CN111710981B - 用于5g毫米波段的正交椭圆台形介质谐振器天线 - Google Patents

用于5g毫米波段的正交椭圆台形介质谐振器天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于5G毫米波段的正交椭圆台形介质谐振器天线，其中主要辐射单元为正交椭圆台形介质，与金属材料相比，欧姆损耗更低，效率更高且结构简单，加工成本低。介质表面开凹槽能降低损耗，提高天线增益。正交椭圆形缝隙能更好地与正交椭圆台形介质贴合，耦合的效率更高。经过仿真对比发现，正交椭圆形缝隙比一般缝隙增益更高。带状线馈电能减小后向辐射，提高增益。在带状线加两圈通孔，可以将能量集中在介质辐射单元处，进一步提高增益。本天线与现有技术相比，在5G毫米波段能得到更高的增益，最高增益达到13.52dB,带宽达到3.95GHz。

Description

用于5G毫米波段的正交椭圆台形介质谐振器天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种用于5G毫米波段的正交椭圆台形介质谐振器天线。
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，虽然各种微带天线因其低剖面、轻质量等优点，已经得到深入研究和广泛应用，但由于5G时代的来临，天线的应用要朝着更高的频段迈进，在高频段金属欧姆损耗高，且加工困难，其发展和应用受到了一定的限制。
发明内容
针对以上问题，本发明提出一种用于5G毫米波段的正交椭圆台形介质谐振器天线，以用于解决天线在高频段欧姆损耗过大的问题，设计的天线具有高增益、高效率、结构简单、易加工的特点，在无线通信领域中有良好的应用前景。
为实现本发明的目的，提供一种用于5G毫米波段的正交椭圆台形介质谐振器天线，包括介质基板、金属导电带和介质谐振器；
所述介质基板包括上表面和下表面，所述上表面和下表面通过金属过孔相连，所述金属过孔对电磁场起到约束作用，所述上表面上蚀刻正交椭圆形缝隙，通过正交椭圆形缝隙将能量耦合到介质谐振器中；所述介质谐振器使用光敏树脂通过3D打印制作，安装在正交椭圆缝隙的上方；所述介质谐振器的上表面设置凹槽，以减小损耗，提高增益。
在一个实施例中，所述金属导电带通过带状线输入阻抗计算公式得到特性阻抗为50Ω的金属导电带尺寸。
在一个实施例中，所述介质基板带状线的介质基板。
在一个实施例中，所述介质基板的上表面和下表面分别为铜片接地板。
在一个实施例中，所述介质谐振器为正交椭圆台形介质谐振器。
上述用于5G毫米波段的正交椭圆台形介质谐振器天线中，主要辐射单元为正交椭圆台形介质，与金属材料相比，欧姆损耗更低，效率更高且结构简单，加工成本低。介质表面开凹槽能降低损耗，提高天线增益。正交椭圆形缝隙能更好地与正交椭圆台形介质贴合，耦合的效率更高。经过仿真对比发现，正交椭圆形缝隙比一般缝隙增益更高。带状线馈电能减小后向辐射，提高增益。在带状线加两圈通孔，可以将能量集中在介质辐射单元处，进一步提高增益。本天线与现有技术相比，在5G毫米波段能得到更高的增益，最高增益达到13.52dB,带宽达到3.95GHz。
附图说明
图1是一个实施例的用于5G毫米波段的正交椭圆台形介质谐振器天线结构示意图；
图2是一个实施例的带状线馈电部分示意图；
图3是一个实施例的带状线上金属过孔位置示意图；
图4是一个实施例的天线S11曲线图；
图5为一个实施例中天线频率为32GHz时YOZ面的增益曲线图；
图6为一个实施例的天线频率为32GHz时YOZ面的方向图；
图7为一个实施例中天线在带宽范围内多个频率点的增益图。
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。
介质谐振器是一种具有存储能量和选频特性的微波谐振元件。若将电磁波引入介质中,借助电磁波在介质与自由空间的界面的不断反射,形成驻波而产生振荡。本申请提出了一种正交椭圆台形状的介质谐振器，呈倒置喇叭状。锥削结构可以实现介质谐振器天线与空气阻抗的较好匹配,减小表面波的反射,提高天线的有效辐射能力。因为介质谐振器横截面沿喇叭开口方向线性减小,会逐渐提高电磁波的相速,其末端的相速逐渐接近光速,减弱末端的反射，使得沿波导行进的波从被束缚的状态逐渐转换为自由空间波并辐射出去。
参考图1所示，图1为一个实施例的用于5G毫米波段的正交椭圆台形介质谐振器天线结构示意图，包括介质基板1、金属导电带4和介质谐振器6；
所述介质基板1包括上表面和下表面(如图1所示，2为介质基板1的上下表面)，所述上表面和下表面通过金属过孔3相连，所述金属过孔3对电磁场起到约束作用，所述上表面上蚀刻正交椭圆形缝隙5，通过正交椭圆形缝隙5将能量耦合到介质谐振器6中；所述介质谐振器6使用光敏树脂通过3D打印制作，安装在正交椭圆缝隙5的上方；所述介质谐振器6的上表面设置凹槽，以减小损耗，提高增益。
在一个实施例中，所述金属导电带通过带状线输入阻抗计算公式得到特性阻抗为50Ω的金属导电带尺寸。
在一个实施例中，所述介质基板带状线的介质基板。
在一个实施例中，所述介质基板的上表面和下表面分别为铜片接地板。
在一个实施例中，所述介质谐振器为正交椭圆台形介质谐振器。
具体地，上述用于5G毫米波段的正交椭圆台形介质谐振器天线如图1所示，包括7个部分，其中1为带状线的介质基板；2为介质基板的上下表面(铜片接地板)，两个地面通过金属过孔3相连，金属过孔3能对电磁场起到约束作用，可以提高增益；4为带状线的金属导电带，通过带状线输入阻抗计算公式得到特性阻抗为50Ω的金属导电带尺寸；5为介质板上表面上蚀刻的正交椭圆形缝隙，通过缝隙将能量耦合到介质谐振器中；6为正交椭圆台形介质谐振器，使用光敏树脂通过3D打印制作，安装在正交椭圆缝隙5的上方，是天线的主要辐射单元；7为在正交椭圆柱形介质谐振器上表面挖的凹槽，可以减小损耗，提高增益。
上述用于5G毫米波段的正交椭圆台形介质谐振器天线中，主要辐射单元为正交椭圆台形介质，与金属材料相比，欧姆损耗更低，效率更高且结构简单，加工成本低。介质表面开凹槽能降低损耗，提高天线增益。正交椭圆形缝隙能更好地与正交椭圆台形介质贴合，耦合的效率更高。经过仿真对比发现，正交椭圆形缝隙比一般缝隙增益更高。带状线馈电能减小后向辐射，提高增益。在带状线加两圈通孔，可以将能量集中在介质辐射单元处，进一步提高增益。本天线与现有技术相比，在5G毫米波段能得到更高的增益，最高增益达到13.52dB,带宽达到3.95GHz。
在一个实施例中，为验证上述用于5G毫米波段的正交椭圆台形介质谐振器天线的有效性，以如下的结构尺寸为例：
如图1所示，上述用于5G毫米波段的正交椭圆台形介质谐振器天线包括介质基板1，铜片2，通孔3，矩形金属导电带4，正交椭圆缝隙5，正交椭圆台形介质谐振器6，正交椭圆柱形凹槽7。
介质基板1长宽为20mm，高为1mm，这里采用的材料是介电常数为4.4的FR4板。铜片2长宽都为20mm，其中上表面的铜片开有正交椭圆形缝隙5，椭圆长半轴为2.4mm，短半轴为1.2mm。矩形金属导电带4长为11.1mm，宽为1.8mm。通孔3为圆柱形，半径为0.5mm。
正交椭圆台形介质谐振器6上表面椭圆长半轴为13.52mm，短半轴为7.76mm；下表面椭圆长半轴为6mm，短半轴为3mm；介质谐振器的高度为24mm。正交椭圆柱形凹槽7底面椭圆长半轴为4.96mm，短半轴为2.48mm，凹槽深度为11mm。介质谐振器的材料为光敏树脂，介电常数为3.5。
在一个示例中，图2为上述用于5G毫米波段的正交椭圆台形介质谐振器天线的带状线馈电部分，由上表面的缝隙向介质辐射部分馈电。图3表示带状线上金属过孔位置，通过金属过孔连接上下两个地面。图4为上述用于5G毫米波段的正交椭圆台形介质谐振器天线的S11曲线图。该天线在31.32GHz到35.27GHz范围内回波损耗都小于-10dB，有3.95GHz的带宽。图5示出了天线频率为32GHz时YOZ面的增益曲线图。最大辐射方向增益达到13.52dB，具有很高的增益。图6示出了天线频率为32GHz时YOZ面的方向图。图7示出了相应天线在带宽范围内多个频率点的增益图，天线在带宽范围内都有很高的增益，其中在32GHz时增益最高。
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 (4)

1.一种用于5G毫米波段的正交椭圆台形介质谐振器天线，其特征在于，包括介质基板、金属导电带和介质谐振器；
所述介质基板包括上表面和下表面，所述上表面和下表面通过金属过孔相连，所述金属过孔对电磁场起到约束作用，所述上表面上蚀刻正交椭圆形缝隙，通过正交椭圆形缝隙将能量耦合到介质谐振器中；所述介质谐振器使用光敏树脂通过3D打印制作，安装在正交椭圆缝隙的上方；所述介质谐振器的上表面设置凹槽，以减小损耗，提高增益；所述介质谐振器为正交椭圆台形介质谐振器。
2.根据权利要求1所述的用于5G毫米波段的正交椭圆台形介质谐振器天线，其特征在于，通过带状线输入阻抗计算公式得到特性阻抗为50Ω的金属导电带尺寸。
3.根据权利要求1所述的用于5G毫米波段的正交椭圆台形介质谐振器天线，其特征在于，所述介质基板为带状线的介质基板。
4.根据权利要求1所述的用于5G毫米波段的正交椭圆台形介质谐振器天线，其特征在于，所述介质基板的上表面和下表面分别为铜片接地板。
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