CN111106443B - 一种单个单元波束赋形介质谐振天线 - Google Patents

一种单个单元波束赋形介质谐振天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种单个单元波束赋形介质谐振天线，包括：第一介质谐振器；第二介质谐振器，设置于所述第一介质谐振器下方；金属地层，设置于所述第二介质谐振器下方且具有馈电缝隙；基板，设置于所述金属地层下方；馈电结构，设置于所述基板下方且具有微带线，所述微带线的至少一部分位于所述馈电缝隙的正下方。本发明通过设置第一介质谐振器和第二介质谐振器作为天线的辐射单元，为金属地层设置馈电缝隙，对天线的辐射单元进行耦合馈电，避免使用复杂馈电网络，在馈电结构设置微带线并使微带线的至少一部分位于所述馈电缝隙的正下方，提供馈电位置和激励电流分布，实现波束赋形，结构简单且减少了天线尺寸，可广泛应用于天线技术领域。

Description

一种单个单元波束赋形介质谐振天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，尤其是一种单个单元波束赋形介质谐振天线。
背景技术
随着无线通信技术的飞速发展，天线作为其核心器件也得到了飞速的发展。目前天线已广泛应用于各种无线通信设备中，在雷达、个人通信、导航，卫星通讯等系统中均发挥着重要的作用。
目前最常见的实现波束赋形天线的方法是将阵列天线和波束赋形馈电网络结合，利用相控阵天线随着各输入端口间信号相位差的改变可产生不同指向的波束的特性，由波束赋形网络给相控阵天线提供合适的输入信号。当波束赋形馈电网络的不同端口被激励时，其输出端口的相位差不同，造成相控阵天线输入信号的相位差改变，以此产生不同指向的波束，实现波束赋形。然而这种方法需要额外的复杂馈电网络给天线阵列馈电，一方面成本高且大大增加了天线的设计难度；另一方面，造成天线总体尺寸过大，无法满足现代无线通信系统小型化的发展趋势。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于：提供一种简单且满足小型化趋势的一种单个单元波束赋形介质谐振天线。
本发明所采取的技术方案是：一种单个单元波束赋形介质谐振天线，包括：
第一介质谐振器；
第二介质谐振器，设置于所述第一介质谐振器下方；
金属地层，设置于所述第二介质谐振器下方且具有馈电缝隙；
基板，设置于所述金属地层下方；
馈电结构，设置于所述基板下方且具有微带线，所述微带线的至少一部分位于所述馈电缝隙的正下方。
进一步，所述第一介质谐振器的介电材料的介电常数大于所述第二介质谐振器的介电材料的介电常数。
进一步，所述馈电缝隙包括第一馈电缝隙和至少一第二馈电缝隙，所述第一馈电缝隙和所述第二馈电缝隙分隔设置。
进一步，所述第一馈电缝隙的长度不小于所述第二馈电缝隙的长度，或者所述第一馈电缝隙的宽度不小于所述第二馈电缝隙的宽度。
进一步，所述馈电缝隙包括两条第二馈电缝隙，两条所述第二馈电缝隙关于所述第一馈电缝隙对称设置。
进一步，所述微带线包括第一微带线和至少一第二微带线，所述第一微带线与所述第二微带线相连，所述第一微带线的至少一部分位于所述第一馈电缝隙的正下方，每一所述第二微带线的至少一部分分别位于一条所述第二馈电缝隙的正下方。
进一步，所述馈电结构具有去耦合网络，所述去耦合网络与微带线连接。
进一步，所述去耦合网络为环形结构，且设置有裂口。
进一步，所述去耦合网络包括第一去耦合网络和至少一第二去耦合网络，所述微带线包括第一微带线和两条第二微带线，两条所述第二微带线通过所述第一去耦合网络直接相连接，所述第二微带线通过第二去耦合网络与所述第一微带线连接。
进一步，所述去耦合网络包括第一去耦合网络和两个第二去耦合网络，两个所述第二去耦合网络关于所述第一去耦合网络对称设置。
本发明的有益效果是：通过设置第一介质谐振器和第二介质谐振器作为天线的辐射单元，为金属地层设置馈电缝隙，对天线的辐射单元进行耦合馈电，避免了复杂馈电网络的使用，在馈电结构设置微带线并使微带线的至少一部分位于所述馈电缝隙的正下方，能够为第一介质谐振器和第二介质谐振器提供馈电位置和激励电流分布，实现波束赋形，即相当于在单个辐射单元内实现波束赋形，结构简单且减少了天线尺寸，降低了天线的设计难度，满足小型化趋势。
附图说明
图1为本发明的一种单个单元波束赋形介质谐振天线的立体示意图；
图2为本发明具体实施例第一介质谐振器和第二介质谐振器的示意图；
图3为本发明具体实施例馈电缝隙的示意图；
图4为本发明具体实施例馈电结构的示意图；
图5为本发明具体实施例是否有去耦合网络的各端口间隔离的响应结果对比图；
图6为本发明具体实施例仿真和测量的反射系数对比图；
图7为本发明具体实施例仿真和测量的端口间隔离对比图；
图8为本发明具体实施例仿真和测量的不同端口输入时辐射方向图的对比图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步解释和说明。
参照图1，本发明实施例提供了一种单个单元波束赋形介质谐振天线，包括：由上至下依次排布的五层结构，依次为：第一介质谐振器1、第二介质谐振器2、金属地层3、基板4和馈电结构5。
参照图1和图2，在本实施例中，所述第一介质谐振器1(第一DR)设置为矩形的形状，采用介电常数较高的介电材料制成，在本实施例中为15其他实施例中可以为其他值。所述第一介质谐振器1作为天线的辐射单元，具有第一长度、第一宽度且均为L，具有第一高度为h1，在本实施例中，以第一介质谐振器1为正方形为例，在其他实施例中可以为其他形状。
参照图1和图2，在本实施例中，所述第二介质谐振器2(第二DR)，设置于第一介质谐振器1下方，可选地为所述第一介质谐振器1的正下方，相对于所述第一介质谐振器1采用介电常数较低的介电材料制成，在本实施例中为2.2其他实施例中可以为其他值，具有第二高度h2、第二长度和第二宽度，且第二长度和第二宽度与所述第一介质谐振器1的第一长度、第一宽度相同，也均为L，保证在高度方向上与所述第一介质谐振器1完全重合，在其他实施例中可以为其他尺寸。所述第二介质谐振器2与所述第一介质谐振器1一起作为天线的辐射单元，利用两层介质谐振器实现天线阻抗带宽的增加和天线增益的增强。
参照图1和图3，在本实施例中，所述金属地层3，设置于所述第二介质谐振器2下方，长度和宽度的尺寸大于所述第二介质谐振器2，长度为G，所述金属地层3为铺满良导体的金属层。所述金属地层3上设置有馈电缝隙A，在本实施例中馈电缝隙A包括位于金属地层3中间的第一馈电缝隙A1以及分别位于所述第一馈电缝隙A1左侧和右侧的第二馈电缝隙A2，在其他实施例中可以设置一条第二馈电缝隙A2或两条以上的第二馈电缝隙A2，所述第二馈电缝隙A2与所述第一馈电缝隙A1具有间隔距离L0。具体地，所述第一馈电缝隙A1以及两条第二馈电缝隙A2分别对应三个输入端口，所述第一馈电缝隙A1对应第二端口D2，两条第二馈电缝隙A2分别对应第一端口D1和第二端口D3，所述第一馈电缝隙A1位于相对天线的辐射单元下方的正中央位置。可选地，两条所述第二馈电缝隙A2相互分割设置，且均与所述第一馈电缝隙A1分割设置，两条所述第二馈电缝隙A2关于所述第一馈电缝隙A1对称设置，即以第一馈电缝隙A1为中心对称设置。可选地，所述第一馈电缝隙A1具有第三长度LS1和第三宽度WS1，所述第二馈电缝隙A2具有第四长度LS2和第四宽度WS2，在本实施例中两条所述第二馈电缝隙A2的长度和宽度相同，在其他实施例中可以不相同。同时，在本实施例中，第三长度LS1大于第四长度LS2，第三宽度WS1大于第四宽度WS2，在其他实施例中第三长度可以为等于第四长度，第三宽度可以为等于第四宽度。所述第一馈电缝隙A1和两条所述第二馈电缝隙A2用于为天线的辐射单元提供三个不同的馈电位置和激励电流的分布，从而实现三个方向的波束赋形。
参照图1，在本实施例中，所述基板4设置于所述金属地层3下方，可选地长度和宽度与所述金属地层3相同。所述基板4采用厚度为0.813mm的Rogers 4003C材料制成，其相对的介电常数为3.55，长度同样为G。
参照图1、图3和图4，在本实施例中，馈电结构5设置于所述基板4下方且与所述基板4贴合，所述馈电结构5具有微带线B，可选地微带线B包括第一微带线B1和两条第二微带线B2，在其他实施例中可以只包括一条或两条以上的第二微带线B2。可选地，所述第一微带线B1和两条第二微带线B2均为50Ω的微带线，第一微带线B1和两条第二微带线B2的宽度相同，均具有第五宽度W0，在其他实施例中第一微带线B1和两条第二微带线B2的宽度可以为不相同。所述第一微带线B1与所述第一馈电缝隙A1对应，即所述第一微带线B1的至少一部分位于所述第一馈电缝隙A1的正下方，在高度方向上的投影与所述第一馈电缝隙A1存在重合的部分，用于对所述第一馈电缝隙A1进行馈电；可选地，所述第一馈电缝隙A1的正下方均具有所述第一微带线B1的部分，即所述第一微带线B1在高度方向上的投影与所述第一馈电缝隙A1完全重合。其中，所述第一微带线B1由三条相连的矩形微带构成，包括两条矩形的第一竖向微带，长度分别为Lc1、Lc3，以及连接两条所述第一竖向微带的矩形的第一横向微带，长度为Lc2。其中，长度为Lc1的所述第一竖向微带的一端为所述第二端口D2，所述第一微带线B1与两条所述第二微带线B2连接。
参照图3和图4，每一所述第二微带线B2分别与一个所述第二馈电缝隙A2对应，即每一所述第二微带线B2的至少一部分分别位于一条所述第二馈电缝隙A2的正下方，在高度方向上的投影与所述第二馈电缝隙A2存在重合的部分，用于分别对所述第二馈电缝隙A2进行馈电，且两条所述第二微带线B2以所述第一馈电缝隙A1对称；可选地，每一所述第二馈电缝隙A2的正下方均分别具有所述第二微带线B2的部分，即每一所述第二微带线B2在高度方向上的投影分别与一条所述第二馈电缝隙A2完全重合，此时两条所述第二微带线B2与所述第一微带线B1平行。其中，每一所述第二微带线B2包括矩形的第二竖向微带和连接所述第二竖向微带的矩形的第二横向微带，第二横向微带对应的长度为Lc4，所述第二竖向微带对应的长度为Lc5。其中，两条所述第二横向微带远离所述第一微带线B1的一端分别为所述第一端口D1和所述第三端口D3，两条所述第二微带线B2之间相连接。
参照图1和图4，在本实施例中，所述馈电结构5还包括去耦合网络C，所述去耦合网络C包括第一去耦合网络C1和两个第二去耦合网络C2，在其他实施例中，可以只包括一个第二去耦合网络C2或包括两个以上的第二去耦合网络C2。其中，所述第一去耦合网络C1和所述第二去耦合网络C2均为环形结构，第一去耦合网络C1包括第一矩形环C11和自第一矩形环C11延伸的两个第一延长部C12，第一矩形环C11长度较长的第一边具有第五长度WN1，长度较短的第二边具有第六长度LN1，第一延长部C12具有第一延长长度L1，靠近所述第一微带线B1的所述第一边的中间的位置朝向所述第一微带线B1开设有裂口，具体地为第一裂口，所述第一裂口的长度为Lt1，所述第一延长部C12与两条所述第二微带线B2连接，以使两条所述第二微带线B2通过所述第一去耦合网络C1直接相连接。每一所述第二去耦合网络C2包括第二矩形环C21和自第二矩形环C21延伸的两个第二延长部C22，两个所述第二延长部C22分别与所述第一微带线B1以及所述第二微带线B2相连，以使每一所述第二微带线B2通过第二去耦合网络C2与所述第一微带线B1连接。第二矩形环C21长度为较长的第三边具有第七长度WN2，长度较短的第四边具有第八长度LN2，与所述第一微带线B1相连的所述第二延长部C22具有第二延长长度L2和第三延长长度L3，靠近所述第二微带线B2的所述第三边的中间的位置朝向所述第二微带线B2开设有裂口，具体地为第二裂口，所述第二裂口的长度为Lt2。其中，所述第一延长部C12、所述第二延长部C22、所述第一矩形环C11的每一条边、所述第二矩形环C21的每一条边均具有第六宽度WM。调整呈感性的矩形环和呈容性的裂口的位置和尺寸，可以分别控制相应两个端口间的磁耦合和电耦合。通过优化，合适的磁耦合和电耦合结合，即可提高相应两个端口间的隔离。另外，两个所述第二去耦合网络C2以所述第一馈电缝隙A1为中心对称设置。
在本实施例中，通过在馈电结构5各端口对应的微带线两两之间引入第一去耦合网络C1或第二去耦合网络C2，改善端口间的隔离，进而改善天线方向图。
基于上述结构的设置，通过调整矩形环的(感性)微带线部分和(容性)裂口部分，例如长度、宽度、位置等，可灵活地控制馈电结构的磁耦合和电耦合，实现各端口间隔离度的提高，进而改善天线方向图。
在本实施例中，在根据实际需要获得所需要的频率时，可以通过改变天线辐射单元的形状和尺寸；通过改变馈电缝隙A的位置和数目，即可实现所需要的波束扫描角度和波束状态数目；通过改变去耦合网络C的参数，即可实现天线输入端口间隔离度的提高，进而改善本发明的辐射方向图。
在本实施例中需要的中心频率为5.25GHz，根据中心频率、基板介电常数，通过仿真得到相应的参数，具体地为：L＝43.8mm，h1＝2.6mm,h2＝3mm，LS1＝29mm,LS2＝24.7mm,WS1＝2.5mm,WS2＝2mm,L0＝14.5mm，G＝70mm，W0＝1.88mm,Lc1＝33.44mm,Lc2＝8.18mm,Lc3＝10.49mm,Lc4＝26.08mm,Lc5＝4.5mm,WM＝0.75mm,L1＝1.5mm,L2＝3.76mm,L3＝4.1mm,WN1＝15.84mm,WN2＝24mm,LN1＝5mm,LN2＝5.18mm,Lt1＝1.5mm,Lt2＝1.5mm。
参照图5，可以看出本实施例中通过设置去耦合网络C之后具有改善隔离的作用，在中心频率5.25GHz附近，各端口间的隔离都至少得到了5dB的改善，其中S13指的是所述第一端口D1与所述第三端口D3之间的隔离，S12指的是所述第一端口D1与所述第二端口D2之间的隔离，S23指的是所述第二端口D2与所述第三端口D3之间的隔离。
参照图6，所述单个单元波束赋形介质谐振天线仿真和测量的阻抗带宽分别为4.98％(5.09GHz-5.35GHz)和5％(5.07GHz-5.33GHz)，仿真和测量的结果基本一致(由于第一端口D1和第三端口D3在结构上对称，S33和S11保持一致，故在此图上省略S33)。其中S11、S22、S33分别为第一端口D1、第二端口D2和第三端口D3的反射系数。
参照图7，所述单个单元波束赋形介质谐振天线仿真的在中心频率处各端口间的隔离可达到15.7dB，且在整个工作频段内隔离均在12dB以上，在整个带宽范围内测量的隔离也均在13dB以上，仿真和测量的结果基本一致(由于第一端口D1和第三端口D3在结构上对称，S23和S12保持一致，故在此图上省略S23)，其中S13指的是所述第一端口D1与所述第三端口D3之间的隔离，S12指的是所述第一端口D1与所述第二端口D2之间的隔离，S23指的是所述第二端口D2与所述第三端口D3之间的隔离。
参照图8，当所述单个单元波束赋形介质谐振天线的各个输入端口分别被激励时，所述单个单元波束赋形介质谐振天线的主波束方向分别为-40°、0°和40°，增益为7.42dBi–7.49dBi，测量的天线增益为6.42dBi–6.68dBi，增益不平坦度仅为0.25dB，仿真和测量的结果基本一致，能达到很好的波束扫描效果。其中，端口1即第一端口D1，端口2即第二端口D2，端口3即第三端口D3。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1)、通过设置位置不同的馈电缝隙，对天线进行耦合馈电，避免了复杂馈电网络的使用，天线设计复杂度大大减小且天线尺寸也大大减小；
2)、在馈电结构设置微带线并使微带线的至少一部分位于所述馈电缝隙的正下方，能够为第一介质谐振器和第二介质谐振器提供馈电位置和激励电流分布，实现波束赋形，即在单个辐射单元内实现波束赋形，进一步减小天线整体尺寸；
3)、通过设置的去耦合网络，有效改善天线的端口间隔离和辐射方向图。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“本实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (7)

1.一种单个单元波束赋形介质谐振天线，其特征在于，包括：
第一介质谐振器；
第二介质谐振器，设置于所述第一介质谐振器下方；
金属地层，设置于所述第二介质谐振器下方且具有馈电缝隙；
基板，设置于所述金属地层下方；
馈电结构，设置于所述基板下方且具有微带线，所述微带线的至少一部分位于所述馈电缝隙的正下方，所述馈电结构包括去耦合网络，所述馈电缝隙包括第一馈电缝隙和两条第二馈电缝隙，所述第一馈电缝隙和所述第二馈电缝隙分隔设置；所述微带线包括第一微带线和两条第二微带线，所述第一微带线通过去耦合网络连接两条所述第二微带线，两条所述第二微带线之间通过去耦合网络相连，所述第一微带线的至少一部分位于所述第一馈电缝隙的正下方，每一所述第二微带线的至少一部分分别位于一条所述第二馈电缝隙的正下方；所述第一馈电缝隙和两条所述第二馈电缝隙用于为所述第一介质谐振器提供若干个馈电位置和激励电流的分布。
2.根据权利要求1所述的一种单个单元波束赋形介质谐振天线，其特征在于：所述第一介质谐振器的介电材料的介电常数大于所述第二介质谐振器的介电材料的介电常数。
3.根据权利要求1所述的一种单个单元波束赋形介质谐振天线，其特征在于：所述第一馈电缝隙的长度不小于所述第二馈电缝隙的长度，或者所述第一馈电缝隙的宽度不小于所述第二馈电缝隙的宽度。
4.根据权利要求1所述的一种单个单元波束赋形介质谐振天线，其特征在于：两条所述第二馈电缝隙关于所述第一馈电缝隙对称设置。
5.根据权利要求1所述的一种单个单元波束赋形介质谐振天线，其特征在于：所述去耦合网络为环形结构，且设置有裂口。
6.根据权利要求1所述的一种单个单元波束赋形介质谐振天线，其特征在于：所述去耦合网络包括第一去耦合网络和至少一第二去耦合网络，两条所述第二微带线通过所述第一去耦合网络直接相连接，所述第二微带线通过所述第二去耦合网络与所述第一微带线连接。
7.根据权利要求6所述的一种单个单元波束赋形介质谐振天线，其特征在于：所述去耦合网络包括第一去耦合网络和两个第二去耦合网络，两个所述第二去耦合网络关于所述第一去耦合网络对称设置。
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