CN110729555B - 顶空零点的多频共形天线及工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种顶空零点的多频共形天线及工作方法，从上至下依次包括：介质谐振器、地板、介质基板、介质基板底部的馈线；地板与介质谐振器都为弧形且共形，弧形的圆心位于其弧形下方，介质谐振器固定于地板中间位置，地板材料为金属；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；本发明通过分析天线内场分布与结构，以磁偶极子构建了天线辐射模型，通过两个高次谐振模式，实现了双频点工作，通过采用凸形地板与凸形介质谐振器，使用介质谐振器天线的两个偶次高次模式实现了斜向全向和侧射零点性能，可满足干扰抑制、电磁兼容等需求，天线采用侧向馈电，通过地板开缝耦合，实现了低剖面结构。

Description

顶空零点的多频共形天线及工作方法
技术领域
本发明属于涉及共形介质谐振器天线技术领域，特别涉及一种顶空零点的多频共形天线及其工作方法。
背景技术
近年来，随着无线通信技术及集成电路技术的快速更新迭代，各种军用、民用无线通信设备也不断向高灵敏度、高集成度、宽带、小型化等方向发展。在此背景下，对天线性能也提出了更高的要求，多频段、小型化、易与系统集成等指标成为了天线设计时的重要考虑因素。此外，在飞机、导弹等高速飞行器和可穿戴设备上还要求天线要具有共形结构。这些更为苛刻的技术要求，促使我们逐渐淘汰以前的常规天线形式，设计出新型的天线结构。
随着各种高性能介质材料的制备成功，介质谐振器天线为天线设计者带来了新的方向。传统天线由于高频段损耗大和低频段几何尺寸大等缺点导致应用受限，相比之下，介质谐振器天线具有设计灵活、辐射效率高、馈电方式多样、加工简单等优势，已广泛应用于雷达、通信和相控阵天线等诸多领域，可以进一步满足未来电子设备对天线的要求。然而对于共形介质谐振器天线的研究尚不成熟，这大大限制了该类天线的应用与发展。进而，对于该类天线高次模式的研究与运用很少出现在已有的文献中。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种顶空零点的多频共形天线及工作方法。
为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：
一种顶空零点的多频共形天线，从上至下依次包括：介质谐振器1、地板2、介质基板3、介质基板3底部的馈线5；
所述地板2与介质谐振器1都为弧形且共形，弧形的圆心位于其弧形下方，介质谐振器1固定于地板2中间位置，地板2材料为金属；
介质基板3上、下表面分别贴合覆盖地板2和馈线5；在地板2中心蚀刻出馈缝4；
所述天线利用同轴线通过馈电端口6进行馈电，同轴线内芯与馈线5连接，同轴线外层与地板2连接，馈线5位于介质基板3的下表面，与介质基板3的上表面地板2共同构成微带线结构；电磁波能量通过同轴线输入，沿馈线5传播到馈缝4，能量通过馈缝4耦合传导至上方的介质谐振器1。
作为优选方式，介质谐振器1采用陶瓷材料制成，相对介电常数12.3，其内径为47mm，厚度为11mm，弧度为60度，宽度为30mm。
作为优选方式，介质基板3为层压板，采用聚四氟乙烯材料制成，介质基板3的相对介电常数是2.1，厚度为0.6mm，介质基板3的弧度为90度，内径46.4mm，宽度60mm。
作为优选方式，馈线5为铜微带线，馈线5宽度为3.1mm，馈线5在Y方向上距离馈缝4中心距离为16.4mm，馈缝4宽度2mm，长度28mm。
作为优选方式，地板2材料为铜箔。
作为优选方式，顶空指天线中心正上方空间区域，零点指天线方向图零点，顶空零点是指在天线中心正上方空间区域的方向图存在零点。
作为优选方式，所述的多频共形天线采用侧向馈电。
为实现上述发明目的，本发明还提供一种所述顶空零点的多频共形天线的工作方法，天线工作于两种辐射模式，分别为第一模式和第二模式，其中第一模式为
Figure BDA0002254833600000021
等效为分布在天线中间的两个反相馈电的磁偶极子所产生的辐射；第二模式为
Figure BDA0002254833600000022
等效为分布在天线上的三对反相馈电的磁偶极子所产生的辐射。
本发明的工作原理如下：
天线工作于两种辐射模式，分别为第一模式和第二模式，为了获得侧射零点，两个模式都为介质谐振器1的偶次模式，从而在地板正上方达成辐射相消条件。而采用多极子近似的方法，可以估计每种模式的辐射特性。其中第一模式为该弧形介质谐振器1天线的Hz 11(1+δ)模，可等效为分布在天线中间的两个反相馈电的磁偶极子所产生的辐射，如图1所示；第二模式为Hz 31(1+δ)模，可等效为分布在天线上的三对反相馈电的磁偶极子所产生的辐射，如图2所示。两个模式的谐振频率由本征模方法辅以纵向场法得出，其中凸形金属地板2设为理想电导体边界；介质谐振器1径向上表面与弧向两侧边界设为准理想磁导体，宽度向边界为一般介质分界面，保有场的连续性条件。通过求解该边值问题，两种高次模式的内场分布、谐振频率、品质因数等可以由此得出。辐射特性可由内场分布做多极子近似或由等效原理求解远场得到。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可得到馈电结构的相关参数，馈电点位置馈缝4为磁场强度最大的位置，能量通过馈缝4耦合到天线中。馈线5垂直经过馈缝4，并偏离缝隙中点以达到最佳输入匹配特性；馈线5终端为开路支节，使得磁场集中在馈缝位置，与介质谐振器1的两个模式获到最佳磁耦合。在天线辐射时，凸形金属地板2使得其辐射能量更趋于发散，从而进一步达到实现宽波束性能。
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平面介质谐振器天线，设计自由度大大提高，易于实现多频、斜向全向和侧射零点。得益于其弧形结构，该天线可应用于共形电子设备。
与现有技术相比本发明的优点在于：
1.通过分析天线内场分布与结构，以磁偶极子构建了天线辐射模型，便于理解和理论分析。
2.通过两个高次谐振模式，实现了双频点工作。
3.通过采用凸形地板与凸形介质谐振器，使介质谐振器天线的两个偶次高次模式实现了斜向全向和侧射零点性能，可满足干扰抑制、电磁兼容等需求。
4.天线采用侧向馈电，通过地板开缝耦合，实现了低剖面结构；地板与凸形介质天线共形，可应用于弯曲表面，实现共形；总体结构简洁，理论成熟，设计过程清楚明晰，可减少设计应用难度，可移植性强。
附图说明
图1是本发明顶空零点的多频共形天线工作模式1示意图；
图2是本发明顶空零点的多频共形天线工作模式2示意图；
图3是本发明顶空零点的多频共形天线的主视图；
图4是本发明顶空零点的多频共形天线的后视图；
图5是本发明实顶空零点的多频共形天线的俯视图；
图6是本发明顶空零点的多频共形天线端口S11参数曲线图；
图7是本发明顶空零点的多频共形天线在谐振频点f1＝3.33GHz时的H面增益方向图；
图8是本发明顶空零点的多频共形天线在谐振频点f1＝3.33GHz时的三维增益方向图；
图9是本发明顶空零点的多频共形天线在频点f2＝3.83GHz时的H面增益方向图；
图10是本发明顶空零点的多频共形天线在频点f2＝3.83GHz时的三维增益方向图。
1为介质谐振器，2为地板，3为介质基板，4为馈缝，5为馈线，6为馈电端口。
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揭露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。
一种顶空零点的多频共形天线，从上至下依次包括：介质谐振器1、地板2、介质基板3、介质基板3底部的馈线5；
所述地板2与介质谐振器1都为弧形且共形，弧形的圆心位于其弧形下方，介质谐振器1固定于地板2中间位置，地板2材料为金属；
介质基板3上、下表面分别贴合覆盖地板2和馈线5；在地板2中心蚀刻出馈缝4；
所述天线利用同轴线通过馈电端口6进行馈电，同轴线内芯与馈线5连接，同轴线外层与地板2连接，馈线5位于介质基板3的下表面，与介质基板3的上表面地板2共同构成微带线结构；电磁波能量通过同轴线输入，沿馈线5传播到馈缝4，能量通过馈缝4耦合传导至上方的介质谐振器1。
介质谐振器1采用陶瓷材料制成，相对介电常数12.3，其内径为47mm，厚度为11mm，弧度为60度，宽度为30mm。
介质基板3为层压板，采用聚四氟乙烯材料制成，介质基板3的相对介电常数是2.1，厚度为0.6mm，介质基板3的弧度为90度，内径46.4mm，宽度60mm。
馈线5为铜微带线，馈线5宽度为3.1mm，馈线5在Y方向上距离馈缝4中心距离为16.4mm，馈缝4宽度2mm，长度28mm。
地板2材料为铜箔。
顶空指天线中心正上方空间区域，零点指天线方向图零点，顶空零点是指在天线中心正上方空间区域的方向图存在零点。
所述的多频共形天线采用侧向馈电。
本实施例还提供一种所述顶空零点的多频共形天线的工作方法，天线工作于两种辐射模式，分别为第一模式和第二模式，其中第一模式为
Figure BDA0002254833600000041
等效为分布在天线中间的两个反相馈电的磁偶极子所产生的辐射，如图1所示；第二模式为
Figure BDA0002254833600000042
等效为分布在天线上的三对反相馈电的磁偶极子所产生的辐射，如图2所示。
本发明的工作原理如下：
天线工作于两种辐射模式，分别为第一模式和第二模式，为了获得侧射零点，两个模式都为介质谐振器1的偶次模式，从而在地板正上方达成辐射相消条件。而采用多极子近似的方法，可以估计每种模式的辐射特性。其中第一模式为该弧形介质谐振器1天线的Hz 11(1+δ)模，可等效为分布在天线中间的两个反相馈电的磁偶极子所产生的辐射，如图1所示；第二模式为Hz 31(1+δ)模，可等效为分布在天线上的三对反相馈电的磁偶极子所产生的辐射，如图2所示。两个模式的谐振频率由本征模方法辅以纵向场法得出，其中凸形金属地板2设为理想电导体边界；介质谐振器1径向上表面与弧向两侧边界设为准理想磁导体，宽度向边界为一般介质分界面，保有场的连续性条件。通过求解该边值问题，两种高次模式的内场分布、谐振频率、品质因数等可以由此得出。辐射特性可由内场分布做多极子近似或由等效原理求解远场得到。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可得到馈电结构的相关参数，馈电点位置馈缝4为磁场强度最大的位置，能量通过馈缝4耦合到天线中。馈线5垂直经过馈缝4，并偏离缝隙中点以达到最佳输入匹配特性；馈线5终端为开路支节，使得磁场集中在馈缝位置，与介质谐振器1的两个模式获到最佳磁耦合。在天线辐射时，凸形金属地板2使得其辐射能量更趋于发散，从而进一步达到实现宽波束性能。
在求得天线的理论谐振模式之后，按照传统的缝隙馈电理论得到馈电结构的参数，馈缝4处为天线内磁场最大处，且方向与内磁场方向一致，使能量通过馈缝4耦合到天线中。
该天线基于介质谐振器天线设计，相比于传统的微带天线，易于实现多频、斜向全向和侧射零点。得益于其弧形结构，该天线可应用于共形电子设备。
图6是本发明的顶空零点的多频共形天线的端口S11参数曲线，可以看见，该天线具有f1＝3.33GHz和f2＝3.83GHz两个谐振频点，可以实现多频工作。
图7是本发明的顶空零点的多频共形天线在谐振频点f1＝3.33GHz时的H面增益方向图。可以看见，在此频点该天线具备侧射为零的斜波束特性。
图8是本发明的顶空零点的多频共形天线在谐振频点f1＝3.33GHz时的三维增益方向图。可以看见，在θ＝0°附近(顶空方向)时，为该天线工作时的零点方向；在θ＝±60°附近时为主波束方向。
图9是本发明的顶空零点的多频共形天线在谐振频点f2＝3.83GHz时的H面增益方向图。可以看见，在此频点该天线具备斜向全向天线的特性。
图10是本发明的顶空零点的多频共形天线在谐振频点f2＝3.83GHz时的三维增益方向图。可以看见，在θ＝0°附近(顶空方向)时，为该天线工作时的零点方向；在θ＝±50°附近时为主波束方向，实现了锥形斜向全向辐射。
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 (8)

1.一种顶空零点的多频共形天线，其特征在于从上至下依次包括：介质谐振器(1)、地板(2)、介质基板(3)、介质基板(3)底部的馈线(5)；
所述地板(2)与介质谐振器(1)都为弧形且共形，弧形的圆心位于其弧形下方，介质谐振器(1)固定于地板(2)中间位置，地板(2)材料为金属；
介质基板(3)上、下表面分别贴合覆盖地板(2)和馈线(5)；在地板(2)中心蚀刻出馈缝(4)；
所述天线利用同轴线通过馈电端口(6)进行馈电，同轴线内芯与馈线(5)连接，同轴线外层与地板(2)连接，馈线(5)位于介质基板(3)的下表面，与介质基板(3)的上表面地板(2)共同构成微带线结构；电磁波能量通过同轴线输入，沿馈线(5)传播到馈缝(4)，能量通过馈缝(4)耦合传导至上方的介质谐振器(1)；
天线工作于两种辐射模式，分别为第一模式和第二模式，其中第一模式为
Figure FDA0002972229680000011
等效为分布在天线中间的两个反相馈电的磁偶极子所产生的辐射；第二模式为
Figure FDA0002972229680000012
等效为分布在天线上的三对反相馈电的磁偶极子所产生的辐射。
2.根据权利要求1所述的一种顶空零点的多频共形天线，其特征在于：介质谐振器(1)采用陶瓷材料制成，相对介电常数12.3，其内径为47mm，厚度为11mm，弧度为60度，宽度为30mm。
3.根据权利要求1所述的一种顶空零点的多频共形天线，其特征在于：介质基板(3)为层压板，采用聚四氟乙烯材料制成，介质基板(3)的相对介电常数是2.1，厚度为0.6mm，介质基板(3)的弧度为90度，内径46.4mm，宽度60mm。
4.根据权利要求1所述的一种顶空零点的多频共形天线，其特征在于：馈线(5)为铜微带线，馈线(5)宽度为3.1mm，馈线(5)在Y方向上距离馈缝(4)中心距离为16.4mm，馈缝(4)宽度2mm，长度28mm。
5.根据权利要求1所述的一种顶空零点的多频共形天线，其特征在于：地板(2)材料为铜箔。
6.根据权利要求1所述的一种顶空零点的多频共形天线，其特征在于：顶空指天线中心正上方空间区域，零点指天线方向图零点，顶空零点是指在天线中心正上方空间区域的方向图存在零点。
7.根据权利要求1所述的一种顶空零点的多频共形天线，其特征在于：所述的多频共形天线采用侧向馈电。
8.根据权利要求1至7任意一项所述顶空零点的多频共形天线的工作方法，其特征在于：天线工作于两种辐射模式，分别为第一模式和第二模式，其中第一模式为
Figure FDA0002972229680000021
等效为分布在天线中间的两个反相馈电的磁偶极子所产生的辐射；第二模式为
Figure FDA0002972229680000022
等效为分布在天线上的三对反相馈电的磁偶极子所产生的辐射。
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