CN111916906A - 一种低剖面且高增益宽频带介质谐振器天线 - Google Patents
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Abstract
一种低剖面且高增益宽频带介质谐振器天线，属于无线通信和天线技术领域，包括三层结构，其顶层为高介电常数的介质层，中间层为低介电常数的中间层介质基板，底层为低介电常数的底层介质基板。利用多个分离的高介电常数的介质块纵向排列，激励起介质谐振器天线的多个模式，并将两组分离模块沿横向排列，在低频处形成阵列形式增加增益，在高频处看成一个整体，激励起介质谐振器天线的高阶模式，在进一步展宽带宽的同时实现高增益辐射。本发明解决了现有宽频带介质谐振器天线剖面高度较高的问题，在低剖面的基础上，不仅实现了宽频带覆盖性能；具有高效率、质量轻、加工成本低的特点，有利于市场推广。
Description
技术领域
本发明属于无线通信和天线技术领域，涉及一种低剖面且高增益宽频带介质谐振器天线。
背景技术
Sub-6G频段由于传输距离和蜂窝覆盖范围方面的优势成为第五代移动通信技术(5G)的发展的关键频段，而相关技术的研发也成为5G建设的基石。同时，Sub-6G频段仍可沿用4G时期发展的相关频段和技术，节约运营商网络建设成本，并且能够很好的兼顾网络覆盖范围和建筑内部穿透能力。4G通讯中使用的频率大多低于2.6GHz，在5G建设的sub-6G频段新增的中频段要高于4G所使用的频段，国内工信部已公布我国5G中频段内的频率使用规划，明确了3.4-3.6GHz和4.8-5.0GHz频段作为5G系统的工作频段。但同时其他各国采用6GHz以下的其它頻段进行5G建设，因此设计能够覆盖3.3-6.0GHz的宽频带天线成为5G建设的必然趋势。与多个单频天线相比，宽频带天线具有尺寸小、结构简单、可集成化的特点，具有更多的工作模式，同时，在降低设备安装空间的同时节约了安装成本。在此背景下，宽带天线的小型化、低成本、高性能成为天线在5G时代激烈竞争环境下的关键。
介质谐振器天线因其结构紧凑，带宽较宽、损耗低、效率高、设计灵活等特点受到广泛关注。现有的宽频段介质谐振器天线设计主要通过改变天线形状、采用多层介质结构、多模激励、多谐振结构等形式拓展带宽。但这些研究通常或是带宽展宽受限或是剖面高度较高，而且存在宽频带工作模式下辐射很难具有稳定的、高增益的辐射特性。因此如何设计一款宽频带、低剖面且具有高增益、低成本特点的天线成为当前必须解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述已有技术不足，提出一种介质谐振器天线能够在低剖面下实现宽频带天线，该天线在阻抗带宽内维持稳定的定向辐射，具有高增益特性。介质谐振器天线特点如下：利用高介电常数且分离的介质块结构，能够激励起多个介质谐振器模式，通过模式合并形成低剖面且宽频带的设计，天线剖面高度～0.07λ0(λ0表示工作带宽的中心频率对应的波长)，天线阻抗带宽可覆盖3.25-6.10GHz(～61％)，天线阻抗带宽内可保持稳定的定向辐射，最高增益可达～9.5dBi，此外，天线地板大小与介质结构大小可比拟，具有体积小、质量轻、结构简单等优点。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种低剖面且高增益宽频带介质谐振器天线，所述的低剖面且高增益宽频带介质谐振器天线分为三层结构，利用多个分离的高介电常数的介质块纵向排列，激励起介质谐振器天线的多个模式，并将两组分离模块沿横向排列，在低频处形成阵列形式增加增益，在高频处看成一个整体，激励起介质谐振器天线的高阶模式，在进一步展宽带宽的同时实现高增益辐射。
所述的顶层为高介电常数的介质层，介质层由N个对称的、高介电常数的长方体介质块1组成，以N/2个纵向排列的介质块1为一组，且两组纵向排列的介质结构横向对称放置；每组相邻两个介质块1之间存在固定的间隙10A，两组介质结构之间存在间隙10B。所述N为偶数，且大于2。
所述的中间层为低介电常数的中间层介质基板2。
所述的底层为低介电常数的底层介质基板6；所述底层介质基板6的上层为金属地板层3，金属地板层3中部横向并排蚀刻两个对称缝隙耦合结构4，其并排放置方式与顶层两列介质结构的并排排列方式保持一致。所述底层介质基板6的下层为馈电层，馈电层为天线微带馈电结构8，所述天线微带馈电结构8包括馈电端口7，纵向微带线9、阻抗变换线11、一分为二功率分配微带线12以及短截线13，其中，一分为二功率分配微带线12包括单侧横向分布功率分配微带线12A、单侧纵向分布功率分配微带线12B，具体的：所述馈电端口7设于天线微带馈电结构8一侧下方，与纵向微带线9一端连接，所述纵向微带线9另一端与阻抗变换线11一端连接，所述阻抗变换线11与两个单侧横向分布功率分配微带线12A连接的中部相连，且阻抗变换线11与单侧横向分布功率分配微带线12A之间相互垂直；所述单侧横向功率分配微带线12A两端向馈电端口7方向设有单侧纵向分布功率分配微带线12B，单侧纵向分布功率分配微带线12B与可弯折到缝隙下方实现耦合的短截线13连接；所述两个缝隙耦合结构4位于短截线13上方(短截线13端部并不位于缝隙耦合结构4的正下方)，微带线上的信号能够通过耦合缝隙结构4耦合到中间层以及上层介质结构中。射频信号从馈电端口7馈入微带线9，经过阻抗变换线11，利用功率分配线12将功率一分为二，并通过短截线13将信号通过两个对称缝隙结构4耦合到中间层的介质基板2中和顶层的介质块1中。
进一步的，所述的间隙10A应足够小使得相邻介质块1之间的电场连续，一般应小于耦合缝隙4的宽度；所述的间隙10B应尽量小以减小旁瓣电平，一般低，应不大于1λ0。
进一步的，所述的两个对称缝隙耦合结构4之间的间隔5，不大于两组横向排列的介质块结构最外侧之间的间隔。
进一步的，所述的顶层介质块1选用介电常数不小于5。
进一步的，所述的中间层介质基板2选用介电常数不大于10。
进一步的，所述的底层介质基板6选用介电常数应不大于10。
本发明提供的低剖面且高增益宽频带介质谐振器天线能够在保持低剖面不大于0.1λ0的条件下，激励起多个谐振模式，从而展宽工作带宽，且在工作带宽内实现不小于5dBi的天线增益，所述谐振模式包括缝隙模式、介质谐振器
模式、
模式、以及
模式。值得一提的是，在激励起的多个模式中如缝隙模式，介质谐振器
模式、
模式时，由于馈电排列方式，可形成1×2的天线阵列，从而可增加低频处天线在天顶方向上的天线增益；而同时，本发明可看成一个整体，天线微带馈电结构8可激励起整个介质结构的
模式，因其为介质谐振器的高阶模式，具有高增益特点，同时还可以进一步展宽介质谐振器天线的工作带宽，最终形成低剖面且具有高增益的宽频带介质谐振器天线设计。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明解决了现有宽频带介质谐振器天线剖面高度较高的问题，在低剖面的基础上(剖面高度约为0.07λ0)，不仅实现了宽频带覆盖性能(相对带宽可达61％，可完全覆盖5G建设的sub-6G频段新增频段且具有较大富余)，并且该结构设计更能在实现的宽阻抗带宽内实现高增益特性(最高可达～9.5dBi)。总体来说，本发明所提出的低剖面、高增益的宽频带介质谐振器天线可满足电子通信设备所需的体积小、厚度低的需求，且对加工误差容忍度高，具有高效率、质量轻、加工成本低的特点，有利于市场推广。
附图说明
图1是本发明提出的低剖面高增益宽频带介质谐振器天线整体结构的剖视示意图；
图2(a)是本发明中顶层高介电常数介质层结构的剖视示意图；
图2(b)是本发明中中间层低介电常数介质基板的剖视示意图；
图2(c)是本发明中底层低介电常数介质基板的剖视示意图；
图2(d)是本发明中底层低介电常数介质基板上层结构的俯视示意图；
图2(e)是本发明中底层低介电常数介质基板下层结构的仰视示意图；
图3是本发明仿真的反射系数曲线图；
图4(a)是本发明中频率为3.5GHz时xz-和yz-平面上的辐射方向图；
图4(b)是本发明中频率为4.5GHz时xz-和yz-平面上的辐射方向图；
图4(c)是本发明中频率为5.2GHz时xz-和yz-平面上的辐射方向图；
图4(d)是本发明中频率为6.0GHz时xz-和yz-平面上的辐射方向图；
图5是本发明仿真的天线增益随频率变化图；
图中：1介质块；2中间层介质基板；3金属地板层；4耦合缝隙结构；5耦合缝隙之间的间隔；6底层介质基板；7馈电端口；8天线微带馈电结构；9纵向微带线；10A介质块之间的间隔；10B两排介质结构之间的间隔；11阻抗变换线；12一分为二功率分配微带线；12A单侧横向分布功率分配微带线；12B单侧纵向分布功率分配微带线；13短截线。
具体实施方式
下面结合说明书附图和技术方案，对本发明的具体实施方案作详细说明。
参见图1低剖面、高增益的天线整体结构透视图，天线整体由顶层的高介电常数的介质块1、中间层的低介电常数介质基板2以及底层的低介电常数介质基板6组成。
参见图2(a)顶层的高介电常数的介质结构由八个相同的长方体介质块1构成，以四个为一列纵向排列，每列中四个长方体介质块之间以小的空气空隙10A隔开，形成的两列介质结构以固定间隔10B横向并行放置，最终构成整体介质结构层；优选地，长方体介质块1的介电常数为36.5，长为17.5mm,宽为9.9mm，厚度为1.8mm,每列中长方体介质块间的空气空隙10A为0.3mm，两列介质结构之间的间隔10B为7.4mm。
参见图2(b)为中间层的低介电常数的介质基板2；优选地，介质基板选用介电常数为3.55的材料，介质基板2长为45mm、宽为45mm、厚度为0.8mm。
参考图2(c)为底层低介电常数的介质基板透视图，介质基板6上层为金属地板层3，结合参考图2(d)中地板层的俯视图，地板中心位置横向并排蚀刻两个耦合缝隙结构4，两个缝隙结构中心存在一定间隔5，其并排放置方式与顶层两列介质结构的并排排列方式保持一致；介质基板6下层为整个天线的微带线馈电结构8，结合参考图2(e)为微带线馈电结构的仰视图，信号由馈电端口7进入，整个微带馈电结构8包括一条沿着纵向的微带线9、一条阻抗变换线11、一分为二的功率分配线12(其中包括单侧横向分布的功率分配线12A和单侧纵向分布的功率分配线12B)、以及可弯折到缝隙下方实现耦合的短截线13；微带线上的信号可通过缝隙结构4耦合到中间层以及上层介质结构中，这样的馈电结构，不仅可以激励起缝隙本身谐振模式，还可以激励起介质结构中的多个介质谐振器模式，从而实现低剖面且宽带设计；优选地，介质基板6选用介电常数为3.55的材料，长为45mm、宽为45mm、厚度为0.508mm，单个缝隙结构4的长为15mm，宽为4mm，两个并排缝隙结构之间的间隔5为11.4mm，微带馈电结构中的纵向微带线9长为18.8mm，宽为1.1mm，阻抗变换线11的长为10.87mm，宽为1.6mm,一分为二功率分配线12的单侧横向部分12A长为15.7mm，宽为1.22mm,单侧纵向部分12B长为2.1mm,宽为1.22mm,短截线13长为10.5mm,宽为0.32mm。
参考图3为本发明提出的低剖面、高增益的宽频带介质谐振器天线的仿真反射系数图，从图可看出此天线在3.5GHz、4.5GHz、5.2GHz，6.0GHz四个频点处均可产生有效谐振，且四个谐振模式分别为缝隙模式、介质谐振器
模式、
模式、以及
模式，多个谐振模式合并可使相对阻抗带宽达61％，满足从3.25GHz到6.1GHz频率范围的全覆盖。
参考图4(a)-(d)为天线在各谐振频率点3.5GHz、4.5GHz、5.2GHz，6.0GHz处的辐射方向图，从图可以看出，在各谐振点均可实现+z方向(即天顶方向)的定向辐射，且方向图稳定。
参考图5为天线增益随频率变化图，在各谐振频率点3.5GHz、4.5GHz、5.2GHz，6.0GHz处的增益分别为5.8dBi、7.84dBi、9.1dBi、8.5dBi，天线在5.9GHz实现最大增益9.5dBi，在整个阻抗带宽内，天线增益均大于5.3dBi，平均增益为～7.4dBi，实现高增益特性。
本发明的创新点分析如下：本发明的关键点在于利用多个分离的高介电常数的介质块纵向排列，激励起介质谐振器天线的多个模式，并将两组分离模块沿着横向排列，在低频处形成阵列形式增加增益，在高频处可看成一个整体，激励起介质谐振器天线的高阶模式，在进一步展宽带宽的同时实现高增益辐射；最终通过多个模式合并，在剖面高度为～0.07λ0时，实现10-dB相对阻抗带宽61％，且平均增益达7.4dBi。保护点：
(1)引入分离的多个矩形介质块，但不限于矩形，纵向排列，利用弱耦合激励起介质谐振器的多个谐振模式，实现宽带设计，但不仅限于宽带设计，仍可以用于多频带设计。且多个矩形介质块尺寸不限于相同尺寸，每个介质块均可具有不同尺寸。
(2)利用横向并排放置的方式，但不限于两列排列，使得天线在低频处形成1×2阵列，增加低频处天线增益，同时在高频处两列结构可构成整体，激励起介质谐振器的高阶模式，所激励起的高阶模式具有高增益效果的同时，能够进一步展宽工作带宽。另外横向并排的放置方式，由于中间间隔为空气，与整个平面的实心介质结构相比，天线重量得到减轻，同时也降低材料成本。
(3)所发明天线的馈电结构不限于缝隙耦合方式，可采用金属带条，同轴线等方式进行馈电。
(4)所发明的天线不限于所给出的两排并行放置共同构成整体进行高增益辐射，可只利用单排介质结构进行辐射，同样具有宽频带或者多频带辐射特性。
(5)所发明的天线既可单独应用，也可以作为单个辐射单元用于阵列设计当中，实现更强的定向辐射的高增益天线或者波束扫描相控阵天线。
(6)天线设计以sub 6GHz热点频段为例，但不仅限于该频段，该设计技术可拓展到任意频段。
以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种低剖面且高增益宽频带介质谐振器天线，其特征在于，所述的低剖面且高增益宽频带介质谐振器天线分为三层结构；
其顶层为高介电常数的介质层，介质层由N个对称的、高介电常数的长方体介质块(1)组成，以N/2个纵向排列的介质块(1)为一组，且两组纵向排列的介质结构横向对称放置；每组相邻两个介质块(1)之间存在间隙10A，两组介质结构之间存在间隙10B；所述N为偶数，且大于2；
其中间层为低介电常数的中间层介质基板(2)；
其底层为低介电常数的底层介质基板(6)；所述底层介质基板(6)的上层为金属地板层(3)，金属地板层(3)中部横向并排蚀刻两个对称缝隙耦合结构(4)，其并排放置方式与顶层两列介质结构的并排排列方式保持一致；所述底层介质基板(6)的下层为馈电层，馈电层为天线微带馈电结构(8)；所述天线微带馈电结构(8)包括馈电端口(7)、纵向微带线(9)、阻抗变换线(11)、一分为二功率分配微带线(12)以及短截线(13)，其中，一分为二功率分配微带线(12)包括单侧横向分布功率分配微带线(12)A、单侧纵向分布功率分配微带线(12)B，具体的：
所述的馈电端口(7)设于天线微带馈电结构(8)一侧下方，与纵向微带线(9)一端连接，所述纵向微带线(9)另一端与阻抗变换线(11)一端连接，所述阻抗变换线(11)与两个单侧横向分布功率分配微带线(12)A连接的中部相连；所述单侧横向功率分配微带线(12)A两端向馈电端口(7)方向设有单侧纵向分布功率分配微带线(12)B，单侧纵向分布功率分配微带线(12)B与可弯折到缝隙下方实现耦合的短截线(13)连接；射频信号从馈电端口(7)馈入微带线(9)，经过阻抗变换线(11)，利用功率分配线(12)A将功率一分为二，并通过短截线(13)将信号通过两个对称缝隙结构(4)耦合到中间层的介质基板(2)中和顶层的介质块(1)中；
利用顶层多个分离的高介电常数的介质块纵向排列，激励起介质谐振器天线的多个模式，并将两组分离模块沿横向排列，在低频处形成阵列形式增加增益，在高频处看成一个整体，激励起介质谐振器天线的高阶模式，进一步展宽带宽的同时实现高增益辐射。
2.根据权利要求1所述的一种低剖面且高增益宽频带介质谐振器天线，其特征在于，所述的间隙10A小于耦合缝隙4的宽度，使相邻介质块(1)之间的电场连续。
3.根据权利要求1所述的一种低剖面且高增益宽频带介质谐振器天线，其特征在于，所述的间隙10B不大于1λ0，减小旁瓣电平。
4.根据权利要求1所述的一种低剖面且高增益宽频带介质谐振器天线，其特征在于，所述的两个对称缝隙耦合结构(4)之间的间隔不大于两组横向排列的介质块结构最外侧之间的间隔。
5.根据权利要求1所述的一种低剖面且高增益宽频带介质谐振器天线，其特征在于，所述的顶层介质块(1)选用介电常数不小于5。
6.根据权利要求1所述的一种低剖面且高增益宽频带介质谐振器天线，其特征在于，所述的中间层介质基板(2)选用介电常数不大于10。
7.根据权利要求1所述的一种低剖面且高增益宽频带介质谐振器天线，其特征在于，所述的底层介质基板(6)选用介电常数应不大于10。
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