CN110729551A - 凹型共形的宽波束高增益双频介质谐振器天线及工作方法 - Google Patents

凹型共形的宽波束高增益双频介质谐振器天线及工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种凹型共形的宽波束高增益双频介质谐振器天线及工作方法，包括：从上到下依次设置的介质谐振器、地板、介质基板、馈电端口，地板中心设有馈缝，介质基板下表面设有馈线；地板与介质谐振器都为弧形且共形，弧形的中心位于其上方，介质谐振器固定于地板中间，地板为金属；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；天线由馈线馈电，本发明通过采用弧形的凹型地板与凹型介质谐振器，实现了宽波束高增益双频性能。增大了天线的波束宽度；该天线基于介质谐振器天线设计，相比于传统的微带贴片天线与其他共形介质谐振器天线，拥有更宽的波束宽度以及更高的增益，相比于金属贴片天线，性能没有明显恶化。

Description

凹型共形的宽波束高增益双频介质谐振器天线及工作方法
技术领域
本发明涉及共形可穿戴天线技术领域，特别涉及一种凹型共形的宽波束高增益双频介质谐振器天线及其工作方法。
背景技术
在无线通信技术快速发展的推动下，无线通信设备对便携性的要求越来越高，由此各种可穿戴电子设备应运而生，这使得可共形天线成为当下必不可少的研究热点和发展趋势。
共形天线是指能与平台的外形保持一致的天线或者天线阵，广泛应用于无人机、舰船、地面车辆以及卫星通信和军用机载监视雷达等领域，由于天线结构与平台外形结构融为一体，能够具有很好的隐身特性，提高对目标的适应能力和打击精度。当前，共形天线的重要发展方向是柔性共形微带天线，该种天线能弯曲成任意角度，贴合任意表面，并能自我修复或调整阵元的电磁波。然而传统的介质谐振器天线应用于平面，地板平坦，并未实际应用于低剖面共形设备中，介质谐振器天线相比于微带天线，拥有高极化纯度、高设计自由度、多辐射模式等诸多优点，可以进一步满足共形系统对天线的要求。
多频率、方向图可切换天线广泛用于复用型无线系统之中，其相比于一般的单频单方向图天线，拥有更高的应用自由度，可以依据系统需求，达到增加信道容量、抑制干扰、切换通信目标等功能。常见的方向图重构主要为宽波束与高方向性辐射性能间的转换，二者分别满足了广播通信与点对点通信的要求，适用于越野车队、无人机群等移动型自组通信网络的各级父节点。该种功能尚未见于共形介质谐振器天线中。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于针对现有技术的缺陷，提供一种凹型共形的宽波束高增益双频介质谐振器天线及其工作方法，能有效的解决上述现有技术存在的问题，并且实现很好的性能优势。
为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：
一种凹型共形的宽波束高增益双频介质谐振器天线，包括：从上到下依次设置的介质谐振器1、地板2、介质基板3、馈电端口4，地板中心设有馈缝5，介质基板3下表面设有馈线6；
所述地板2与介质谐振器1都为弧形且共形，弧形的中心位于其上方，介质谐振器1固定于地板2中间，地板2为金属；
介质基板3上、下表面分别贴合覆盖地板2和馈线6；在地板2中心蚀刻出馈缝5；
所述天线由馈线6馈电，然后电磁波能量通过地板2上的馈缝5耦合传导至上表面的介质谐振器1。
作为优选方式，地板2材料为铜箔；
作为优选方式，介质谐振器1采用氧化铝陶瓷材料制成，相对介电常数为12.3，介质谐振器1的宽度为30mm，厚度为11mm，底部弧边弧长59.7mm，顶部弧边弧长为48.2mm，弧度为60度；
地板2的宽度为60mm，弧边弧长为89.5mm，弧度为90度；
介质基板3采用聚四氟乙烯材料制成，相对介电常数为2.1，介质基板3的宽度为60mm，高度为0.6mm，弧边弧长为89.5mm，弧度为90度。
作为优选方式，馈缝5的长度为13mm，宽度为2.5mm，馈线6为铜微带线，长度为50mm，宽度为3mm，馈线6超过馈缝5中心距离为1.5mm，该共形结构使天线与馈电结构匹配。
作为优选方式，天线采用侧向馈电。
为实现上述发明目的，本发明还提供一种所述的凹型共形的宽波束高增益双频介质谐振器天线的工作方法，利用天线的两个谐振模式，达到实现双频的性能。
作为优选方式，所述工作方法进一步为：在第一谐振模式，谐振频率为3.66GHz时，凹型共形的介质谐振器天线的辐射机制形似为两个磁单极子辐射，在yoz平面下的3dB波束宽度为188度，从而能够实现宽波束性能；在第二谐振模式，即谐振频率为4.44GHz时，凹型共形的介质谐振器天线的辐射机制形似为三个磁偶极子辐射，在xoz和yoz平面处的最大增益为9.06dB，从而能够实现高增益性能；
在已知天线谐振频率前提下，按照传统的缝隙耦合馈电理论得到馈电结构的参数，馈电点位置馈缝5为磁场强度最大的位置，能量通过馈缝5耦合到天线中，在天线辐射时，其辐射能量由于凹型结构汇聚，进一步达到实现宽波束与高增益的性能。
与现有技术相比本发明的优点在于：
1.通过采用弧形的凹型地板与凹型介质谐振器，实现了宽波束高增益双频性能。共形设备使得天线可穿戴；
2.利用高介电常数的氧化铝陶瓷材料作为介质谐振器，基于其极高的设计自由度，灵活地采用不同谐振模式的辐射特性，使该共形介质谐振器天线具备更高的增益与更宽的波束性能，同时能够达到实现双频的效果；
3.通过分别分析凹型共形介质谐振器在两个谐振模式对应谐振频率下的辐射机制，清楚地解释了凹型共形介质谐振器的宽波束与高增益性能；
4.天线整体为低剖面共形结构，采用侧向馈电，地板开缝，通过缝隙耦合馈电理论达到馈电效果，地板与凹型共形的宽波束高增益双频介质谐振器天线共形，可应用于弯曲的表面，适用于可穿戴设备；总体结构简洁，且配备了成熟的理论求解与设计方法，大大减少设计与应用难度。通过将平面天线变为凹型，汇聚了天线的波束，在同一工作模式下，可以获得更高的增益；该天线基于介质谐振器天线设计，相比于传统的微带贴片天线与其他共形介质谐振器天线，拥有更宽的波束宽度以及更高的增益，易于理解，可移植性强。
附图说明
图1是本发明凹型共形的宽波束高增益双频介质谐振器天线的宽波束辐射机制图；
图2是本发明凹型共形的宽波束高增益双频介质谐振器天线的高增益辐射机制图；
图3是本发明凹型共形的宽波束高增益双频介质谐振器天线的主视图；
图4是本发明凹型共形的宽波束高增益双频介质谐振器天线的俯视图；
图5是本发明凹型共形的宽波束高增益双频介质谐振器天线的底视图；
图6是本发明凹型共形的宽波束高增益双频介质谐振器天线S参数曲线图；
图7是本发明凹型共形的宽波束高增益双频介质谐振器天线在3.66GHz处二维增益方向图；
图8是本发明凹型共形的宽波束高增益双频介质谐振器天线在4.44GHz处二维增益方向图；
1为介质谐振器，2为地板，3为介质基板，4为馈电端口，5为馈缝，6为馈线。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所表达的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
一种凹型共形的宽波束高增益双频介质谐振器天线，包括：从上到下依次设置的介质谐振器1、地板2、介质基板3、馈电端口4，地板中心设有馈缝5，介质基板3下表面设有馈线6；
所述地板2与介质谐振器1都为弧形且共形，弧形的中心位于其上方，介质谐振器1固定于地板2中间，地板2为金属；
介质基板3上、下表面分别贴合覆盖地板2和馈线6；在地板2中心蚀刻出馈缝5；
所述天线由馈线6馈电，然后电磁波能量通过地板2上的馈缝5耦合传导至上表面的介质谐振器1。
进一步的，地板2材料为铜箔；
进一步的，介质谐振器1采用氧化铝陶瓷材料制成，相对介电常数为12.3，介质谐振器1的宽度为30mm，厚度为11mm，底部弧边弧长59.7mm，顶部弧边弧长为48.2mm，弧度为60度；
地板2的宽度为60mm，弧边弧长为89.5mm，弧度为90度；
介质基板3采用聚四氟乙烯材料制成，相对介电常数为2.1，介质基板3的宽度为60mm，高度为0.6mm，弧边弧长为89.5mm，弧度为90度。
进一步的，馈缝5的长度为13mm，宽度为2.5mm，馈线6为铜微带线，长度为50mm，宽度为3mm，馈线6超过馈缝5中心距离为1.5mm，该共形结构使天线与馈电结构匹配。
进一步的，天线采用侧向馈电。这样做的目的是为了减少天线在竖直方向占用的空间大小。
该天线基于介质谐振器天线设计，相比于传统的微带天线与其他共形介质谐振器天线，拥有更宽的波束以及更高的增益，同时弧形结构的巧妙设计，使其可应用于共形可穿戴设备。
图6是本发明的凹型共形的宽波束高增益双频介质谐振器天线S参数曲线图。可以看见，该天线在3.66GHz和4.44GHz处实现了很好的双频性能，并且回波损耗小于-15dB，使该天线在工作频段内达到了很好的匹配特性。
图7是本发明的凹型共形的宽波束高增益双频介质谐振器天线在频率为3.66GHz处的二维增益方向图。可以看见，该凹型共形的介质谐振器天线在yoz平面下的3dB波束宽度为188度，实现了很好的宽波束性能。
图8是本发明的凹型共形的宽波束高增益双频介质谐振器天线在频率为4.44GHz处的二维增益方向图。可以看见，该凹型共形的介质谐振器天线在xoz和yoz平面的最大增益为9.06dB，实现了很好的高增益性能。
实施例2
本实施例公开了一种凹型共形的宽波束高增益双频介质谐振器天线的工作方法，利用天线的两个谐振模式，达到实现双频的性能。
在第一谐振模式，谐振频率为3.66GHz时，凹型共形的介质谐振器天线的辐射机制形似为两个磁单极子辐射，具体如图1所示，在yoz平面下的3dB波束宽度为188度，从而能够实现宽波束性能；在第二谐振模式，即谐振频率为4.44GHz时，凹型共形的介质谐振器天线的辐射机制形似为三个磁偶极子辐射，具体如图2所示，在xoz和yoz平面处的最大增益为9.06dB，从而能够实现高增益性能；
在已知天线谐振频率前提下，按照传统的缝隙耦合馈电理论得到馈电结构的参数，馈电点位置馈缝5为磁场强度最大的位置，能量通过馈缝5耦合到天线中，在天线辐射时，其辐射能量由于凹型结构汇聚，进一步达到实现宽波束与高增益的性能。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种凹型共形的宽波束高增益双频介质谐振器天线，其特征在于，包括：从上到下依次设置的介质谐振器(1)、地板(2)、介质基板(3)、馈电端口(4)，地板中心设有馈缝(5)，介质基板(3)下表面设有馈线(6)；
所述地板(2)与介质谐振器(1)都为弧形且共形，弧形的中心位于其上方，介质谐振器(1)固定于地板(2)中间，地板2为金属；
介质基板(3)上、下表面分别贴合覆盖地板(2)和馈线(6)；在地板(2)中心蚀刻出馈缝(5)；
所述天线由馈线(6)馈电，然后电磁波能量通过地板(2)上的馈缝(5)耦合传导至上表面的介质谐振器(1)。
2.根据权利要求1所述的一种凹型共形的宽波束高增益双频介质谐振器天线，其特征在于：地板(2)材料为铜箔。
3.根据权利要求1所述的一种凹型共形的宽波束高增益双频介质谐振器天线，其特征在于：介质谐振器(1)采用氧化铝陶瓷材料制成，相对介电常数为12.3，介质谐振器(1)的宽度为30mm，厚度为11mm，底部弧边弧长59.7mm，顶部弧边弧长为48.2mm，弧度为60度；
地板(2)的宽度为60mm，弧边弧长为89.5mm，弧度为90度；
介质基板(3)采用聚四氟乙烯材料制成，相对介电常数为2.1，介质基板(3)的宽度为60mm，高度为0.6mm，弧边弧长为89.5mm，弧度为90度。
4.根据权利要求1所述的一种凹型共形的宽波束高增益双频介质谐振器天线，其特征在于：馈缝(5)的长度为13mm，宽度为2.5mm，馈线(6)为铜微带线，长度为50mm，宽度为3mm，馈线(6)超过馈缝(5)中心距离为1.5mm，该共形结构使天线与馈电结构匹配。
5.根据权利要求1所述的一种凹型共形的宽波束高增益双频介质谐振器天线，其特征在于：天线采用侧向馈电。
6.权利要求1至5任意一项所述的一种凹型共形的宽波束高增益双频介质谐振器天线的工作方法，其特征在于：利用天线的两个谐振模式，达到实现双频的性能。
7.根据权利要求6所述的一种凹型共形的宽波束高增益双频介质谐振器天线的工作方法，其特征在于：在第一谐振模式，谐振频率为3.66GHz时，凹型共形的介质谐振器天线的辐射机制形似为两个磁单极子辐射，在yoz平面下的3dB波束宽度为188度，从而能够实现宽波束性能；在第二谐振模式，即谐振频率为4.44GHz时，凹型共形的介质谐振器天线的辐射机制形似为三个磁偶极子辐射，在xoz和yoz平面处的最大增益为9.06dB，从而能够实现高增益性能；
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