CN112003009B - 一种具有宽轴比波束的介质谐振器天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有宽轴比波束的介质谐振器天线，包括空气腔加载圆柱介质块、缝隙加载接地板、方形介质基板、弯角型微带馈线和输入端口。所述空气腔加载圆柱介质块包括介质块，以及中部的空气腔。所述缝隙加载接地板上有两处缝隙。所述方形介质基板在缝隙加载接地板的下方。所述弯角型微带馈线包括长矩形微带线、短矩形微带线和90°弯折角，均位于方形介质基板下方。所述输入端口处于方形介质基板侧面。由于采用了所提出的耦合馈电方式以及挖空气腔的设计使介质谐振器天线取得了较宽的轴比波束宽度，另外天线结构简单、加工简易、体积小、增益平稳，非常适用于大多数通信系统。

Description

一种具有宽轴比波束的介质谐振器天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，涉及一种具有宽轴比波束的介质谐振器天线。
背景技术
在无线通信系统不断发展和完善的过程中，人们对天线有了越来越高的要求。由于圆极化天线具有减轻极化失配和抑制多径干扰的能力，因此在雷达、卫星和移动通信系统等领域广泛应用。其中圆极化介质谐振器天线以其低成本、低损耗、高设计灵活性而备受关注。
在通信导航系统中，天线需要在比较宽的角度内接收信号，这样才能实现更精确定位。因此卫星导航定位系统对天线的轴比波束宽度要求比较高，一般要求天线轴比小于3dB时的波束宽度大于120°。目前关于宽轴比波束的介质谐振器天线的研究较少，大多介质谐振器天线侧重于宽带、高增益、双频等，因此宽轴比波束介质谐振器天线具有很大的发展前景。
发明内容
一种具有宽轴比波束的介质谐振器天线，包括空气腔加载圆柱介质块，缝隙加载接地板、方形介质基板、弯折型微带馈线和输入端口；
所述空气腔加载圆柱介质块包括圆柱形介质块和圆柱形空气腔；所述圆柱形介质块位于圆柱形空气腔的上方，所述圆柱形空气腔位于圆柱形介质块中部并与圆柱形介质块同轴；
所述缝隙加载接地板包括第一缝隙，第二缝隙和接地板；所述第一缝隙包括第一弧形缝隙、第二弧形缝隙、第三弧形缝隙和第一矩形缝隙；所述第二缝隙包括第四弧形缝隙、第五弧形缝隙、第六弧形缝隙和第二矩形缝隙；
所述弯折型微带馈线包括短矩形微带线、90°弯折角和长矩形微带线；所述长矩形微带线的一端与输入端口连接，另一端通过90°弯折角与短矩形微带线连接；所述短矩形微带线的另一端为开路；所述长矩形微带线位于第一矩形缝隙下方，且与第一矩形缝隙垂直；所述短矩形微带线与第一矩形缝隙平行。
所述第一矩形缝隙与第二矩形缝隙尺寸相同，相互垂直；所述第一弧形缝隙与第四弧形缝隙距离圆柱中心距离相同，第二弧形缝隙与第五弧形缝隙距离圆柱中心距离相同，第三弧形缝隙与第六弧形缝隙距离圆柱中心相同；所述弧形缝隙、第二弧形缝隙、第三弧形缝隙、第四弧形缝隙、第五弧形缝隙、第六弧形缝隙的尺寸不同，但其弧度均与圆柱一致。
通过调节所述空气腔的位置可获得对称的宽波束，通过调节短矩形微带线可以调整第一缝隙和第二缝隙的馈电电流，使空气腔加载圆柱介质块内产生两个幅度相等，相位相差90°的正交模式，形成圆极化波。
由于采用了上述技术方案，本发明提供了一种具有宽轴比波束的介质谐振器天线。所述介质谐振器天线，通过调节空气腔尺寸及相关参数使天线在工作频带内获得了较宽的轴比波束宽度，另外所述天线结构简单、加工简易、体积小适用于大多数实际应用场合。
附图说明
为了更加清晰直观地展示本发明的结构和结果，下面对所需要的使用的附图作简单的介绍。
图1是本发明具有宽轴比波束的介质谐振器天线的结构示意图；
图2是本发明具有宽轴比波束的介质谐振器天线的分解结构图；
图3是本发明具有宽轴比波束的介质谐振器天线的S11曲线图；
图4是本发明具有宽轴比波束的介质谐振器天线在1.7GHz的增益图；
图5是本发明具有宽轴比波束的介质谐振器天线在1.7GHz的轴比波束曲线；
图6是本发明具有宽轴比波束的介质谐振器天线在1.7GHz的轴比随频率变化曲线；
图中：1、空气腔加载圆柱介质块，11、圆柱形介质块,12、圆柱形空气腔，2、缝隙加载接地板，21、第一缝隙，22、第二缝隙，23、接地板，3、方形介质基板，4、弯折型微带馈线，41、短矩形微带线，42、90°弯折角，43、长矩形微带线，5、输入端口。
具体实施方式
下面结合附图和具体技术方案对本发明做一个详细完整的描述。
本发明采用的技术指标如下：
中心频率1.7GHz
极化方式：右旋圆极化
圆柱体介质介电常数：9.8
天线增益：≥5dBic
轴比波束宽度：>150°
阻抗带宽：>30％
如图1、2所示的一种具有宽轴比波束的介质谐振器天线，所述介质谐振器天线包括空气腔加载圆柱介质块1、缝隙加载接地板2、方形介质基板3、弯折型微带馈线4、输入端口5；所述空气腔加载圆柱介质块1包括圆柱形介质块11和圆柱形空气腔12；所述空气腔为圆柱体外形，位于空气腔加载圆柱介质块1的中部，其中心与空气腔加载圆柱介质块1的中心均位于圆柱体的中心轴上；所述空气腔加载圆柱介质块1位于缝隙加载接地板2上方；所述缝隙加载接地板包括第一缝隙21、第二缝隙22和接地板23；所述第一缝隙21包括第一弧形缝隙211、第二弧形缝隙212、第三弧形缝隙213和第一矩形缝隙214；所述第二缝隙22包括第四弧形缝隙221、第五弧形缝隙222、第六弧形缝隙223和第二矩形缝隙224。
进一步的，所述的弧形缝隙211、第二弧形缝隙212、第三弧形缝隙213、第四弧形缝隙221、第五弧形缝隙222、第六弧形缝隙223尺寸不同，但弧度均与圆柱一致，且所述第一矩形缝隙214与第二矩形缝隙224相互垂直，尺寸相同；所述方形介质基板3位于缝隙加载接地板2下方，且方形介质基板3的中心与空气腔加载圆柱介质块1的轴和圆柱形空气腔12的轴在一条线上。
进一步的，所述弯折型微带馈线4包括短矩形微带线41、90°弯折角42和长矩形微带线43，微带线位于方形介质基板3下方，输入端口5位于方形介质基板3侧面，且长矩形微带线43与输入端口5相连接；所述空气腔加载圆柱介质块1的高度和半径均是根据中心频率和介质的介电常数由相关公式计算得来；所述短矩形微带线41位于第一缝隙21右侧，且其垂直于第二矩形缝隙224，平行于第一矩形缝隙214，其长度不超出圆柱体外；所述长矩形微带线43位于第三弧形缝隙213和第二矩形缝隙224之间，在此区间对其位置微调可以优化天线圆极化性能；所述第一弧形缝隙211、第二弧形缝隙212和第三弧形缝隙213之间间距相同，第四弧形缝隙221、第五弧形缝隙222和第六弧形缝隙223之间间距相同；所述第一弧形缝隙211、第二弧形缝隙212和第三弧形缝隙213、第四弧形缝隙221、第五弧形缝隙222、第六弧形缝隙223的宽度均相同。
由于采用了上述技术方案，本发明提供了一种具有宽轴比波束的介质谐振器天线，所述介质谐振器天线采用了地板开槽，微带线在介质板底部馈电的方式；所述空气腔加载圆柱介质块1选用了介电常数为9.8的材料；可以通过对圆柱体介质块中的空气腔的尺寸的调节来获得较宽的轴比波束宽度；本天线结构简单，底部介质板所选材料为FR4，另外本天线加工简单，成本低，结构稳定，体积小，增益稳定，且在圆极化工作频带内具有较宽的轴比波束带宽，适用于大多数通信系统。
如图3所示，本发明提出的介质谐振器天线的10dB阻抗带宽覆盖1.46GHz到2.09GHz频段，在1.61GHz到1.96GHz频段内天线的S11小于-15dB，说明天线在此频段内匹配良好。
如图4所示，本发明提出的介质谐振器天线在1.7GHz频点时最大增益为5.3dB，半功率波束宽度为103°。
如图5所示，本发明提出的介质谐振器天线在1.7GHz频点上，当phi＝0deg时，3dB轴比波束宽度为175°；当phi＝45deg时，3dB轴比波束宽度为158°；当phi＝90°时，3dB轴比波束宽度为169°；当phi＝135°时，3dB轴比波束宽度为177°。说明本发明提出的介质谐振器天线在1.7GHz频点下可以接收较宽角度范围内的圆极化信号。
如图6所示，本发明提出的介质谐振器天线的3dB轴比带宽覆盖1.57GHz到1.83GHz频段，在此频段内天线处于圆极化工作状态。在1.7GHz处及附近频带内轴比均小于3dB，说明本发明提出的介质谐振器天线的圆极化性能良好。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种具有宽轴比波束的介质谐振器天线，其特征在于包括：空气腔加载圆柱介质块(1)、缝隙加载接地板(2)、方形介质基板(3)、弯折型微带馈线(4)和输入端口(5)；
所述空气腔加载圆柱介质块(1)包括圆柱形介质块(11)和圆柱形空气腔(12)；所述圆柱形空气腔(12)位于圆柱形介质块(11)的内部中间位置并与圆柱形介质块(11)同轴；
所述缝隙加载接地板(2)包括第一缝隙(21)、第二缝隙(22)和接地板(23)；所述第一缝隙(21)包括第一弧形缝隙(211)、第二弧形缝隙(212)、第三弧形缝隙(213)和第一矩形缝隙(214)；所述第二缝隙(22)包括第四弧形缝隙(221)、第五弧形缝隙(222)、第六弧形缝隙(223)和第二矩形缝隙(224)，所述第一弧形缝隙(211)、第二弧形缝隙(212)、第三弧形缝隙(213)的右端与第一矩形缝隙(214)的上端相连接，第四弧形缝隙(221)、第五弧形缝隙(222)、第六弧形缝隙(223)的右端与第二矩形缝隙(224)的上端相连接；
所述弯折型微带馈线(4)包括短矩形微带线(41)、90°弯折角(42)和长矩形微带线(43)；所述长矩形微带线(43)的一端与输入端口(5)连接、另一端通过90°弯折角(42)与短矩形微带线(41)连接；所述短矩形微带线(41)的另一端为开路；所述长矩形微带线(43)位于第一矩形缝隙(214)下方、且与第一矩形缝隙(214)垂直；所述短矩形微带线(41)与第一矩形缝隙(214)平行。
2.根据权利要求1所述的一种具有宽轴比波束的介质谐振器天线，其特征还在于：所述第一矩形缝隙(214)与第二矩形缝隙(224)尺寸相同、相互垂直；所述第一弧形缝隙(211)与第四弧形缝隙(221)距离圆柱中心距离相同，第二弧形缝隙(212)与第五弧形缝隙(222)距离圆柱中心距离相同，第三弧形缝隙(213)与第六弧形缝隙(223)距离圆柱中心相同；所述第一弧形缝隙(211)、第二弧形缝隙(212)、第三弧形缝隙(213)、第四弧形缝隙(221)、第五弧形缝隙(222)、第六弧形缝隙(223)的尺寸不同、但其弧度均与圆柱一致。
3.根据权利要求1所述的一种具有宽轴比波束的介质谐振器天线，其特征还在于：通过调节所述圆柱形空气腔(12)的位置获得对称的宽波束，通过调节短矩形微带线(41)调整第一缝隙(21)和第二缝隙(22)的馈电电流、使空气腔加载圆柱介质块(1)内产生两个幅度相等、相位相差90°的正交模式从而形成圆极化波。
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