CN109546354B - 一种基于介质谐振器的磁偶极子八木天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及基于介质谐振器的磁偶极子八木天线，包括：介质基板、反射器、馈电网络和驱动单元，其改进之处在于：驱动单元为矩形介质谐振器，馈电网络为用于差分信号激励的共面双线，共面双线对驱动单元进行直接馈电。本发明介质谐振器被共面双线激励，被激励起TE11δ模式电场的介质谐振器是一个磁偶极子。由于辐射单元采用矩形介质谐振器，本发明所提出的天线与传统金属八木天线相比拥有小尺寸和高增益的优点。此外，介质谐振器的三维尺寸能够根据实际的系统需求去调节，这展示了本设计的灵活性。

Description

一种基于介质谐振器的磁偶极子八木天线
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种基于介质谐振器的磁偶极子八木天线。
背景技术
八木天线是一种典型的寄生单元天线，被广泛的应用在现代通信系统中。在过去的几十年内，各种各样的基于电偶极子或磁偶极子的八木天线被研究和制造。不同形状的长度为工作频率半波长的电偶极子被广泛应用于上述天线中。那些使用电偶极子的三单元八木天线通常能提供 4.5到 6dBi的增益。这些八木天线想继续提高增益，就需要增加更多的引向器，然而这会使得天线的尺寸变的笨重。同时这些天线的横向尺寸为工作频率的0.5个波长，这种尺寸会限制这些天线的应用。为了缩小天线的尺寸，一个嵌套的开口谐振环被用作电偶极子，天线的横向尺寸缩减到了0.3个波长。但是天线的径向的长度增加了很多。在这些使用电偶极子或磁偶极子的设计中，都使用了金属带条。金属带条的应用会带来不可避免的欧姆损耗。当工作频率上升时，损耗会变的越来越严重。介质谐振器和金属谐振器不同，介质谐振器没有表面电流，并且介质谐振器被广泛应用于高辐射效率的天线。
经检索发现，中国发明专利申请CN 103956569 A公开了一种集成滤波功能的差分准八木天线，其在不增加天线原始尺寸的情况下，集滤波和辐射与一体，结构紧凑，具有较好的交叉极化和较低的损耗。然而，其结构复杂，设置有两个驱动单元，天线增益不高。
发明内容
本发明的目的在于：克服上述现有技术的缺陷，提出一种结构简单的基于介质谐振器的磁偶极子八木天线。方形的介质谐振器首次被提出用作八木天线的驱动单元，天线不仅尺寸小，而且具有高增益的特点。
为了达到上述目的，本发明提出的基于介质谐振器的磁偶极子八木天线，包括：介质基板、反射器、馈电网络、驱动单元和引向器，其特征在于：所述驱动单元和引向器均为矩形介质谐振器，所述馈电网络为用于差分信号激励的共面双线，对驱动单元进行直接馈电。
本发明介质谐振器被差分馈电的共面双线激励，被激励起TE11δ 模式电场的介质谐振器是一个磁偶极子。因为驱动单元使用了介质谐振器，所以本发明所提出的天线与传统金属八木天线相比拥有小尺寸和高增益的有点。此外，介质谐振器的三维尺寸能够根据实际的系统需求去调节，这展示了本设计的灵活性。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明基于介质谐振器的磁偶极子八木天线立体图。
图2是本发明基于介质谐振器的磁偶极子八木天线结构示意图。
图3是本驱动单元和引向器的电场分布图。
图4是本发明基于介质谐振器的磁偶极子八木天线的回波损耗和实际增益的仿真和实测对比图。
图5是本发明基于介质谐振器的磁偶极子八木天线在频率9.12GHz处E面上的辐射方向图的仿真和实测对比图。
图6是本发明基于介质谐振器的磁偶极子八木天线在频率9.12GHz处H面上的辐射方向图的仿真和实测对比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
参见图1、图2是本发明实施例的基于介质谐振器的磁偶极子八木天线的示意图。本发明实施例的基于介质谐振器的磁偶极子八木天线为两层电路结构。具体的，本发明实施例的基于介质谐振器的磁偶极子八木天线包括基板3、反射器14、馈电网络13、驱动单元12和引向器11，馈电网络13为用于差分信号激励的共面双线（具有两根平行的馈线），共面双线对驱动单元进行直接馈电。该基板3为印刷电路板，图2中h为微波介质基片的厚度。如图1所示，反射器14印制于基板3的底面，馈电网络13印制于基板3的顶面，驱动单元12和引向器11也设置于基板3的顶面。本发明天线的驱动单元12和引向器11均采用矩形介质谐振器。本发明对引向器的个数不做限制。本实施例以具有以一个引向器的天线为例进行说明，引向器11平行设置于驱动单元12远离馈电网络13的一侧。为了进一步提高天线增益，还可增加在引向器11远离驱动单元12的一侧增设若干引向器。当然，即便不设置引向器，本发明天线依然可以实现，增加引向器的目的在于进一步提高天线的增益。
如图所示的实施例中，在馈电网络13的前端还设置有巴伦15，用于将单端信号转化为差分信号。巴伦包含两根长度相差二分之一天线工作频率的波长的金属带线，巴伦两根金属带线与共面双线中的两根馈线一一对应的连接。巴伦15的信号输入端为SMA头焊接处4。本例中，反射器14为金属地，在本发明的实施例中，金属地作为天线的反射器的同时，也作为巴伦15的地。驱动单元12受激励的侧面对称设置有两个金属馈电片，金属馈电片为矩形，下底边与驱动单元的底面齐平，所述金属馈电片的高度不超过驱动单元的高度，馈电网络的两根馈线（共面双线13）分别与金属馈电片（驱动单元12的馈电点）连接，进行对驱动单元12进行激励。
本发明实施例的基于介质谐振器的磁偶极子八木天线，在原始的八木天线的基础上，将原始八木天线的金属驱动单元和金属引向器用介质的驱动单元和介质的引向器替换。在设计过程中，需要考虑基于介质谐振器的磁偶极子八木天线的电路性能和辐射性能。本发明实施例的基于介质谐振器的磁偶极子八木天线在缩小原始八木天线的的尺寸的基础上，能够获得更好的辐射性能。
在本发明的实施例中，基于介质谐振器的磁偶极子八木天线的各部分印制在基板的各层，并根据天线的设计标准需要对其位置进行固定。以下将结合一个具体的设计标准对基于介质谐振器的磁偶极子八木天线的各部分的位置关系进行说明。
参见图2，假设基于介质谐振器的磁偶极子八木天线的中心频率为即f0，波长λ=C/f0,驱动单元12的长度a近似等于三分之一波长，驱动单元12的宽度b近似等于驱动单元长度a的0.3倍，驱动单元12厚度c近似等于驱动单元长度a的0.1倍，引向器11的尺寸与驱动单元的尺寸相同。本例中，驱动单元12和引向器11均采用矩形介质谐振器，介电常数εr = 90。
本发明实施例对天线各部分的尺寸进行优化，具体的，如图2所示，驱动单元长度a=10mm, 驱动单元宽度b =3mm, 驱动单元厚度c =1mm, 共面双线的单线宽度w 1 =1mm, 馈电端口的线宽w 2 =1.1mm, 驱动单元与金属地的间隔距离l 1 =12mm, 金属地的长度l 2 =12mm, 巴伦中较长的线长l 3 =16mm, 单端信号线长度l 4 =5mm, 引向器与驱动单元之间的间隔距离l 5 =7.7mm,共面双线的间隔距离g 1 =1.5mm，基板厚度h=0.508mm。
当c/(a+b) 的数值小于0.35时，TE11δ模式就是矩形介质谐振器的主模。因此介质谐振器能够作为磁偶极子工作。为了有效的激励起介质谐振器里的TE11δ模式，本发明采用了差分激励中的共面双线馈电方式。共面双线的电场和介质谐振器里TE11δ的电场是平行的，因此共面双线可以有效激励介质谐振器中的TE11δ。可以通过调节阻抗匹配参数（w1,g1）使得介质谐振器里的TE11δ模式能过被很好的激励。磁偶极子的工作频率由介质谐振器的参数决定。通过参数研究，各种参数能够被用来优化天线性能。
如图3所示，为本实施例发明天线仿真的电场图。从图中可以看出：驱动单元和引向器都工作在TE11δ模式。
使用软件HFSS以及安捷伦E5230C网络分析仪以及微波暗室对本发明实施例的基于介质谐振器的磁偶极子八木天线进行模拟和测量。测量的阻抗带宽为| S11 | 从-10.97到9.27 GHz，<-10 dB约为3％。 其中，测得的增益大于7.3dBi，峰值增益在9.12 GHz时达到8.3 dBi。测量的结果如图4至图6所示，可以看到本发明的基于介质谐振器的磁偶极子八木天线的中心频率为9.12GHz，FBW为3%，其主辐射方向的交叉极化水平大于-18dB。在图5和图6中，在模拟结果和测量结果之间可以观察到很小的差异，这可以归因于制造和实施的容差。
本发明实施例的基于介质谐振器的磁偶极子八木天线在不增加天线原始尺寸的情况下具有较好增益和较低的损耗。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于介质谐振器的磁偶极子八木天线，包括：介质基板、金属反射器、馈电网络、驱动单元和引向器，其特征在于：所述介质基板为印刷电路板，所述金属反射器印制于印刷电路板的底面，馈电网络印制于印刷电路板顶面；驱动单元和引向器设置于介质基板的顶面；所述引向器为一个或多个，平行设置于驱动单元远离馈电网络的一侧；所述驱动单元和引向器均为矩形介质谐振器，所述馈电网络为用于差分信号激励的共面双线，对驱动单元进行直接馈电；驱动单元的长度a等于三分之一波长，驱动单元的宽度b等于驱动单元长度a的0.3倍，驱动单元厚度c等于驱动单元长度a的0.1倍。
2.根据权利要求1所述的基于介质谐振器的磁偶极子八木天线，其特征在于：驱动单元受激励的侧面对称设置有两个金属馈电片，所述馈电网络的两根馈线分别与所述金属馈电片连接。
3.根据权利要求2所述的基于介质谐振器的磁偶极子八木天线，其特征在于：所述金属馈电片印刷设置于驱动单元的侧面。
4.根据权利要求3所述的基于介质谐振器的磁偶极子八木天线，其特征在于：所述金属馈电片为矩形，下底边与驱动单元的底面齐平，所述金属馈电片的高度不超过驱动单元的高度。
5.根据权利要求1所述的基于介质谐振器的磁偶极子八木天线，其特征在于：所述馈电网络前端设置有巴伦，用于将单端信号转化为差分信号。
6.根据权利要求5所述的基于介质谐振器的磁偶极子八木天线，其特征在于：所述巴伦包含两根长度相差二分之一天线工作频率的波长的金属带线，巴伦两根金属带线与共面双线中的两根馈线一一对应的连接。
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