CN112259967A - 一种宽波束介质谐振器天线 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种宽波束介质谐振器天线，用于解决现有技术中存在的波束较窄的技术问题，包括介质基板、印制在介质基板上表面的金属地板、固定在介质基板上表面中心位置的柱状介质谐振器、印制在金属地板下表面的微带线以及设置在介质谐振器周边的方环形金属壁；金属地板中心位置设置有平行于Y轴的矩形耦合缝隙；介质谐振器的顶部设置有穿过该介质谐振器中心轴线且平行于Y轴的凹槽；方环形金属壁每个边两端的上部设置有多个矩形锯齿；矩形微带线与矩形耦合缝隙在空间上垂直交叉，且交叉点，以及方环形金属壁的中点位于介质基板的中心法线上，介质谐振器的中心轴线与介质基板的中心法线重合，本发明实现了在E面和H面的较宽波束，且带宽较宽。

Description

一种宽波束介质谐振器天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，涉及一种宽波束介质谐振器天线，可应用于移动卫星通讯、卫星定位等无线通信系统中。

背景技术

随着无线通信的快速发展，很多无线通信系统都对天线的信号覆盖范围提出了更高的要求，要求天线能够提供更大的信号覆盖范围。因此，宽波束天线得到了越来越多的重视和关注。

介质谐振器天线是一种谐振腔式天线，自1983年被首次提出后，介质谐振器天线的研究就获得了广泛关注。和传统天线相比，介质谐振器天线具有较高的设计自由度、较高的辐射效率、多样的馈电形式以及多样的天线模式等优势。但是，介质谐振器天线多模辐射的特点也导致宽波束辐射特性在介质谐振器天线上更难实现。

目前，国内外对宽波束天线的研究多集中在微带天线以及磁电偶极子天线等传统天线上，对宽波束介质谐振器天线的研究相较匮乏。并且，目前技术中的宽波束介质谐振器天线的波束宽度较低，限制了这些天线在无线通信系统中的应用。

例如，申请公布号为CN 110247186 A，名称为“一种宽波束介质谐振器天线”的中国专利，公开了一种宽波束介质谐振器天线。该天线包括一个附着四块矩形介质片的介质谐振器和一个倒“U”型的金属地板。该发明工作在3.03-3.26GHz频段内，且该频段内E面波束宽度大致为210°，H面波束宽度大致为137°。然而，由于该天线采用的四个矩形介质片只能提升E面波束宽度，同时倒“U”型金属地板也只能提升该天线的H面波束宽度，因此波束宽度无法被进一步拓宽。此外，由于采用了高介电常数的矩形介质片，提高了介质谐振器的品质因数，导致了该天线的工作带宽较窄，限制了其在实际工程中的应用范围。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术存在的缺陷，提出了一种宽波束介质谐振器天线，用于解决现有技术中存在的波束较窄的技术问题，以扩展天线的应用范围。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案包括介质基板1、金属地板2和介质谐振器3。所述金属地板2印制在介质基板1的上表面，其中心位置蚀刻有矩形耦合缝隙4；所述介质谐振器3采用圆柱体或四棱柱体结构，固定在介质基板1上表面的中心位置；所述介质基板1的下表面印制有与矩形耦合缝隙4空间上交叉的矩形微带线5；

所述介质谐振器3的顶部设置有穿过该介质谐振器3中心轴线且平行于矩形耦合缝隙4的凹槽；所述介质谐振器3的周边设置有与介质基板1上表面固定的方环形金属壁6，该方环形金属壁6每个边两端的上部设置有关于该边中点对称的多个矩形锯齿61，且相邻边端点位置的矩形锯齿61相连。

上述一种宽波束介质谐振器天线，所述介质谐振器3，其中心轴线与介质基板1的中心法线重合。

上述一种宽波束介质谐振器天线，所述矩形微带线5与空间上交叉的矩形耦合缝隙4垂直，且交叉点位于矩形耦合缝隙4的中点位置。

上述一种宽波束介质谐振器天线，所述矩形微带线5，其与空间上交叉的矩形耦合缝隙4的交叉点位于介质基板1的中心法线上。

上述一种宽波束介质谐振器天线，所述介质谐振器3，其顶部设置的凹槽的横截面的形状为矩形，且该凹槽沿长度方向的中心线所在平面，与矩形耦合缝隙4沿长度方向的中心线所在平面共面。

上述一种宽波束介质谐振器天线，所述方环形金属壁6，其中心点位于介质基板1的中心法线上，且金属壁的边与介质基板1的板面垂直。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1)本发明的介质谐振器的顶部设置有穿过其中心轴线且平行于矩形耦合缝隙的凹槽，能够有效增强天线辐射时介质谐振器顶部的辐射强度，通过改变介质谐振器周围的辐射强度，能有效提升天线在E面的波束宽度，同时介质谐振器的周边设置有每个边两端的上部分布有关于该边中点对称的多个矩形锯齿，且相邻边端点位置的矩形锯齿相连方环形金属壁，矩形锯齿能够被激励起垂直于金属地板的感应电流，改变了天线的辐射场，能有效提升天线E面和H面的波束宽度，仿真结果表明，本发明在3.5GHz时E面波束宽度为255°，H面波束宽度为159°。

2)本发明介质谐振器的顶部设置有穿过其中心轴线且平行于矩形耦合缝隙的凹槽，由于凹槽结构改变了介质谐振器内部的电场分布，使介质谐振器低阶辐射模式的谐振频率得到提高，进而展宽了天线的带宽，仿真结果表明，本发明能覆盖2.6-3.72GHz频段。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的俯视图；

图3是本发明方环形金属壁的侧视图；

图4是本发明的驻波比VSWR仿真曲线图；

图5是本发明的轴向增益仿真曲线图；

图6是本发明在2.8GHz，3.2GHz，3.5GHz的E面和H面仿真增益方向图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述。

参照图1，本发明包括：介质基板1、金属地板2、介质谐振器3、矩形耦合缝隙4、矩形微带线5和方环形金属壁6，其中：

介质基板1采用介电常数为4.4、边长为80mm，厚度为0.8mm的正方形FR4介质板。

金属地板2印制在介质基板1的上表面，尺寸与介质基板1相同。矩形耦合缝隙4蚀刻在金属地板2的中心位置，且平行于Y轴，该矩形耦合缝隙4的尺寸为15mm×1.5mm。

介质谐振器3固定在介质基板1上表面的中心位置。由于四棱柱介质谐振器天线的工作模式相较于圆柱介质谐振器更容易被激励且工作理论更详尽，因此采用四棱柱介质谐振器作为实施例进行叙述。如图所示，介质谐振器3采用长方体结构，其上顶部设置有穿过该介质谐振器3中心轴线且平行于Y轴的凹槽，该凹槽的横截面的形状为矩形。介质谐振器1的高度为30mm，长度和宽度均为25mm，其顶部的凹槽高度为17mm，宽度为6mm，长度为25mm。

矩形微带线5印制在介质基板1的下表面，其沿介质基板1边缘的一端为连接标准50欧姆同轴线的天线输入端，另一端为开路端。矩形微带线5平行于X轴，且与矩形耦合缝隙4空间上交叉并垂直，该矩形微带线5的尺寸为46mm×1mm。

方环形金属壁6设置于介质谐振器3的周边，并固定在介质基板1上表面，其每个边两端的上部设置有关于该边中点对称的多个矩形锯齿61，且相邻边端点位置的矩形锯齿61相连。

如图2所示，介质谐振器3的中心轴线与介质基板1的中心法线重合；介质谐振器3的凹槽沿长度方向的中心线所在平面，与矩形耦合缝隙4沿长度方向的中心线所在平面共面；矩形微带线5平行于X轴，与其空间上交叉的矩形耦合缝隙4平行于Y轴，在空间上垂直，且二者的交叉点位于矩形耦合缝隙4的中点位置，该中心点交叉点位于介质基板1的中心法线上；方环形金属壁6的中心点位于介质基板1的中心法线上，且金属壁的边与介质基板1的板面垂直；方环形金属壁6的边长W21为58mm，厚度W22为2mm。

图3是本发明方环形金属壁的侧视图。如图所示，方环形金属壁6的高度L21为17mm，其上设置的矩形锯齿61的高度L22为10mm，宽度W23为2mm，矩形锯齿61之间的间距W22为2mm。

本发明拓宽波束的原理：

1、介质谐振器顶部的凹槽结构拓宽波束的原理：首先，考虑一个没有凹槽结构的置于无限大金属地板上的四棱柱介质谐振器，根据镜像原理，该介质谐振器可以等效为一个高度为原来两倍的介质谐振器。其次，根据等效原理，可以将该四棱柱介质谐振器等效为一个由四个磁流元组成的阵列。通过分析该阵列的远场辐射场，当介质谐振器顶部的平行于X轴的电场的辐射强度增大时，天线的E面(X-Z面)波束宽度可以得到提升。介质谐振器顶部的凹槽结构在介质谐振器顶部引入了一个介质-空气边界，根据电场的连续性，当平行于X轴的场通过该凹槽时，电场辐射强度能够得到提高，于是可以提升天线的E面波束宽度。

2、方环形金属壁拓宽波束的原理：由于介质谐振器的辐射，设置于介质谐振器周边的方环形金属壁上的矩形锯齿上能够耦合产生平行于Z轴的感应电流，耦合产生的感应电流可以等效为沿Z轴放置的电偶极子；将等效的电偶极子天线的辐射方向图和介质谐振器的辐射方向图叠加，可以增大天线低俯仰角度的增益，天线在E面和H面(Y-Z面)的波束宽度均能得到提升。

本发明结合了介质谐振器顶部的凹槽结构和矩形锯齿结构拓宽波束的优点，采用这种包括介质谐振器3和方环形金属壁6的复合结构，拓宽了天线E面和H面波束宽度。

以下结合仿真实验，对本发明的技术效果作进一步说明：

1、仿真条件和内容：

本发明利用商业仿真软件ANSYS HFSS v18.0对上述实施例在2.6-3.8GHz频段范围内进行了仿真计算。

仿真1：对天线的电压驻波比VSWR进行仿真计算，结果如图4所示。

仿真2：对天线的轴向增益进行仿真计算，结果如图5所示。

仿真3：对天线在2.8GHz，3.2GHz和3.5GHz处的辐射方向图进行仿真计算，结果如图6所示，其中：

图6(a)是本实施例在2.8GHz时的X-Z面和Y-Z面的辐射方向图

图6(b)是本实施例在3.2GHz时的X-Z面和Y-Z面的辐射方向图

图6(c)是本实施例在3.5GHz时的X-Z面和Y-Z面的辐射方向图

2、仿真结果分析：

图4是天线的电压驻波比VSWR的仿真结果。结果表明本发明在2.6-3.72GHz内驻波比小于2，阻抗匹配良好。

图5是天线的轴向增益的仿真结果。结果表明本发明在工作带宽内增益大于1.25dBi。

图6是天线在2.8GHz、3.2GHz和3.5GHz处的辐射方向图的仿真结果。从图6(a)、图6(b)和图6(c)可以看出带宽内天线在E面(X-Z面)和H面(Y-Z面)辐射方向图对称、稳定，且具有较低的交叉极化水平。此外，天线在3.5GHz时天线E面波束宽度为255°，H面波束宽度为159°。以上仿真结果说明，本发明天线在E面和H面均可以得到较高的波束宽度。

以上描述仅为本发明的一个优选实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和设计原理后，都可能在基于本发明的原理和结构的情况下，进行形式上和细节上的各种修正和改变，例如对天线结构的各种参数的改变。但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种宽波束介质谐振器天线，包括介质基板(1)、金属地板(2)和介质谐振器(3)；所述金属地板的(2)印制在介质基板(1)的上表面，其中心位置蚀刻有矩形耦合缝隙(4)；所述介质谐振器(3)采用圆柱体或四棱柱体结构，固定在介质基板(1)上表面的中心位置；所述介质基板(1)的下表面印制有与矩形耦合缝隙(4)空间上交叉的矩形微带线(5)；

其特征在于，所述介质谐振器(3)的顶部设置有穿过该介质谐振器(3)中心轴线且平行于矩形耦合缝隙(4)的凹槽；所述介质谐振器(3)的周边设置有与介质基板(1)上表面固定的方环形金属壁(6)，该方环形金属壁(6)每个边两端的上部设置有关于该边中点对称的多个矩形锯齿(61)，且相邻边端点位置的矩形锯齿(61)相连。

2.根据权利要求1所述的一种宽波束介质谐振器天线，其特征在于，所述介质谐振器(3)，其中心轴线与介质基板(1)的中心法线重合。

3.根据权利要求1所述的一种宽波束介质谐振器天线，其特征在于，所述矩形微带线(5)与空间上交叉的矩形耦合缝隙(4)垂直，且交叉点位于矩形耦合缝隙(4)的中点位置。

4.根据权利要求3所述的一种宽波束介质谐振器天线，其特征在于，所述矩形微带线(5)，其与空间上交叉的矩形耦合缝隙(4)的交叉点位于介质基板(1)的中心法线上。

5.根据权利要求1所述的一种宽波束介质谐振器天线，其特征在于，所述介质谐振器(3)，其顶部设置的凹槽的横截面的形状为矩形，且该凹槽沿长度方向的中心线所在平面，与矩形耦合缝隙(4)沿长度方向的中心线所在平面共面。

6.根据权利要求1所述的一种宽波束介质谐振器天线，其特征在于，所述方环形金属壁(6)，其中心点位于介质基板(1)的中心法线上，且金属壁的边与介质基板(1)的板面垂直。

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