CN111600117B - 介质谐振器天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种介质谐振器天线，介质谐振器天线包括：基板，基板具有第一表面及与第一表面相背的第二表面；接地板，接地板贴设于第一表面；介质谐振单元，介质谐振单元装设在第二表面，介质谐振单元内开设有容纳槽；探针，探针依次穿过所述接地板、基板并与介质谐振单元抵接，以向介质谐振单元馈电；分隔件，分隔件装设在容纳槽内，以降低介质谐振单元产生的高次模的频率。本发明中，分隔件为高次模的频率下降提供了边界条件，中心位置处的高次模信号遇到分隔件后方向发生变化，从而将高次模的频率降低，介质谐振器的工作带宽为低次模频率到高次模频率，使得整个介质谐振器天线具有较宽的工作带宽。

Description

介质谐振器天线
技术领域
本发明涉及无线通信领域，特别涉及一种介质谐振器天线。
背景技术
随着无线通信事业的飞速发展，对于天线的小型化、宽频带、低损耗等性能提出了更高的要求，虽然各种各样的微带天线因其低剖面、轻质量等优点，已经得到了深入的研究和广泛的应用，但由于在高频段金属欧姆损耗高和在低频段天线几何尺寸大这两个关键性技术瓶颈的存在，其发展和应用受到了一定的限制，介质谐振器天线由于其有小体积、有较宽的带宽、作为立体结构有更多的设计自由度等优点成为研究热点被广泛研究。现有的宽带介质谐振天线主要包括馈电结构式以及堆叠结构式，其中，馈电结构式需要在接地板上穿孔并引用微带线从穿孔通过向天线馈电，增大了馈电结构的复杂度，堆叠结构通常需要多个介质谐振器天线堆叠在一起，导致天线的体积增加，限制了其应用。尽管如此，上述两种结构的介质谐振器天线获得的中心频点的相对带宽依然最高只能达到30％左右，其应用性不高。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种介质谐振器天线，旨在解决现有技术中，介质谐振器天线获得的中心频点的相对带宽过低，导致应用性不高的问题。
为实现上述目的，本发明提出一种介质谐振器天线，所述介质谐振器天线包括：
基板，所述基板具有第一表面及与所述第一表面相背的第二表面；
接地板，所述接地板贴设于所述第一表面；
介质谐振单元，所述介质谐振单元装设在所述第二表面，所述介质谐振单元内开设有容纳槽；
探针，所述探针依次穿过所述接地板、所述基板并与所述介质谐振单元抵接，以向所述介质谐振单元馈电；
分隔件，所述分隔件装设在所述容纳槽内，以降低所述介质谐振单元产生的高次模的频率。
可选地，所述分隔件为金属环，且所述金属环与所述介质谐振单元同轴设置。
可选地，所述金属环、所述介质谐振单元以及所述探针同轴设置。
可选地，所述基板及所述接地板均为圆形结构，所述基板、所述接地板、所述金属环、所述介质谐振单元以及所述探针同轴设置。
可选地，所述接地板覆盖所述基板的第一表面。
可选地，所述介质谐振单元的中心位置开设有探针孔，所述探针的一端伸入所述探针孔内与所述介质谐振单元抵接。
可选地，所述金属环的材质为铜或铝。
可选地，所述介质谐振单元由陶瓷材料构成。
可选地，所述介质谐振器天线还包括壳体，所述壳体内开设有一空腔，所述基板、接地板、介质谐振单元、探针以及分隔件均装设在所述空腔内。
本发明技术方案通过将接地板贴设于基板的第一表面，将介质谐振单元装设在基板的第二表面，介质谐振单元内开设有容纳槽，探针依次穿过接地板、基板并与介质谐振单元抵接，以向所述介质谐振单元馈电，分隔件装设在容纳槽内，以降低介质谐振单元产生的高次模的频率。分隔件为高次模的频率下降提供了边界条件，中心位置处的高次模信号遇到分隔件后方向发生变化，从而将高次模的频率降低，介质谐振器的工作带宽为低次模频率到高次模频率，使得整个介质谐振器天线具有较宽的工作带宽。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明介质谐振器天线的分解结构示意图；
图2为本发明介质谐振器天线沿中心轴线的剖面图；
图3为本发明介质谐振器天线的介质谐振单元的结构示意图；
图4为介质谐振单元产生的场效应图(a组为没有设置分隔件的情况，b组为设置了分隔件的情况)；
图5为本发明介质谐振器天线的仿真回波损耗图；
图6为本发明介质谐振器天线的仿真增益图；
图7为本发明介质谐振器天线在2.64GHz时的E面的辐射方向图；
图8为本发明介质谐振器天线在2.64GHz时的H面的辐射方向图；
图9为本发明介质谐振器天线在3.16GHz时的E面的辐射方向图；
图10为本发明介质谐振器天线在3.16GHz时H面的辐射方向图；
图11为本发明介质谐振器天线在3.94GHz时E面的辐射方向图；
图12为本发明介质谐振器天线在3.94GHz时H面的辐射方向图。
附图标号说明：
标号 名称 标号 名称
1 基板 22 探针孔
11 第二表面 3 分隔件
12 第一表面 4 探针
13 通孔 41 内导体
2 介质谐振单元 42 外导体
21 容纳槽  
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作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。
如图1及图2所示，为实现上述目的，本发明提出一种介质谐振器天线，所述介质谐振器天线包括：基板1，所述基板1具有第一表面12及与所述第一表面12相背的第二表面11；接地板(图中未标示)，所述接地板贴设于所述第一表面12；介质谐振单元2，所述介质谐振单元2装设在所述第二表面11，所述介质谐振单元2内开设有容纳槽21；探针4，所述探针4依次穿过所述接地板、所述基板1并与所述介质谐振单元2抵接，以向所述介质谐振单元2馈电；分隔件3，所述分隔件3装设在所述容纳槽21(如图3所示)内，以降低所述介质谐振单元2产生的高次模的频率。
本实施例中，基板1为PCB板，具有第一表面12以及与第一表面12相背的第二表面11，接地板贴合在第一表面12，可以为印刷在第一表面12上的金属层，如，金属铜，接地板用于实现介质谐振器天线的接地。在一可选实施例中，接地板完全覆盖第一表面12。
介质谐振单元2装设在第二表面11，内部开设有容纳槽21以容纳分隔件3；探针4依次穿过接地板以及基板1，一端与介质谐振单元2抵接，向介质谐振单元2馈电，为介质谐振单元2提供激励。信号从探针4处传入，由介质谐振器天线进行辐射，介质谐振器天线产生谐振，向外辐射无线信号。介质谐振单元2本身产生的无线信号分为低次模以及高次模，低次模的频率较低，高次模的频率较高。在具体的实施中。介质谐振单元2中心位置处的信号频率高于边缘位置处的信号频率，因此，低次模产生在介质谐振单元2的边缘位置，高次模产生在介质谐振单元2的中心位置，分隔件3位于次强位置，如，高次模与低次模的交界处，当然，也可以向高次模或向低次模略微偏离该交界处。分隔件3为高次模的频率下降提供了边界条件，中心位置处的高次模信号遇到分隔件3后方向发生变化(如图4，a组为没有设置分隔件3的场效应图，b组为设置了分隔件3的场效应图)，从而将高次模的频率降低，如图4所示，当次强位置存在分隔件3时，场效应发生了变化，高次模的频率降低。同时，在本实施例的结构下，探针4本身也能产生探针模式，探针模式的频率为中间频率，频率降低后的高次模、探针模式以及低次模合频，介质谐振器的工作带宽为低次模频率到高次模频率，使得整个介质谐振器天线具有较宽的工作带宽。且，分隔件3位于介质谐振单元2与基板1之间，不会增加介质谐振器天线的体积，在拓宽了介质谐振器天线的工作频带的同时能够在存留原来的小体积优势，结构简单，可以应用于多种场合。
分隔件3具体可以为金属材料，如，铜或铝，由于介质谐振器单元以辐射的方式向外传输无线信号，因此，在一可选实施例中，分隔件3为环状结构，以金属环的方式嵌入到介质谐振单元2的容纳槽21内，且金属环为闭环结构并与介质谐振单元2同轴设置。金属环的高度以及厚度的增加均会加强高次模的频率下降，也即，金属环越高、越厚，高次模的频率下降越明显。
基板1对分隔件3以及接地板存在隔离作用，使分隔件3与接地板不直接接触，避免接地板对分隔件3的阻抗匹配产生影响。
由于探针会产生中频的探针模式，为保证探针模式与低次模以及高次模的合频效果，在进一步的实施例中，金属环与介质谐振单元2以及探针4同轴设置。在更进一步的实施例中，基板1及接地板均为圆形结构，且接地板覆盖第一表面12，基板1、接地板、金属环、介质谐振单元2以及探针4同轴设置。
所述介质谐振单元2的中心位置开设有探针孔22，所述探针4的一端伸入所述探针孔22内与所述介质谐振单元2抵接。
探针孔22位于介质谐振单元2的中心位置，探针4的一端伸入到探针孔22内与介质谐振单元2抵接，以向介质谐振单元2馈电，提供激励，探针4的另一端外露于接地板，用于连接信号源。接地板以及基板1上均开设有通孔13用于穿设探针4，且通孔13位于接地板以及基板1的中心位置，与探针孔22的位置对应，从而使得低次模、探针模式以及高次模之间的阻抗变化小，具有良好的阻抗匹配，进而能够合频使得整个介质谐振器天线具有较宽的工作带宽。本实施例中，调整探针孔22的直径大小能够有效调节低次模、探针模式以及高次模的阻抗匹配，使介质谐振器天线能够在所需的工作频段内拥有良好的阻抗匹配，能够控制各模式间的阻抗匹配变化。
所述介质谐振单元2由陶瓷材料构成，其中或者还包括一些金属结构共同形成介质谐振单元2，以保证介质谐振单元2的谐振性能。
探针4为同轴探针4，包括外导体42及穿设在外导体42中的内导体41，外导体42连接接地板，内导体41的一端插入到探针孔22内向介质谐振单元2馈电，外导体42连接接地板。在具体的实施中，也可直接以同轴电缆插接到探针孔22及通孔13内为介质谐振单元2馈电。
作为一种实施例，基板1的介电常数为2.2，厚度hs＝1mm；介质基板1和接地板的半径Rg＝46mm，接地板、介质基板1上的通孔13直径dc＝4mm；介质谐振单元2的半径Ra＝23mm，高h＝14mm，探针孔22的直径da＝1.8mm，孔深hf＝9mm；金属环高度h1＝5.5mm，内径R1＝14.5mm，厚度t＝1mm；探针4的内导体41直径dc＝1.3mm，探针4的外导体42直径df＝4mm。
从图5中的结果可以看出，该天线具有50.4％(2.42-4.05GHz)的较宽的阻抗匹配阻抗带宽。如图6所示，在工作频带内，整个介质谐振器天线的增益为1.76～6.44dBi。图7、图8分别为2.64GHz时的E面、H面的辐射方向图，图9、图10分别为3.16GHz时的E面、H面的辐射方向图，图11、图12分别为3.94GHz时的E面、H面的辐射方向图，从图中的结果可以看出，该天线在整个工作频带具内有良好的全向辐射特性，且交叉极化水平很低。
在一实施例中，所述介质谐振器天线还包括壳体(图中未标示)，所述基板1、接地板、探针4、介质谐振单元2以及分隔件3均装设在所述壳体内，壳体对装设在其空腔内的各个装置具有保护作用，如，防灰尘或虫蚁。
以上所述仅为本发明的可选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种介质谐振器天线，其特征在于，所述介质谐振器天线包括：
基板，所述基板具有第一表面及与所述第一表面相背的第二表面；
接地板，所述接地板贴设于所述第一表面；
介质谐振单元，所述介质谐振单元装设在所述第二表面，所述介质谐振单元内开设有容纳槽；
探针，所述探针依次穿过所述接地板、所述基板并与所述介质谐振单元抵接，以向所述介质谐振单元馈电；
分隔件，所述分隔件装设在所述容纳槽内，以降低所述介质谐振单元产生的高次模的频率，所述分隔件为金属环，且所述金属环与所述介质谐振单元以及所述探针同轴设置。
2.根据权利要求1所述的介质谐振器天线，其特征在于，所述基板及所述接地板均为圆形结构，所述基板、所述接地板、所述金属环、所述介质谐振单元以及所述探针同轴设置。
3.根据权利要求2所述的介质谐振器天线，其特征在于，所述接地板覆盖所述基板的第一表面。
4.根据权利要求1所述的介质谐振器天线，其特征在于，所述介质谐振单元的中心位置开设有探针孔，所述探针的一端伸入所述探针孔内与所述介质谐振单元抵接。
5.根据权利要求1所述的介质谐振器天线，其特征在于，所述金属环的材质为铜或铝。
6.根据权利要求1所述的介质谐振器天线，其特征在于，所述介质谐振单元由陶瓷材料构成。
7.根据权利要求1所述的介质谐振器天线，其特征在于，所述介质谐振器天线还包括壳体，所述壳体内开设有一空腔，所述基板、接地板、介质谐振单元、探针以及分隔件均装设在所述空腔内。
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