CN110416713A - 一种宽带二维波束扫描介质谐振天线和无线通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种宽带二维波束扫描介质谐振天线和无线通信系统，该天线包括：第一介质谐振器、第二介质谐振器、第三介质谐振器、介质基板、馈电线以及接地板；馈电线和接地板设置于介质基板两侧；接地板上设置有至少两条相交的长方形缝隙；馈电线以至少两条相交的长方形缝隙的交点为圆心，呈圆弧形的设置于介质基板上远离接地板的一侧，第一介质谐振器设置于接地板与第二介质谐振器之间；第二介质谐振器设置于第一介质谐振器与第三介质谐振器之间；第一介质谐振器中心、第二介质谐振器中心以及第三介质谐振器中心与圆心位于同一直线上。馈电线的馈电通过缝隙耦合到接地板进行激励，使第三介质谐振器旋转实现波束扫描，避免接收端无法接收到信号。

Description

一种宽带二维波束扫描介质谐振天线和无线通信系统

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别是涉及一种宽带二维波束扫描介质谐振天线和无线通信系统。

背景技术

随着无线通信技术的飞速发展，具有无线通信功能的电子设备已经成为了人们生活的必需品，人们对电子设备的依赖越来越强，同时对无线通信的传输效率的要求也越来越高。

介质谐振器作为一种谐振式天线，具有许多优点，例如，介质谐振器可以采用多种设计形式，具有很大的灵活性；馈电方式有探针、缝隙耦合、微带线等；又例如，介质谐振器的辐射单元为纯介质材料，介电常数的选择范围广；介质谐振器的损耗小，能够实现很高的辐射效率；另外，介质谐振器还具有加工简单、成本较低、便于集成的优点。因此，介质谐振器具有巨大的实际应用价值。

然而，发明人发现，现有技术中的介质谐振天线仅仅只能向用户指定的方向发送指向性的信号，当该信号偏离用户指定的方向时，用户指定的方向的接收端则无法接收到该信号。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种宽带二维波束扫描介质谐振天线和无线通信系统，以进行波束扫描，避免接收端无法接收到信号。具体技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提供了一种宽带二维波束扫描介质谐振天线，该介质谐振天线包括：馈电组件、第一介质谐振器、第二介质谐振器以及第三介质谐振器，馈电组件包括：介质基板、馈电线以及接地板；

馈电线和接地板设置于介质基板的两侧；

接地板上设置有至少两条相交的长方形缝隙；

馈电线以至少两条相交的长方形缝隙的交点为圆心，呈圆弧形的设置于介质基板上远离接地板的一侧，

第一介质谐振器设置于接地板与第二介质谐振器之间；

第二介质谐振器设置于第一介质谐振器与第三介质谐振器之间；第一介质谐振器的中心、第二介质谐振器的中心以及第三介质谐振器的中心与圆心位于同一直线上。

可选的，至少两条相交的长方形缝隙中的任意相邻的两条相交的长方形缝隙的夹角相等。

可选的，圆弧的弧度大于270°且小于360°；

馈电线为双端口微带线，呈圆弧形的馈电线的两个端点分别设置有引出馈电线。

可选的，接地板为介质基板上远离馈电线一侧的镀层。

可选的，镀层的材质为铜。

可选的，介质谐振天线还包括：天线罩；

天线罩设置于第三介质谐振器的远离第二介质谐振器的一侧，且天线罩的罩口朝向第二介质谐振器；

第一介质谐振器为矩形介质谐振器，第二介质谐振器为半球形介质谐振器，第三介质谐振器为球形介质谐振器。

可选的，介质谐振天线还包括：连接线；

第一介质谐振器与第二介质谐振器粘接，第二介质谐振器与第三介质谐振器通过是连接线连接；

第一介质谐振器为矩形介质谐振器，第二介质谐振器为圆柱形介质谐振器，第三介质谐振器为球形介质谐振器。

可选的，第一介质谐振器、第二介质谐振器和第三介质谐振器的材质为介电常数为9.2的氧化铝。

可选的，介质基板的材质为介电常数为4.4的4级环氧树脂。

第二方面，本发明实施例还提供了一种无线通信系统，包括一个或多个上述任一项的宽带二维波束扫描介质谐振器天线。

本发明实施例提供的一种宽带二维波束扫描介质谐振天线和无线通信系统，可以包括：馈电组件、第一介质谐振器、第二介质谐振器以及第三介质谐振器，馈电组件包括：介质基板、馈电线以及接地板；

通过将介质基板设置于馈电线和接地板之间；在接地板上设置有至少两条相交的长方形缝隙；并且使馈电线以至少两条相交的长方形缝隙的交点为圆心，呈圆弧形的设置于介质基板上远离接地板的一侧，通过将第一介质谐振器设置于接地板与第二介质谐振器之间；将第二介质谐振器设置于第一介质谐振器与第三介质谐振器之间，并使得第一介质谐振器的中心、第二介质谐振器的中心以及第三介质谐振器的中心与圆心位于同一直线上。从而可以使得通过馈电线进行馈电时，可以通过缝隙耦合到接地板中进行激励，从而可以使得第三介质谐振器旋转，进而实现二维平面的波束扫描，从而可以避免接收端无法接收到信号。当然，实施本发明的任一产品或方法并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的一种宽带二维波束扫描介质谐振天线第一种实施方式的结构示意图；

图2为本发明实施例的一种宽带二维波束扫描介质谐振天线第二种实施方式的结构示意图；

图3为图2所示的宽带二维波束扫描介质谐振天线中的馈电组件第一种实施方式的结构示意图；

图4为图2所示的宽带二维波束扫描介质谐振天线中的馈电组件第二种实施方式的结构示意图；

图5为本发明实施例的一种宽带二维波束扫描介质谐振天线第三种实施方式的结构示意图；

图6为图5所示的宽带二维波束扫描介质谐振天线的输入回波损耗曲线仿真图；

图7为图5所示的宽带二维波束扫描介质谐振天线的轴比曲线仿真图；

图8为图5所示的宽带二维波束扫描介质谐振天线沿X轴扫描时的辐射方向图；

图9为图5所示的宽带二维波束扫描介质谐振天线沿Y轴扫描时的辐射方向图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了解决现有技术存在的问题，本发明实施例提供了一种宽带二维波束扫描介质谐振天线和无线通信系统，以进行波束扫描，避免接收端无法接收到信号。

下面，首先对本发明实施例的一种宽带二维波束扫描介质谐振天线进行介绍，如图1所示，本发明实施例的一种宽带二维波束扫描介质谐振天线可以包括：

馈电组件110、第一介质谐振器120、第二介质谐振器130以及第三介质谐振器140，馈电组件110包括：介质基板111、馈电线112以及接地板113；

馈电线112和接地板113设置于介质基板111的两侧；

接地板113上设置有至少两条相交的长方形缝隙1131；

馈电线112以至少两条相交的长方形缝隙1131的交点为圆心，呈圆弧形的设置于介质基板111上远离接地板113的一侧，

第一介质谐振器120设置于接地板113与第二介质谐振器130之间；

第二介质谐振器130设置于第一介质谐振器120与第三介质谐振器140之间；第一介质谐振器120的中心、第二介质谐振器130的中心以及第三介质谐振器130的中心与上述的圆弧的圆心位于同一直线上。

需要说明的是，图1中以不同矩形的框来表示各个部件的形状，但并用于限定各个部件实际的形状为矩形，各个零部件实际还可以是其他形状。例如，图1所示的第一介质谐振器120可以是矩形介质谐振器或者圆柱形介质谐振器，第二介质谐振器130可以是矩形介质谐振器或者圆柱形介质谐振器，第三介质谐振器140可以是球形介质谐振器。这都是可以的。

当第三介质谐振器140为球形介质谐振器时，该第三介质谐振器可以在第二介质谐振器130上水平旋转，从而可以实现二维平面的波束扫描。

本发明实施例提供的一种宽带二维波束扫描介质谐振天线，通过将介质基板设置于馈电线和接地板之间；在接地板上设置有至少两条相交的长方形缝隙；并且使馈电线以至少两条相交的长方形缝隙的交点为圆心，呈圆弧形的设置于介质基板上远离接地板的一侧，通过将第一介质谐振器设置于接地板与第二介质谐振器之间；将第二介质谐振器设置于第一介质谐振器与第三介质谐振器之间，并使得第一介质谐振器的中心、第二介质谐振器的中心以及第三介质谐振器的中心与圆心位于同一直线上。从而可以使得通过馈电线进行馈电时，可以通过缝隙耦合到接地板中进行激励，从而可以使得第三介质谐振器旋转，进而实现二维平面的波束扫描，从而可以避免接收端无法接收到信号。

为了更清楚的说明本发明实施例，这里结合图2对本发明实施例的一种宽带二维波束扫描介质谐振天线进行说明，如图2所示，为本发明实施例的一种波束扫描介质天线第二种实施方式的结构示意图，该介质谐振天线还可以包括：天线罩150；

在一些示例中，该天线罩150设置于第三介质谐振器140的远离第二介质谐振器130的一侧，且天线罩150的罩口朝向第二介质谐振器130；在一些示例中，该天线罩150可以安装于馈电组件110上。

在又一些示例中，如图2所示，第一介质谐振器120为矩形介质谐振器，第二介质谐振器130为半球形介质谐振器，第三介质谐振器140为球形介质谐振器。该第二介质谐振器130的平面安装于第一介质谐振器120上。第三介质谐振器140与第二介质谐振器130的球面接触安装。

通过设置天线罩150，可以使得第三介质谐振器140可以在天线罩150内沿着第二介质谐振器130旋转，以实现波束扫描。并且，通过设置天线罩150，可以保护第一介质谐振器120、第二介质谐振器130以及第三介质谐振器140。

在又一些示例中，第二介质谐振器130的半径与第三介质谐振器140的半径可以相同，也可以不同。

在一些示例中，如图3所示，为图2所示的介质谐振天线中的馈电组件110的结构示意图，在图3中，馈电线112和接地板113设置于介质基板111的两侧；

在一些示例中，该接地板113为介质基板111上远离馈电线112一侧的镀层。因此，图3中未画出。在又一些示例中，镀层的材质为铜，该镀层的厚度为18μm。

如图3所示，接地板113上可以设置有4条相交的长方形缝隙1131。

在一些示例中，至少两条相交的长方形缝隙中的任意相邻的两条相交的长方形缝隙的夹角相等。例如，如图3所示，该4条相交的长方形缝隙1131中任意相邻的两条相交的长方形缝隙的夹角都为45度。这样，可以使得在通过馈电线112进行馈电时，馈电组件110能够形成均匀的电场。从而使得该介质谐振天线具有更好的增益。

在又一些示例中，每条长方形缝隙的长度可以是19.1mm，宽度可以为1mm。

在又一些示例中，如图3所示，馈电线112以至少两条相交的长方形缝隙1131的交点为圆心，呈圆弧形的设置于介质基板111上远离接地板113的一侧。

在一些示例中，该介质基板的尺寸可以为70×70×0.787mm³。该介质基板的材料为介电常数为4.4的4级环氧树脂。

在又一些示例中，该圆弧的弧度大于270°且小于360°，例如，该圆弧的弧度可以为315°。

在又一些示例中，该馈电线112的宽度可以是2.2mm。该圆弧的内径可以是5.8mm。

在又一些示例中，馈电线112为双端口微带线，呈圆弧形的馈电线112的两个端点分别设置有引出馈电线。

通过设置双端口微带线，可以在两个端口的引出馈电线分别进行激励，例如，在图3所示的第一端口1121的引出馈电线进行激励时，天线左旋圆极化；在图3所示的第二端口1122的引出馈电线进行激励时，天线右旋圆极化。

并且，通过设置圆弧形的馈电线112和具有夹角相同的长方形缝隙1131，可以使得馈电组件110提供稳定的相位差，减少耦合。

在一些示例中，该第一端口的引出馈电线1121和第二端口1122的引出馈电线可以位于一条缝隙的两侧，也可以位于一条缝隙的同侧，在又一些示例中，该第一端口1121的引出馈电线和第二端口1122的引出馈电线，可以平行也可以垂直，如图3所示，该第一端口1121的引出馈电线和第二端口1122的引出馈电线相互垂直。如图4所示，该第一端口1121的引出馈电线和第二端口1122的引出馈电线相互平行。

在又一些示例中，该第一介质谐振器120、第二介质谐振器130和第三介质谐振器140的材质为介电常数为9.2的氧化铝。

如图3所示，该第二介质谐振器130和第三介质谐振器140的半径可以是20mm。

本发明实施例还提供了一种波束扫描介质天线，如图5所示，为本发明实施例的一种波束扫描介质天线第三种实施方式的结构示意图，该介质谐振天线还可以包括：连接线160；

在图5中，第一介质谐振器120为矩形介质谐振器，第二介质谐振器130为圆柱形介质谐振器，第三介质谐振器140为球形介质谐振器。

在一些示例中，为了保证介质谐振天线的稳定性，该第二介质谐振器130的尺寸可以小于第一介质谐振器120的尺寸，例如，该第二介质谐振器130的半径可以小于第一介质谐振器120的宽度。该第一介质谐振器的尺寸可以为50×50×10mm³。

如图5所示，第一介质谐振器120与第二介质谐振器130粘接，第二介质谐振器130与第三介质谐振器140通过是连接线160连接；

在一些示例中，该连接线160可以是绝缘材料，例如，可以是荧光棒等。

通过设置连接线160，可以使得该介质谐振天线朝下安装，从而使得在重力的作用下，球形介质谐振器总是处于竖直向下的方向，所以无论安装的平面与地面成何种角度，天线的辐射方向始终指向竖直向下的方向。

在一些示例中，图4所示的馈电组件110可以应用于图5所示的介质谐振天线。

应当理解的是，图5中的馈电组件110与图3中的馈电组件相同或相似，这里不再赘述。

为了更清楚的说明本发明实施例的介质谐振天线的效果，这里可以结合图6、图7、图8以及图9进行说明，从图6中可以看出，该介质谐振天线可以实现-60°到60°的角度旋转，该介质谐振天线在每个角度(输入回波损耗<-10dB)的工作带宽基本稳定在1.9-3.2GHz，该介质谐振天线的中心频率为2.5GHz，该介质谐振天线阻抗带宽为52％，证明了天线能够实现良好的宽带性能。

从图7中可以看出，该介质谐振天线的圆极化带宽从1.9GHz-2.8GHz，圆极化带宽可以达到36％，证明了天线具有良好的圆极化特性。工作频率2.5GHz处，球形介质谐振器在自由空间中从-60°旋转到+60°，介质谐振天线能够实现的波束扫描的范围是+40°到-40°。在图6、图7、图8和图9中，θ为介质谐振天线的波束扫描角。

如图8所示，该介质谐振天线沿X轴扫描，在该球形介质谐振器旋转-60°时，该介质谐振天线的斜射角度是-40°，增益为4.96dB。在球形介质谐振器旋转0°时，该介质谐振天线的最大增益为5.25dB，在球形介质谐振器旋转+60°时，该介质谐振天线的天线的斜射角度是40°，增益为4.83dB，斜射的增益范围从4.83dB-5.25dB；

如图9所示，该介质谐振天线沿Y轴扫描时，能够实现的波束扫描的波束范围是+40°到-40°，端射时该介质谐振天线天线的增益为5.49dB，该介质谐振天线扫描到40°时，增益为5.02dB；该介质谐振天线扫描到-40°时，增益为4.86dB，所以该介质谐振天线沿Y轴扫描时增益范围是4.86-5.49dB。证明天线能够在保持良好增益的情况下实现波束扫描的特性。

在图8和图9中，-90°～90°为上述的介质谐振天线发射的信号的波束方向和Y轴的夹角。其中，介质谐振天线沿X轴扫描是指在三维坐标系内，第三介质谐振器在Y轴与Z轴形成的平面内摆动扫描；介质谐振天线沿Y轴扫描是指在三维坐标系内，第三介质谐振器在X轴与Z轴形成的平面内摆动扫描。

本发明实施例还提供了一种无线通信系统，该无线通信系统可以包括一个或多个图1、图2和/或图5所示的介质谐振天线。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种宽带二维波束扫描介质谐振天线，其特征在于，所述介质谐振天线包括：馈电组件、第一介质谐振器、第二介质谐振器以及第三介质谐振器，所述馈电组件包括：介质基板、馈电线以及接地板；

所述馈电线和所述接地板设置于所述介质基板的两侧；

所述接地板上设置有至少两条相交的长方形缝隙；

所述馈电线以所述至少两条相交的长方形缝隙的交点为圆心，呈圆弧形的设置于所述介质基板上远离所述接地板的一侧，

所述第一介质谐振器设置于所述接地板与所述第二介质谐振器之间；

所述第二介质谐振器设置于所述第一介质谐振器与所述第三介质谐振器之间；所述第一介质谐振器的中心、所述第二介质谐振器的中心以及所述第三介质谐振器的中心与所述圆心位于同一直线上。

2.根据权利要求1所述的介质谐振天线，其特征在于，所述至少两条相交的长方形缝隙中的任意相邻的两条相交的长方形缝隙的夹角相等。

3.根据权利要求1所述的介质谐振天线，其特征在于，所述圆弧的弧度大于270°且小于360°；

所述馈电线为双端口微带线，所述呈圆弧形的馈电线的两个端点分别设置有引出馈电线。

4.根据权利要求1所述的介质谐振天线，其特征在于，所述接地板为所述介质基板上远离所述馈电线一侧的镀层。

5.根据权利要求1所述的介质谐振天线，其特征在于，所述镀层的材质为铜。

6.根据权利要求1所述的介质谐振天线，其特征在于，所述介质谐振天线还包括：天线罩；

所述天线罩设置于所述第三介质谐振器的远离所述第二介质谐振器的一侧，且所述天线罩的罩口朝向所述第二介质谐振器；

所述第一介质谐振器为矩形介质谐振器，所述第二介质谐振器为半球形介质谐振器，所述第三介质谐振器为球形介质谐振器。

7.根据权利要求1所述的介质谐振天线，其特征在于，所述介质谐振天线还包括：连接线；

所述第一介质谐振器与所述第二介质谐振器粘接，所述第二介质谐振器与所述第三介质谐振器通过是连接线连接；

所述第一介质谐振器为矩形介质谐振器，所述第二介质谐振器为圆柱形介质谐振器，所述第三介质谐振器为球形介质谐振器。

8.根据权利要求1所述的介质谐振天线，其特征在于，所述第一介质谐振器、所述第二介质谐振器和所述第三介质谐振器的材质为介电常数为9.2的氧化铝。

9.根据权利要求1所述的介质谐振天线，其特征在于，所述介质基板的材质为介电常数为4.4的4级环氧树脂。

10.一种无线通信系统，包括一个或多个权利要求1至9任一项所述的介质谐振器天线。