CN111446539A

CN111446539A - 一种介质谐振天线

Info

Publication number: CN111446539A
Application number: CN202010268288.6A
Authority: CN
Inventors: 葛盈飞; 王建朋
Original assignee: Shenzhen Shenda Weitong Technology Co ltd; Zhongtian Broadband Technology Co Ltd
Current assignee: Zhongtian Communication Technology Co ltd; Zhongtian Broadband Technology Co Ltd
Priority date: 2020-04-07
Filing date: 2020-04-07
Publication date: 2020-07-24

Abstract

本发明公开了一种介质谐振天线，所述介质谐振天线包括：滤波馈电模块；介质谐振器，所述介质谐振器叠设于所述滤波馈电模块上，所述滤波馈电模块用于给所述介质谐振器馈电，所述介质谐振器包括第一介质块和第二介质块，所述第二介质块穿设于所述第一介质块中。本发明的介质谐振天线能够在24.75‑27.5GHz频段内实现定向辐射，具有损耗小、辐射效率高、剖面低、轮廓小、结构简单、易于加工等优点，非常适用于5G室内通信系统。

Description

一种介质谐振天线

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种介质谐振天线。

背景技术

现代通信对于天线的小型化和低损耗等性能提出了越来越高的要求，传统的微带天线在高频段金属损耗较高，在低频段则天线尺寸较大，其发展和应用前景受到了一定限制。介质谐振天线是近十年来兴起的一种谐振式天线，由介质材料构成辐射单元，由于介质谐振器是纯介质结构，没有金属损耗，所以介质谐振天线的损耗可以很小，具有很高的辐射效率。与此同时，介质谐振天线还有易于实现小型化、宽带、多频带、加工简单、易于集成等优点，这些优势使得介质谐振天线很适合用于现代无线通信系统。但是，现有介质谐振天线的体积还是过大，辐射效果也有待提高。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种介质谐振天线，旨在解决现有技术中介质谐振天线的体积过大，辐射效果有待提高的问题。

为实现上述目的，本发明提供一种介质谐振天线，所述介质谐振天线包括：滤波馈电模块；介质谐振器，所述介质谐振器叠设于所述滤波馈电模块上，所述滤波馈电模块用于给所述介质谐振器馈电，所述介质谐振器包括第一介质块和第二介质块，所述第二介质块穿设于所述第一介质块中。

进一步地，所述第一介质块和第二介质块的介电常数不同。

进一步地，所述第一介质块呈拱形设置并与所述滤波馈电模块之间形成孔洞；所述第二介质块呈长方体状设置，所述第二介质块穿设于所述孔洞中，所述第一介质块与所述第二介质块之间设置有空气层。

进一步地，所述孔洞远离所述滤波馈电模块的两个内角设置成弧形倒角。

进一步地，所述滤波馈电模块包括：介质基板，所述介质基板的两个相背的表面上分别设置有金属接地板和金属贴片，所述第一介质块和第二介质块设置于所述金属接地板上；多个金属化过孔，所述金属化过孔穿设于所述介质基板中并连接所述金属接地板与金属贴片；其中，所述金属接地板、金属贴片以及多个所述金属化过孔形成基片集成波导谐振腔，所述金属接地板的中心位置设置有矩形槽线，且所述第二介质块盖设于所述矩形槽线上。

进一步地，多个所述金属化过孔与所述金属贴片的外侧边缘连接。

进一步地，所述第一介质块和第二介质块相交的中点在所述介质基板的中轴线上。

进一步地，所述金属接地板铺满所述介质基板；所述金属贴片在所述介质基板背离所述金属接地板的表面上居中设置。

进一步地，所述滤波馈电模块还包括：微带线，所述微带线自所述金属贴片的边缘延伸至所述介质基板的边缘并与外部SMA连接器的金属探针连接。

进一步地，所述金属贴片为矩形，所述金属贴片上开设有凹槽，所述微带线自所述凹槽的槽底延伸至所述介质基板的边缘。

本发明的技术方案中，所述介质谐振天线将基片集成波导谐振腔和介质谐振器相结合，并将所述第一介质块和第二介质块的介电常数设置为不同、较低损耗的第一介质块和第二介质块交叉放置作为所述介质谐振天线的辐射单元，在24.75-27.5GHz频段内实现定向辐射，具有损耗小、辐射效率高、剖面低、轮廓小、结构简单、易于加工等优点。因此，所述介质谐振天线非常适用于5G室内通信系统。

附图说明

图1为本发明的介质谐振天线一实施例的结构示意图；

图2为本发明的介质谐振天线去掉第二介质块的结构示意图；

图3为本发明的介质谐振天线的分解结构示意图；

图4为本发明的介质谐振天线的尺寸标注示意图；

图5为本发明的介质谐振天线的另一尺寸标注示意图；

图6为本发明的介质谐振天线的再一尺寸标注示意图；

图7为本发明的介质谐振天线的S₁₁参数仿真图；

图8为本发明的介质谐振天线在最大辐射方向(Theta＝0度)上的增益-频率曲线图；

图9为本发明的介质谐振天线在26GHz时xoz面上的天线辐射方向图；

图10为本发明的介质谐振天线在26GHz时yoz面上的天线辐射方向图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

请一并参阅图1-2，本发明提供一种介质谐振天线100，所述介质谐振天线100包括：滤波馈电模块10；介质谐振器20，所述介质谐振器20叠设于所述滤波馈电模块10上，所述滤波馈电模块10用于给所述介质谐振器20馈电，所述介质谐振器20包括第一介质块21和第二介质块22，所述第二介质块22穿设于所述第一介质块21中。

在本实施例中，所述滤波馈电模块10可以是以介质集成波导的形式对所述介质谐振器20进行馈电，所述滤波馈电模块10谐振于所述介质谐振器20的中心频率以及中心频率附近。所述介质谐振器20作为所述介质谐振天线100的辐射单元，叠设于所述滤波馈电模块10，且所述介质谐振器20包括第一介质块21和第二介质块22，且所述第二介质块22穿设于所述第一介质块21中，通过所述滤波馈电模块10对所述介质谐振器20进行耦合馈电，以使所述介质谐振器20谐振于所需的中心频率及中心频率附近。本实施例通过将所述第二介质块22穿设于所述第一介质块21中，使得所述介质谐振器20的整体体积减小，从而使得所述介质谐振天线100的整体体积也减小，所述介质谐振天线100还具有轮廓小、结构简单、易于加工等优点。

请一并参阅图1-2，进一步地，所述第一介质块21和第二介质块22的介电常数不同。

在本实施例中，所述第一介质块21和第二介质块22的介电常数不同，例如，所述第一介质块21的介电常数为12.3，所述第二介质块22的介电常数为20.5，通过将所述第一介质块21和第二介质块22的介电常数设置成不同，可以增加所述介质谐振器20的复杂度，从而进一步缩小所述介质谐振器20的体积，有利于所述介质谐振器20以及所述介质谐振天线100的进一步小型化。

进一步地，现有技术中，介质谐振器20通常为单一的介质块，介质块的介电常数一般较低，例如10.2，比较而言，本实施例将所述第一介质块21和第二介质块22设置的介电常数均设置为比现有技术中的介质块要高，例如，上述提到的所述第一介质块21的介电常数为12.3，所述第二介质块22的介电常数为20.5，如此，使得所述第一介质块21和第二介质块22的损耗较低，在高频段可以降低辐射损耗，提高所述介质谐振器20的辐射效率。

请一并参阅图1-2，进一步地，所述第一介质块21呈拱形设置并与所述滤波馈电模块10之间形成孔洞23；所述第二介质块22呈长方体状设置，所述第二介质块22穿设于所述孔洞23中，所述第一介质块21与所述第二介质块22之间设置有空气层。

在本实施例中，通过将所述第一介质块21设置成拱形，可以通过拱形设置的所述第一介质块21与所述滤波馈电模块10形成所述孔洞23，同时将所述第二介质块22设置长方体状，并将所述第二介质块22横插于所述第一介质块21中，如此形成所述介质谐振器20，有利于减小所述介质谐振器20的整体体积和尺寸；进一步地，通过在所述第一介质块21与所述第二介质块22之间设置有所述空气层，有利于实现所述介质谐振器20的阻抗匹配。

进一步地，所述第二介质块22的两端可以伸出所述孔洞23外，以保证所述介质谐振器20的辐射方向图的对称性，可以理解，所述第二介质块22也可以完全收容于所述孔洞23中。

请一并参阅图1-2，进一步地，所述孔洞23远离所述滤波馈电模块10的两个内角A设置成弧形倒角。

在本实施例中，所述孔洞23远离所述滤波馈电模块10的两个内角A，也即第一介质块21顶端的两个内角A，将两个所述内角A设置成弧形倒角，不仅便于所述介质谐振器20的生产制造，也可以增加所述第一介质块21的整体刚性，提高所述第一介质块21的支撑性能。

请一并参阅图2-3，进一步地，所述滤波馈电模块10包括：介质基板11，所述介质基板11的两个相背的表面上分别设置有金属接地板12和金属贴片13，所述第一介质块21和第二介质块22设置于所述金属接地板12上；多个金属化过孔14，所述金属化过孔14穿设于所述介质基板11中并连接所述金属接地板12与金属贴片13；其中，所述金属接地板12、金属贴片13以及多个所述金属化过孔14形成基片集成波导谐振腔(图未标示)，所述金属接地板12的中心位置设置有矩形槽线121，且所述第二介质块22盖设于所述矩形槽线121上。

在本实施例中，所述介质基板11以及所述金属贴片13优选为矩形，可以理解，所述介质基板11以及所述金属贴片13也可以设置成其他形状，在所述介质基板11的其中一个表面上设置有所述金属接地板12，所述金属接地板12优选为铺满所述介质基板11，在所述介质基板11的另一个表面上设置有所述金属贴片13，且所述金属贴片13在所述介质基板11背离所述金属接地板12的表面上居中设置，通过多个贯穿所述介质基板11的金属化过孔14连接处于不同表面的所述金属接地板12和金属贴片13，如此，多个所述金属化过孔14、金属接地板12以及金属贴片13共同合围形成一矩形腔体，该矩形腔体也即所述基片集成波导谐振腔，所述基片集成波导谐振腔谐振于所述介质谐振器20的中心频率以及所述中心频率附近，以给所述介质谐振器20馈电。

进一步地，所述介质谐振器20的第一介质块21和第二介质块22均设置于所述金属接地板12上，且所述第一介质块21和第二介质块22在所述金属接地板12上的投影位于所述基片集成波导谐振腔内，在所述金属接地板12的中心位置设置有矩形槽线121，将所述第二介质块22盖设于所述矩形槽线121上，如此，通过所述矩形槽线121给所述第二介质块22进行耦合馈电，同时，所述第二介质块22给所述第一介质块21耦合馈电，也即，通过所述矩形槽线121将所述基片集成波导谐振腔的能量耦合到所述介质谐振器20上，从而实现对所述介质谐振器20的馈电。

进一步地，多个所述金属化过孔14与所述金属贴片13的外侧边缘连接。

在本实施例中，所述金属化过孔14的数量例如可为30个，多个所述金属化过孔14一端与所述金属贴片13的外侧边缘连接，另一端与所述金属接地板12连接，从而形成所述基片集成波导谐振腔，进而实现对所述介质谐振器20馈电。

请参阅图1，进一步地，所述第一介质块21和第二介质块22相交的中点在所述介质基板11的中轴线上。

在本实施例中，通过将所述第一介质块21和第二介质块22相交的中点设置在所述介质基板11的中轴线上，同时，将所述金属贴片13在所述介质基板11背离所述金属接地板12的表面上居中设置，如此，可以保证所述介质谐振器20的辐射方向图的对称性。

请参阅图3，进一步地，所述滤波馈电模块10还包括：微带线15，所述微带线15自所述金属贴片13的边缘延伸至所述介质基板11的边缘并与外部SMA连接器(图未标示)的金属探针连接。

在本实施例中，通过所述微带线15连接外部SMA连接器的金属探针以及所述金属贴片13的边缘，信号经由所述SMA连接器馈入所述微带线15，由所述微带线15馈入所述基片集成波导谐振腔内激发TE₂₀₁模，再通过所述金属接地板12中心位置的矩形槽线121耦合到高介电常数的第一介质块21和第二介质块22，通过所述第一介质块21和第二介质块22将信号以电磁波的形式辐射到空气中。可以理解，所述基片集成波导谐振腔也可以采用其他馈电连接件如同轴电缆等进行馈电。

请参阅图3，进一步地，所述金属贴片13为矩形，所述金属贴片13上开设有凹槽131，所述微带线15自所述凹槽131的槽底延伸至所述介质基板11的边缘。

在本实施例中，通过在所述矩形贴片上开设有凹槽131，所述微带线15连接所述凹槽131的槽底并延伸至所述介质基板11的边缘，以与外部SMA连接器的金属探针连接，如此，所述微带线15以插入式馈电的方式伸入到所述基片集成波导谐振腔中，对所述基片集成波导谐振腔进行馈电，如此，可以提高对所述基片集成波导谐振腔的馈电效果。

请一并参阅图4-6，在一实施例中，所述介质基板11的型号是Rogers RO3010，其相对介电常数为10.2，损耗角正切值为0.0035；所述第一介质块21的型号是ER12，其相对介电常数为12.3，损耗角正切值为0.0014；所述第二介质块22的型号是ER20，其相对介电常数为20.5，损耗角正切值为0.0014。结合图4-6，各尺寸参数如下：a1＝8mm、b1＝6mm、c1＝0.625mm、a4＝2.7mm、b4＝1.5mm、c4＝2.1mm、a6＝1.5mm、b6＝1.5mm、c6＝1.4mm、a7＝0.9mm、b7＝4.2mm、c7＝1.1mm、a2＝4.6mm、b2＝3.4mm、l1＝1mm、w1＝0.6mm、l2＝0.85mm、w2＝0.4mm、l3＝1.2mm、w3＝0.2mm、l4＝1.7mm、w4＝0.6mm、m＝0.3mm、m1＝0.6mm、m2＝0.6mm、m3＝0.4mm、r1＝0.1mm。

本实施例的所述介质谐振天线100是在电磁仿真软件ANSYS.19.0中建模仿真的。

图7为所述介质谐振天线100的S₁₁参数仿真图，在图7中可以看出，所述介质谐振天线100有大于3400MHz的阻抗带宽(24.524-27.958GHz)，相对带宽为13.1％。

图8为所述介质谐振天线100在最大辐射方向(Theta＝0度)上的增益-频率曲线图，从图8中可以看出，在5G室内通信频段(24.75-27.5GHz)内，所述介质谐振天线100增益达到5.7dBi，且增益随频率的变化很平稳。

图9和图10为所述介质谐振天线100在26GHz时xoz和yoz面上的天线辐射方向图，从图9-10中可以看出，所述介质谐振天线100的辐射方向为定向辐射，最大辐射方向为z轴正方向(Theta＝0度)。

综上所述，本发明的所述介质谐振天线100，将基片集成波导谐振腔和介质谐振器20相结合，并将所述第一介质块21和第二介质块22的介电常数设置为不同、较低损耗的第一介质块21和第二介质块22交叉放置作为所述介质谐振天线100的辐射单元，在24.75-27.5GHz频段内实现定向辐射，具有损耗小、辐射效率高、剖面低、轮廓小、结构简单、易于加工等优点。因此，所述介质谐振天线100非常适用于5G室内通信系统。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种介质谐振天线，其特征在于，所述介质谐振天线包括：

滤波馈电模块；

介质谐振器，所述介质谐振器叠设于所述滤波馈电模块上，所述滤波馈电模块用于给所述介质谐振器馈电，所述介质谐振器包括第一介质块和第二介质块，所述第二介质块穿设于所述第一介质块中。

2.如权利要求1所述的介质谐振天线，其特征在于，所述第一介质块和第二介质块的介电常数不同。

3.如权利要求2所述的介质谐振天线，其特征在于，

所述第一介质块呈拱形设置并与所述滤波馈电模块之间形成孔洞；

所述第二介质块呈长方体状设置，所述第二介质块穿设于所述孔洞中，所述第一介质块与所述第二介质块之间设置有空气层。

4.如权利要求3所述的介质谐振天线，其特征在于，所述孔洞远离所述滤波馈电模块的两个内角设置成弧形倒角。

5.如权利要求1-4任一项所述的介质谐振天线，其特征在于，所述滤波馈电模块包括：

介质基板，所述介质基板的两个相背的表面上分别设置有金属接地板和金属贴片，所述第一介质块和第二介质块设置于所述金属接地板上；

多个金属化过孔，所述金属化过孔穿设于所述介质基板中并连接所述金属接地板与金属贴片；

其中，所述金属接地板、金属贴片以及多个所述金属化过孔形成基片集成波导谐振腔，所述金属接地板的中心位置设置有矩形槽线，且所述第二介质块盖设于所述矩形槽线上。

6.如权利要求5所述的介质谐振天线，其特征在于，多个所述金属化过孔与所述金属贴片的外侧边缘连接。

7.如权利要求5所述的介质谐振天线，其特征在于，所述第一介质块和第二介质块相交的中点在所述介质基板的中轴线上。

8.如权利要求5所述的介质谐振天线，其特征在于，

所述金属接地板铺满所述介质基板；

所述金属贴片在所述介质基板背离所述金属接地板的表面上居中设置。

9.如权利要求8所述的介质谐振天线，其特征在于，所述滤波馈电模块还包括：

微带线，所述微带线自所述金属贴片的边缘延伸至所述介质基板的边缘并与外部SMA连接器的金属探针连接。

10.如权利要求9所述的介质谐振天线，其特征在于，所述金属贴片为矩形，所述金属贴片上开设有凹槽，所述微带线自所述凹槽的槽底延伸至所述介质基板的边缘。