CN111710980B - 基于3d打印技术的多圆弧微带介质谐振腔天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于3D打印技术的多圆弧微带介质谐振腔天线，其中主要辐射单元为半球体介质，相比与金属材料，欧姆损耗更低，效率更高。由于介质使用光敏树脂，可以根据需要对形状进行改变。半径略长于一个波长，并且与馈电片电流进行耦合，可以引导辐射方向，避免了电磁波向四周分散，导致增益下降，同时还提高了带宽。其中两层多圆弧微带，一定程度上阻断了电流向四周的扩散，并对磁场起到了一定的约束作用，由此减低了后向增益，提高了前向增益，并进一步提高了带宽。所采用的金属化过孔，通过连接地板和圆弧微带，进一步抑制了电流的扩散，一定程度上提高了天线的增益。

Description

基于3D打印技术的多圆弧微带介质谐振腔天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种基于3D打印技术的多圆弧微带介质谐振腔天线。
背景技术
随着通信技术的发展，目前6GHz以下的通信频段已很难得到较宽的连续带宽，毫米波因其具有大量未被利用的资源，成为5g通信研究的热点，因此我们开始着手进行适用于毫米波频段通信天线的研究。传统微带天线由于金属的趋肤效应，导致其在高频段金属欧姆损耗高、增益低，其发展和应用受到了一定的限制。
发明内容
针对以上问题，本发明提出一种基于3D打印技术的多圆弧微带介质谐振腔天线，以用于解决普通金属天线在高频段欧姆损耗太大效率太低的问题，适用于5G毫米波波段。通过结合微带天线与介质谐振天线的特点，设计的天线具有高增益，大带宽，低剖面，结构简单，易于加工的特点，在无线通讯系统中具有良好的使用前景。
为实现本发明的目的，提供一种基于3D打印技术的多圆弧微带介质谐振腔天线，包括反射地板、FR4介质基板、介质谐振器；
所述FR4介质基板的上表面与下表面之间设有与同轴馈电线相连的圆形馈电片，圆形馈电片周围设有两圈圆弧微带线、两圈圆弧微带线均包括多段小圆弧，其中一圈圆弧微带线通过一圈金属化过孔与反射地板相连，以形成短路，约束电流，在馈电片上方接有一个半球体的介质谐振器，该介质谐振器引导电流向前方辐射，并且由于自身介质损耗很小，因此辐射效率很高。
在一个实施例中，所述反射地板为金属反射地板。
在一个实施例中，所述介质谐振器为半球体介质谐振器。
具体地，所述半球体介质谐振器，使用3D打印技术制造，半球体介质谐振器的材料为光敏树脂。
上述基于3D打印技术的多圆弧微带介质谐振腔天线中，主要辐射单元为半球体介质，相比与金属材料，欧姆损耗更低，效率更高。由于介质使用光敏树脂，可以根据需要对形状进行改变。半径略长于一个波长，并且与馈电片电流进行耦合，可以引导辐射方向，避免了电磁波向四周分散，导致增益下降，同时还提高了带宽。其中两层多圆弧微带，一定程度上阻断了电流向四周的扩散，并对磁场起到了一定的约束作用，由此减低了后向增益，提高了前向增益，并进一步提高了带宽。所采用的金属化过孔，通过连接地板和圆弧微带，进一步抑制了电流的扩散，一定程度上提高了天线的增益。
附图说明
图1是一个实施例的基于3D打印技术的多圆弧微带介质谐振腔天线结构示意图；
图2是一个实施例的圆弧微带结构示意图；
图3是一个实施例的金属过孔结构示意图；
图4是一个实施例的天线S11曲线图；
图5为一个实施例的天线增益图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
介质谐振器(DRs)在适当的激励下可用辐射为天线，就导体损耗而言，相对于传统的金属天线来说，由于不存在导体和表面波损耗，因而具有较高的辐射效率，一般能达到90％以上；介质谐振器天线远优于微带贴片天线，并且可以通过嵌入不同介电常数的介质材料挺高设计的复杂性，同时，使用高介电常数介质设计可以减小天线体积，有利于天线的小型化设计。且加工成本低，因而备受关注。
参考图1所示，图1为一个实施例的基于3D打印技术的多圆弧微带介质谐振腔天线结构示意图，包括反射地板1、FR4介质基板2、介质谐振器3；
所述FR4介质基板2的上表面与下表面之间设有与同轴馈电线相连的圆形馈电片5，圆形馈电片周围设有两圈圆弧微带线(如图1所示的圆弧微带线6和圆弧微带线7)、两圈圆弧微带线均包括多段小圆弧，其中一圈圆弧微带线(如圆弧微带线6)通过一圈金属化过孔8与反射地板1相连，以形成短路，约束电流，在馈电片上方接有一个半球体的介质谐振器，该介质谐振器3引导电流向前方辐射，并且由于自身介质损耗很小，因此辐射效率很高。
上述基于3D打印技术的多圆弧微带介质谐振腔天线，具有结构简单，制作容易，体积小，低剖面等优点。
在一个实施例中，所述反射地板为金属反射地板。
在一个实施例中，所述介质谐振器为半球体介质谐振器。
在一个实施例中，所述半球体介质谐振器，使用3D打印技术制造，半球体介质谐振器的材料为光敏树脂。
上述基于3D打印技术的多圆弧微带介质谐振腔天线中，主要辐射单元为半球体介质，相比与金属材料，欧姆损耗更低，效率更高。由于介质使用光敏树脂，可以根据需要对形状进行改变。半径略长于一个波长，并且与馈电片电流进行耦合，可以引导辐射方向，避免了电磁波向四周分散，导致增益下降，同时还提高了带宽。其中两层多圆弧微带，一定程度上阻断了电流向四周的扩散，并对磁场起到了一定的约束作用，由此减低了后向增益，提高了前向增益，并进一步提高了带宽。所采用的金属化过孔，通过连接地板和圆弧微带，进一步抑制了电流的扩散，一定程度上提高了天线的增益。
在一个实施例中，上述基于3D打印技术的多圆弧微带介质谐振腔天线要解决的技术问题在于通过介质谐振腔，使天线结构实现小型化、低剖面，提高增益并保证一定的带宽，结构简单，易于加工，适合集成。本发明提供一种带有双环多圆弧微带以及半球体介质谐振腔的结构，设计出了一种基于3D打印技术的多圆弧微带介质谐振腔天线。
为验证上述基于3D打印技术的多圆弧微带介质谐振腔天线的有效性，以如下的结构为例：如图所示金属反射地板1长宽为30mm；介质基板2的长宽为30mm，高为1mm，这里采用的材料是介电常数为4.4的FR4板；半球体介质3半径为9mm，采用的材料是光敏树脂，方便3D打印；同轴馈电孔4设置在介质板的正中间；馈电片5为半径3mm的圆形金属片，外侧有两圈圆弧微带6、7；圆弧微带6为半径为3.7mm至4.4mm的圆环剪切出的八段圆弧，间距为0.5mm；圆弧微带7为半径4.7mm至5.4mm的圆环剪切出的十二段圆弧，间距为0.5mm；金属过孔8的数量为8个，直径0.5mm，连接圆弧微带(6)和金属反射地板。
在一个示例中，图2为圆弧微带结构示意图，图3为金属过孔结构示意图，图4示出的S11图(带宽为10GHz)可以看出该天线在26GHz到39GHz范围内有约10GB的带宽；图5为该天线XOZ面的增益方向图，天线在32.5GHz的时候最大辐射方向增益达到了10.5dB的增益,具有很高的带宽。
综上所述，上述基于3D打印技术的多圆弧微带介质谐振腔天线解决了现有的天线技术难以同时满足的平面尺寸小和具有较高增益带宽的问题。
上述基于3D打印技术的多圆弧微带介质谐振腔天线显著优点包括：
高频段金属辐射的欧姆损耗很大，辐射效率很低，很难达到很高的增益。本发明采用的主要辐射单元为半球体介质，解决了这个问题，提高了辐射效率，进一步提高了增益，并且可以拥有很大的带宽。本发明的双环本发明多圆弧微带有以下有益效果：
通过金属化过孔与地板相连，抑制了电流向四周扩散，进一步提高了带宽。
约束电磁波，降低后向增益，提高前向增益，使得增益得到一定提高。
结合介质谐振器的设计使得其具有低剖面，质量轻的同时又可以拥有很高的增益和带宽。
上述基于3D打印技术的多圆弧微带介质谐振腔天线在实现高增益的同时，也保证了天线拥有很高的带宽。由于双环多圆弧结构长度数量可进行一定调整，进一步增加了天线设计的灵活性，并且采用这种结构后实现了天线的小型化，平面化，结构简单，加工成本低，易于与其他电路集成，以实现一些其他的功能。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
需要说明的是，本申请实施例所涉及的术语“第一\第二\第三”仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，“第一\第二\第三”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序。应该理解“第一\第二\第三”区分的对象在适当情况下可以互换，以使这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
本申请实施例的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或模块的过程、方法、装置、产品或设备没有限定于已列出的步骤或模块，而是可选地还包括没有列出的步骤或模块，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或模块。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (3)

1.一种基于3D打印技术的多圆弧微带介质谐振腔天线，其特征在于，包括反射地板、FR4介质基板、介质谐振器；
所述FR4介质基板的上表面与下表面之间设有与同轴馈电线相连的圆形馈电片，圆形馈电片周围设有两圈圆弧微带线、两圈圆弧微带线均包括多段小圆弧，其中一圈圆弧微带线通过一圈金属化过孔与反射地板相连，以形成短路，约束电流，在馈电片上方接有一个半球体的介质谐振器，该介质谐振器引导电流向前方辐射。
2.根据权利要求1所述的基于3D打印技术的多圆弧微带介质谐振腔天线，其特征在于，所述反射地板为金属反射地板。
3.根据权利要求2所述的基于3D打印技术的多圆弧微带介质谐振腔天线，其特征在于，所述半球体介质谐振器，使用3D打印技术制造，半球体介质谐振器的材料为光敏树脂。
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