CN109586011A - 宽带介质天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽带介质天线，包括：顶层辐射结构，其包括低介电常数的介质框体以及两个高介电常数的介质贴片，两个介质贴片分别设置于框体上部和下部并与框体构成内部中空的盒体结构；金属框；第一介质基板，顶层辐射结构、金属框设置于第二介质基板的顶部且金属框环绕顶层辐射结构，第一介质基板的位于顶层辐射结构下方的区域内开设有矩形窗，第一介质基板的位于金属框下方的区域内开设有环绕矩形窗排布的金属通孔阵列；第二介质基板，其顶部设置有开设有“工”字形耦合缝隙的金属地平面层，其底部设置有微带馈线，本发明平面尺寸较小、相对工作带宽大，同时，具有较高的增益，且天线的重量轻，利于市场推广。

Description

宽带介质天线

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其涉及一种宽带介质天线。

背景技术

目前，世界各国都在大力发展第五代移动通信(5G)的蜂窝频段，预计将在2020年实现商用化。国际电联已经将6GHz以下的3000MHz～5000MHz规划为5G系统中低频的主要工作频段，但是各国尚未能够进一步达成统一的细分频段标准。在此背景下，设计出一款能够完整覆盖3000MHz～5000MHz频带的宽带天线，具有重要的研究与应用价值，能够在激烈的竞争环境中获得更大的适用性。

介质天线相对于传统的金属天线来说，天然具有较高的辐射效率，且加工成本低，因而备受关注。对于宽带介质天线，目前报道了诸多设计技术。例如，采用大宽高比的双模介质单元技术，也有采用特殊形状介质谐振器的技术，但这两种天线要么平面尺寸太大，不适合于阵列设计；要么结构形状复杂，不利于工业实现且带内辐射性能较差。传统的层叠介质谐振器技术虽然能够获得较宽的工作带宽，但其众多的工作模式往往混杂而难以区分。同时，这些模式所具有的完全不同的辐射特性也导致天线不能够在整个通带内保持一致良好的辐射特性。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述要么存在难以实现相对带宽大于50％的宽频带工作，要么存在平面尺寸大不易组阵或模式混杂导致的工作频带内辐射方向图不稳定的缺陷，提供一种基于中空层叠结构的宽带介质天线。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种基于中空层叠结构的宽带介质天线，包括：

顶层辐射结构，包括介质框体以及两个介质贴片，所述两个介质贴片分别设置于所述介质框体上部和下部并与所述介质框体构成内部中空的盒体结构，其中，所述介质框体的介电常数低于所述介质贴片的介电常数；

金属框；

第一介质基板，所述顶层辐射结构设置于第一介质基板顶部，所述第一介质基板的位于所述顶层辐射结构下方的区域内开设有矩形窗，所述顶层辐射结构和所述开设有矩形窗的第一介质基板共同形成了中空层叠结构的多模介质谐振器整体，所述金属框设置于所述第二介质基板的顶部且环绕所述顶层辐射结构，所述第一介质基板的位于所述金属框下方的区域内开设有环绕所述矩形窗排布的金属通孔阵列，金属框和金属通孔阵列共同组成背腔结构；

第二介质基板，其顶部设置有开设有“工”字形耦合缝隙的金属地平面层，其底部设置有微带馈线，所述金属地平面层和微带馈线组成馈电结构；

其中，射频信号从微带馈线馈入，通过耦合缝隙后对位于其上方的具有中空层叠结构的多模介质谐振器整体进行耦合馈电，多模介质谐振器整体通过耦合缝隙激励可产生三个谐振模式，且耦合缝隙自身产生一个谐振模式并与介质谐振器整体的三个谐振模式融合在一起以使所述介质天线达到四个谐振模式工作的宽带效果。

在本发明实施例中，所述介质框体的材料为特氟龙材料。

在本发明实施例中，所述金属框的材料为铝。

在本发明实施例中，所述介质框体以及两个介质贴片所形成的顶层辐射结构为内部中空的矩形盒体结构，所述金属框、第一介质基板、金属地平面层、第二介质基板四者的投影的外部轮廓均为矩形且重合，且四者的投影的中心与所述顶层辐射结构投影的中心重合。

在本发明实施例中，所述矩形窗开设于所述第一介质基板的中心，所述耦合缝隙开设于所述金属地平面层的中心。

在本发明实施例中，所述微带馈线的投影与所述耦合缝隙的投影的腰部中心垂直相交。

本发明的宽带介质天线，具有以下有益效果：本发明解决了现有技术中难以同时解决的平面尺寸较小、相对工作带宽大于50％以及带内辐射方向图稳定的问题，同时，该天线具有较高的增益，再者，本发明采用中空的层叠结构，天线的重量轻，利于市场推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图：

图1是本发明宽带介质天线的剖视图；

图2是本发明宽带介质天线的分解图；

图3是天线|S11|及增益的仿真测试结果图；

图4是天线仿真及测试辐射方向图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的典型实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。应当理解本发明实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本发明实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

需要说明的是，本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

本说明书中使用的“第一”、“第二”等包含序数的术语可用于说明各种构成要素，但是这些构成要素不受这些术语的限定。使用这些术语的目的仅在于将一个构成要素区别于其他构成要素。例如，在不脱离本发明的权利范围的前提下，第一构成要素可被命名为第二构成要素，类似地，第二构成要素也可以被命名为第一构成要素。

参考图1-2，本发明实施例提供一种宽带介质天线，包括顶层辐射结构1、金属框2、第一介质基板4、金属地平面层5、第二介质基板6。

其中，顶层辐射结构1，包括矩形框体12以及两个矩形的介质贴片11、13，三者相互粘连。具体的，介质贴片11和13属于高介电常数的介质贴片，矩形框体12由低介电常数的材料制成，所述两个介质贴片11、13分别设置于所述介质框体12上部和下部并与所述介质框体12构成内部中空的矩形盒体结构。框体12可以是选取的特氟龙材料由3D打印而成。

其中，所述金属框2的材料为铝。

其中，第一介质基板4的平面形状为矩形，摆放方向与顶层辐射结构1一致，即第一介质基板4和顶层辐射结构1两者的侧边都是一一对应平行的。所述顶层辐射结构1设置于第一介质基板4顶部，所述金属框2设置于所述第二介质基板4的顶部且环绕所述顶层辐射结构1，所述第一介质基板4的位于所述顶层辐射结构1下方的区域内开设有矩形窗，本实施例中，具体的，所述矩形窗开设于所述第一介质基板4的中心，且矩形窗的投影轮廓落入在框体12的投影内。所述第一介质基板4的位于所述金属框2下方的区域内开设有环绕所述矩形窗排布的金属通孔阵列3，本实施例中，金属通孔阵列3呈矩形排布，金属通孔阵列3中的每一个金属通孔竖直贯穿第一介质基板4；

第二介质基板6，其顶部设置有开设有“工”字形耦合缝隙的金属地平面5，其底部设置有微带馈线7，具体的，微带馈线7、金属地平面层5都是通过印刷方式设置于第二介质基板6的相应表面。

具体的，所述金属框2、第一介质基板4、金属地平面层5、第二介质基板6四者的投影的外部轮廓均为矩形且重合，且四者的投影的中心与所述顶层辐射结构1投影的中心重合，图1-2中的整个天线除微带馈线7以外的结构所形成的整体是左右对称以及前后对称的。其中，所述微带馈线7的投影与“工”字形的耦合缝隙的投影的腰部中心垂直相交。

其中，金属框2和金属通孔阵列3共同组成背腔结构，所述金属地平面层5和微带馈线7组成馈电结构，顶层辐射结构1设置于第一介质基板4顶部并与第一介质基板4一起形成中空层叠结构的多模介质谐振器整体。工作时，射频信号从微带馈线7馈入，通过耦合缝隙后对位于其上的多模介质谐振器整体进行耦合馈电，多模介质谐振器整体通过耦合缝隙激励可产生三个谐振模式，且耦合缝隙自身产生一个谐振模式并与介质谐振器整体的三个谐振模式融合在一起以使所述介质天线达到四个谐振模式工作的宽带效果。同时，这些模式具有极相似的辐射特性，从而保证了天线在整个工作频带内都具有良好的带内辐射性能。进一步地，金属框2和金属通孔阵列3共同组成的背腔结构可以提高天线的增益并减小其与周边单元之间的互耦，特别是天线作为一个单元用于天线阵列的情况下。该天线的-10-dB相对带宽可达约54％，带内辐射方向图稳定，增益可达到9dBi以上。

本发明实施例的天线具有如下效果：

1)、引入中空的“三明治”式的顶层辐射结构1，并将其置于开有矩形窗开的第一介质基板4上方，从而构成了低Q值的多模介质谐振器整体结构，利于拓展天线带宽并可有效减轻天线的重量。

2)、引入“工”型耦合缝隙馈电结构，激励起低Q值多模介质谐振器整体的三个谐振模式，同时，耦合缝隙自身的谐振模式与介质谐振器整体的模式相融合，达到了四模工作的宽带效果，且这些模式具有极相似的辐射特性，保证了带内方向图的稳定一致。

3)引入金属框2和金属通孔阵列3共同组成的背腔结构，达到了进一步提高天线增益的效果。

例如，一个具体的方案中，天线的传输响应和辐射响应如图3所示，可见其能够覆盖5G的3000MHz～5000MHz频段，10-dB匹配带宽为54％，频带内最高增益为9.2dBi。图4是在3.5GHz，4.3GHz和4.9GHz处的天线仿真和测试方向图，左侧的三个图是H面，右侧的三个图是E面，第一排的两个图是对应的3.5GHz，第二排的两个图是对应的4.3GHz，最后一排的两个图是对应的4.9GHz，可见天线的交叉极化在±45°波束范围内优于25dB。本案例采用的是介电常数为2.2，损耗角为0.0009的基板。第一介质基板4的厚度为3.17mm，第二介质基板6的厚度为0.508mm，高介电常数的介质贴片11和13的材料介电常数为36.5，损耗角为0.00015,低介电常数的矩形框体12为特氟龙材料，介电常数为2.4，损耗角为0.001。

可以理解的是，上面虽然以5G通信的3000MHz～5000MHz热点频段为例，但不仅限于3000MHz～5000MHz频段，该设计技术可拓展应用于其他频段。

综上所述，本发明的天线解决了现有的天线技术难以同时解决平面尺寸较小、相对工作带宽大于50％以及带内辐射方向图稳定等问题。本发明可在较小的天线平面尺寸下获得大于50％的相对工作带宽以及稳定一致的带内辐射方向图。

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。

Claims (6)

1.一种宽带介质天线，其特征在于，包括：

顶层辐射结构(1)，包括介质框体(12)以及两个介质贴片(11、13)，所述两个介质贴片(11、13)分别设置于所述介质框体(12)上部和下部并与所述介质框体(12)构成内部中空的盒体结构，其中，所述介质框体(12)的介电常数低于所述介质贴片(11、13)的介电常数；

金属框(2)；

第一介质基板(4)，所述顶层辐射结构(1)设置于第一介质基板(4)顶部，所述第一介质基板(4)的位于所述顶层辐射结构(1)下方的区域内开设有矩形窗，所述顶层辐射结构(1)和所述开设有矩形窗的第一介质基板(4)共同形成了中空层叠结构的多模介质谐振器整体，所述金属框(2)设置于所述第二介质基板(4)的顶部且环绕所述顶层辐射结构(1)，所述第一介质基板(4)的位于所述金属框(2)下方的区域内开设有环绕所述矩形窗排布的金属通孔阵列(3)，金属框(2)和金属通孔阵列(3)共同组成背腔结构；

第二介质基板(6)，其顶部设置有开设有“工”字形耦合缝隙的金属地平面层(5)，其底部设置有微带馈线(7)，所述金属地平面层(5)和微带馈线(7)组成馈电结构；

其中，射频信号从微带馈线(7)馈入，通过耦合缝隙后对位于其上方的具有中空层叠结构的多模介质谐振器整体进行耦合馈电，多模介质谐振器整体通过耦合缝隙激励可产生三个谐振模式，且耦合缝隙自身产生一个谐振模式并与介质谐振器整体的三个谐振模式融合在一起以使所述介质天线达到四个谐振模式工作的宽带效果。

2.根据权利要求1所述的宽带介质天线，其特征在于，所述介质框体(12)的材料为特氟龙材料。

3.根据权利要求1所述的宽带介质天线，其特征在于，所述金属框(2)的材料为铝。

4.根据权利要求1-3任一项所述的宽带介质天线，其特征在于，所述介质框体(12)以及两个介质贴片(11、13)所形成的顶层辐射结构(1)为内部中空的矩形盒体结构，所述金属框(2)、第一介质基板(4)、金属地平面层(5)、第二介质基板(6)四者的投影的外部轮廓均为矩形且重合，且四者的投影的中心与所述顶层辐射结构(1)投影的中心重合。

5.根据权利要求4所述的宽带介质天线，其特征在于，所述矩形窗开设于所述第一介质基板(4)的中心，所述耦合缝隙开设于所述金属地平面层(5)的中心。

6.根据权利要求5所述的宽带介质天线，其特征在于，所述微带馈线(7)的投影与所述耦合缝隙的投影的腰部中心垂直相交。