CN110676589B - 一种基于高次模的高增益差分双极化介质贴片天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于高次模的高增益差分双极化介质贴片天线，包括依次层叠设置的下介质基板、金属反射地板、上介质基板和介质贴片，下介质基板的下表面设有两对微带馈线，上介质基板上表面设有四个金属贴片，金属贴片通过金属化通孔与金属反射地板连接。金属贴片和金属化通孔构成接地棒。天线工作于两对简并高次模TM₁₂₁和TM₃₂₁模式下，以实现高增益。四个接地棒不仅能上移TM₁₂₁模式的频率，进一步提高增益，还能降低TM₃₂₁模式的输入阻抗，使其得以被激励，从而拓展天线的带宽。通过两对正交的差分馈电结构来激励各自方向的TM₁₂₁和TM₃₂₁模式，设计出双极化介质贴片天线，具有高隔离、高增益和低交叉极化等优越性能。

Description

一种基于高次模的高增益差分双极化介质贴片天线

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及基于高次模的高增益差分双极化介质贴片天线。

背景技术

微带贴片天线和介质谐振器天线作为现代无线通信系统中两种典型的天线，得到了广泛的研究和应用。介质谐振器天线较于微带贴片天线有几个优越的特性，例如较低的导体损耗，更大的设计自由度和能够使用更多的馈电方案。除此之外，受益于介质谐振器的多模特性，天线的性能可以显着改善。一方面，可以通过合并高次模来拓展介质谐振器天线的阻抗带宽。另一方面，由于在大多数情况下传统介质谐振器天线的增益比微带贴片天线低，将介质谐振器天线设计工作在高次模下是提高增益的有效方法。除此方法之外，提高介质谐振器天线增益的方法主要还可以分为两类。一类是将介质谐振器天线与喇叭集成在一起。另一类是通过使用各向异性材料或在介质谐振器的侧壁上刻槽来增加介质谐振器天线侧壁的辐射。然而，通过上述方法设计的介质谐振器天线结构复杂或剖面较高。随着通信系统的小型化，高剖面将成为介质谐振器天线在一些空间有限的应用中的障碍。

为了解决介质谐振器天线的这些问题，有学者提出了一种准平面的介质贴片天线。这种天线具有与传统微带贴片天线相似的性能，并且降低了传统介质谐振器天线的剖面。由于引入了类似腔模的辐射机制，介质贴片天线的辐射主要来自其侧壁，使得其增益比传统介质谐振器天线高。可以发现，介质贴片天线的剖面和增益均介于传统微带贴片天线和介质谐振器天线之间，是一个很好的折中。然而，现有的基于介质贴片天线的研究主要集中在主模TM₁₀₁模式，它们的带宽较窄。由于介质贴片谐振器继承了介质谐振器的多模特性，因此有学者通过扩展介质贴片谐振器的平面尺寸和高度之间的比率来合并高次模式和主模以扩展带宽。因此，介质贴片天线具有巨大的应用潜力，但到目前为止，基于介质贴片天线的设计仍然非常少见。

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高次模的高增益差分双极化介质贴片天线。受益于介质贴片谐振器的多模特性，将天线设计工作在两对正交的简并高次模下，从而获得较高的增益。此外，在天线中引入四个接地棒，不仅能进一步提升天线的增益，同时还能拓展天线的带宽。为了达到上述目的，本发明提出的基于高次模的高增益差分双极化介质贴片天线，包括自下而上依次层叠设置的正方形的下介质基板、金属反射地板、上介质基板和介质贴片，其特征在于：所述下介质基板的下表面设有两对相互正交的用于耦合馈电的微带馈线，金属反射地板开设有与微带馈线一一对应的耦合缝隙，微带馈线通过耦合缝隙对介质贴片进行激励，所述上介质基板上表面设有沿天线两条对角线方向对称布置的四个金属贴片，所述金属贴片通过设于上介质基板的金属化通孔与金属反射地板连接，所述金属贴片的上表面紧贴所述介质贴片的下表面。

其中，金属贴片与金属化通孔构成接地棒。这四个接地棒不仅可以上移简并高次模TM₁₂₁模式的频率，进一步提高天线增益，并且可以降低简并高次模TM₃₂₁的输入阻抗，使其得以被激励，从而拓展了天线的带宽。

本发明提出的高增益差分双极化介质贴片天线被设计工作于高次模TM₁₂₁和TM₃₂₁模式下，从而获得较高的增益。由于天线的结构完全对称，TM₁₂₁和TM₃₂₁模式都具有与其正交的简并高次模。在传统的方形介质贴片谐振器中引入接地棒是本设计中的关键技术。它不仅可以上移简并高次模TM₁₂₁模式的频率，进一步提高天线增益，并且可以降低简并高次模TM₃₂₁的输入阻抗，使其得以被激励，从而拓展了天线的带宽。通过两对正交的差分馈电结构来激励各自方向的TM₁₂₁和TM₃₂₁模式，设计出双极化介质贴片天线。该天线具有高隔离、高增益和低交叉极化等优越性能。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是本发明实施例天线的分解图。

图2是本发明实施例天线的俯视透视图。

图3是本发明实施例天线的侧视透视图。

图4是本发明实施例天线和去掉接地棒的天线在仅有端口1激励时的反射系数(S₁₁)和增益曲线对比图。

图5是本发明实施例天线仅由端口1激励时的反射系数和增益曲线图。

图6是本发明实施例天线仅由端口2激励时的反射系数和增益曲线图。

图7是本发明实施例天线的端口1和端口2之间的隔离曲线图。

图8是本发明实施例天线仅由端口1激励时在4.15GHz频率下的天线辐射方向图。

图9是本发明实施例天线仅由端口1激励时在 4.98GHz频率下的天线辐射方向图。

图10是本发明实施例天线仅由端口2激励时在4.15GHz频率下的天线辐射方向图。

图11是本发明实施例天线仅由端口2激励时在 4.98GHz频率下的天线辐射方向图。

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。

如图1至图3所示，本实施例基于高次模的高增益差分双极化介质贴片天线，包括自下而上依次层叠设置的正方形的下介质基板5、金属反射地板4、上介质基板3和介质贴片1。本例中，介质贴片1为正方形陶瓷贴片，介电常数ε _r2= 90，损耗角正切tanδ= 7×10^-4，体积为w _d×w _d×h _d。介质贴片位于上介质基板3的中心处，介质贴片1的形状沿天线两个极化方向对称。除此之外，介质贴片1也可以采用圆形。使用的介质基板是Rogers RO4003，介电常数ε _r1= 3.38，损耗角正切tanδ= 2.7×10^-3，厚度h _s = 0.813mm。下介质基板5为双面印刷电路板，双面印刷电路板的顶层为该金属反射地板4，底层为两对相互正交的用于耦合馈电的微带馈线6。金属反射地板4开设有与四根微带馈线6一一对应的耦合缝隙7（尺寸为w _s×l _s），微带馈线6通过耦合缝隙7对介质贴片进行激励。微带馈线6在金属反射地板4上的投影与对应的耦合缝隙7垂直相交，并且耦合缝隙7沿着微带馈线6的中心线对称设置。两对微带馈线分别与两对端口连接，图1中，标号8为端口1的正向信号输入端，标号9为端口1的反向信号输入端，标号10为端口2的正向信号输入端，标号11为端口2的反向信号输入端。在差分馈电的条件下，两对等幅反向的射频信号分别沿两对微带馈线传输，利用输入的差分信号实现对天线的激励。

如图1所示，上介质基板3设置有四根接地棒2，接地棒2位于相邻耦合缝隙7之间的区域。接地棒由设于上介质基板3上表面的金属贴片（尺寸w _p×w _p）和设于上介质基板3半径r= 0.5mm的金属化通孔构成，四个金属贴片沿天线两条对角线方向对称布置，并且紧贴介质贴片1的下表面。金属贴片的边长为w _p。相邻两个的金属贴片之间的距离为d。金属贴片的尺寸和金属贴片之间的距离对天线性能都有影响，其具有一个最优值，但是对于不同天线在具有不同介电常数和尺寸的情况下最优值是不同的。

本实施例天线的详细尺寸列于表I中。

表I 天线的详细尺寸

参数	<i>w</i><sub>d</sub>	<i>h</i><sub>d</sub>	<i>G</i><sub>L</sub>	<i>h</i><sub>s</sub>	<i>w</i><sub>s</sub>	<i>l</i><sub>s</sub>
							值/mm	31	1.4	63	0.813	0.9	8.7
参数	<i>d</i>	<i>w</i><sub>p</sub>	<i>r</i>	<i>d</i><sub>s</sub>	<i>w</i><sub>f</sub>	<i>l</i><sub>f</sub>
							值/mm	15.5	2	0.5	1.3	2.3	13

差分馈电方式提供一对等幅反相的射频信号来激励介质贴片谐振器。差分馈电方式能够激励场分布反相的模式，不能激励场分布同相的模式。受益于介质贴片谐振器的多模特性，通过本征模仿真找到了两个高次模TM₁₂₁模式和TM₃₂₁模式，来实现高增益。实验发现TM₁₂₁模和TM₃₂₁模的电场分布都沿x轴的有180°相位差，这表明差分馈电方式能够激励这两个模式。

为了进一步提高介质贴片天线的增益，本实施例天线在适当的位置引入接地棒，从而使得模式的频率上移。同时，为了充分利用介质贴片谐振器的多模特性，可以通过调整接地棒的参数来控制TM₁₂₁模式和TM₃₂₁模式的频率，从而拓展天线带宽。经试验发现，随着相邻金属贴片之间距离d增大或金属贴片边长w_p减小，TM₁₂₁模式的频率上升并逐渐靠近TM₃₂₁模式。这为后续提高天线增益和拓展带宽的设计提供了有效的指导。

由于本实施例天线的结构是完全对称的，因此两个高次模都具有与其正交的简并模式，即TM₂₁₁模式和TM₂₃₁模式，它们的极化方向沿y轴。TM₂₁₁模式和TM₂₃₁模式的频率和电场分布的变化分别与TM₁₂₁模式和TM₃₂₁模式类似。这可用于实现天线的双极化功能。

如图4所示，为实施例天线和去掉接地棒的天线在仅有端口1激励时的反射系数(S₁₁)和增益曲线对比图。可以看出，由于接地棒的引入，谐振点的数量从一个增加到两个，并且第一个谐振点从4.6 GHz上移到4.86 GHz。对应于本征模仿真中TM₁₂₁模式和TM₃₂₁模式的频率可以看出，当天线不具有接地棒时TM₃₂₁模式没有被激励。通过仿真发现，由于接地棒的引入，天线的输入阻抗得到了显著的改善，此时TM₁₂₁模式和TM₃₂₁模式能够同时被激励。在天线的物理尺寸固定的情况下，第一个谐振点的频率上移了大约0.26 GHz，天线的电尺寸相应变大，这使得天线的辐射方向性或增益得到增强。如图4所示，天线的仿真增益从6.8dBi增加到9 dBi。综上所述，在传统的方形介质贴片天线中引入接地棒不仅能够使得天线的增益增加2.2 dB，而且还能拓展天线的带宽。

图5和图6分别是本发明实施例天线仅由端口1或端口2激励时的反射系数和增益曲线图。本实施例差分双极化介质贴片天线的阻抗带宽为4.27％（4.80-5.01 GHz），最大增益达到了9 dBi。可以看出，由端口1和端口2激励所获得的结果具有很好的一致性。图7是本发明实施例天线的端口1和端口2之间的隔离曲线图，在整个工作频带内的最小隔离为46dB。本发明实施例天线仅由端口1激励时在4.15GHz和4.98GHz频率下的辐射方向图分别如图8和图9所示。本发明实施例天线仅由端口2激励时在4.15GHz和4.98GHz频率下的辐射方向图分别如图10和图11所示。天线的交叉极化均低于-30dB。根据上述结果可以看出，本实施例差分双极化介质贴片天线具有稳定且相对较高的带内增益，高隔离度和低交叉极化。

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 (7)

1. 一种基于高次模的高增益差分双极化介质贴片天线，包括自下而上依次层叠设置的正方形的下介质基板（5）、金属反射地板（4）、上介质基板（3）和介质贴片（1），其特征在于：所述下介质基板（5）的下表面设有两对相互正交的用于耦合馈电的微带馈线（6），金属反射地板（4）开设有与微带馈线（6）一一对应的耦合缝隙（7），微带馈线（6）通过耦合缝隙（7）对介质贴片进行激励，所述上介质基板（3）上表面设有沿天线两条对角线方向对称布置的四个金属贴片，所述金属贴片通过设于上介质基板（3）的金属化通孔与金属反射地板（4）连接，所述金属贴片的上表面紧贴所述介质贴片（1）的下表面，其中，金属贴片与金属化通孔构成接地棒（2）, 天线工作于两对简并高次模TM₁₂₁和TM₃₂₁模式下。

2.根据权利要求1所述的基于高次模的高增益差分双极化介质贴片天线，其特征在于：所述微带馈线（6）在金属反射地板（4）上的投影与对应的耦合缝隙（7）垂直相交。

3.根据权利要求2所述的基于高次模的高增益差分双极化介质贴片天线，其特征在于：所述耦合缝隙（7）沿着微带馈线（6）的中心线对称设置。

4.根据权利要求1所述的基于高次模的高增益差分双极化介质贴片天线，其特征在于：所述接地棒（2）位于相邻耦合缝隙（7）之间的区域。

5.根据权利要求1所述的基于高次模的高增益差分双极化介质贴片天线，其特征在于：所述下介质基板（5）为双面印刷电路板，双面印刷电路板的顶层为所述的金属反射地板（4），底层为所述的微带馈线（6）。

6.根据权利要求1所述的基于高次模的高增益差分双极化介质贴片天线，其特征在于：所述介质贴片（1）位于上介质基板（3）的中心处，介质贴片（1）的形状沿天线两个极化方向对称。

7.根据权利要求5所述的基于高次模的高增益差分双极化介质贴片天线，其特征在于：将上介质基板（3）和所述双面印刷电路板贴合后，对上介质基板（3）开通孔，然后在通孔的孔壁镀金属，从而获得该金属化通孔，同时实现金属贴片与金属反射地板（4）的电连接。

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