单元与第二馈电端口电连接，在所述第一馈电端口馈电产生的或者由所述第一馈电端口接收的线极化波与由所述第二馈电端口馈电产生的或在所述第二馈电端口接收的线极化波的极化方向正交。本发明中，采用两个结构一致的馈电单元，可实现双极化效果，一致性好。

Description

一种双极化介质谐振器天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，尤其涉及一种双极化介质谐振器天线。
背景技术
现代无线通信技术和军事装备高新技术的不断发展，对系统装备的小型化、集成化、可靠性等方面的要求越来越高。天线作为无线通信系统中必不可缺的部件，其性能直接影响整个系统的工作能力。
由于介质谐振器天线采用非金属材料的介质制备而成，介质的介电常数可选范围较多，采用高介质常数材料制备介质谐振器天线可以缩小天线的体积；而介质谐振器天线的几何外形也多样化，可设计组合多种形状，具有设计灵活度高，尺寸小等优点；此外，由于介质谐振器天线辐射面大，没有导体欧姆损耗，自身的介质损耗比较小，辐射效率高，介质谐振器天线可广泛应用于多种无线系统中，例如卫星通信系统、雷达系统等。
近年来，双极化介质谐振器天线由于在一个天线单元中实现两个天线的功能可增大信道容量，提高天线链路性能而引起广泛关注。现有报道中，通常用不同的馈电结构实现双极化介质谐振器，但这类方法制备过程较复杂，调节过程较麻烦，两个馈电结构的一致性难以保证。
发明内容
本发明实施例提供了一种双极化介质谐振器天线，旨在解决现有技术中两个馈电结构一致性不高的问题。
本发明实施例是这样实现的，一种双极化谐振器天线，包括：介质基板、设置在所述介质基板上的介质谐振器、设置在所述介质谐振器的馈电结构，其中，所述介质谐振器为长方体介质谐振器，所述馈电结构包括结构一致的第一馈电单元及第二馈电单元，所述第一馈电单元及第二馈电单元分别设置在所述长方体介质谐振器的相邻两个侧面上，所述第一馈电单元与第一馈电端口电连接，所述第二馈电单元与第二馈电端口电连接；当所述第一馈电端口为工作端口时产生或接收一个线极化波；当所述第二馈电端口为工作端口时产生或接收另一个线极化波，在所述第一馈电端口馈电产生的或者由所述第一馈电端口接收的线极化波与由所述第二馈电端口馈电产生的或在所述第二馈电端口接收的线极化波的极化方向正交。
在本发明所述的双极化谐振器天线中，所述长方体介质谐振器的尺寸为：l*h*w，其中，所述l、w及h分别为所述长方体介质谐振器的长、宽及高，所述l等于w。在本发明所述的双极化谐振器天线中，所述第一馈电单元包括第一金属带线，所述第二馈电单元包括第二金属带线，所述第一金属带线与所述第二金属带线具有相同的尺寸且关于所在的侧面垂直中心线对称。
在本发明所述的双极化谐振器天线中，所述第一馈电单元还包括第一探针，所述第二馈电单元还包括第二探针，所述第一探针与第二探针的型号一致，所述第一探针设置在所述第一金属带线的中部，所述第二探针设置在所述第二金属带线的中部。
在本发明所述的双极化谐振器天线中，所述第一金属带线的下端与其所在侧面的底边齐平设置，所述第二金属带线与其所在侧面的底边齐平设置。
在本发明所述的双极化谐振器天线中，所述介质基板的远离所述长方体介质谐振器的一侧为金属层，该金属层作为天线的反射地和所述第一及第二馈电端口的接地端。
在本发明所述的双极化谐振器天线中，所述第一探针及第二探针沿所述介质基板方向均设置有延伸部，所述介质基板设置有分别供所述延伸部电连接至所述第一馈电端口及第二馈电端口的通孔。
在本发明所述的双极化谐振器天线中，所述金属层的对应通孔的位置分别设置有孔径大于所述通孔的圆孔，所述圆孔分别用于供所述第一馈电端口与第二馈电端口的信号与地的隔离。
在本发明所述的双极化谐振器天线中，所述第一金属带线及所述第二金属带线的宽度H均小于或等于所述长方体介质谐振器的高h的1/10到1/8。
在本发明所述的双极化谐振器天线中，所述介质基板的介电常数小于所述长方体介质谐振器的介电常数。
在本发明实施例中，由于采用长方体介质谐振器，将两个馈电单元分别设置在长方体介质谐振器的相邻两侧面中，两个馈电单元的结构一致，在该第一馈电单元的馈电端口馈电产生(作为发射天线)或者接收至第一馈电端口(作为接收天线)的线极化波与在第二馈电单元的馈电端口馈电产生(作为发射天线)或者接收至第二馈电端口(作为接收天线)的线极化波极化方向正交，可实现双极化效果，一致性好。
附图说明
图1是本发明的一种双极化介质谐振器天线的立体结构示意图；
图2A是本发明的一种双极化介质谐振器天线的介质谐振器在一工作模式下的电磁场分布图；
图2B是本发明的一种双极化介质谐振器天线的介质谐振器在另一工作模式下的电磁场分布图；
图3是本发明的一种双极化介质谐振器天线的两个馈电端口的端口反射系数及两馈电端口间的隔离图；
图4A是本发明的一种双极化介质谐振器天线的两个极化的增益图；
图4B是本发明的一种双极化介质谐振器天线的两个极化的方向图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例中，一种双极化谐振器天线包括：介质基板、设置在所述介质基板上的介质谐振器、设置在所述介质谐振器的馈电结构，其中，所述介质谐振器为长方体介质谐振器，所述馈电结构包括结构一致的第一馈电单元及第二馈电单元，所述第一馈电单元及第二馈电单元分别设置在所述长方体介质谐振器的相邻两个侧面上，所述第一馈电单元与第一馈电端口电连接，所述第二馈电单元与第二馈电端口电连接，当所述第一馈电端口为工作端口时产生或接收一个线极化波；当所述第二馈电端口为工作端口时产生或接收另一个线极化波，在所述第一馈电端口馈电产生的或者由所述第一馈电端口接收的线极化波与由所述第二馈电端口馈电产生的或在所述第二馈电端口接收的线极化波的极化方向正交。
为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
实施例一
图1示出了本发明的一种双极化介质谐振器天线的立体结构示意图，包括：介质基板1、设置在该介质基板1上的介质谐振器2、设置在该介质谐振器2的馈电结构3。
具体地，该介质谐振器2为长方体介质谐振器2，如图1所示，该长方体介质谐振器的尺寸为l*w*h，其中，该l、w及h分别为长方体的长、宽、高。优选地，该长方体介质谐振器的上底面及下底面为正方形，即l＝w，长方体的长度等于宽度。进一步优选地，该长方体介质谐振器的介电常数εr为38，损耗角2.5×10-4。该长方体介质谐振器紧贴该介质基板1的上表面设置，即长方体介质谐振器的下底面与该介质基板1的上表面叠放设置。
具体地，该长方体介质谐振器2同时存在三个维度上的TEmn(s+δ)和TMmn(s+δ)模，其中，上述m，n和δ分别是该介质谐振器2在x，y，z三个方向上的半波数。
优选地，该馈电结构3包括第一馈电单元31及第二馈电单元32，第一馈电单元31与第二馈电单元32的结构一致。其中，该第一馈电单元31及第二馈电单元32分别设置在该长方体介质谐振器的两相邻侧面上，第一馈电单元31设置在上述两相邻侧面的一个侧面21上，该第二馈电单元32设置在上述两相邻侧面的另一侧面22上。具体地，该双极化介质谐振器天线包括双极化馈电端口，即包括第一馈电端口及第二馈电端口(图中未示)，所述第一馈电端口及第二馈电端口可分别单独或同时工作，可单独作为工作端口(输入/输出端口)或同时作为工作端口。
具体地，该第一馈电单元31包括第一金属带线311、第一探针312，该第二馈电单元32包括第二金属带线321、第二探针322，其中，该第一金属带线311与第二金属带线321的结构一致，该第一探针312与第二探针322的结构一致。
在本实施例中，在所述第一馈电端口馈电产生的或者由所述第一馈电端口接收的线极化波与由所述第二馈电端口馈电产生的或在所述第二馈电端口接收的线极化波的极化方向正交。即通过与该第一馈电单元31电相连的第一馈电端口激励产生(作为发射天线)或者接收至第一馈电端口(作为接收天线)的线极化波与通过与第二馈电单元32电相连的第二馈电端口激励产生(作为发射天线)或者接收至第二馈电端口(作为接收天线)的线极化波极化方向正交，该两组线极化波除极化方向外具有相同的特性，例如具有相同的频率及辐射特性。
优选地，如图1所示，该第一金属带线311的下端与上述两相邻侧面的一个侧面21(即其自身所在侧面)的底边齐平设置，该第二金属带线321的下端与上述两相邻侧面的一个侧面22(即其自身所在侧面)的底边齐平设置。进一步优选地，该第一金属带线311在介质谐振器2的侧面21上关于上述侧面21的垂直中心线对称，即该第一金属带线311的中心线与上述侧面21的中心线重合，该第二金属带线321在介质谐振器2的侧面22上关于侧面22的垂直中心线对称，即该第二金属带线321的中心线与该侧面22的中心线重合。该第一金属带线311与第二金属带线321的尺寸一致，该第一金属带线311与第二金属带线321的长度均为L，L为根据该天线的输入阻抗匹配进行调节的尺寸，本实例中L可优选为7.5mm。该第一金属带线311与第二金属带线321的宽度均为H，其中，该第一金属带线311及第二金属带线321的宽度小于或等于上述长方体介质谐振器的高h的1/10到1/8，本实例中上述H优选为1mm。
优选地，上述第一探针312与第二探针322的型号一致，上述第一探针312设置在上述第一金属带线311的中部位置，第二探针312设置在上述第二金属带线321的中部位置，即第一探针312的中线与该第一金属带线311的中线重合，第二探针322的中线与该第二金属带线321的中线重合，进一步地，该第一探针312沿介质基板1的方向设置有延伸部，第二探针322沿介质基板1的方向也设置有延伸部，第一探针312的延伸部与第二探针322的延伸部结构一致，该延伸部均紧贴该长方体介质谐振器的表面设置，分别到达上述两个输入/输出端口(即第一及第二馈电端口)。
本实例中，上述介质基板1是长方体形结构，如图1所示，该介质基板1的远离上述长方体介质谐振器2的一侧为金属层11(即该侧面为由金属制备而成的金属层)，该金属层11作为天线的反射地和上述第一及第二馈电端口(输入/输出端口)的接地端，该介质基板1对应该第一探针312的延伸部及第二探针322的延伸部分别设置有通孔(图中未示)，该通孔分别供该第一探针312的延伸部及第二探针322的延伸部穿过并电连接第一馈电端口及第二馈电端口(即输入/输出端口,图中未示)，具体地，该第一探针312及第二探针322通过焊接方式与对应的金属带线连接。更优选地，该介质基板1采用型号为Rogers4003C的高频板，该介质基板1的介电常数小于上述长方体介质谐振器2的介电常数，作为优选，该介质基板1的介电常数εr为3.38，厚度为0.508mm。上述金属层11上对应于上述通孔的位置被腐蚀出与该通孔同心，孔径大于通孔的圆孔(图中未示)，以供所述第一及第二馈电端口(即输入/输出端口)的信号与地的隔离，即将第一及第二馈电端口的信号与地隔离开，优选地，该圆孔与该通孔的孔径之差为1.4mm。
进一步优选地，上述长方体介质谐振器2设置在该介质基板1的中部位置，即该长方体介质谐振器2的中心与该介质基板1的中心重合。该长方体介质谐振器的中心与该介质基板1的中心重合可进一步提高两个线极化波的一致性。
本实施例中，由于第一金属带线311与第二金属带线321的长度可调，可实现输入/输出端口的阻抗匹配。又由于第一金属带线311关于侧面21的垂直中心线对称，第二金属带线关于侧面22的垂直中心线对称，且第一金属带线311与第二金属带线321的尺寸一致，该第一金属带线311的下端与上述两相邻侧面的一个侧面21的底边齐平设置，该第二金属带线321的下端与上述两相邻侧面的一个侧面22的底边齐平设置，第一探针312及其延伸部与第二探针322及其延伸部一致，保证了馈电结构的一致性。金属带线311和321的宽度小于等于上述长方体介质谐振器的高h的1/10到1/8，降低了金属带线对上述介质谐振器2中电磁场分布的影响。
如图2A所示，为本发明的一种双极化谐振器天线的介质谐振器在一工作模式下的电磁场分布图(环形圈为电场E，箭头弧线为磁场H)；图2B为本发明的一种双极化谐振器天线的介质谐振器在另一工作模式下的电磁场分布图(环形圈为电场E，箭头弧线为磁场H)。如图2A，该介质谐振器2通过第一馈电单元31馈电时，工作于TEy 111模式，如图2B，该介质谐振器2通过第一馈电单元32馈电时，工作于TEx 111模式，该两个模式的电磁场垂直相交(正交)，并且分别沿y-轴和x-轴均匀分布，实现双极化目的。该两个模式下的电磁场除了极化方向不一致，辐射特性及频率特性均一致。
本实施例中，双极化介质谐振器天线的频率受到介质谐振器2的尺寸影响，该介质谐振器2(尺寸为l*w*h)为长方体介质谐振器，且该介质谐振器2的长度与宽度相等，即上述l等于w，该长方体介质谐振器的上底面及下底面为正方形结构，该双极化介质谐振器天线的频率采用以下公式计算：
f 0 = c 2 π ϵ r 2 ( π l ) 2 + ( π h ) 2
其中，c为光在真空中的传播速度，εr为介质谐振器2的介电常数。需要说明的是，所述l、h的数值除满足上述公式外，可根据实际情况中对谐波的要求而设，此处对此不作限制。
本实施例中，以WLAN(2.4–2.48GHz)应用为例，应用上述公式可以计算得到介质谐振器2的尺寸分别为：截面边长l＝w＝20mm(0.163λ0)，高度h＝8mm(0.0653λ0)，两者的比值h/(2l)＝0.2，上述λ0是中心频率2.45GHz时对应的自由空间波长。
如图3所示，为本发明的一种双极化介质谐振器天线的两个馈电端口的端口反射系数及两个馈电端口间的隔离图，其中给出了Ansoft HFSS(Ansoft公司的三维电磁仿真软件)仿真出的双极化介质谐振器天线的S参数。可见该双极化介质谐振器天线工作于2.45GHz时，具有100MHz的阻抗带宽(定义为|S11|或者|S22|<-10dB，S11及S22分别为第一馈电端口与第二馈电端口的反射系数)。在整个工作带宽内，表明该双极化介质谐振器天线两端口间的隔离|S21|大于30dB。图4A为本发明的一种双极化介质谐振器天线的两个极化的增益图；由图4A可看出，两个极化的增益相同，在该双极化介质谐振器天线的工作频带内，增益大于6dBi。
图4B为本发明的一种双极化介质谐振器天线的两个极化的方向图，从图中可以看出，两个极化的方向图也是一致的，该双极化介质谐振器天线无论是E-面或H-面交叉极化均小于-30dB。
本发明中，首先，采用长方体介质谐振器，将两个馈电单元分别设置在长方体介质谐振器的相邻两侧面中，且分别通过延伸部电连接至第一馈电端口和第二馈电端口，两个馈电单元的结构一致，尺寸相同，在该第一馈电端口馈电产生(作为发射天线)或者接收至第一端口(作为接收天线)的线极化波与在第二馈电口馈电产生(作为发射天线)或者接收至第二端口(作为接收天线)的线极化波极化方向正交，可实现双极化效果，使得该天线具有一致性好、高隔离、低交叉极化的特性。
其次，第一探针与第二探针的型号相同及均设置在对应的金属带线的中部位置，可进一步提高第一馈电结构与第二馈电结构的一致性。第一及第二金属带线的长度可调，易于实现输入/输出端口的匹配。
再者，本发明中，将馈电结构设置在介质谐振器的侧面，在介质基板上设置通孔，无需在介质谐振器上穿孔，或者在介质基板的金属层上设置缝隙，简化结构，降低成本。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。
专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种双极化谐振器天线，其特征在于，包括：介质基板、设置在所述介质基板上的介质谐振器、设置在所述介质谐振器的馈电结构，其中，所述介质谐振器为长方体介质谐振器，所述馈电结构包括结构一致的第一馈电单元及第二馈电单元，所述第一馈电单元及第二馈电单元分别设置在所述长方体介质谐振器的相邻两个侧面上，所述第一馈电单元与第一馈电端口电连接，所述第二馈电单元与第二馈电端口电连接，当所述第一馈电端口为工作端口时产生或接收一个线极化波；当所述第二馈电端口为工作端口时产生或接收另一个线极化波，在所述第一馈电端口馈电产生的或者由所述第一馈电端口接收的线极化波与由所述第二馈电端口馈电产生的或在所述第二馈电端口接收的线极化波的极化方向正交。
2.根据权利要求1所述的双极化谐振器天线，其特征在于，所述长方体介质谐振器的尺寸为：l*h*w，其中，所述l、w及h分别为所述长方体介质谐振器的长、宽及高，所述l等于所述w。
3.根据权利要求2所述的双极化谐振器天线，其特征在于，所述第一馈电单元包括第一金属带线，所述第二馈电单元包括第二金属带线，所述第一金属带线与所述第二金属带线具有相同的尺寸且关于所在的侧面垂直中心线对称。
4.根据权利要求3所述的双极化谐振器天线，其特征在于，所述第一馈电单元还包括第一探针，所述第二馈电单元还包括第二探针，所述第一探针与第二探针的型号一致，所述第一探针设置在所述第一金属带线的中部，所述第二探针设置在所述第二金属带线的中部。
5.根据权利要求4所述的双极化谐振器天线，其特征在于，所述第一金属带线的下端与其所在侧面的底边齐平设置，所述第二金属带线与其所在侧面的底边齐平设置。
6.根据权利要求5所述的双极化谐振器天线，其特征在于，所述介质基板的远离所述长方体介质谐振器的一侧为金属层，该金属层作为所述双极化谐振器天线的反射地和所述第一及第二馈电端口的接地端。
7.根据权利要求6所述的双极化谐振器天线，其特征在于，所述第一探针及第二探针沿所述介质基板方向均设置有延伸部，所述介质基板设置有分别供所述延伸部电连接至所述第一馈电端口及第二馈电端口的通孔。
8.根据权利要求7所述的双极化谐振器天线，其特征在于，所述金属层的对应所述通孔的位置分别设置有孔径大于所述通孔的圆孔，所述圆孔分别用于供所述第一馈电端口与第二馈电端口的信号与地的隔离。
9.根据权利要求2至8任意一项所述的双极化谐振器天线，其特征在于，所述第一金属带线及所述第二金属带线的宽度H均小于或等于所述长方体介质谐振器的高h的1/10到1/8。
10.根据权利要求1所述的双极化谐振器天线，其特征在于，所述介质基板的介电常数小于所述长方体介质谐振器的介电常数。
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