CN110323554B - 基于内嵌金属柱的宽波束介质谐振器天线 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于内嵌金属柱的宽波束介质谐振器天线，包括介质基板、金属地板、长方体介质块、两块相同结构的金属板、金属探针和金属微带线；所述的金属地板和金属微带线分别印制在介质基板的上表面和下表面，所述的长方体介质块还包括金属片和三个相同结构的金属柱，该长方体介质块位于金属地板的上表面，所述的金属片印制在长方体介质块与金属探针相连的侧面，且与金属探针相连；所述的三个相同结构的金属柱设置在长方体介质块沿X轴向分布的中心，且垂直于金属地板，所述两块相同结构的金属板分别设置在长方体介质块长边的两侧，且与三个相同结构的金属柱结合展宽了波束宽度。本发明适用于宽波束天线的应用场合。

Description

基于内嵌金属柱的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，特别涉及一种内嵌金属柱的宽波束介质谐振器天线。适用于宽波束天线的应用场合。

背景技术

近年来，介质谐振器天线的应用和研究受到越来越多的关注，尤其是在微波射频领域。1939年，Richtinger首次理论证明介质球和介质圆环能起到微波谐振腔的作用，提出了介质谐振器的概念。介质谐振器作为一种谐振式天线，由低损耗的微波材料构成，相对介电常数越高，品质因数越大，带宽越小。而通常为了获得较宽的带宽，一般选用相对介电常数为10左右的介质材料来制作介质谐振器天线。由于介质谐振器天线具有低剖面，重量轻，低损耗和形状灵活等优点，主要应用于太赫兹领域的研究和飞行器共形天线的设计。但是，一般介质谐振器天线波束宽度较窄。

例如，成都北斗天线工程技术有限公司在其申请的名称为“一种凹形共形介质谐振器天线及其工作方法”(申请号：201811428223.2，公布号：CN 109390673 A)中，公开了一种凹形共形介质谐振器天线及其工作方法，包括：介质谐振器、地板、介质基板、馈缝和馈线；所述地板与介质谐振器共形，介质谐振器固定于地板中间；介质基板上、下表面分别贴合覆盖地板和馈线；在地板中心蚀刻出馈缝。由于为共形结构，拥有极低的剖面，减少天线在竖直方向占用的空间大小；加工容易；穿戴结构，应用领域广泛且应用场景灵活。但是，该天线的波束宽度较窄，不适用于有宽波束要求的应用场合。

例如，电子科技大学在其申请的名称为“一种适用于X波段的宽带宽波束圆极化介质谐振器天线”(申请号：201610322287.9，公布号：CN 106058447 A)中，公开了一种X波段的宽波束介质谐振器天线，该发明包括正面覆盖有一层金属贴片的介质基板、设于金属贴片上的矩形介质谐振器以及设于介质基板背面的L形馈电微带线。通过在矩形介质谐振器底部四个角挖掉四个相同尺寸的矩形介质块，同时采用十字形耦合缝隙和L形微带线馈电。该天线具有低剖面、易于加工、工作频带内方向图稳定性高及波束宽度宽等优点。但是，该天线的波束宽度可达到±50°左右，应用范围受到限制。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出了一种基于内嵌金属柱的宽波束介质谐振器天线，用于解决介质谐振器天线波束宽度窄的技术问题。

为实现上述目的，本发明为一种基于内嵌金属柱的宽波束介质谐振器天线包括：介质基板金属地板、长方体介质块、两块相同结构的金属板、金属探针和金属微带线；所述的金属地板和金属微带线分别印制在介质基板的上表面和下表面，所述的金属微带线的一端与金属探针相连，另一端延伸至介质基板的边缘；

上述权力要求中，所述的长方体介质块还包括金属片和三个相同结构的金属柱，该长方体介质块位于金属地板的上表面，所述的金属片印制在长方体介质块与金属探针相连的侧面，且与金属探针相连；所述的三个相同结构的金属柱设置在长方体介质块沿X轴向分布的中心，且垂直于金属地板，所述两块相同结构的金属板分别设置在长方体介质块长边的两侧，且与三个相同结构的金属柱结合展宽了波束宽度。

上述权利要求中，所述的三个相同结构的金属柱之间的距离表示为S，其中，S为两倍的金属柱的直径；所述的长方体介质块的高度表示为h，其中，该金属柱的高度为0.4h～0.6h。

上述权力要求中，所述的两块相同的金属板分别垂直于XOY面，且与长方体介质块的长边相互平行。

上述权力要求中，所述的两块相同的金属板与长方体介质块之间的距离表示为D，其中，D为2.5mm～6mm；该两块相同的金属板的长度和高度不小于长方体介质块的长度和高度。

上述权利要求中，所述的金属片印制在长方体介质块的侧面中心位置，且高度不超过长方体介质块高度的4/5。

上述权利要求中，所述的长方体介质块的长度不超过高度的三倍，宽度不超过高度的两倍。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、本发明由于采用的长方体介质块包括金属板和三个相同结构的金属柱，该三个相同结构的金属柱设置在长方体介质块的中心，通过添加两个相同的金属板使TEδ21模式更容易被激励，通过控制金属柱的高度可以使TEδ21模式的谐振频率向低频处偏移，与TEδ11模式的谐振频率重叠，克服了介质谐振器天线波束宽度窄的技术问题，使E面和H面波束宽度展宽到140°～170°。

2、本发明由于采用印制在长方体介质块与金属探针相连的侧面金属片，使介质谐振器天线更容易产生谐振，回波损耗低带宽更宽。

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是本发明金属地板和金属微带线的结构示意图

图4是本发明金属柱的结构示意图

图5是S11参数的仿真结果图

图6是E面方向图仿真结果图

图7是H面方向图仿真结果图

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细描述

实施例1

参照图1、图2、图3和图4

一种基于内嵌金属柱的宽波束介质谐振器天线，包括介质基板1、金属地板2、长方体介质块3、两块相同结构的金属板4、金属探针5和金属微带线6；所述的金属地板2和金属微带线6分别印制在介质基板1的上表面和下表面，所述的金属微带线6的一端与金属探针5相连，另一端延伸至介质基板1的边缘；所述的长方体介质块3还包括金属片31和三个相同结构的金属柱32，该长方体介质块3位于金属地板2的上表面，所述的金属片31印制在长方体介质块3与金属探针5相连的侧面，且与金属探针5相连；以长方体介质块3与长方体介质块2的垂直面所在方向为Z轴，长方体介质块3上表面长边所在的方向为y轴，长方体介质块3上表面短边所在的方向为x轴，所述的三个相同结构的金属柱32设置在长方体介质块3沿X轴向分布的中心，且垂直于金属地板2，所述两块相同结构的金属板4分别设置在长方体介质块2长边的两侧，且与三个相同结构的金属柱32结合展宽了波束宽度。

本发明的长方体介质块3内部嵌入三个相同结构的金属柱32后，同时，通过添加两个相同的金属板4使TEδ21模式更容易被激励。然后通过控制金属柱32的高度可以使TEδ21模式的谐振频率向低频处偏移，最终与TEδ11模式的谐振频率重叠，由于TEδ21模式的方向图是中间下凹的，TEδ11模式的方向图近似于一个磁偶极子的方向图，两种模式的方向图叠加从而展宽了波束宽度。

所述的三个相同结构的金属柱32之间的距离表示为S，其中，S为两倍的金属柱的直径；所述的长方体介质块3的高度表示为h，其中，该金属柱32的高度为0.4h～0.6h。本发明金属柱32的高度优选为0.46h。

所述的两块相同的金属板4分别垂直于XOY面，且与长方体介质块3的长边相互平行。

所述的两块相同的金属板4与长方体介质块3之间的距离表示为D，其中，D为2.5mm～6mm；该两块相同的金属板4的长度和高度不小于长方体介质块3的长度和高度。本发明金属板4与长方体介质块3之间的距离D优选为5mm。

所述的金属片31印制在长方体介质块3的侧面中心位置，且高度不超过长方体介质块3高度的4/5。

所述的长方体介质块3的长度不超过高度的三倍，宽度不超过高度的两倍。

实施例2

所述的三个相同结构的金属柱32之间的距离表示为S，其中，S为两倍的金属柱的直径；所述的长方体介质块3的高度表示为h，其中，该金属柱32的高度为0.4h～0.6h。本发明金属柱32的高度为0.4h。

所述的两块相同的金属板4分别垂直于XOY面，且与长方体介质块3的长边相互平行。

所述的两块相同的金属板4与长方体介质块3之间的距离表示为D，其中，D为2.5mm～6mm；该两块相同的金属板4的长度和高度不小于长方体介质块3的长度和高度。本发明金属板4与长方体介质块3之间的距离D为2.5mm。

所述的金属片31印制在长方体介质块3的侧面中心位置，且高度不超过长方体介质块3高度的4/5。

所述的长方体介质块3的长度不超过高度的三倍，宽度不超过高度的两倍。

实施例3

所述的三个相同结构的金属柱32之间的距离表示为S，其中，S为两倍的金属柱的直径；所述的长方体介质块3的高度表示为h，其中，该金属柱32的高度为0.4h～0.6h。本发明金属柱32的高度为0.6h。

所述的两块相同的金属板4分别垂直于XOY面，且与长方体介质块3的长边相互平行。

所述的两块相同的金属板4与长方体介质块3之间的距离表示为D，其中，D为2.5mm～6mm；该两块相同的金属板4的长度和高度不小于长方体介质块3的长度和高度。本发明金属板4与长方体介质块3之间的距离D为6mm。

所述的金属片31印制在长方体介质块3的侧面中心位置，且高度不超过长方体介质块3高度的4/5。

所述的长方体介质块3的长度不超过高度的三倍，宽度不超过高度的两倍。

以下结合仿真实验对本发明作进一步详细说明

1、仿真条件和内容

参照图5、图6和图7

1.1利用商业仿真软件ANSYS HFSS v16.0对本发明的回波损耗进行仿真计算，结果如图6所示。

1.2利用商业仿真软件ANSYS HFSS v16.0对本发明中心频率8.4GHz处的E面和H面方向图进行仿真计算，如图6和图7所示。

2、仿真结果分析：

图5是S11的仿真结果图，其中，横坐标表示天线的工作频率，纵坐标表示天线的回波损耗。

由图5可见，回波损耗在8GHz-8.7GHz低于-10dB。

图6是E面方向图仿真结果图。

由图6可见，在工作带宽内E面方向图波束宽度在140°～170°，比通用的矩形介质谐振器天线的波束宽度展宽了50°以上。

图7是H面方向图仿真结果图

由图7可见，在工作带宽内H面方向图波束宽度在140°～170°，比通用的矩形介质谐振器天线的波束宽度展宽了50°以上。

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 (6)

1.一种基于内嵌金属柱的宽波束介质谐振器天线，包括介质基板(1)、金属地板(2)、长方体介质块(3)、两块相同结构的金属板(4)、金属探针(5)和金属微带线(6)；所述的金属地板(2)和金属微带线(6)分别印制在介质基板(1)的上表面和下表面，所述的金属微带线(6)的一端与金属探针(5)相连，另一端延伸至介质基板(1)的边缘；其特征在于，

所述的长方体介质块(3)还包括金属片(31)和三个相同结构的金属柱(32)，该长方体介质块(3)位于金属地板(2)的上表面，所述的金属片(31)印制在长方体介质块(3)与金属探针(5)相连的侧面，且与金属探针(5)相连；将长方体介质块短边所在的方向记为X轴方向，所述的三个相同结构的金属柱(32)设置在长方体介质块(3)沿X轴向分布的长方体介质块的中心，且垂直于金属地板(2)，所述两块相同结构的金属板(4)分别设置在长方体介质块(2)长边的两侧，且与三个相同结构的金属柱(32)结合展宽了波束宽度；金属板(4)和内嵌金属柱(32)的组合可以产生一种二阶模式，即TEδ21模式，通过调节金属柱(32)的高度，可以使TEδ21模式的谐振频率与介质块的主模式TEδ11模式的谐振频率重合；由于TEδ21模式的方向图是中间向下凹的，而TEδ11模式的方向图近似于一个磁偶极子方向图，两种模式的方向图叠加可以展宽波束宽度。

2.根据权利要求1所述的基于内嵌金属柱的宽波束介质谐振器天线，其特征在于，所述的三个相同结构的金属柱(32)之间的距离表示为S，其中，S为两倍的金属柱的直径；所述的长方体介质块(3)的高度表示为h，其中，该金属柱(32)的高度为0.4h～0.6h。

3.根据权利要求1所述的基于内嵌金属柱的宽波束介质谐振器天线，其特征在于，所述的两块相同的金属板(4)位于长方体介质块(3)长边的两侧，与金属地板(2)垂直，且与长方体介质块(3)的长边相互平行。

4.根据权利要求1所述的基于内嵌金属柱的宽波束介质谐振器天线，其特征在于，所述的两块相同的金属板(4)与长方体介质块(3)之间的距离表示为D，其中，D为2.5mm～6mm；该两块相同的金属板(4)的长度和高度不小于长方体介质块(3)的长度和高度。

5.根据权利要求1所述的基于内嵌金属柱的宽波束介质谐振器天线，其特征在于，所述的金属片(31)印制在长方体介质块(3)的侧面中心位置，且高度不超过长方体介质块(3)高度的4/5。

6.根据权利要求1所述的基于内嵌金属柱的宽波束介质谐振器天线，其特征在于，所述的长方体介质块(3)的长度不超过高度的三倍，宽度不超过高度的两倍。

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