CN110854511A - 超宽带共形的多介质体介质谐振器天线及工作方法 - Google Patents

超宽带共形的多介质体介质谐振器天线及工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种超宽带共形的多介质体介质谐振器天线及工作方法，包括：介质谐振器、地板、介质基板、馈电端口、馈缝，馈线；地板和介质基板都为弧形，介质谐振器包括第一介质谐振器和第二介质谐振器，第一介质谐振器和第二介质谐振器都为弧形且与地板的弧形共形，第一介质谐振器和第二介质谐振器的弧形半径相同且二者的弧度不同，第一介质谐振器与第二介质谐振器介电常数不同，天线从馈电端口由馈线馈电，然后电磁波能量通过地板上的馈缝耦合传导至上表面的第一介质谐振器和第二介质谐振器；馈缝的中心与地板中心重合、且与整个介质谐振器的中心重合，本发明通过采用凸型地板与凸型多介质体介质谐振器，实现了超宽带和稳定增益性能。

Description

超宽带共形的多介质体介质谐振器天线及工作方法
技术领域
本发明涉及共形多介质体介质谐振器天线技术领域，特别涉及一种超宽带共形多介质体介质谐振器天线及其工作方法。
背景技术
随着无线通信技术的快速发展，无线通信设备对便携性的要求越来越高，各种可穿戴电子设备应运而生，这同时也使天线设计朝着可共形的方向发展。
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。目前为止，行业内的共形天线大多基于金属铁片微带天线理论，该种天线采用柔性基板如：1、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二酯、聚乳酸、相纸等有机柔性介质；2、毛毡、纺布等织物编织而成。其金属贴片采用柔性铜箔等。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。
超宽带共形天线应用非常广泛，相比于传统的窄带天线，超宽带天线具有极宽的带宽且在整个超宽带频带中都有稳定的性能。同时超宽带天线在大容量通信、数据传输、电子侦察等方面具有明显的优势。该种功能尚未见于共形介质谐振器天线中。
发明内容
本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种超宽带共形的多介质体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：
一种超宽带共形的多介质体介质谐振器天线，从上到下依次包括：介质谐振器、地板3、介质基板4、馈电端口5，地板中心设有馈缝6，介质基板4下表面设有馈线7；所述地板3和介质基板4都为弧形，所述介质谐振器包括第一介质谐振器1和第二介质谐振器2，第一介质谐振器1和第二介质谐振器2都为弧形且与地板3的弧形共形，所述弧形的中心位于其下方，第一介质谐振器1和第二介质谐振器2的弧形半径相同且二者的弧度不同，第一介质谐振器1与第二介质谐振器2介电常数不同，第一介质谐振器1和第二介质谐振器2固定于地板3中间，地板3材料为金属；介质基板4上表面贴合地板3；所述天线从馈电端口5由馈线7馈电，然后电磁波能量通过地板3上的馈缝6耦合传导至上表面的第一介质谐振器1和第二介质谐振器2；馈缝6的中心与地板3中心重合、且与整个介质谐振器的中心重合。
作为优选方式，地板3材料为铜箔。
作为优选方式，第一介质谐振器1采用微波用复合陶瓷介质覆铜箔板制成，相对介电常数为10，第一介质谐振器1的宽度为30mm，厚度为10mm，底部弧边弧长34.9mm，弧形半径为50mm，顶部弧边弧长41.9mm，弧形半径为60mm，弧度为40度；
第二介质谐振器2采用微波用复合陶瓷介质覆铜箔板制成，相对介电常数为4，第二介质谐振器2的宽度为30mm，厚度为10mm，底部弧边弧长为17.5mm，弧形半径为50mm，顶部弧边弧长为20.9mm，弧形半径为60mm，弧度为20度；
地板3的宽度为60mm，弧边弧长为104.7mm，弧度为120度；
介质基板4采用微波用聚四氟乙烯覆铜箔层压板材料制成，相对介电常数为2.2；介质基板4的宽度为60mm，高度为0.5mm，弧边弧长为104.7mm，弧形半径为50mm，弧度为120度。
作为优选方式，馈缝6的长度为15mm，宽度为2mm，天线从馈电端口5利用同轴线馈入馈线7，然后电磁波能量通过地板3上的馈缝6耦合传导至上表面的第一介质谐振器1和第二介质谐振器2；馈线7位于介质基板4的下表面，一端与馈电端口5的底部相连接，离地板3中心的距离为30mm，另一端离地板3中心的距离为8mm,馈线7为铜微带线，长度为38mm，宽度为1.5mm。
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超宽带共形的多介质体介质谐振器天线的工作方法，介质谐振器分为第一介质谐振器1和第二介质谐振器2，两者都为弧形且与地板3的弧形共形，第一介质谐振器1和第二介质谐振器2的弧形半径相同且二者的弧度不同，第一介质谐振器1与第二介质谐振器2介电常数不同，利用弧形多块介质谐振器的结构实现波束控制；利用第一介质谐振器1与第二介质谐振器2介电常数与弧度的不同，使得谐振模式的场不再对称分布，从而方便调节最大波束指向；利用弧形多块介质谐振器的结构，实现超宽带特性，由于介质谐振器内部的不连续性，及整体等效介电常数的下降，整个谐振器的品质因数降低，单模式带宽增加，多块介质谐振器的复合对各谐振模式频率的影响不相同，因而可实现多谐振模式带宽的融合，最终得到超宽带的特性；在馈电结构上，按照传统的缝隙耦合馈电理论得到馈电结构的相关参数，馈电点位置馈缝为磁场强度最大的位置，能量通过馈缝耦合到天线中，在天线辐射时，其辐射能量由于凸型结构汇聚，从而进一步达到实现超宽带性能。
与现有技术相比本发明的优点在于：
1.通过采用凸型地板与凸型多介质体介质谐振器，实现了超宽带和稳定增益性能。共形设备使得天线可穿戴；
2.利用两种介电常数的微波用复合陶瓷介质覆铜箔板作为介质谐振器，基于其极高的设计自由度，使该共形介质谐振器天线具备更稳定的增益以及超宽带性能，
3.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，地板与凸型共形的超宽带多介质体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凸型，增大了天线的频带宽度；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，拥有更宽的频段以及更稳定的增益，相比于金属贴片天线，性能没有明显恶化。易于理解，可移植性强。
附图说明
图1是本发明实施例超宽带共形的多介质体介质谐振器天线的主视图；
图2是本发明实施例超宽带共形的多介质体介质谐振器天线的俯视图；
图3是本发明实施例超宽带共形的多介质体介质谐振器天线的底视图；
图4是本发明实施例超宽带共形的多介质体介质谐振器天线的S参数曲线图；
图5是本发明实施例超宽带共形的多介质体介质谐振器天线在2.66GHz处xoy平面和yoz平面下的二维增益方向图；
图6是本发明实施例超宽带共形的多介质体介质谐振器天线在3.55GHz处xoy平面和yoz平面下的二维增益方向图；
图7是本发明实施例超宽带共形的多介质体介质谐振器天线在4.22GHz处xoy平面和yoz平面下的二维增益方向图；
1为第一介质谐振器，2为第二介质谐振器，3为地板，4为介质基板，5为馈电端口，6为馈缝，7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。
一种超宽带共形的多介质体介质谐振器天线，从上到下依次包括：介质谐振器、地板3、介质基板4、馈电端口5，地板中心设有馈缝6，介质基板4下表面设有馈线7；所述地板3和介质基板4都为弧形，所述介质谐振器包括第一介质谐振器1和第二介质谐振器2，第一介质谐振器1和第二介质谐振器2都为弧形且与地板3的弧形共形，m为弧形的圆心，所述弧形的中心位于其下方，第一介质谐振器1和第二介质谐振器2的弧形半径相同且二者的弧度不同，第一介质谐振器1与第二介质谐振器2介电常数不同，第一介质谐振器1和第二介质谐振器2固定于地板3中间，地板3材料为金属；介质基板4上表面贴合地板3；所述天线从馈电端口5由馈线7馈电，然后电磁波能量通过地板3上的馈缝6耦合传导至上表面的第一介质谐振器1和第二介质谐振器2；馈缝6的中心与地板3中心重合、且与整个介质谐振器的中心重合。
优选的，地板3材料为铜箔。
优选的，第一介质谐振器1采用微波用复合陶瓷介质覆铜箔板制成，相对介电常数为10，第一介质谐振器1的宽度为30mm，厚度为10mm，底部弧边弧长34.9mm，弧形半径为50mm，顶部弧边弧长41.9mm，弧形半径为60mm，弧度为40度；
第二介质谐振器2采用微波用复合陶瓷介质覆铜箔板制成，相对介电常数为4，第二介质谐振器2的宽度为30mm，厚度为10mm，底部弧边弧长为17.5mm，弧形半径为50mm，顶部弧边弧长为20.9mm，弧形半径为60mm，弧度为20度；
地板3的宽度为60mm，弧边弧长为104.7mm，弧度为120度；
介质基板4采用微波用聚四氟乙烯覆铜箔层压板材料制成，相对介电常数为2.2；介质基板4的宽度为60mm，高度为0.5mm，弧边弧长为104.7mm，弧形半径为50mm，弧度为120度。
优选的，馈缝6的长度为15mm，宽度为2mm，天线从馈电端口5利用同轴线馈入馈线7，然后电磁波能量通过地板3上的馈缝6耦合传导至上表面的第一介质谐振器1和第二介质谐振器2；馈线7位于介质基板4的下表面，一端与馈电端口5的底部相连接，离地板3中心的距离为30mm，另一端离地板3中心的距离为8mm,馈线7为铜微带线，长度为38mm，宽度为1.5mm。
优选的，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。
本实施例还提供一种所述的超宽带共形的多介质体介质谐振器天线的工作方法，介质谐振器分为第一介质谐振器1和第二介质谐振器2，两者都为弧形且与地板3的弧形共形，第一介质谐振器1和第二介质谐振器2的弧形半径相同且二者的弧度不同，第一介质谐振器1与第二介质谐振器2介电常数不同，利用弧形多块介质谐振器的结构实现波束控制；利用第一介质谐振器1与第二介质谐振器2介电常数与弧度的不同，使得谐振模式的场不再对称分布，从而方便调节最大波束指向；利用弧形多块介质谐振器的结构，实现超宽带特性，由于介质谐振器内部的不连续性，及整体等效介电常数的下降，整个谐振器的品质因数降低，单模式带宽增加，多块介质谐振器的复合对各谐振模式频率的影响不相同，因而可实现多谐振模式带宽的融合，最终得到超宽带的特性；在馈电结构上，按照传统的缝隙耦合馈电理论得到馈电结构的相关参数，馈电点位置馈缝为磁场强度最大的位置，能量通过馈缝耦合到天线中，在天线辐射时，其辐射能量由于凸型结构汇聚，从而进一步达到实现超宽带性能。
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其他共形介质谐振器天线，拥有更宽的频带以及更稳定的增益，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4是本发明的超宽带共形的多介质体介质谐振器天线S参数曲线图。可以看见，该天线在2.54GHz～4.3GHz处实现了很好的超宽带性能，相对带宽为51.5％，并且回波损耗小于-10dB，使该天线在工作频段内达到了很好的匹配特性。
图5是本发明实施例超宽带共形的多介质体介质谐振器天线在2.66GHz处xoy平面和yoz平面下的二维增益方向图。可以看见，该凸型共形的超宽带多介质体介质谐振器天线在xoy和yoz平面的最大增益为3.94dB。
图6是本发明实施例超宽带共形的多介质体介质谐振器天线在3.55GHz处xoy平面和yoz平面下的二维增益方向图。可以看见，该凸型共形的超宽带多介质体介质谐振器天线在xoy和yoz平面的最大增益为1.66dB。
图7是本发明实施例超宽带共形的多介质体介质谐振器天线在4.22GHz处xoy平面和yoz平面下的二维增益方向图。可以看见，该凸型共形的超宽带多介质体介质谐振器天线在xoy和yoz平面的最大增益为2.54dB。
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 (6)

1.一种超宽带共形的多介质体介质谐振器天线，其特征在于，从上到下依次包括：介质谐振器、地板(3)、介质基板(4)、馈电端口(5)，地板中心设有馈缝(6)，介质基板(4)下表面设有馈线(7)；所述地板(3)和介质基板(4)都为弧形，所述介质谐振器包括第一介质谐振器(1)和第二介质谐振器(2)，第一介质谐振器(1)和第二介质谐振器(2)都为弧形且与地板(3)的弧形共形，所述弧形的中心位于其下方，第一介质谐振器(1)和第二介质谐振器(2)的弧形半径相同且二者的弧度不同，第一介质谐振器(1)与第二介质谐振器(2)介电常数不同，第一介质谐振器(1)和第二介质谐振器(2)固定于地板(3)中间，地板(3)材料为金属；介质基板(4)上表面贴合地板(3)；所述天线从馈电端口(5)由馈线(7)馈电，然后电磁波能量通过地板(3)上的馈缝(6)耦合传导至上表面的第一介质谐振器(1)和第二介质谐振器(2)；馈缝(6)的中心与地板(3)中心重合、且与整个介质谐振器的中心重合。
2.根据权利要求1所述的一种超宽带共形的多介质体介质谐振器天线，其特征在于：地板(3)材料为铜箔。
3.根据权利要求1所述的一种超宽带共形的多介质体介质谐振器天线，其特征在于：第一介质谐振器(1)采用微波用复合陶瓷介质覆铜箔板制成，相对介电常数为10，第一介质谐振器(1)的宽度为30mm，厚度为10mm，底部弧边弧长34.9mm，弧形半径为50mm，顶部弧边弧长41.9mm，弧形半径为60mm，弧度为40度；
第二介质谐振器(2)采用微波用复合陶瓷介质覆铜箔板制成，相对介电常数为4，第二介质谐振器(2)的宽度为30mm，厚度为10mm，底部弧边弧长为17.5mm，弧形半径为50mm，顶部弧边弧长为20.9mm，弧形半径为60mm，弧度为20度；
地板(3)的宽度为60mm，弧边弧长为104.7mm，弧度为120度；
介质基板(4)采用微波用聚四氟乙烯覆铜箔层压板材料制成，相对介电常数为2.2；介质基板(4)的宽度为60mm，高度为0.5mm，弧边弧长为104.7mm，弧形半径为50mm，弧度为120度。
4.根据权利要求1所述的一种超宽带共形的多介质体介质谐振器天线，其特征在于：馈缝(6)的长度为15mm，宽度为2mm，天线从馈电端口(5)利用同轴线馈入馈线(7)，然后电磁波能量通过地板(3)上的馈缝(6)耦合传导至上表面的第一介质谐振器(1)和第二介质谐振器(2)；馈线(7)位于介质基板(4)的下表面，一端与馈电端口(5)的底部相连接，离地板(3)中心的距离为30mm，另一端离地板(3)中心的距离为8mm,馈线(7)为铜微带线，长度为38mm，宽度为1.5mm。
5.根据权利要求1所述的一种超宽带共形的多介质体介质谐振器天线，其特征在于：天线采用侧向馈电。
6.根据权利要求1至5任意一项所述的超宽带共形的多介质体介质谐振器天线的工作方法，其特征在于：介质谐振器分为第一介质谐振器(1)和第二介质谐振器(2)，两者都为弧形且与地板(3)的弧形共形，第一介质谐振器(1)和第二介质谐振器(2)的弧形半径相同且二者的弧度不同，第一介质谐振器(1)与第二介质谐振器(2)介电常数不同，利用弧形多块介质谐振器的结构实现波束控制；利用第一介质谐振器(1)与第二介质谐振器(2)介电常数与弧度的不同，使得谐振模式的场不再对称分布，从而方便调节最大波束指向；利用弧形多块介质谐振器的结构，实现超宽带特性，由于介质谐振器内部的不连续性，及整体等效介电常数的下降，整个谐振器的品质因数降低，单模式带宽增加，多块介质谐振器的复合对各谐振模式频率的影响不相同，因而可实现多谐振模式带宽的融合，最终得到超宽带的特性；在馈电结构上，按照传统的缝隙耦合馈电理论得到馈电结构的相关参数，馈电点位置馈缝为磁场强度最大的位置，能量通过馈缝耦合到天线中，在天线辐射时，其辐射能量由于凸型结构汇聚，从而进一步达到实现超宽带性能。
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