CN112259958B - 一种单馈双频双圆极化毫米波介质谐振器天线 - Google Patents

一种单馈双频双圆极化毫米波介质谐振器天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种单馈双频双圆极化毫米波介质谐振器天线，包括从下往上依次设置的第一层接地面、介质基板、金属面、第二层介质谐振器、第三层介质谐振器和金属条贴片，第一层介质基板上设置有纵向排列的第一通孔和横向排列的第二通孔，金属面的中部设有矩形槽，通过矩形槽对两层介质谐振器进行馈电，第三层介质谐振器的顶面印制有金属条贴片7；介质谐振器的TE111模和矩形槽缝隙辐射能够产生双频段辐射；由于低频和高频的辐射原理不同，电场分布相反，通过在介质谐振器上表面加金属条贴片，可以在低频和高频段内分别实现右旋和左旋圆极化；采用基片集成波导馈电能够有效降低损耗。层叠型介质谐振器使得天线工作频段展宽，带内增益提高。

Description

一种单馈双频双圆极化毫米波介质谐振器天线
技术领域
本发明属于微波无源器件技术领域，具体涉及一种单馈双频双圆极化毫米波介质谐振器天线。
背景技术
作为探索太空的一种途径，微小卫星由于其尺寸小，性能卓越和成本低廉而备受关注。自上世纪八十年代以来，微小卫星的发展十分迅速，已有多个国家和地区开展了微小卫星的研究工作。通过发展微小卫星技术，可以带动一批高新技术领域的研究发展。收发天线作为卫星通信系统的重要组件之一，其性能的优劣会直接影响到整个系统的通信质量。因此，研究基于微小卫星系统的天线具有重要应用价值。
毫米波通信可以提高通信容量，解决频谱资源紧张的问题，成为未来通信发展必然趋势。使用工作在毫米波频段的天线会大大降低系统的尺寸，减轻系统的重量，以满足微小卫星设计的轻载荷这一重要需求。微带天线虽然具有低剖面、轻质量等优点，但在高频段存在金属欧姆损耗大的问题。近年来，介质谐振器天线由于具有辐射效率高、体积小、成本低、宽带宽的优点而广受关注，其辐射部分是介质材料，没有欧姆损耗，在高频应用中也有较高的效率，因此在毫米波频段具有广泛的应用前景。为了补偿毫米波频段的高路径损耗，要求天线具有高增益和高效率。此外，随着微小卫星通信的迅速发展，需要用于收发双工的双频双圆极化高增益天线。圆极化天线具有很强的抗多径失真和极化失配损耗小的特点，在卫星通信系统中占有重要地位。双频双圆极化天线在其两个频段内，利用两个正交圆极化方式辐射，提高抗干扰性的同时实现收发双工与天线共用，大幅简化卫星通信系统结构。圆极化的实现有双馈点和单馈点两种方式：双馈点设计较为容易，但馈电网络尺寸较大，不利于小型化设计。单馈点设计的馈电结构简单且尺寸较小，但目前的单馈点天线在双频段内难以实现左右旋共存的双圆极化特性，且存在轴比带宽窄的问题。《IEEE TRANSATIONSON ANTENNAS AND PROPAGATION》2017年第65卷3期论文“Dual-band and dual-circularlypolarized single-layer microstrip array based on multiresonant modes”中介绍了一种加载两对枝节的双频双圆极化矩形贴片天线，然而其轴比带宽只有0.67％和0.6％。《IEEE ACCESS》2018年第6卷2期论文“Dual-Band Circularly Polarized ApertureCoupled Rectangular Dielectric Resonator Antenna for Wireless Applications”中介绍了一种双频双圆极化介质谐振器天线，介质谐振器通过三角形环缝隙和侧面金属贴片进行激励，其馈电结构较复杂，且轴比带宽仅为2.3％和3％。如何设计单馈点双频双圆极化天线并实现较宽的轴比带宽有待进一步研究。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种单馈双频双圆极化毫米波介质谐振器天线，避免了微带天线在毫米波频段金属损耗大的问题，简化了天线结构，天线尺寸也得到减小，且具有较宽的轴比带宽与较高的增益，更适用于卫星通信天线的设计，同时满足微小卫星通信收发双工的要求，提高了系统的抗干扰性，简化了系统结构。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是，一种单馈双频双圆极化毫米波介质谐振器天线，包括从下往上依次设置的第一层接地面、介质基板、金属面、第二层介质谐振器、第三层介质谐振器和金属条贴片，第一层介质基板上设置有纵向排列的第一通孔和横向排列的第二通孔，第一通孔设置有两列，第二通孔开设在两列第一通孔之间，金属面的中部设有矩形槽，通过矩形槽对两层介质谐振器进行馈电；第二层介质谐振器设置在矩形槽的中心位置上方，第三层介质谐振器和第二层介质谐振器均为长方体，第三层介质谐振器和第二层介质谐振器的长和宽相等，第三层介质谐振器的顶面印制有金属条贴片。
第一层介质基板和第二层介质谐振器的介电常数相同。
第二层介质谐振器的厚度大于第三层介质谐振器的厚度。
第二层介质谐振器和第三层介质谐振器的长和宽均为4.3mm，第二层介质谐振器的厚度为1.575mm，第三层介质谐振器的厚度为0.635mm。
矩形槽的大小为6.2mm×0.5mm，其长度小于低频中心频率所对应的半波长，大于高频中心频率所对应的半波长。
第一通孔布置两列，每列7个，第一列第一通孔与介质基板中心线的距离大于第二列第一通孔与介质基板中心线的距离；第二通孔开设在两列第一通孔之间，第二通孔设有两排，第一排一个，第二排四个，第二排近介质基板的边缘。
第一通孔的半径为0.5mm，相邻两个第一通孔间距为0.5mm，第一列第一通孔距离金属面中心线4.5mm，第二列第一通孔距离金属面中心线1.8mm；第二通孔的半径均为0.4mm，相邻两个第二通孔间距为0.5mm。
金属条贴片的中心线与第三层介质谐振器的上表面中心线设有45°夹角。
介质谐振器采用的材料型号为Rogers 6010，相对介电常数为10.2，损耗角正切为0.0023。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
将两个不同介电常数的介质谐振器层叠在一起置于矩形槽上，通过介质谐振器的TE111模和矩形槽缝隙辐射能够产生双频段辐射，由于低频和高频的辐射原理不同，电场分布相反，通过在介质谐振器上表面加金属条贴片，在低频和高频段内分别实现右旋和左旋圆极化，实现收发双工与天线共用，保证了天线结构的简单化；采用基片集成波导馈电能够有效降低损耗，层叠型介质谐振器使得天线工作频段展宽，带内增益提高，本发明天线可以实现双频双圆极化的特性，且具有体积小、宽带宽、高增益的特点，能够应用于微小卫星通信。
进一步的，该天线采用基片集成波导的馈电方式，便于集成。
附图说明
图1为本发明所述天线结构图
图2为本发明所述天线俯视图。
图3为本发明所述天线主视图
图4为本发明所述天线S11图。
图5为本发明所述天线低频段的轴比与增益图。
图6为本发明所述天线高频段的轴比与增益图。
图7为本发明所述天线的20GHz仿真方向图。
图8为本发明所述天线的30GHz仿真方向图。
具体实施方式
本发明的实施方式及详细说明如下：
图1、图2和图3分别为依据本发明所述方案设计的一种用于微小卫星的单馈双频双圆极化毫米波介质谐振器天线的3D结构爆炸示意图、俯视图及主视图。如图1、图2及图3所示，本发明所设计的单馈双频双极化介质谐振器天线，包括依次层叠的第一层介质基板2、第二层介质谐振器5、第三层介质谐振器6。
第三层介质谐振器6的介电常数高于第二层介质谐振器5的介电常数。
第一层接地面1的材质为金属；第二层介质谐振器5放置于矩形槽4的中心位置。
第三层介质谐振器6叠放在第二层介质谐振器5均为长方体，第三层介质谐振器6叠放在第二层介质谐振器5的上方，两个介质谐振器的长和宽相等。第三层介质谐振器的顶面印制有金属条贴片7。
在本实例中，对于用于微小卫星的单馈双频双圆极化毫米波介质谐振器天线，首先，相对高介电常数的第三层介质谐振器6叠放在相对低介电常数的第二层介质谐振器5上方，构成层叠型介质谐振器，置于第一层介质基板上矩形槽4的上方，通过所述层叠型介质谐振器，以及矩形槽4加载介质实现双频段辐射；相比单个介质谐振器天线，所述层叠型介质谐振器获得了更宽的带宽和更高的增益；在此基础上，在第三层介质谐振器6的上表面印制金属条贴片7，最终形成一种加载金属条贴片7的层叠型介质谐振器结构。加载金属条贴片7使所述层叠型介质谐振器天线获得双频双圆极化的特性，即加载金属条贴片7的层叠型介质谐振器天线能够提供低频段右旋圆极化和高频段左旋圆极化的特性。
射频激励信号先通过介质基板2的基片集成波导(SIW)，后通过矩形槽4馈入，从而对第二层介质谐振器5和加载了金属条贴片7的第三层介质谐振器6进行馈电，矩形槽4连同层叠型矩形介质谐振器用于产生双频辐射，第三层介质谐振器6上表面贴的金属条贴片7用来实现双圆极化。
本实施实例所采用的介质基板2及第二层介质谐振器5采用的材料型号为Rogers5880，相对介电常数为2.2，介质基板2厚度为0.381mm，第二层介质谐振器5的厚度为1.575mm，第三层介质谐振器6采用的材料型号为Rogers 6010，相对介电常数为10.2，第三层介质谐振器6的厚度为0.635mm；第二层介质谐振器5和介质谐振器6的长和宽相等，均为4.3mm，小于低频中心频率和高频中心频率所对应的半波长。
本发明实施的天线采用基片集成波导(SIW)馈电，所述馈电结构在介质基板2内部刻蚀第一通孔8和第二通孔9，第一通孔8分为纵向两列，每列7个，半径为0.5mm，相邻两个第一通孔间距为0.5mm，第一列第一通孔8距离金属面3中心线4.5mm，第二列第一通孔8距离金属面3中心线1.8mm；第二通孔9为横向，第二通孔9开设在两列第一通孔8之间，第二通孔9设有两排，第一排一个，第二排四个，第二通孔半径均为0.4mm，相邻两个第二通孔间距为0.5mm。金属面3中心刻蚀的矩形槽4，大小为6.2mm×0.5mm；其长度小于低频中心频率所对应的半波长，大于高频中心频率所对应的半波长。
介质谐振器6上表面加载的金属条贴片7放置的位置与第一层介质基板的中心线呈45°夹角，大小为2.7mm×0.9mm。
介质谐振器采用的材料型号为Rogers 6010，相对介电常数为10.2，损耗角正切为0.0023。
图4显示了本发明设计的用于微小卫星的单馈双频双圆极化毫米波介质谐振器天线实施实例频率响应，图中显示，本发明所述天线工作频段中低频段为19.8-20.8GHz，其阻抗带宽为5％，高频段为27.8-30GHz，其阻抗带宽为7.6％。
图5为本发明设计的用于微小卫星的单馈双频双圆极化毫米波介质谐振器天线实施实例工作在低频段时的轴比及增益，图中显示，相对轴比带宽为4％(19.9-20.7GHz)，增益最大为7dB，具有较宽的带宽和较高的增益。
图6显示了本发明设计的用于微小卫星的单馈双频双圆极化毫米波介质谐振器天线实施实例工作在高频段时的轴比及增益，图中显示，相对轴比带宽为4.1％(28.9-30.1GHz)，增益最大为8.8dB，具有较宽的带宽和较高的增益。
图7显示了本发明设计的用于微小卫星的单馈双频双圆极化毫米波介质谐振器天线实施实例工作的20GHz仿真方向图，该频段的交叉极化低于-32dB，交叉极化特性优良。
图8为本发明设计的用于微小卫星的单馈双频双圆极化毫米波介质谐振器天线实施实例工作的30GHz仿真方向图，该频段的交叉极化低于-28dB，交叉极化特性优良。
本发明设计通过将两个不同介电常数的介质谐振器层叠在一起置于矩形槽上，能够实现双频带的效果。并在介质谐振器最上方加上金属条贴片，能够产生双圆极化，其中低频段为右旋圆极化，高频段为左旋圆极化。层叠型介质谐振器天线能够提供更宽的带宽及更高的增益。同时，该天线采用基片集成波导馈电方式，便于集成。
由以上分析知，本发明设计的天线具有结构简单、无需外加匹配电路的优点,且具有较宽的轴比带宽和较高的增益，性能优良。
以上所述，仅是本发明的较佳实施实例，并非对本发明做任何形式上的限制，任何未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施实例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种单馈双频双圆极化毫米波介质谐振器天线，其特征在于，包括从下往上依次设置的第一层接地面（1）、介质基板（2）、金属面（3）、第二层介质谐振器（5）、第三层介质谐振器（6）和金属条贴片（7），介质基板（2）上设置有纵向排列的第一通孔（8）和横向排列的第二通孔（9），第一通孔（8）设置有两列，第二通孔（9）开设在两列第一通孔之间，金属面（3）的中部设有矩形槽（4），通过矩形槽（4）对两层介质谐振器进行馈电；第二层介质谐振器（5）设置在矩形槽（4）的中心位置上方，第三层介质谐振器（6）和第二层介质谐振器（5）均为长方体，第三层介质谐振器（6）和第二层介质谐振器（5）的长和宽相等，第三层介质谐振器（6）的顶面印制有金属条贴片（7）；矩形槽（4）的长度小于低频中心频率所对应的半波长，大于高频中心频率所对应的半波长；第一通孔（8）布置两列，每列7个，第一列第一通孔（8）与介质基板（2）中心线的距离大于第二列第一通孔（8）与介质基板（2）中心线的距离；第二通孔（9）开设在两列第一通孔（8）之间，第二通孔（9）设有两排，第一排一个，第二排四个，第二排近介质基板（2）的边缘；射频激励信号先通过介质基板（2）的基片集成波导，后通过矩形槽（4）馈入，对第二层介质谐振器（5）和加载了金属条贴片（7）的第三层介质谐振器（6）进行馈电，矩形槽（4）连同层叠型矩形介质谐振器用于产生双频辐射，金属条贴片（7）用来实现双圆极化；金属条贴片（7）的中心线与第三层介质谐振器（6）的上表面中心线设有45°夹角。
2.根据权利要求1所述的单馈双频双圆极化毫米波介质谐振器天线，其特征在于，介质基板（2）和第二层介质谐振器（5）的介电常数相同。
3.根据权利要求1所述的单馈双频双圆极化毫米波介质谐振器天线，其特征在于，第二层介质谐振器（5）的厚度大于第三层介质谐振器（6）的厚度。
4.根据权利要求1所述的单馈双频双圆极化毫米波介质谐振器天线，其特征在于，第二层介质谐振器（5）和第三层介质谐振器（6）的长和宽均为4.3mm，第二层介质谐振器（5）的厚度为1.575mm，第三层介质谐振器（6）的厚度为0.635mm。
5.根据权利要求1所述的单馈双频双圆极化毫米波介质谐振器天线，其特征在于，矩形槽（4）的大小为6.2mm×0.5mm。
6.根据权利要求1所述的单馈双频双圆极化毫米波介质谐振器天线，其特征在于，第一通孔（8）的半径为0.5mm，相邻两个第一通孔间距为0.5mm，第一列第一通孔（8）距离金属面（3）中心线4.5mm，第二列第一通孔（8）距离金属面（3）中心线1.8mm；第二通孔（9）的半径均为0.4mm，相邻两个第二通孔间距为0.5mm。
7.根据权利要求1所述的单馈双频双圆极化毫米波介质谐振器天线，其特征在于，第二层 介质谐振器（5）采用的材料型号为Rogers 6010，相对介电常数为10.2，损耗角正切为0.0023。
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