CN111834739A - 一种四模宽带高增益差分介质谐振器天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种四模宽带高增益差分介质谐振器天线，包括：辐射单元，包括至少一个长方体状的介质谐振器，每个所述介质谐振器的一对相对两侧面上平行设置两个“T”型激励结构；金属地；以及金属电路层，所述金属电路层设置一个输入端口；其中，所述“T”型激励结构包括横向金属带条以及竖向金属带条，所述竖向金属带条的一端与所述横向金属带条的中部连接，所述竖向金属带条的另一端与所述第一介质板连接。本发明的一种四模宽带高增益差分介质谐振器天线，通过介质谐振器的四个高次模
Figure DDA0002583242290000011
和
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设计差分介质谐振天线，与现有技术相比提高了4～5dBi的增益，但是馈电网络的设计复杂度确大大降低，且获得了一个较宽的辐射带宽。

Description

一种四模宽带高增益差分介质谐振器天线
技术领域
本发明涉及介质谐振天线技术领域，具体涉及一种四模宽带高增益差分介质谐振器天线。
背景技术
随着现代无线通信的不断发展，通信系统对射频前端天线的要求也越来越高。差分天线因其稳定对称的方向图、较高的集成度等优势而成为国内外一大研究热点，也逐渐被引入到无线通信系统中。近几年，差分天线得到了广泛的研究。其中，介质谐振器具有空载品质因数高、温度稳定性良好、设计灵活、馈电方式多样、制作工艺简单等诸多有点，已成为差分天线的重要选择。现有差分介质谐振器天线的辐射通带通常包含1-2个谐振频率较低的谐振模式，这使得所设计的差分介质谐振器天线增益较低，一般只有4-5dBi。若要实现较高的增益(如12dBi)，通常需要4-6个介质谐振器天线单元进行组阵。天线单元的增多使得馈电网络的复杂度急剧增高，也使得整个天线阵的尺寸变得很大。在实现相同天线阵增益的情况下，要减少介质谐振器天线单元的个数，就需要设计出高增益的介质谐振器天线单元。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种四模宽带高增益差分介质谐振器天线，通过介质谐振器的四个高次模
Figure BDA0002583242270000011
和
Figure BDA0002583242270000012
设计差分介质谐振天线，与现有技术相比提高了4～5dBi的增益，但是馈电网络的设计复杂度确大大降低，且获得了一个较宽的辐射带宽。
为了实现以上目的，本发明采取的一种技术方案是：
一种四模宽带高增益差分介质谐振器天线，包括：辐射单元，包括至少一个长方体状的介质谐振器，所述介质谐振器设置在第一介质基板上，每个所述介质谐振器的一对相对两侧面上平行设置两个“T”型激励结构；金属地，设置在所述第一介质基板远离所述介质谐振器的一面，所述金属地的另一面与第二介质基板连接；以及金属电路层，设置在所述第二介质基板远离所述金属地的一面，所述金属电路层上设有输入端口；其中，所述“T”型激励结构包括横向金属带条以及竖向金属带条，所述竖向金属带条的一端与所述横向金属带条的中部连接，所述竖向金属带条的另一端与所述第一介质板连接。
进一步地，所述第一介质基板设置第一金属化通孔，所述第二介质基板上设置第二金属化通孔，所述金属地上设置刻蚀孔，每个所述刻蚀孔与一个所述第一金属化通孔以及一个所述第二金属化通孔同轴线设置，所述第一金属化通孔穿过所述刻蚀孔与所述第二金属化通孔连接；所述竖向金属带条与所述第一金属化通孔连接。
进一步地，所述刻蚀孔的直径大于所述第一金属化通孔以及所述第二金属化通孔的直径。
进一步地，所述介质谐振器的材质为陶瓷材料，所述陶瓷材料的相对介电常数为10.5，损耗角正切为0.00015。
进一步地，所述第一介质板以及所述第二介质板为PCB板。本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
本发明的一种四模宽带高增益差分介质谐振器天线，每个所述介质谐振器上的一对“T”型激励结构分别形成了四个高次模
Figure BDA0002583242270000025
和
Figure BDA0002583242270000026
的差分激励结构，高次模可以为天线带来较高的增益，每个介质谐振器单元与现有技术相比可提高4～5dBi的增益，大大降低了馈电网络的设计复杂度。可以通过控制所述”T”型激励结构的尺寸将四个高次模设计在同一个辐射通带内，能够得到一个较宽的辐射带宽。
附图说明
下面结合附图，通过对本发明的具体实施方式详细描述，将使本发明的技术方案及其有益效果显而易见。
图1所示为本发明一实施例的四模宽带高增益差分介质谐振器天线结构爆炸图；
图2所示为本发明一实施例的四种谐振模式场分布俯视图：(a)
Figure BDA0002583242270000021
(b)
Figure BDA0002583242270000022
(c)
Figure BDA0002583242270000023
(d)
Figure BDA0002583242270000024
图3所示为本发明一实施例的四模宽带高增益介质谐振器天线单元及其差分激励结构；
图4所示为本发明一实施例的四模宽带高增益差分谐振器天线一实施例的仿真和测试结果(S11和增益)；
图5所示为本发明一实施例的四模宽带高增益差分谐振器天线一实施例的仿真和测试结果(辐射方向图)：(a)2.38GHz；(b)2.47GHz；(c)2.61GHz；(d)2.73GHz。
图中附图标记：
1-介质谐振器、21-“T”型激励结构、211-横向金属带条、212-竖向金属带条、3-第一介质基板、4-金属地、5-第二介质基板、6-金属电路层、7-LTCC180°功分移相器、811-第一刻蚀孔、812-第二刻蚀孔、813-第三刻蚀孔、814-第四刻蚀孔、9-输入端口。
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。
本实施例提供了一种四模宽带高增益差分介质谐振器天线，如图1所示，包括：辐射单元、第一介质基板3、第二介质基板5、金属地4以及金属电路层6，所述介质谐振器1设置在第一介质基板3上，所述金属地4设置在所述第一介质基板3以及所述第二介质基板5之间，所述金属电路层6设置在所述第二介质基板5远离所述金属地4的一面。
所述辐射单位为长方体状的介质谐振器1，如图2所示，利用所述介质谐振器1的高次模设计差分天线，首先对所述介质谐振器1的谐振模式进行了仿真分析，得到了各个模式的电场分布，从中选出了四个高次模
Figure BDA0002583242270000031
和
Figure BDA0002583242270000032
从而提出了一种四模介质谐振器天线单元。如图3所示，根据所述电场分布图，在所述介质谐振器1的一对相对两侧面上平行设置两“T”型激励结构21，所述“T”型激励结构21在其所在的侧面居中设置。所述“T”型激励结构21包括横向金属带条211以及竖向金属带条212，所述竖向金属带条212的一端与所述横向金属带条211的中部连接，所述竖向金属带条212的另一端与所述第一介质板3连接。同一长方体的所述介质谐振器1上的两条竖向金属带条212的下端用于差分信号的激励。控制金属“T”型结构的尺寸可以很好地激励上述四个模式并形成一个较宽的辐射带宽，且由于四个模式均为高次模，所以得到的介质谐振器天线单元的增益较传统利用较低模式设计的介质谐振器天线显著提高，约4～5dBi。
所述介质谐振器1的材质为陶瓷材料，所述陶瓷材料的相对介电常数为10.5，损耗角正切为0.00015。所述第一介质板3以及所述第二介质板5为PCB板。所述第一介质板3、所述金属地4、所述第二介质板5、所述金属电路层6以及所述LTCC 180°功分移相器7构成了所述介质谐振器天线阵列的馈电网络，为两个天线单元提供两对等幅同相的差分激励信号。
所述第一介质基板3设置第一金属化通孔，所述第二介质基板5上设置第二金属化通孔，所述金属地4上设置刻蚀孔，所述竖向金属带条212与所述第一金属化通孔连接。每个所述刻蚀孔与一个所述第一金属化通孔以及一个所述第二金属化通孔同轴线设置，所述第一金属化通孔穿过所述刻蚀孔与所述第二金属化通孔连接。所述刻蚀孔的直径大于所述第一金属化通孔以及所述第二金属化通孔的直径。所述第一金属化通孔以及所述第二金属化通孔在所述金属地4上的投影位于所述刻蚀孔内，防止所述第一金属化通孔以及所述第二金属化通孔的信号被接地短路。所述金属电路层6上设有输入端口9。优选所述差分介质谐振器天线上可以根据增益值的需要选择设置两个、四个、六个或其他多个所述介质谐振器1，下面以所述差分介质谐振器天线上设置两个所述介质谐振器1进行说明。
设计所述介质谐振器1的长、宽、高分别为77mm、77mm、13mm，所述横向金属带条211的宽度w2＝3.5mm，所述横向金属带条211的长度L2＝56mm，所述竖向金属带条212的宽度w1＝1mm，所述竖向金属带条212的长度L1＝4mm。每个所述介质谐振器1对应两个竖向金属带条212，每个所述第一介质基板3上设置四个所述第一金属化通孔，每个所述金属地4上设置4个刻蚀孔，分别为第一刻蚀孔811、第二刻蚀孔812、第三刻蚀孔813、第四刻蚀孔814，每个所述第二介质基板5上设置四个所述第二金属化通孔。所述第一金属化通孔、所述刻蚀孔与所述第二金属化通孔的数量和位置一一对应。对该实施例进行了仿真、加工和测试。该实施例的S11和增益的仿真与测试结果如图4所示。可以看出，测试的阻抗带宽值达到了15.7％(2.34-2.74GHz)，与仿真结果吻合良好。在通带范围内，增益的仿真和测试曲线相似，测试的最大增益在2.6GHz处获得，为13.5dBi。如图5所示，给出了天线在2.38GHz、2.47GHz、2.61GHz和2.73GHz四个谐振点上两个正交面(E面和H面)的仿真和测试辐射方向图。可见测试的辐射方向图和仿真的相比，在3-dB波束范围内吻合较为良好。在四个频点处，E面和H面得到的交叉极化均低于-30dB，展现了良好的线极化性能。
以上所述仅为本发明的示例性实施例，并非因此限制本发明专利保护范围，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 (5)

1.一种四模宽带高增益差分介质谐振器天线，其特征在于，包括：
辐射单元，包括至少一个长方体状的介质谐振器(1)，所述介质谐振器(1)设置在第一介质基板(3)上，每个所述介质谐振器(1)的一对相对两侧面上平行设置两个“T”型激励结构(21)；
金属地(4)，设置在所述第一介质基板(3)远离所述介质谐振器(1)的一面，所述金属地(4)的另一面与第二介质基板(5)连接；以及
金属电路层(6)，设置在所述第二介质基板(5)远离所述金属地(4)的一面，所述金属电路层(6)上设有输入端口(9)；
其中，所述“T”型激励结构(21)包括横向金属带条(211)以及竖向金属带条(212)，所述竖向金属带条(212)的一端与所述横向金属带条(211)的中部连接，所述竖向金属带条(212)的另一端与所述第一介质板(3)连接。
2.根据权利要求1所述的四模宽带高增益差分介质谐振器天线，其特征在于，所述第一介质基板(3)设置第一金属化通孔，所述第二介质基板(5)上设置第二金属化通孔，所述金属地(4)上设置刻蚀孔，每个所述刻蚀孔与一个所述第一金属化通孔以及一个所述第二金属化通孔同轴线设置，所述第一金属化通孔穿过所述刻蚀孔与所述第二金属化通孔连接；所述竖向金属带条(212)与所述第一金属化通孔连接。
3.根据权利要求2所述的四模宽带高增益差分介质谐振器天线，其特征在于，所述刻蚀孔的直径大于所述第一金属化通孔以及所述第二金属化通孔的直径。
4.根据权利要求1所述的四模宽带高增益差分介质谐振器天线，其特征在于，所述介质谐振器(1)的材质为陶瓷材料，所述陶瓷材料的相对介电常数为10.5，损耗角正切为0.00015。
5.根据权利要求1所述的四模宽带高增益差分介质谐振器天线，其特征在于，所述第一介质板(3)以及所述第二介质板(5)为PCB板。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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