CN107171060A - 介质加载双频谐振腔天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种介质加载双频谐振腔天线。该天线包括金属接地板，馈电口，馈源天线，部分反射覆板，以及用于固定支撑的长螺丝、尼龙柱、螺母，其中：所述金属接地板紧贴于馈源天线下表面，部分反射覆板由两层不同厚度介质板组成且加载于馈源天线上方，部分反射覆板和金属接地板由长螺丝、尼龙柱和螺母连接支撑；所述馈源天线包括从下至上顺序设置的介质基板、第一贴片、第二贴片、上层介质板，所述第一贴片、第二贴片实现两个频率的辐射，第一贴片由馈电口进行激励，第二贴片由第一贴片通过空气层激励。本发明天线结构简单、便于加工，同时能够实现高增益和多频段的特性。

Description

介质加载双频谐振腔天线
技术领域
本发明属于无线通信天线技术领域，特别是一种介质加载双频谐振腔天线。
背景技术
目前，谐振腔天线在高增益，宽频带和低剖面等方面都有重大进展。双频谐振腔天线覆板的实现方案主要有二维介质棒、二维频率选择表面，但是该两种结构天线覆板的设计和仿真需要很大的工作量，无法用低介电常数的介质板实现高增益和好的方向图，加工材料的选择范围小、加工成本高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种便于设计加工的介质加载双频谐振腔天线，同时实现高增益和多频段的特性。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种介质加载双频谐振腔天线，包括金属接地板，馈电口，馈源天线，部分反射覆板，以及用于固定支撑的长螺丝、尼龙柱、螺母，其中：
所述金属接地板紧贴于馈源天线下方，部分反射覆板由两层不同厚度介质板组成且加载于馈源天线上方，部分反射覆板和金属接地板由长螺丝、尼龙柱和螺母连接支撑。
进一步地，所述馈源天线包括从下至上顺序设置的介质基板、第一贴片、第二贴片、上层介质板，所述第一贴片、第二贴片实现两个频率的辐射，第一贴片由馈电口进行激励，第二贴片由第一贴片通过空气层激励。
进一步地，所述部分反射覆板包括两层介质板和介质板中间的空气层，其中：下层介质板的厚度为中心频率处二分之一介质波长λg/2，中间空气层的厚度为中心频率处四分之一自由空间波长λ0/4，上层介质板的厚度为中心频率处四分之一介质波长λg/4。
进一步地，所述馈电口采用SMA接头。
进一步地，所述第一贴片、第二贴片之间填充泡沫。
进一步地，所述部分反射覆板的两层介质板之间填充泡沫形成空气层。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)可以用低介电常数的介质板来实现更高的增益和更好的方向图，并且有更低的剖面，对介质板的要求降低，拓宽了加工材料的选择范围，降低了加工成本；(2)结构的设计过程简单，不需要大量的仿真优化工作，部分覆板的厚度可以根据设计的频率和选取板材的介电常数快速计算出来。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。
附图说明
图1是本发明双频谐振腔天线的三维结构示意图。
图2是馈源天线的三维结构示意图。
图3是双频谐振腔天线剖面图的尺寸规格图。
图4是双频谐振腔天线俯视图的尺寸规格图。
图5是馈源天线剖面图的尺寸规格图。
图6是馈源天线俯视图的尺寸规格图。
图7是部分反射覆板的反射相位图。
图8是部分反射覆板的反射幅度图。
图9是双频谐振腔天线采用HFSS仿真的S11图。
图10是馈源天线方向性系数与谐振腔天线方向性系数的对比图。
图11是双频谐振腔天线在低频10G处H面的方向图。
图12是双频谐振腔天线在低频10G处E面的方向图。
图13是双频谐振腔天线在高频14G处H面的方向图。
图14是双频谐振腔天线在高频14G处E面的方向图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细描述：
本发明加载双层介质板的双频谐振腔天线，除了具备谐振腔天线高增益的特点外，还可以实现双频。
结合图1～2，本发明介质加载双频谐振腔天线，包括金属接地板1，馈电口2，馈源天线3，部分反射覆板4，以及用于固定支撑的长螺丝5、尼龙柱6、螺母7，其中：
所述金属接地板1紧贴于馈源天线3下表面，部分反射覆板4由两层不同厚度介质板组成且加载于馈源天线3上方，部分反射覆板4和金属接地板1由长螺丝5、尼龙柱6和螺母7连接支撑。
进一步地，所述馈源天线3包括从下至上顺序设置的介质基板3-1、第一贴片3-2、第二贴片3-3、上层介质板3-4，所述第一贴片3-2、第二贴片3-3实现两个频率的辐射，第一贴片3-2由馈电口2进行激励，第二贴片3-3由第一贴片3-2通过空气层激励。
进一步地，所述部分反射覆板4包括两层介质板和介质板中间的空气层，其中：下层介质板的厚度为中心频率处二分之一介质波长λg/2，中间空气层的厚度为中心频率处四分之一自由空间波长λ0/4，上层介质板的厚度为中心频率处四分之一介质波长λg/4。
进一步地，所述馈电口2采用SMA接头。
进一步地，所述第一贴片3-2、第二贴片3-3之间填充泡沫。
进一步地，所述部分反射覆板4的两层介质板之间填充泡沫形成空气层。
该天线通过加载于馈源天线3上方的部分反射覆板4，对馈源天线3辐射波的不断反射透射来加强整个天线的方向性。同时，通过合理地取部分反射覆板4中上、下两层介质板和中间空气层的厚度使得天线在两个频点都能实现方向性增强。
本发明馈源天线3采用双频堆栈天线，馈源天线3由上下两层辐射贴片组成，其中下贴片由馈电激励，上贴片由下贴片通过中间的空气层激励。两贴片同时辐射实现双频。除了堆栈天线馈源也可以采用其他类型的双频天线。
部分反射覆板部分是本发明的核心部分，合适地选择介质板和空气层的厚度实现谐振腔天线在两个频点上的方向性增强效应。
实施例1
如图1所示本发明主要由金属接地板1，馈源天线3和部分反射覆板4组成。
其中馈源天线4如图2所示，包括从下至上顺序设置的介质基板3-1、第一贴片3-2、第二贴片3-3、上层介质板3-4，所述第一贴片3-2、第二贴片3-3实现两个频率的辐射，第一贴片3-2由馈电口2进行激励，第二贴片3-3由第一贴片3-2通过空气层(泡沫材料)激励。通过移动馈电口2来实现天线的匹配。
部分反射覆板4由两层不等厚度的介质板和其中的空气层组成。该天线通过加载于馈源上方的部分反射覆板4对馈源天线3辐射波的不断反射透射来加强整个天线的方向性。同时，通过合理地取部分反射覆板4中上下两层介质板和中间空气层的厚度使得天线在两个频点都能实现方向
假设实现的双频为f1和f2，那么取中心频率f0＝f1+f2/2。部分反射覆板4中下层介质板的厚度为中心频率处二分之一介质波长λg/2，中间空气层的厚度为中心频率处四分之一自由空间波长λ0/4，上层介质板的厚度为中心频率处四分之一介质波长λg/4。
本实施例的两个频率选取10G和14G，其中馈源天线3的介质基板3-1和上层介质板3-4，选取介电常数为2.2，厚度为0.508mm的5880板材。部分反射覆板4采用的是介电常数为4.4的FR4板材。
根据本发明提出的结构和设计的频率可以算得：
中心频率：
f0＝12GHz
下层介质板的厚度：
中间空气层的厚度：
上层介质板的厚度：
其中C＝3×1011mm，ε0＝1，εr＝4.4。
天线的具体尺寸如图3、图4、图5和图6所示。主要尺寸参数如下：
h＝12mm,t1＝6mm,h1＝6.25mm,l1＝130mm,t2＝3mmd＝1mm,ld＝8.6mm,lu＝9.2mm,tu＝0.508mm,t＝0.508mm,hs＝0.6mm,ls＝15mm,d1＝0.6mm,d2＝2mm
图7图8是用不同介电常数的介质板组成的同种结构的部分反射覆板反射相位和幅度的对比图。
图7中反射相位和理想相位曲线的两个交点为双频设计双频天线的频点。可以看出，板材的介电常数对反射相位的影响很小，几乎可以忽略。
而从图8的反射幅度图中可以看出，介电常数越大反射系数越大。而根据谐振腔天线理论，加载的部分反射覆板的反射系数越大，对馈源天线的增益提升越大。相比于其他结构，本发明的结构使用介电常数4.4的板材就可以在工作频点获得较高的反射系数。
图9为设计的天线在电磁仿真软件HFSS下仿真的S参数。天线在10G和14G两频点，S11都小于-10dB。
从图10的馈源天线方向性系数与谐振腔天线方向性系数的对比可以看出天线的方向性系数在低频和高频分别提升了9.5dB和10.5dB。加载部分反射覆板的效果明显。
图11～14为双频谐振腔天线在两频点处H面和E面的归一化方向图。从图中可以看出低频10GHz处H面的副瓣和后瓣都基本小于-20dB；而E面的后瓣也小于-20dB，后瓣表现稍差为-15dB。在高频14GHz处H面的副瓣小于-15dB,后瓣小于-20dB，E面的副瓣小于-15dB,后瓣小于-20dB。总体来看无论高频还是低频方向图都表现良好。

Claims (6)

1.一种介质加载双频谐振腔天线，其特征在于，包括金属接地板(1)，馈电口(2)，馈源天线3)，部分反射覆板(4)，以及用于固定支撑的长螺丝(5)、尼龙柱(6)、螺母(7)，其中：
所述金属接地板(1)紧贴于馈源天线(3)下表面，部分反射覆板(4)由两层不同厚度介质板组成且加载于馈源天线(3)上方，部分反射覆板(4)和金属接地板(1)由长螺丝(5)、尼龙柱(6)和螺母(7)连接支撑。
2.根据权利要求1所述的介质加载双频谐振腔天线，其特征在于，所述馈源天线(3)包括从下至上顺序设置的介质基板(3-1)第一贴片(3-2)、第二贴片(3-3)、上层介质板(3-4)，所述第一贴片(3-2)、第二贴片(3-3)实现两个频率的辐射，第一贴片(3-2)由馈电口(2)进行激励，第二贴片(3-3)由第一贴片(3-2)通过空气层激励。
3.根据权利要求1所述的介质加载双频谐振腔天线，其特征在于，所述部分反射覆板(4)包括两层介质板和介质板中间的空气层，其中：下层介质板的厚度为中心频率处二分之一介质波长λg/2，中间空气层的厚度为中心频率处四分之一自由空间波长λ0/4，上层介质板的厚度为中心频率处四分之一介质波长λg/4。
4.根据权利要求1所述的介质加载双频谐振腔天线，其特征在于，所述馈电口(2)采用SMA接头。
5.根据权利要求2所述的介质加载双频谐振腔天线，其特征在于，所述第一贴片(3-2)、第二贴片(3-3)之间填充泡沫。
6.根据权利要求3所述的介质加载双频谐振腔天线，其特征在于，所述部分反射覆板(4)的两层介质板之间填充泡沫形成空气层。
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