CN112909514B - 一种三模三端口全向圆柱形介质谐振器天线 - Google Patents

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发明属于无线通信领域的天线，特别涉及一种三模三端口全向圆柱形介质谐振器天线，其特征是：至少包括圆柱形介质谐振器(1)、介质板(3)、十字形金属贴片(2)、最下层的地板(7)和端口(10)，圆柱形介质谐振器(1)为中心对称结构，它作为天线的主辐射体位于整个天线结构的最上层，地板(7)是圆形金属片位于整个天线的最下层，介质板(3)在地板(7)上面；十字形金属贴片(2)印制在介质板(3)的上表面；所述的十字形金属贴片(2)通过金属化过孔(5)与位于介质板(3)下层的地板(7)连通。它提供了一种结构紧凑简单、多端口、多模式、全向辐射、高辐射效率、稳定的增益和方向图的三模三端口全向圆柱形介质谐振器天线。

Description

一种三模三端口全向圆柱形介质谐振器天线
技术领域
发明属于无线通信领域的天线，特别涉及一种三模三端口全向圆柱形介质谐振器天线。
背景技术
介质谐振器天线具有辐射效率高，零金属损耗，小体积，低剖面以及形状灵活等优点。随着现代移动通信技术的发展，介质谐振器天线的应用越来越广阔。对于室内无线局域网应用，多输入多输出天线具有增加容量，降低误码率等优势。多输入多输出天线的阶数是其提升通信性能的重要参数。多端口天线作为多输入多输出天线可以提升其阶数，通过每个端口输入不同的正交信号提高信道容量或者输入相同的信号以降低误码率。
近年来出现了各种介质谐振器天线，大致可以分为三类：球形、矩形和圆柱形。目前公开的多端口介质谐振器天线中，大多只能做到两个端口的辐射方向图是水平全向。一些三端口介质谐振器天线的方案是两个端口实现全向而另一个端口是定向的，定向辐射的端口导致能量的浪费没有实现有效的室内覆盖。
发明内容
本发明提供了一种结构紧凑简单、多端口、多模式、全向辐射、高辐射效率、稳定的增益和方向图的三模三端口全向圆柱形介质谐振器天线。
本发明采用如下技术方案：一种三模三端口全向圆柱形介质谐振器天线，其特征是：至少包括圆柱形介质谐振器(1)、介质板(3)、十字形金属贴片(2)、最下层的地板(7)和端口(10)，圆柱形介质谐振器(1)为中心对称结构，它作为天线的主辐射体位于整个天线结构的最上层，地板(7)是圆形金属片位于整个天线的最下层，介质板(3)在地板(7)上面；十字形金属贴片(2)印制在介质板(3)的上表面；所述的十字形金属贴片(2)通过金属化过孔(5)与位于介质板(3)下层的地板(7)连通；所述的端口(10)有三个，分别是第一端口(11)、第二端口(12)、第三端口(13)；第一端口(11)切角矩形法兰盘固定在介质板(3)的下层地板(7)上，第一端口(11)的同轴内芯(6)插入介质板(3)中与上层十字形金属贴片(2)连接；第二端口(12)和第三端口(13)的切角矩形法兰盘固定在介质板(3)的下层地板(7)上，圆柱形探针(4)伸出介质板(3)紧靠圆柱形介质谐振器(1)，通过调节B1矩形短路枝节、B2矩形短路枝节、B3矩形短路枝节和B4矩形短路枝节的长度和宽度以及两个探针(4)的高度可以分别对端口(10)的第一端口(11)的TM01δ、第二端口(12)和第三端口(13)的HEM21δ模式的匹配进行调整。
所述的十字形金属贴片(2)由圆形金属贴片(8)与矩形短路枝节(9)构成，四个矩形短路枝节(9)位于圆柱形介质谐振器(1)和介质板(3)之间，矩形短路枝节(9)有四个，分别是B1矩形短路枝节、B2矩形短路枝节、B3矩形短路枝节和B4矩形短路枝节，B1矩形短路枝节、B2矩形短路枝节、B3矩形短路枝节和B4矩形短路枝节呈中心对称分布；B1矩形短路枝节、B2矩形短路枝节、B3矩形短路枝节和B4矩形短路枝节(9)分别由金属化过孔(5)与位于介质板(3)下层的地板(7)连通。
所述的金属化过孔(5)有四个，四个金属化过孔(5)分别连通十字形金属贴片(2)和最下层的地板(7)，所述的四个矩形短路枝节(9)利用四个金属化过孔(5)与位于底层的地板(7)连接实现终端短路。
所述的介质板(3)是Rogers 4003板材，圆柱形介质谐振器利用介电常数为9.5的陶瓷材料制成；所述的天线介质板(3)为双面的PCB板，下层是全覆金属层作为地板(7)，上层为十字形贴片结构，两者通过短路通孔上下电导通；天线的主辐射体是圆柱形介质谐振器(1)。
所述的圆柱形介质谐振器(1)半径是26.45mm，高度是20.5mm。
所述的介质板(3)为圆形，半径是50mm，厚度为1.524mm。
所述的天线地板(7)是圆形，半径是50mm。
所述的第一端口(11)的法兰盘焊接在介质板(3)下层的地板(7)上，同轴内芯(6)与十字形金属贴片(2)焊接；第二端口(12)和第三端口(13)的法兰盘与地板(7)焊接，同轴内芯(6)与圆柱形介质谐振器紧密贴合，不留空隙；探针(4)超出介质板(3)的长度12.3mm；两个探针(4)与整个天线的中心构成的圆心角，圆心角为135°。
所述的十字形金属贴片(2)的圆形金属贴片(8)的半径是5.4mm，B1矩形短路枝节、B2矩形短路枝节、B3矩形短路枝节和B4矩形短路枝节尺寸一致，长度是12.5mm，宽度是5.4mm。
所述的端口中的反射系数小于-10dB，三个端口的任意两个端口之间的隔离度大于15dB；第一端口(11)的增益在2dBi±，第二端口(12)和第三端口(13)增益在3dBi±10％，三个端口的增益波动小于1dB。
本发明所公开的天线，圆柱形介质谐振器为中心对称结构，由圆形贴片和四个矩形短路枝节构成的十字形贴片也呈中心对称分布，这种结构可以保证天线辐射方向图和其相位中心的对称性和稳定性。
本发明所公开的天线具有结构紧凑简单、多端口、多模式、全向辐射、高辐射效率、稳定的增益和方向图等优点，适合应用于无线通信领域，所述的无线通信包括但不限于卫星通信和无线局域网。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例对本发明进行进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例1所公开天线的立体结构示意图；
图2是本发明实施例1所公开天线的侧视结构示意图；
图3是本发明实施例1所公开天线的俯视结构示意图；
图4是本发明实施例1所公开天线各个端口的反射系数数据图；
图5是本发明实施例1所公开天线任意两个端口之间的端口隔离度数据图；
图6是本发明实施例1所公开天线的辐射方向图。
图7是本发明实施例1所公开天线的增益数据图。
图中，1、圆柱形介质谐振器；2、十字形金属贴片；3、介质板；4、探针；5、金属化过孔；6、同轴内芯；7、地板；8、圆形金属贴片；9、矩形短路枝节；10、端口；11、第一端口；12、第二端口；13、第三端口。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1、图2、图3所示，一种三模三端口全向圆柱形介质谐振器天线，其特征是：至少包括圆柱形介质谐振器1、介质板3、十字形贴片2、最下层的地板7和端口10，圆柱形介质谐振器1为中心对称结构，它作为天线的主辐射体位于整个天线结构的最上层，地板7是圆形金属片位于整个天线的最下层，介质板3在地板7上面；十字形金属贴片2印制在介质板3的上表面；所述的十字形金属贴片2通过金属化过孔5与位于介质板3下层的地板7连通；所述的端口10有三个，分别是第一端口11、第二端口12、第三端口13；第一端口11切角矩形法兰盘固定在介质板3的下层地板7上，第一端口11的同轴内芯6插入介质板3中与上层十字形贴片2连接；第二端口12和第三端口13的切角矩形法兰盘固定在介质板3的下层地板7上，圆柱形探针4伸出介质板3紧靠圆柱形介质谐振器1，通过调节B1矩形短路枝节、B2矩形短路枝节、B3矩形短路枝节和B4矩形短路枝节的长度和宽度以及两个探针4的高度可以分别对端口10的第一端口11的TM01δ和第二端口12和第三端口13的HEM21δ模式的匹配进行调整。
所述的十字形金属贴片2由圆形金属贴片8与矩形短路枝节9构成，四个矩形短路枝节9位于圆柱形介质谐振器1和介质板3之间，矩形短路枝节9有四个，分别是B1矩形短路枝节、B2矩形短路枝节、B3矩形短路枝节和B4矩形短路枝节，B1矩形短路枝节、B2矩形短路枝节、B3矩形短路枝节和B4矩形短路枝节呈中心对称分布；B1矩形短路枝节、B2矩形短路枝节、B3矩形短路枝节和B4矩形短路枝节4分别由金属化过孔5与位于介质板3下层的地板7连通。
金属化过孔5有四个，四个金属化过孔5分别连通十字形贴片2和最下层的地板7，所述的四个短路枝节9利用四个金属化过孔5与位于底层的地板7连接实现终端短路。
所述的介质板3是Rogers 4003板材，圆柱形介质谐振器利用介电常数为9.5的陶瓷材料制成。
所述的天线介质板3为双面的PCB板，下层是全覆金属层作为地板7，上层为十字形贴片结构，两者通过短路通孔上下电导通；天线的主辐射体是圆柱形介质谐振器1。
圆柱形介质谐振器1半径是26.45mm，高度是20.5mm。
所述的介质板3为圆形，半径是50mm，厚度为1.524mm。
天线地板7也是圆形，半径是50mm。
第一端口11的法兰盘焊接在介质板3下层的地板7上，同轴内芯6与十字形贴片2焊接；第二端口12和第三端口13的法兰盘与地板7焊接，内芯4与圆柱形介质谐振器紧密贴合，不留空隙；探针4超出介质板3的长度12.3mm；两个探针4与整个天线的中心构成的圆心角，圆心角为135°。
所述的十字形贴片2的圆形贴片8的半径是5.4mm，B1矩形短路枝节、B2矩形短路枝节、B3矩形短路枝节和B4矩形短路枝节尺寸一致，长度是12.5mm，宽度是5.4mm。
本发明天线不同端口之间的隔离度通过不同的原理实现。首先，第二端口12和第三端口13即两个简并的HEM21δ模式之间的隔离度通过其探针位于模式场的零点保证，选取两个探针4与坐标原点之间构成的圆心角为135°可以实现探针位于模式场零点；其次，第一端口11、第二端口12和第三端口13的隔离度依赖于两个特征模之间的正交性实现。本发明天线的第一端口11、第二端口12和第三端口13激励时都可以产生水平全向的辐射方向图，并且第二端口12和第三端口13比第一端口11的增益要略高一些。
如图3所示，第一端口11、第二端口12、第三端口13的法兰盘分别与位于介质板3下层的地板7焊接，保证其接地。第一端口11的内导体与十字形金属贴片2焊接，第二端口12和第三端口13的内导体作为探针4要紧靠圆柱形介质谐振器1，两个同轴连接器的相对位置影响两个端口之间的隔离度。地板7的尺寸会对辐射方向图和增益产生影响。
综上所述，通过对圆柱形介质谐振器1的半径和高度、十字形金属贴片2尺寸、两个同轴探针4的高度和相对位置以及介质板材进行调整和优化配置，可使天线的三个端口的三个模式工作在同一频带、各个模式之间的隔离度提高、包络相关系数降低，增益和辐射效率等远场辐射特性稳定。
图4是本发明所公开天线各个端口的反射系数参数曲线，该天线可工作的带宽为2.36–2.48GHz，反射系数小于-10dB。
图5是本发明实施例1所公开天线任意两个端口之间的端口隔离度参数曲线，该天线在工作频段2.36–2.48GHz范围内三个端口的任意两个端口之间的隔离度大于15dB。
图6是本发明实施例1所公开天线的辐射方向图，该天线在工作频带2.36–2.48GHz内，三个端口都可以实现在θ＝45°平面内全向辐射。
图7是发明实施例1所公开天线的增益参数曲线。本发明可工作的带宽为2.36–2.48GHz，三个端口的反射系数小于-10dB，三个端口的任意两个端口之间的隔离度大于15dB；端口1的增益在2dBi±10％，端口2和3增益在3dBi±10％，三个端口的增益波动小于1dB。
第一端口11的法兰盘焊接在介质板3下层的地板7上，同轴内芯与十字形贴片2焊接；两个同轴探针的法兰盘与地板7焊接，探针4与圆柱形介质谐振器紧密贴合，不留空隙；探针4超出介质板3的长度是12.3mm；两个探针4与整个天线的中心构成的圆心角为135°；探针4长度的调节可以调整第二端口12和第三端口13的匹配；圆心角的大小可以调节两个端口之间的隔离度。第一端口11馈电可以激励圆柱形介质谐振器的TM01δ模式，具有水平全向的辐射方向图；第二端口12和第三端口13激励两个简并的高阶模式，第二端口12馈电激励圆柱形介质谐振器模式命名为HEM1 21δ模式，第三端口13馈电激励圆柱形介质谐振器模式命名为HEM2 21δ模式，两个模式的辐射方向图都是水平全向。
所述的圆形贴片8的半径和的四个矩形短路枝节的尺寸可以调节天线端口10的输入阻抗和匹配。
本发明实施例没有详细叙述的部件和结构属本行业的公知部件和常用结构或常用手段，这里不一一叙述。

Claims (5)

1.一种三模三端口全向圆柱形介质谐振器天线，其特征是：至少包括圆柱形介质谐振器(1)、介质板(3)、十字形金属贴片(2)、最下层的地板(7)和端口(10)，圆柱形介质谐振器(1)为中心对称结构，它作为天线的主辐射体位于整个天线结构的最上层，地板(7)是圆形金属片位于整个天线的最下层，介质板(3)在地板(7)上面；十字形金属贴片(2)印制在介质板(3)的上表面；所述的十字形金属贴片(2)通过金属化过孔(5)与位于介质板(3)下层的地板(7)连通；所述的端口(10)有三个，分别是第一端口(11)、第二端口(12)、第三端口(13)；第一端口(11)切角矩形法兰盘固定在介质板(3)的下层地板(7)上，第一端口(11)的同轴内芯(6)插入介质板(3)中与上层十字形金属贴片(2)连接；第二端口(12)和第三端口(13)的切角矩形法兰盘固定在介质板(3)的下层地板(7)上，圆柱形探针(4)伸出介质板(3)紧靠圆柱形介质谐振器(1)，其中，第一端口（11）的内导体与十字形金属贴片（2）焊接，第二端口（12）和第三端口（13）的内导体作为探针（4）要紧靠圆柱形介质谐振器（1），两个同轴连接器的相对位置影响两个端口之间的隔离度；通过调节B1矩形短路枝节、B2矩形短路枝节、B3矩形短路枝节和B4矩形短路枝节的长度和宽度以及两个探针(4)的高度可以分别对端口(10)的第一端口(11)的TM01δ 、第二端口(12)和第三端口（13）的HEM21δ 模式的匹配进行调整；所述的十字形金属贴片（2）由圆形金属贴片（8）与矩形短路枝节（9）构成，四个矩形短路枝节（9）位于圆柱形介质谐振器（1）和介质板（3）之间，矩形短路枝节（9）有四个，分别是B1矩形短路枝节、B2矩形短路枝节、B3矩形短路枝节和B4矩形短路枝节；第一端口（11）馈电可以激励圆柱形介质谐振器的TM01δ 模式，具有水平全向的辐射方向图；第二端口（12）和第三端口（13）激励两个简并的高阶模式，第二端口（12）馈电激励圆柱形介质谐振器模式命名为HEM1 21δ 模式，第三端口（13）馈电激励圆柱形介质谐振器模式命名为HEM2 21δ 模式，两个模式的辐射方向图都是水平全向。
2.根据权利要求1所述的一种三模三端口全向圆柱形介质谐振器天线，其特征是：所述的B1矩形短路枝节、B2矩形短路枝节、B3矩形短路枝节和B4矩形短路枝节呈中心对称分布；B1矩形短路枝节、B2矩形短路枝节、B3矩形短路枝节和B4矩形短路枝节（9）分别由金属化过孔（5）与位于介质板（3）下层的地板（7）连通。
3.根据权利要求2所述的一种三模三端口全向圆柱形介质谐振器天线，其特征是：所述的金属化过孔（5）有四个，四个金属化过孔（5）分别连通十字形金属贴片（2）和最下层的地板（7），所述的四个矩形短路枝节（9）利用四个金属化过孔（5）与位于底层的地板（7）连接实现终端短路。
4.根据权利要求1所述的一种三模三端口全向圆柱形介质谐振器天线，其特征是：所述的介质板（3）是Rogers 4003板材，圆柱形介质谐振器利用介电常数为9.5的陶瓷材料制成；所述的天线介质板（3）为双面的PCB板，下层是全覆金属层作为地板（7），上层为十字形贴片结构，两者通过短路通孔上下电导通；天线的主辐射体是圆柱形介质谐振器（1）。
5.根据权利要求1所述的一种三模三端口全向圆柱形介质谐振器天线，其特征是：所述的圆柱形介质谐振器（1）半径是26.45mm，高度是20.5mm。
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GR01 Patent grant
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