CN108963436B - 一种低剖面多模混合介质谐振天线、无线通信系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于无线通信技术领域，公开了一种低剖面多模混合天线、无线通信系统，金属辐射片位于辐射介质板的上表面空隙，金属地板位于辐射介质板的下表面。本发明通过混合辐射介质板的谐振模和金属辐射片的谐振模，有效拓展了原辐射介质板单独工作时的阻抗带宽。本发明具有宽频带、低剖面的优点，相对带宽为46.9％，而剖面高度仅为0.115λ0，且工作频带内增益均大于4.4dBi，增益变化小于3.5dBi。此外，混合天线的辐射方向图十分稳定，具有较好的全向特性，可以满足多种应用场合。

Description

一种低剖面多模混合介质谐振天线、无线通信系统
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种低剖面多模混合介质谐振天线、无线通信系统。
背景技术
目前，业内常用的现有技术是这样的：无线通信技术的飞速发展，使人们通信系统中天线的各项性能指标提出了更高的要求，如天线的小型化、宽频带、低损耗等。虽然各种各样的微带天线因其低剖面、轻质量等优点，已经得到了深入的研究和广泛的应用，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。介质谐振天线有其独有的优势，首先，为了控制天线的尺寸和带宽，设计者可以灵活选取介质的介电常数；其次，天线通过整个谐振器表面进行辐射，而其自身介质损耗又很小，因此其辐射效率很高；再者，介质谐振天线可以激励起多种模式，针对不同的覆盖要求可产生宽边或圆锥型的辐射模式；最后，介质谐振天线加工简单，成本较低，便于集成设计。然而，介质谐振天线有一个不可忽视的缺点，由于其空气谐振腔的存在，纵向尺寸一般较高，难以实现低剖面设计。2015年，电子科技大学的洪劲松等人在专利文献CN104810606A中公开了一种宽带介质谐振天线，其中天线主要由矩形接地金属板、刻有缝隙的长方体辐射介质器、同轴探针等组成。天线工作于2.2GHz～3.52GHz频段。但是其增益较低，且纵向尺寸很高，达到了25.5mm(0.241λ0,λ0为天线的中心频点的工作波长)，不满足低剖面要求。2015年，何艳等人在专利文献CN104538737A中公开了一种宽频带低剖面全向辐射垂直线极化天线。天线由同轴接头、金属地板、内介质圆环、外介质圆环等组成。天线的带宽较宽，虽然剖面高度仅为0.175λ0，但是仍有降低的可能。因此，设计出宽频带低剖面且具有稳定辐射性能的天线是天线技术领域亟需解决的问题，具有较大的实用意义。
综上所述，现有技术存在的问题是：
(1)现有的宽带介质谐振天线增益较低，且纵向尺寸很高，达到了25.5mm(0.241λ0,λ0为天线的中心频点的工作波长)，不满足低剖面要求。传统的小尺寸介质谐振天线，由于其激励的模式常常为基模，增益很难提高，要想提高增益，最简单的方法就是激励起高次模。然而，传统激励起高次模的方法，例如引入“寄生结构”、“堆叠结构”，都不可避免的增加了天线的高度以及复杂程度。因此，用一个简单的结构来激励多种模式，可以在提高天线增益的基础上降低天线高度。
(2)现有的宽带介质谐振天线剖面高度仅为0.175λ0，但仍有降低的可能。然而，在降低天线高度的过程中，天线原有的谐振模式会改变，天线的带宽以及增益都会受到影响，如何用一个简单的结构实现天线高度的降低、增益的提升以及带宽的增加，是现有技术的难点。
解决上述技术问题的难度和意义：
传统的介质谐振天线，在追求宽频带高增益的性能时，引入了“寄生结构”、“堆叠结构”等一系列复杂的结构，不仅增加了天线的复杂程度，还使天线在低剖面的要求上渐行渐远。因此，使用一种简单的结构，使传统介质谐振天线实现低剖面、宽频带、高增益的要求，有着非常重要的意义。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种低剖面多模混合介质谐振天线、无线通信系统。
本发明是这样实现的，一种低剖面多模混合介质谐振天线，所述低剖面多模混合介质谐振天线设置有：
辐射介质板；
金属地板位于辐射介质板的下表面；
金属辐射片位于辐射介质板的上表面中心的空隙中，金属辐射片和辐射介质板的中心重合。
进一步，所述辐射介质板上表面的空隙中印嵌金属辐射片。
进一步，所述金属辐射片为四个谐振点。
进一步，所述金属辐射片横截面的边长表示为L1，L1小于辐射介质板横截面的外边长L2。
进一步，所述同轴接头包括内导体和外导体，且位于金属辐射片的正下方、整个天线结构的中心，内导体与金属辐射片的正下方相连。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述低剖面多模混合介质谐振天线的无线通信系统。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：通过混合辐射介质板的谐振模和金属辐射片的谐振模，改变介质谐振天线原有的模式分布，使原有介质辐射体模中的低频谐振点向更低频移动，同时，添加的金属材料产生的辐射模式形成了一个新的谐振点，改善了介质谐振天线的匹配性能，并且拓宽了介质谐振天线的阻抗带宽。此外，混合天线还具备低剖面、稳定的辐射方向图等特性。
本发明通过混合辐射介质板的谐振模和金属辐射片的谐振模，有效拓展了原辐射介质板单独工作时的阻抗带宽。本发明具有宽频带、低剖面的优点，相对带宽为46.9％，而剖面高度仅为0.115λ0，且工作频带内增益均大于4.4dBi，增益变化小于3.5dBi。此外，混合天线的辐射方向图十分稳定，具有较好的全向特性，可以满足多种应用场合。
附图说明
图1是本发明实施例提供的低剖面多模混合天线结构示意图；
图2是本发明实施例提供的辐射介质板、金属辐射片、金属地板的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的同轴接头的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的天线的反射系数曲线图；
图5是本发明实施例提供的天线在几个频点的E面和H面辐射方向图；
图6是本发明实施例提供的天线在工作频带内增益曲线图；
图中：1、辐射介质板；2、金属辐射片；3、金属地板；4、同轴接头。
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。
本发明旨在解决现有的宽带介质谐振天线增益较低，且纵向尺寸很高，达到了25.5mm(0.241λ0,λ0为天线的中心频点的工作波长)，不满足低剖面要求。现有的宽带介质谐振天线剖面高度仅为0.175λ0，但仍有降低的可能的技术问题；本发明通过混合辐射介质板的谐振模和金属辐射片的谐振模，有效拓展了原辐射介质板单独工作时的阻抗带宽。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的低剖面多模混合介质谐振天线包括：辐射介质板1、金属辐射片2、金属地板3、同轴接头4。
金属辐射片2位于辐射介质板1的上表面空隙，金属地板3位于辐射介质板1的下表面。
金属辐射片2位于辐射介质板1的上表面中心的空隙中，保持了介质辐射体上表面的平整，且两者的中心重合。原有的介质板进行单独工作时，辐射介质板1产生的模式会在工作频段内会出现三个谐振点，天线的阻抗在频段内变化不大，且辐射方向图在频段内稳定，然而，整个频段内天线的阻抗很高，难以实现匹配。通过在辐射介质板1上表面的空隙中印嵌一块金属辐射片，不仅对原辐射介质板的工作模式产生了影响，使原有三个谐振点中频率最低的谐振点向更低频移动，而且金属辐射片2还在原有的辐射模式中另外增添了一种模式，具体表现为在原有的三个谐振点的中间，又添加了一个新的谐振点，使得天线的工作频带得以拓宽；此外，金属辐射片2还使得天线在整个频段内的阻抗明显降低，利于匹配。最终表现为此混合天线在一个较宽的频带范围内具备阻抗匹配、稳定的辐射方向图等特性。
金属辐射片2横截面的边长表示为L1，L1小于辐射介质板1横截面的外边长L2，且两个长度L1、L2满足1:0.37的比例关系，调整此关系将严重影响此混合天线在工作频段内的阻抗匹配情况。
金属辐射片2的高度与同轴接头4内导体长度之和大于辐射介质板1的高度，即h1+h2＞h3，具体来说，金属辐射片2与同轴接头4的内导体有相交的部分，金属辐射片2减去相交的部分体积。
同轴接头4包括内导体和外导体，且位于金属辐射片2的正下方、整个天线结构的中心，内导体与金属辐射片2的正下方相连，用以实现对天线的馈电。
如图4所示，低剖面多模混合天线反射系数曲线，其横坐标表示频率，纵坐标表示天线反射系数，从图中可以看出，天线在3.52～5.68GHz频段内匹配良好，反射系数小于-10dB，相对带宽达到了46.9％，能够在上述频段内稳定工作。
如图5的(a)、(b)、(c)分别是低剖面多模混合天线在三个工作频点的E面和H面的方向图，co-pol表示主极化。图5(a)、(b)、(c)依次表示3.77GHz、4.42GHz、5.48GHz时的E面与H面天线增益随角度变化的函数曲线。在上述两个观察平面内，主极化波束稳定，尤其在H面有较好的全向特性。
如图6是低剖面多模混合天线的增益随频率变化的曲线，其横坐标表示频率，纵坐标表示天线增益，可见，天线在3.5～5.7GHz频段内，最小增益达4.4dBi，天线的增益变化小于3.5dBi。
本发明提出的低剖面多模混合天线能基于简单的结构，在一个较宽的频段内同时实现稳定的高增益和辐射方向图，有利于改善无线通信系统的信号覆盖问题。同时，本发明具有剖面低、重量轻、加工简单和价格低廉等特点。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种低剖面多模混合介质谐振天线，其特征在于，所述低剖面多模混合介质谐振天线设置有：
辐射介质板；
金属地板位于辐射介质板的下表面；
金属辐射片位于辐射介质板的上表面中心的空隙中，金属辐射片和辐射介质板的中心重合；
所述辐射介质板上表面的空隙中印嵌金属辐射片；
同轴接头包括内导体和外导体，且位于金属辐射片的正下方、整个天线结构的中心，内导体与金属辐射片的正下方相连。
2.如权利要求1所述的低剖面多模混合介质谐振天线，其特征在于，所述金属辐射片横截面的边长表示为L1，L1小于辐射介质板横截面的外边长L2；L1、L2满足1:0.37的比例。
3.一种应用权利要求1～2任意一项所述低剖面多模混合介质谐振天线的无线通信系统。
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