CN110247186B - 一种宽波束介质谐振器天线 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种宽波束介质谐振器天线，包括介质基板、金属地板、印刷在介质基板下表面的微带馈电线、设置在金属地板上表面的矩形介质谐振器和四个矩形介质片，所述的金属地板由第一金属地板和两个相同的第二金属地板组成，所述的介质基板上表面印刷有第一金属地板，且两个侧面分别设置有两个相同的第二金属地板；所述的四个矩形介质片由两个相同结构的第一矩形介质片和两个相同结构的第二矩形介质片组成，所述的两个相同结构的第一矩形介质片和第二矩形介质片分别贴附在矩形介质谐振器沿x方向两个相对侧面的上部和下部；本发明解决介质谐振器天线波束窄的技术问题，可用于卫星定位导航、智能运输系统等无线通信系统中。

Description

一种宽波束介质谐振器天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，特别涉及一种宽波束介质谐振器天线，可用于卫星定位导航、智能运输系统等无线通信系统中。

背景技术

随着无线通信的快速发展，传统的单一功能的天线已经不能满足无线通信系统日益复杂和多样化的需求。如今的很多无线应用都对天线的信号覆盖范围提出了要求，天线的宽波束特性提供了较大的信号覆盖范围，在特定的应用环境中起到了非常关键的作用。在卫星导航、通信和射频识别等领域，经常需要考虑到天线的波束宽度，例如：在海事应用中，为了克服船体摇晃带来的接收信号不稳定问题，就会对导航或通信天线的低仰角和负仰角增益提出要求；在面向大型货架的仓储管理系统中，为了正确读出大型货架上的全部标签，也会对射频识别读卡器天线提出宽波束的要求。对于如何拓宽波束宽度，即增加天线在低仰角处的增益，已经有了大量的研究。

介质谐振器天线是一种谐振式天线，其辐射部分是介质材料，在其表面没有表面波的影响，欧姆损耗极小，在高频应用中保证了天线具有较高的效率，且介质谐振器天线具有设计自由度高、易于激励、材料多样、加工方便等优点，很契合通信应用的发展方向。所以，宽波束介质谐振器天线具有很高的实用价值。但介质谐振器天线由于工作模式多样，其辐射方向图的控制比上述的几种类型的天线更为复杂，因此难以实现宽波束特性。

目前，在国内外研究中，宽波束天线多以微带天线、磁电偶极子天线和螺旋天线等形式出现。然而这些传统的金属天线在高频工作时会产生很高的表面波损耗和导体损耗，天线的辐射效率严重受损，且这些天线会由于尺寸过小而无法保证加工精度，在如今通信应用向高频发展的趋势下有很大的弊端。

例如，西安矩阵无线科技有限公司申请的专利“一种宽波束四臂螺旋天线”(申请号：201811315067.9，公布号：CN109586009A)中，公开了一种宽波束四臂螺旋天线，该天线由长臂螺旋、短臂螺旋、馈电巴伦、支撑结构、接地板和射频连接器组成，所述的长螺旋臂、短螺旋臂与馈电巴伦外导体焊接固定，每个螺旋臂绕制1.5圈，该天线虽然实现了宽波束性能，但结构复杂，且辐射效率较低。

例如，宁波大学申请的专利“一种介质谐振器天线及采用该天线获取辐射方向图的方法”(申请号：201810964142.8，公布号：CN109301450A)中，公开了一种介质谐振器天线，该天线包括介质基板、介质谐振器和单极子，所述的介质谐振器通过在正六面体形状的柱体上开设上下贯通的空腔形成，金属接地层的六条角平分线上分别设置有一条分隔槽，六条分隔槽在金属接地层的中心处交汇并连通；虽然该天线可通过PIN二极管来控制方向图，但是该天线的单个方向图波束宽度还不够宽。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提出一种宽波束介质谐振器天线，用于解决金属宽波束天线辐射效率较低和介质谐振器天线波束宽度较窄的技术问题。

为实现上述目的，一种宽波束介质谐振器天线，包括介质基板、金属地板、印刷在介质基板下表面的微带馈电线、设置在金属地板上表面的矩形介质谐振器和介电常数数倍于矩形介质谐振器的四个矩形介质片，所述的金属地板由第一金属地板和两个相同的第二金属地板组成，所述的介质基板上表面印刷有第一金属地板，且两个侧面分别设置有两个相同的第二金属地板，该第一金属地板中心位置蚀刻有沿y轴方向沿伸的矩形缝隙，所述的矩形缝隙位于所述矩形介质谐振器下方位且被所述矩形介质谐振器下表面完全覆盖；所述的微带馈电线沿x方向延伸，且与矩形缝隙相互垂直；所述的四个矩形介质片由两个相同结构的第一矩形介质片和两个相同结构的第二矩形介质片组成，所述第一矩形介质片和第二矩形介质片分别贴附在矩形介质谐振器沿x轴方向两个相对侧面的上部和下部；其中每一个侧面分别设置一个第一矩形介质片和一个第二矩形介质片；x轴方向、y轴方向分别为沿矩形介质谐振器下表面相互垂直的两个中心轴线的方向。

上述权利要求中，所述的四个矩形介质片采用相对介电常数εr2为47的介质材料，且厚度表示为D，D为0.5mm-1.5mm，横截面矩形的长表示为A，A为20mm-30mm，其中，第一矩形介质片横截面矩形的宽表示为H1，H1为10mm-20mm，第二矩形介质片横截面矩形的宽表示为H2，H2为5mm-10mm。

上述权利要求中，所述的矩形介质谐振器采用相对介电常数εr1为9.5的介质材料，高度表示为H，H为30mm-40mm，横截面边长与四个矩形介质片横截面矩形的长A相等。

上述权利要求中，所述的矩形介质谐振器位于第一金属地板的中心，且关于x轴对称分布。

上述权利要求中，所述的介质基板采用相对介电常数εr0为4.4的介质材料，其横截面边长表示为L，L为80mm-100mm，厚度表示为Hs，Hs为0.5mm-1.5mm。

上述权利要求中，所述的两个第二金属地板沿着两个侧面向下延伸并与所述第一金属地板(21)构成倒“U”型的三维地板结构，其宽度表示为Hg，Hg为7mm-11mm，长度与介质基板横截面的边长L相等。

上述权利要求中，所述的矩形缝隙的宽表示为Ws，Ws为0.5mm-2.5mm，长表示为Ls，Ls为10mm-20mm；矩形微带线的宽表示为Wm，Wm为0.5mm-2.5mm，长表示为Lm，Lm为40mm-60mm。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、本发明采用的四个矩形介质片由两个相同结构的第一矩形介质片和两个相同结构的第二矩形介质片组成，能够对所贴附介质谐振器表面的辐射电磁波有阻隔作用，改变了天线的辐射场，克服了现有技术中介质谐振器天线波束宽度较窄的技术问题，拓宽了天线的E面波束宽度。

2、本发明采用了包括介质基板、金属地板、印刷在介质基板下表面的微带馈电线、矩形介质谐振器和四个矩形介质片的技术方案，该矩形介质谐振器的高度与横截面边长比为3:2，将介质谐振器天线的三阶模式作为辐射模式，克服了现有技术中介质谐振器天线波束宽度较窄的技术问题，使得天线具有比基模工作时更宽的波束宽度。

3、本发明采用的金属地板由第一金属地板和两个相同的第二金属地板组成，该第一金属地板和两个相同的第二金属地板构成倒“U”形的三维地板结构，改变了天线的辐射场，拓宽了天线的H面波束宽度。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图

图2是本发明图1的俯视图

图3是本发明的主视图

图4是本发明的右视图

图5是本发明天线的S参数仿真结果图

图6是本发明在3.03GHz不同平面的辐射方向图

图7是本发明在3.15GHz不同平面的辐射方向图

图8是本发明在3.26GHz不同平面的辐射方向图

图9是本发明天线的增益随频率变化的仿真结果图

具体实施方式

以下结合附图对本发明天线作进一步描述。

实施例1

参照图1、图2、图3和图4

一种宽波束介质谐振器天线，包括介质基板1、金属地板2、印刷在介质基板1下表面的微带馈电线3、设置在金属地板2上表面的矩形介质谐振器4和四个矩形介质片5，所述的金属地板2由第一金属地板21和两个相同的第二金属地板22组成，所述的介质基板1上表面印刷有第一金属地板21，且两个侧面分别设置有两个相同的第二金属地板22，该第一金属地板21中心位置蚀刻有矩形缝隙211，所述的四个矩形介质片5由两个相同结构的第一矩形介质片51和两个相同结构的第二矩形介质片52组成，所述的两个相同结构的第一矩形介质片51和第二矩形介质片52分别贴附在矩形介质谐振器4沿x方向两个相对侧面的上部和下部。

本发明的宽波束介质谐振器天线工作在三阶模式，首先应用镜像原理，将整个天线理想化地看作一个高度为原来两倍的理想矩形介质谐振器。再根据等效原理，可以将该理想矩形介质谐振器的表面等效为一个四元阵，经过计算可以推断，当理想矩形介质谐振器两侧面的辐射强度减小时，天线的顶端方向系数减小，低仰角处的方向系数增加，由此原理即可实现天线的宽波束辐射特性。本发明中所采用的四个矩形介质片5，由于其相对介电常数数倍于矩形介质谐振器4，对所贴附的表面的辐射电磁波有阻隔作用，所以可以减小理想矩形介质谐振器两侧面的辐射强度，从而实现E面宽波束辐射特性。

本发明介质谐振器天线的H面宽波束原理，首先分析仅有第一金属地板21而不加载两个第二金属地板22的情况，通过仿真金属地板2上的表面电流可以看出，在金属地板2两边界处存在同向电流，可看作两个等幅同相的电流元。所以能够将金属地板2向下延伸即加载两个第二金属地板22，使这两个电流元的位置相对矩形介质谐振器4向下移动，从而使得天线在低仰角的增益增大，以获得更宽的H面波束。

所述的四个矩形介质片5采用相对介电常数εr2为47的介质材料，且厚度表示为D，D为0.5mm-1.5mm，横截面矩形的长表示为A，A为20mm-30mm，其中，第一矩形介质片51横截面矩形的宽表示为H1，H1为10mm-20mm，第二矩形介质片52横截面矩形的宽表示为H2，H2为5mm-10mm。本发明中优选为D＝1mm，A＝20mm，H1＝16mm，H2＝7mm。

所述的矩形介质谐振器4采用相对介电常数εr1为9.5的介质材料，高度表示为H，H为30mm-40mm，横截面边长与四个矩形介质片5横截面矩形的长A相等。本发明中优选为H＝30mm。

所述的矩形介质谐振器4位于第一金属地板21的中心，且关于x轴对称分布。

所述的介质基板1采用相对介电常数εr0为4.4的介质材料，其横截面边长表示为L，L为80mm-100mm，厚度表示为Hs，Hs为0.5mm-1.5mm。本发明中优选为L＝80mm，Hs＝0.8mm。

所述的两个第二金属地板22沿着两个侧面向下延伸，其宽度表示为Hg，Hg为7mm-11mm，长度与介质基板1横截面的边长L相等。本发明中优选为Hg＝9mm。

所述的矩形缝隙211的长沿y方向延伸，所述的微带馈电线3沿x方向延伸，且与矩形缝隙211相互垂直。

所述的矩形缝隙211的宽表示为Ws，Ws为0.5mm-2.5mm，长表示为Ls，Ls为10mm-20mm；矩形微带线3的宽表示为Wm，Wm为0.5mm-2.5mm，长表示为Lm，Lm为40mm-60mm。本发明中优选为Ws＝1.5mm，Ls＝15mm，Wm＝1mm，Lm＝46mm。

实施例2

所述的四个矩形介质片5采用相对介电常数εr2为47的介质材料，且厚度表示为D，D为0.5mm-1.5mm，横截面矩形的长表示为A，A为20mm-30mm，其中，第一矩形介质片51横截面矩形的宽表示为H1，H1为10mm-20mm，第二矩形介质片52横截面矩形的宽表示为H2，H2为5mm-10mm。本发明中为D＝0.5mm，A＝20mm，H1＝10mm，H2＝5mm。

所述的矩形介质谐振器4采用相对介电常数εr1为9.5的介质材料，高度表示为H，H为30mm-40mm，横截面边长与四个矩形介质片5横截面矩形的长A相等。本发明中为H＝30mm。

所述的矩形介质谐振器4位于第一金属地板21的中心，且关于x轴对称分布。

所述的介质基板1采用相对介电常数εr0为4.4的介质材料，其横截面边长表示为L，L为80mm-100mm，厚度表示为Hs，Hs为0.5mm-1.5mm。本发明中为L＝80mm，Hs＝0.5mm。

所述的两个第二金属地板22沿着两个侧面向下延伸，其宽度表示为Hg，Hg为7mm-11mm，长度与介质基板1横截面的边长L相等。本发明中为Hg＝7mm。

所述的矩形缝隙211的长沿y方向延伸，所述的微带馈电线3沿x方向延伸，且与矩形缝隙211相互垂直。

所述的矩形缝隙211的宽表示为Ws，Ws为0.5mm-2.5mm，长表示为Ls，Ls为10mm-20mm；矩形微带线3的宽表示为Wm，Wm为0.5mm-2.5mm，长表示为Lm，Lm为40mm-60mm。本发明中为Ws＝0.5mm，Ls＝10mm，Wm＝0.5mm，Lm＝40mm。

实施例3

所述的四个矩形介质片5采用相对介电常数εr2为47的介质材料，且厚度表示为D，D为0.5mm-1.5mm，横截面矩形的长表示为A，A为20mm-30mm，其中，第一矩形介质片51横截面矩形的宽表示为H1，H1为10mm-20mm，第二矩形介质片52横截面矩形的宽表示为H2，H2为5mm-10mm。本发明中为D＝1.5mm，A＝30mm，H1＝20mm，H2＝10mm。

所述的矩形介质谐振器4采用相对介电常数εr1为9.5的介质材料，高度表示为H，H为30mm-40mm，横截面边长与四个矩形介质片5横截面矩形的长A相等。本发明中为H＝40mm。

所述的矩形介质谐振器4位于第一金属地板21的中心，且关于x轴对称分布。

所述的介质基板1采用相对介电常数εr0为4.4的介质材料，其横截面边长表示为L，L为80mm-100mm，厚度表示为Hs，Hs为0.5mm-1.5mm。本发明中为L＝100mm，Hs＝1.5mm。

所述的两个第二金属地板22沿着两个侧面向下延伸，其宽度表示为Hg，Hg为7mm-11mm，长度与介质基板1横截面的边长L相等。本发明中为Hg＝11mm。

所述的矩形缝隙211的长沿y方向延伸，所述的微带馈电线3沿x方向延伸，且与矩形缝隙211相互垂直。

所述的矩形缝隙211的宽表示为Ws，Ws为0.5mm-2.5mm，长表示为Ls，Ls为10mm-20mm；矩形微带线3的宽表示为Wm，Wm为0.5mm-2.5mm，长表示为Lm，Lm为40mm-60mm。本发明中为Ws＝2.5mm，Ls＝20mm，Wm＝2.5mm，Lm＝60mm。

以下结合仿真附图对本发明作进一步详细描述

参照图5、图6、图7、图8和图9

仿真内容及分析：

仿真1：利用商业电磁仿真软件ANSYS HFSS v15.0对上述实施例在3GHz-3.3GHz范围内仿真计算其S参数，结果如图5所示。

图5是S11参数曲线图，其中，横坐标表示天线的工作频率，纵坐标表示天线的S参数。可以看出，天线在3.03GHz-3.26GHz频带内具有良好的阻抗匹配性能。

仿真2：利用商业电磁仿真软件ANSYS HFSS v15.0对上述实施例在3.03GHz处仿真计算其辐射方向图，结果如图6所示，可以看出，天线在该频点的xoz面和yoz面同时具有宽波束特性。

仿真3：利用商业电磁仿真软件ANSYS HFSS v15.0对上述实施例在3.15GHz处仿真计算其辐射方向图，结果如图7所示，可以看出，天线在该频点的xoz面和yoz面同时具有宽波束特性。

仿真4：利用商业电磁仿真软件ANSYS HFSS v15.0对上述实施例在3.26GHz处仿真计算其辐射方向图，结果如图8所示，可以看出，天线在该频点的xoz面和yoz面同时具有宽波束特性。

从图6、7、8中可见，3.03GHz、3.15GHz、3.26GHz三个频点处天线的xoz面和yoz面辐射方向图皆具有宽波束特性，因此该实施例的宽波束性能稳定。

仿真5：利用商业电磁仿真软件ANSYS HFSS v15.0对上述实施例在3GHz-3.3GHz范围内仿真计算其主辐射方向增益，结果如图9所示。

图9是天线增益随频率变化曲线图，其中，横坐标表示天线的工作频率，纵坐标表示天线的增益。在满足宽波束性能的频带内，天线的增益高于2.5dBi。

以上描述和实施例，仅为本发明的优选实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和设计原理后，都可能在基于本发明的原理和结构的情况下，进行形式上和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种宽波束介质谐振器天线，包括介质基板(1)、金属地板(2)、印刷在介质基板(1)下表面的微带馈电线(3)、设置在金属地板(2)上表面的矩形介质谐振器(4)和介电常数数倍于矩形介质谐振器(4)的四个矩形介质片(5)，所述的金属地板(2)由第一金属地板(21)和两个相同的第二金属地板(22)组成，所述的介质基板(1)上表面印刷有第一金属地板(21)，且两个侧面分别设置有两个相同的第二金属地板(22)，该第一金属地板(21)中心位置蚀刻有沿y轴方向沿伸的矩形缝隙(211)，其特征在于，所述的矩形缝隙(211)位于所述矩形介质谐振器(4)下方位且被所述矩形介质谐振器(4)下表面完全覆盖；所述的微带馈电线(3)沿x方向延伸，且与矩形缝隙(211)相互垂直；所述的四个矩形介质片(5)由两个相同结构的第一矩形介质片(51)和两个相同结构的第二矩形介质片(52)组成，所述第一矩形介质片(51)和第二矩形介质片(52)分别贴附在矩形介质谐振器(4)沿x轴方向两个相对侧面的上部和下部；其中每一个侧面分别设置一个第一矩形介质片(51)和一个第二矩形介质片(52)；x轴方向、y轴方向分别为沿矩形介质谐振器(4)下表面相互垂直的两个中心轴线的方向。

2.根据权利要求1所述的一种宽波束介质谐振器天线，其特征在于：所述的四个矩形介质片(5)采用相对介电常数εr2为47的介质材料，且厚度表示为D，D为0.5mm-1.5mm，横截面矩形的长表示为A，A为20mm-30mm，其中，第一矩形介质片(51)横截面矩形的宽表示为H1，H1为10mm-20mm，第二矩形介质片(52)横截面矩形的宽表示为H2，H2为5mm-10mm。

3.根据权利要求1所述的一种宽波束介质谐振器天线，其特征在于：所述的矩形介质谐振器(4)采用相对介电常数εr1为9.5的介质材料，高度表示为H，H为30mm-40mm，横截面边长与四个矩形介质片(5)横截面矩形的长A相等。

4.根据权利要求1所述的一种宽波束介质谐振器天线，其特征在于：所述的矩形介质谐振器(4)位于第一金属地板(21)的中心，且关于x轴对称分布。

5.根据权利要求1所述的一种宽波束介质谐振器天线，其特征在于：所述的介质基板(1)采用相对介电常数εr0为4.4的介质材料，其横截面边长表示为L，L为80mm-100mm，厚度表示为Hs，Hs为0.5mm-1.5mm。

6.根据权利要求1所述的一种宽波束介质谐振器天线，其特征在于：所述的两个第二金属地板(22)沿着两个侧面向下延伸并与所述第一金属地板(21)构成倒“U”型的三维地板结构，其宽度表示为Hg，Hg为7mm-11mm，长度与介质基板(1)横截面的边长L相等。

7.根据权利要求1所述的一种宽波束介质谐振器天线，其特征在于：所述的矩形缝隙(211)的宽表示为Ws，Ws为0.5mm-2.5mm，长表示为Ls，Ls为10mm-20mm；矩形微带线(3)的宽表示为Wm，Wm为0.5mm-2.5mm，长表示为Lm，Lm为40mm-60mm。

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