CN110854521B - 一种基于金属环加载的环形介质谐振器宽带准八木天线 - Google Patents

一种基于金属环加载的环形介质谐振器宽带准八木天线 Download PDF

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Abstract

本发明具体涉及一种基于金属环加载的环形介质谐振器宽带准八木天线，属于天线技术领域。包括基板，基板包括微波介质基片构成的上层和下层；还包括环形介质谐振器、反射器、差分微带对、共面带线；环形介质谐振器粘贴在基板的上层表面；环形介质谐振器内环侧壁涂有金属银，金属银构成金属环，将降低环形介质谐振器的高次模频率；反射器印制在基板的下层；差分微带对、共面带线均印制在基板的上层；差分微带对与共面带线连接；共面带线与环形介质谐振器的下表面接触，同时激励起环形介质谐振器的基模和高次模，环形介质谐振器的基模和高次模组构成一个天线的宽带响应。本发明不仅有效的拓展了天线带宽，而且在天线带内具备稳定的辐射性能。

Description

一种基于金属环加载的环形介质谐振器宽带准八木天线
技术领域
本发明具体涉及一种基于金属环加载的环形介质谐振器宽带准八木天线，属于天线技术领域。
背景技术
随着无线系统的发展，端射天线由于其特定的应用而受到了广泛的关注，例如点对点通信系统和雷达成像系统。迄今为止，全世界已研究和开发了各种类型的端射天线，包括对数周期天线，喇叭天线，表面波天线和准八木天线。对数周期天线具有用于端射辐射的超宽带宽，但由于部分辐射特性，其端射增益受到限制。传统的金属喇叭天线增益高，带宽大，但体积大，重量大。为了减轻喇叭天线的重量，研究者们提出了基片集成波导喇叭天线。但是，由于基片集成喇叭天线开口端太薄，因此其工作频带较窄。维瓦尔第天线也具有宽带特性，但是随着工作频率的增加，交叉极化和旁瓣将迅速恶化。准八木天线是一种典型的端射天线，具有结构简单，重量轻，方向性好，易组阵等优点，具有很强的吸引力。随着现代无线通信系统的发展，低频频谱资源日渐紧缺，高频频谱拥有丰富的频谱资源，天线作为无线通信系统的发射和接受端，工作频率水涨船高。传统的利用金属带条作为辐射单元的天线受限于趋肤效应，在高频率工作时会有更多的损耗。因为介质谐振器中没有表面电流，因此利用介质谐振器作为辐射单元的天线在高频的损耗会比较少。现有的基于介质谐振器的八木天线，介质谐振器构成的辐射单元只有一个主模式被激励，因此其工作带宽较窄，无法满足现代无线通信系统中的宽频和多频工作要求。因此具有宽带响应的基于介质谐振器的准八木天线在现代无线通信系统中是迫切需要的。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的不足，提出了本发明为实现上述发明目的，采取的技术方案如下：
一种基于金属环加载的环形介质谐振器宽带准八木天线，包括基板，所述基板包括微波介质基片构成的上层和下层；还包括环形介质谐振器、反射器、差分微带对、共面带线；所述环形介质谐振器粘贴在基板的上层表面；所述环形介质谐振器内环侧壁涂有金属银，所述金属银构成金属环，将降低环形介质谐振器的高次模频率；所述反射器印制在所述基板的下层；所述差分微带对、共面带线均印制在基板的上层；所述差分微带对与共面带线连接；所述共面带线与环形介质谐振器的下表面接触，同时激励起环形介质谐振器的基模和高次模；所述环形介质谐振器的基模和高次模组构成一个天线的宽带响应。
进一步的作为本发明的优选技术方案，所述环形介质谐振器的外径为中心频率对应的三分之一空气波长。
进一步的作为本发明的优选技术方案，所述环形介质谐振器的外径与内径的比例d1/d2为4.5。
进一步的作为本发明的优选技术方案，所述反射器为带有圆弧型凹陷的地。
进一步的作为本发明的优选技术方案，所述环形介质谐振器靠近反射器一侧的边缘与反射器圆弧型凹陷之间的距离均为天线中心频率对应的四分之一空气波长。
进一步的作为本发明的优选技术方案，所述反射器为金属地；所述金属地，在作为天线的反射器的同时也作为差分微带对的地。
进一步的作为本发明的优选技术方案，所述共面带线与环形介质谐振器接触部分的宽度大于共面带线的其他部分宽度。
进一步的作为本发明的优选技术方案，所述天线的中心频率为9.26GHz，相对带宽FBW为15.7％，即反射系数小于-10dB部分。
本发明所述的基于金属环加载的环形介质谐振器宽带准八木天线，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
本发明只改变了介质谐振器的结构，在不增加天线复杂度的情况下，将环形介质谐振器的基模和高次模合并到一起，有效的拓展了天线带宽，同时带内的增益稳定。
附图说明
图1为本发明的结构示意图一；
图2为本发明的结构示意图二；
图3本发明在8.85GHz频率上的基模电场图；
图4本发明在9.75GHz频率上的高次模电场图；
图5为本发明的反射系数随d1的变化的趋势对比图；
图6为本发明的反射系数随d2的变化的趋势对比图；
图7为本发明的反射系数和实际增益的仿真图；
图8为本发明在8.85GHz频率上的E面的仿真图；
图9为本发明在8.85GHz频率上的H面的仿真图；
图10为本发明在9.75GHz频率上的E面的仿真图；
图11为本发明在9.75GHz频率上的H面的仿真图；
附图中，1-基板上层；2-基板下层；11-环形介质谐振器；12-反射器；13-差分微带对；14-共面带线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
如图1至图2所示，一种基于金属环加载的环形介质谐振器宽带准八木天线，包括基板，基板包括微波介质基片构成的上层1和下层2；还包括环形介质谐振器11、反射器12、差分微带对13、共面带线14；环形介质谐振器11粘贴在基板的上层1表面；环形介质谐振器11内环侧壁涂有金属银，金属银构成金属环，将降低环形介质谐振器11的高次模频率；反射器12印制在基板的下层2；差分微带对13、共面带线14均印制在基板的上层1；差分微带对13与共面带线14连接；共面带线14与环形介质谐振器11的下表面接触，同时激励起环形介质谐振器11的基模和高次模；环形介质谐振器11的基模和高次模组构成一个天线的宽带响应。
反射器12为带有圆弧形凹陷的金属地；金属地作为天线的反射器12的同时也作为差分微带对13的地。环形介质谐振器11的靠近反射器12一侧的边缘与反射器12圆弧型凹陷之间的距离均为天线中心频率对应的四分之一空气波长。差分微带对13与共面带线14连接，差分微带对13上的差分信号，转换为共面带线14上的差分信号，然后共面带线14对基于金属环加载的环形介质谐振器11进行差分馈电。
本发明在环形介质谐振器11的内壁上涂敷金属银，金属银构成金属环，将降低环形介质谐振器11的高次模的谐振频率，把基模和高次模的频率靠近，获得一个天线的宽带响应。共面带线14的线宽与间距对基于金属环加载的环形介质谐振器宽带准八木天线的阻抗匹配有一定影响，在环形介质谐振器11的频率确认后，通过调节共面带线14的宽度和两根带线的间距来实现阻抗匹配。反射器12为金属地；金属地上圆弧形凹陷程度对天线的辐射增益有一定影响，在环形介质谐振器11的频率和共面带线14阻抗匹配调好后，可以调节金属地上圆弧形凹陷程度以获得通带内平稳的增益。
具体实施时，各个尺寸具体如下，环形介质谐振器11的相对介电常数为38，环形介质谐振器11的外径为d1为9mm，环形介质谐振器11涂有金属银的内径d2为2mm，基板长度l为41mm，基板宽度w为32mm，反射器12的长度l1为19mm，反射器12的圆弧形凹陷最大处的长度l2为9mm，反射器12的圆弧形凹陷边缘到反射器12边缘的距离w4为2mm，环形介质谐振器11靠近反射器12一侧的边缘与反射器12圆弧形凹陷最大处的距离l3为10mm，通过优化圆弧的曲率可以获得最优端射辐射效果，差分微带对13中的微带线宽度w1为1.2mm，共面带线14的线宽w2为0.9mm，共面带线14与环形介质谐振器11连接处的金属贴片长度l4为2mm，共面带线14与环形介质谐振器11连接处的金属贴片宽度w3为1.6mm。微波介质基片的厚度h1为0.508mm，环形介质谐振器11的厚度h为1mm。
如图3所示，本发明在8.85GHz频率上的基模电场图。如图4所示，本发明在9.75GHz频率上的高次模电场图。如图5和图6所示，本发明的基于金属环加载的环形介质谐振器宽带准八木天线中，环形介质谐振器11的外径d1影响两个谐振点的频率，环形介质谐振器11的内径d2主要影响高次模的谐振点频率，对基模频率几乎没有影响。
使用软件HFSS对本发明实施例的基于金属环加载的环形介质谐振器宽带准八木天线进行模拟，模拟的结果如图7至图11所示，可以看到本发明的基于金属环加载的环形介质谐振器宽带准八木天线的中心频率为9.26GHz，相对带宽FBW为15.7％，即反射系数小于-10dB部分，其交叉极化水平在E面和H面上的最大值分别为-20dB和-35dB，因此本发明实施例的基于金属环加载的环形介质谐振器宽带准八木天线在不增加准八木天线的本身尺寸的情况下使得其不仅具备良好的辐射性能，还同时具备宽带性能，故在一定程度上实现较为紧凑的结构，并且有较好的交叉极化水平和较好的宽的工作带宽。
以上所述的具体实施方案，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方案而已，并非用以限定本发明的范围，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所做出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (8)

1.一种基于金属环加载的环形介质谐振器宽带准八木天线，包括基板，所述基板包括微波介质基片构成的上层(1)和下层(2)；其特征在于，还包括环形介质谐振器(11)、反射器(12)、差分微带对(13)、共面带线(14)；所述环形介质谐振器(11)粘贴在基板的上层(1)表面；所述环形介质谐振器(11)内环侧壁涂有金属银，所述金属银构成金属环，将降低环形介质谐振器(11)的高次模频率；所述反射器(12)印制在所述基板的下层(2)；所述差分微带对(13)、共面带线(14)均印制在基板的上层；所述差分微带对(13)与共面带线(14)连接；所述共面带线(14)与环形介质谐振器(11)的下表面接触，同时激励起环形介质谐振器(11)的基模和高次模；所述环形介质谐振器(11)的基模和高次模组构成一个天线的宽带响应。
2.根据权利要求1所述的基于金属环加载的环形介质谐振器宽带准八木天线，其特征在于，所述环形介质谐振器(11)的外径为中心频率对应的三分之一空气波长。
3. 根据权利要求1所述的基于金属环加载的环形介质谐振器宽带准八木天线，其特征在于，所述环形介质谐振器(11)的外径与内径的比例 d 1/d 2 为4.5。
4.根据权利要求1所述的基于金属环加载的环形介质谐振器宽带准八木天线，其特征在于，所述反射器(12)为带有圆弧型凹陷的地。
5.根据权利要求1所述的基于金属环加载的环形介质谐振器宽带准八木天线，其特征在于，所述环形介质谐振器(11)靠近反射器(12)一侧的边缘与反射器(12)圆弧型凹陷之间的距离均为天线中心频率对应的四分之一空气波长。
6.根据权利要求1所述的基于金属环加载的环形介质谐振器宽带准八木天线，其特征在于，所述反射器(12)为金属地；所述金属地，在作为天线的反射器(12)的同时也作为差分微带对(13)的地。
7.根据权利要求1所述的基于金属环加载的环形介质谐振器宽带准八木天线，其特征在于，所述共面带线(14)与环形介质谐振器(11)接触部分的宽度大于共面带线(14)的其他部分宽度。
8.根据权利要求1至7任意一项所述的基于金属环加载的环形介质谐振器宽带准八木天线，其特征在于，所述天线的中心频率为9.26GHz，相对带宽FBW为15.7％，即反射系数小于-10dB部分。
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