CN113036438B - 一种面向波束成形应用的宽带低剖面介质谐振器天线 - Google Patents

一种面向波束成形应用的宽带低剖面介质谐振器天线 Download PDF

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Abstract

本发明属于微波通信技术领域，具体涉及一种面向波束成形应用的宽带低剖面介质谐振器天线。包括自下而上依次层叠设置的下介质基板、金属地板及上介质基板，上介质基板上表面设置高介电常数介质薄片、高介电常数环形带条，高介电常数介质薄片设置于上介质基板的中心线上；高介电常数环形带条围设于高介电常数介质薄片四周；下介质基板的下表面设置用于馈电的微带传输线结构；微带传输线结构设置在下介质基板的中心线上；高介电常数介质薄片的一端连接探针馈电结构的上端；金属地板的表面设置带过孔；探针馈电结构通过带过孔从上至下贯通上介质基板与下介质基板；探针馈电结构的下端与微带传输线结构的一端连接。

Description

一种面向波束成形应用的宽带低剖面介质谐振器天线
技术领域
本发明属于微波通信技术领域，具体涉及一种面向波束成形应用的宽带低剖面介质谐振器天线。
背景技术
多输入多输出的波束成形技术是第五代移动通信系统最为关键的技术。而为了实现良好的波束成形效果，避免栅瓣的出现，天线单元之间的间距应在0.5λ0左右，因此天线单元的平面尺寸应该远小于0.5λ0×0.5λ0。同时，第五代无线通信系统最为核心的两个需求分别是高速率和低功耗。宽带技术是实现高数据速率无线通信的关键因素。另一方面，密集的基站部署以及各种功能的终端设备的涌现，要求通信设备必须提高能量的利用效率。再考虑到市场的消费导向高度追求设备的小型化与轻薄化，在此背景下，就天线技术领域而言，设计一款面向波束成形应用的宽带、高效率、低剖面天线具有重要的研究意义与应用价值。
介质谐振器天线由于其良好的特性，例如低损耗，低成本和高设计灵活性，而被认为是无线通信系统的理想选择。为实现高效率，本设计采用了介质谐振器天线方案。目前，为了解决传统介质谐振器天线体积过大的问题，学术界提出了平面介质谐振器天线和高介电常数介质贴片天线等低剖面介质谐振器天线技术。然而，低剖面介质谐振器天线通常带宽较窄，典型值为小于5％。为了获得宽带的低剖面介质谐振器天线，一些宽带技术得以提出，例如：①通过将馈电缝隙的模式和介质谐振器的模式结合起来形成双模工作，但缝隙模式有较大的反向辐射，导致天线增益较低；②增大介质谐振器的长高比，将高阶模式下移和基模合并从而形成双模，但此类技术不可避免的增大了天线的平面尺寸，导致其难以应用于波束成形阵列设计；③利用层叠结构获得双模宽带的效果，但此类技术会导致天线的剖面过高，不符合轻薄化的发展需求；④通过寄生单元来增加带宽，但现有技术均采用沿单一方向拓展放置，这导致天线在一个维度上，例如沿x轴方向，尺寸过大，从而引起方向图性能恶化，例如E面H面方向图不对称以及不利于天线进行二维波束成形阵列应用等缺陷。
现有的针对低剖面介质谐振器天线的宽带设计技术可以有效展宽天线带宽，但是往往难以兼顾天线在其他方面的性能，例如技术①导致天线增益较低，技术②导致天线平面尺寸过大，无法满足波束成形阵列应用需求，技术③导致天线剖面高度较高，不符合轻薄化的发展需求，技术④导致天线方向图性能恶化以及不利于二维波束成形阵列应用等。另外，这些技术绝大多数都采用了缝隙耦合馈电，缝隙馈电破坏了接地面的完整性，带来较大的背向辐射会给背部元件带来电磁兼容问题，因此不利于高集成度的天线-电路集成方案，例如AiP方案的实现。
发明内容
本设计针对上述技术所存在的问题，提出了一种兼具小型化、高增益、宽带及低剖面等优点的一种面向波束成形应用的宽带低剖面介质谐振器天线。
本发明为实现上述发明目的，采取的技术方案如下：
一种面向波束成形应用的宽带低剖面介质谐振器天线，包括自下而上依次层叠设置的下介质基板、金属地板及上介质基板，所述上介质基板上表面设置高介电常数介质薄片、高介电常数环形带条，所述高介电常数介质薄片设置于上介质基板的中心线上；所述高介电常数环形带条围设于高介电常数介质薄片四周；所述下介质基板的下表面设置用于馈电的微带传输线结构；所述微带传输线结构设置在下介质基板的中心线上；所述高介电常数介质薄片的一端连接探针馈电结构的上端；所述金属地板的表面设置带过孔；所述探针馈电结构通过带过孔从上至下贯通上介质基板与下介质基板；所述探针馈电结构的下端与微带传输线结构的一端连接；所述高介电常数介质薄片和高介电常数环形带条构成了介质谐振器天线辐射结构；所述用于馈电的微带传输线结构与探针馈电结构构成了介质谐振器天线差分馈电结构。
进一步的作为本发明的优选技术方案，所述介质谐振器天线差分馈电结构为一对差分馈电结构；所述一对差分馈电结构关于高介电常数介质薄片的中心线相对称。
进一步的作为本发明的优选技术方案，所述介质谐振器天线差分馈电结构为两对差分馈电结构；所述两对差分馈电结构关于高介电常数介质薄片的中心线相对称。
进一步的作为本发明的优选技术方案，还包括多个金属微扰结构；所述多个金属微扰结构设置于上介质基板上表面且位于高介电常数环形带条下方按对角线排列。
进一步的作为本发明的优选技术方案，所述高介电常数介质薄片的介电常数为45，损耗角为0.00019，厚度为1mm。
进一步的作为本发明的优选技术方案，所述上介质基板(3)、下介质基板(6)均采用介电常数为3.55与损耗角正切值为0.0027的Rogers 4003C印刷电路板材制成。
本发明所述的一种面向波束成形应用的宽带低剖面介质谐振器天线，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
本发明提供一种兼具高增益、小型化、低剖面、以及适用于波束成形阵列等优点的宽带介质谐振器天线解决方案；该天线采用探针馈电给介质薄片进行馈电并通过在介质薄片中引入环形槽的方法获得了两个谐振模式，阻抗带宽呈现宽带特性，覆盖范围为11.46GHz-13.54GHz(16.6％)，增益达到7.5dBi。本发明采用高介电常数的介质，因此具有极低的剖面高度，天线整体高度仅为0.1λ0；本发明可实现方形的平面口径，方向图对称，辐射性能良好。同时，平面尺寸较小，约为0.35λ0*0.35λ0，适用于波束成形天线阵列。
附图说明
图1是本发明的立体结构示意图；
图2是本发明的俯视结构示意图；
图3是本发明的侧视结构示意图；
图4是本发明天线的|S11|和增益的仿真结果示意图；
图5是本发明在11.8GHz频率上E面的天线仿真方向图；
图6是本发明在11.8GHz频率上H面的天线仿真方向图；
图7是本发明在13.2GHz频率上E面的天线仿真方向图；
图8是本发明在13.2GHz频率上H面的天线仿真方向图；
图9是本发明拓展的差分线极化天线的立体结构示意图；
图10是本发明拓展的差分线极化天线的俯视结构示意图；
图11是本发明拓展的差分线极化天线的侧视结构示意图；
图12是本发明拓展的差分线极化天线的|S11|和增益的仿真结果示意图；
图13是本发明拓展的差分线极化天线在11.8GHz频率上的天线仿真方向图；
图14是本发明拓展的差分线极化天线在13.2GHz频率上的天线仿真方向图；
图15是本发明拓展的差分线双极化天线的立体结构示意图；
图16是本发明拓展的差分线双极化天线的俯视结构示意图；
图17是本发明拓展的差分线双极化天线的侧视结构示意图；
图18是本发明拓展的差分线双极化天线的|S11|和增益的仿真结果示意图；
图19是本发明拓展的差分线双极化天线的|S21|的仿真结果示意图；
图20是本发明拓展的差分线双极化天线在11.8GHz频率上的天线仿真方向图；
图21是本发明拓展的差分线双极化天线在13.2GHz频率上的天线仿真方向图；
图22是本发明拓展的圆极化天线的立体结构示意图；
图23是本发明拓展的圆极化天线的俯视结构示意图；
图24是本发明拓展的圆极化天线的侧视结构示意图；
图25是本发明拓展的圆极化天线的轴比和增益的仿真结果示意图；
图26是本发明拓展的圆极化天线的|S11|的仿真结果示意图；
图27是本发明拓展的圆极化天线在12.25GHz频率上的天线仿真方向图；
图28是本发明拓展的圆极化天线在12.75GHz频率上的天线仿真方向图；
附图中，1-高介电常数介质薄片；2-高介电常数环形带条；3-上介质基板；4-探针馈电结构；5-金属地板；6-下介质基板；7-微带传输线结构；8-金属微扰结构。
具体实施方式
下面结合附图详细的描述本发明的作进一步的解释说明,以使本领域的技术人员可以更深入地理解本发明并能够实施,但下面通过参考实例仅用于解释本发明,不作为本发明的限定。
如图1至图3，一种面向波束成形应用的宽带低剖面介质谐振器天线，包括自下而上依次层叠设置的下介质基板6、金属地板5及上介质基板3，上介质基板3上表面设置高介电常数介质薄片1、高介电常数环形带条2，高介电常数介质薄片1设置于上介质基板3的中心线上；高介电常数环形带条2围设于高介电常数介质薄片1四周；下介质基板6的下表面设置用于馈电的微带传输线结构7；微带传输线结构7设置在下介质基板6的中心线上；高介电常数介质薄片1的一端连接探针馈电结构4的上端；金属地板5的表面设置带过孔；探针馈电结构4通过带过孔从上至下贯通上介质基板3与下介质基板6；探针馈电结构4的下端与微带传输线结构7的一端连接；高介电常数介质薄片1和高介电常数环形带条2构成了介质谐振器天线辐射结构；用于馈电的微带传输线结构7与探针馈电结构4构成了介质谐振器天线差分馈电结构。
本发明位于最上层的高介电常数介质薄片1和高介电常数环形带条2一起构成了介质谐振器天线辐射结构。射频激励信号由底层的微带传输线结构7馈入，通过探针馈电结构4对介质谐振器天线进行馈电。该结构中，介质受探针激励可产生两个谐振模式(TE111和TE131)，然后通过引入环形槽将介质的基模向高次模拉近，从而实现宽带的效果。
本发明通过探针馈电方式在获得两个谐振模式的介质薄片中引入了一个环形槽，该环形槽可以在天线平面尺寸不变(固定在0.35λ0*0.35λ0的情况下)将介质的基模向高次模拉近，从而实现天线的宽带特性，覆盖范围为11.46GHz-13.54GHz(16.6％)，增益达到7.5dBi。本发明采用高介电常数的介质薄片，因此具有极低的剖面高度，天线整体高度仅为0.1λ0；本发明具有方形的平面天线口径，方向图对称，辐射性能良好。天线平面尺寸小，约为0.35λ0*0.35λ0，可以应用于波束成形阵列。
本发明采用的低介电常数介质基板的介电常数为3.55，损耗角为0.0027，底层介质基板厚度为0.508mm，中间层介质基板厚度为0.813mm；高介电常数介质薄片的介电常数为45，损耗角为0.00019，厚度为1mm。整体剖面高度2.321mm(～0.1λ0)，平面尺寸8.4mm×8.4mm(～0.35λ*0.35λ0)。天线的传输响应和辐射响应如图4所示，对于|S11|≤-10dB，带宽范围为11.46-13.54GHz，最大增益为7.5dBi。图5至图8是在11.8GHz与13.2GHz处的天线仿真与测试方向图，天线的方向图对称，交叉极化在3-dB波束范围内优于15dB。
更进一步的，本发明具有良好的拓展性，可以拓展出更多不同功能的设计，例如：差分线极化天线、差分双极化天线和圆极化天线。
图9至图11是拓展的差分线极化天线的结构图，与图1至图3区别在于将馈电结构改为了一对差分馈电结构4；图12是天线的|S11|和增益的仿真结果，对于|S11|≤-10dB，带宽范围为11.34-13.46GHz，最大增益为7.8dBi。图13与图14分别是在11.8GHz与13.2GHz处的天线仿真方向图，天线的方向图对称，交叉极化在3-dB波束范围内优于15dB。图15至图17是拓展的差分双极化天线结构图，与图1至图3的区别在于将馈电结构改为了两对差分馈电结构4；图18与图19是天线的|S11|，|S21|和增益的仿真结果，对于|S11|≤-10dB，带宽范围为11.43-13.48GHz，最大增益为8.1dBi，|S21|＜-40，一端口二端口之间隔离性能良好。图20与图21分别是在11.8GHz与13.2GHz处的天线仿真方向图，天线的方向图对称，交叉极化在3-dB波束范围内优于15dB。图22至图24是拓展的圆极化天线结构图，与图1至图3相比，馈电结构更改为差分馈电，在上介质基板3与金属地板5和高介电常数环形带条2之间放置了多个金属微扰结构8，图25与图26是天线的|S11|，轴比和增益的仿真结果，对于AR<3dB，带宽范围为12-13GHz，最大增益为7.8dBi，对于|S11|≤-10dB，带宽范围为12-13.4GHz。图27与图28分别是在12.25GHz与12.75GHz处的天线仿真方向图，天线的方向图对称，性能良好。
低剖面的介质谐振器整体结构，该结构可以理解为在介质薄片中引入了环形槽所得到的，该环形槽可以在天线平面尺寸不变的情况下将介质谐振器的基模TE111模式向高次模TE131模式拉近。该结构在保持较小平面尺寸的同时可以实现宽带低剖面的效果，且具有良好的辐射特性。本设计天线平面尺寸远小于0.5λ0*0.5λ0，适用于波束成形阵列。本设计天线可拓展性强，可以拓展成差分线极化天线、差分双极化天线和差分圆极化天线。本设计天线结构有利于探针馈电方式的实现，探针馈电相比于缝隙馈电没有背向辐射，高效易集成，被AiP天线等高集成度天线系统所广泛采用。据申请人所了解，这是探针馈电在面向波束成形应用的介质天线中的首次成功实现。本天线中心频率被设计12.5GHz，但不仅限于12.5GHz，该设计技术可应用于其他频段。
本发明提供一种兼具高增益、小型化、低剖面、以及适用于波束成形阵列等优点的宽带介质谐振器天线解决方案；该天线采用探针馈电给介质薄片进行馈电并通过在介质薄片中引入环形槽的方法获得了两个谐振模式，阻抗带宽呈现宽带特性，覆盖范围为11.46GHz-13.54GHz(16.6％)，增益达到7.5dBi。本发明采用高介电常数的介质，因此具有极低的剖面高度，天线整体高度仅为0.1λ0；本发明可实现方形的平面口径，方向图对称，辐射性能良好。同时，平面尺寸较小，约为0.35λ0*0.35λ0，适用于波束成形天线阵列。
以上所述的具体实施方案，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方案而已，并非用以限定本发明的范围，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所做出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种面向波束成形应用的宽带低剖面介质谐振器天线，包括自下而上依次层叠设置的下介质基板(6)、金属地板(5)及上介质基板(3)，其特征在于，所述上介质基板(3)上表面设置高介电常数介质薄片(1)、高介电常数环形带条(2)，所述高介电常数介质薄片(1)设置于上介质基板(3)的中心线上；所述高介电常数环形带条(2)围设于高介电常数介质薄片(1)四周；所述下介质基板(6)的下表面设置用于馈电的微带传输线结构(7)；所述微带传输线结构(7)设置在下介质基板(6)的中心线上；所述高介电常数介质薄片(1)的一端连接探针馈电结构(4)的上端；所述金属地板(5)的表面设置带过孔；所述探针馈电结构(4)通过带过孔从上至下贯通上介质基板(3)与下介质基板(6)；所述探针馈电结构(4)的下端与微带传输线结构(7)的一端连接；所述高介电常数介质薄片(1)和高介电常数环形带条(2)构成了介质谐振器天线辐射结构；所述用于馈电的微带传输线结构(7)与探针馈电结构(4)构成了介质谐振器天线差分馈电结构；
所述高介电常数介质薄片(1)的介电常数为45，损耗角为0.00019，厚度为1mm。
2.根据权利要求1所述的面向波束成形应用的宽带低剖面介质谐振器天线，其特征在于，所述介质谐振器天线差分馈电结构为一对差分馈电结构；所述一对差分馈电结构关于高介电常数介质薄片(1)的中心线相对称。
3.根据权利要求1所述的面向波束成形应用的宽带低剖面介质谐振器天线，其特征在于，所述介质谐振器天线差分馈电结构为两对差分馈电结构；所述两对差分馈电结构关于高介电常数介质薄片(1)的中心线相对称。
4.根据权利要求3所述的面向波束成形应用的宽带低剖面介质谐振器天线，其特征在于，还包括多个金属微扰结构(8)；所述多个金属微扰结构(8)设置于上介质基板(3)上表面且位于高介电常数环形带条(2)下方按对角线排列。
5.根据权利要求1所述的面向波束成形应用的宽带低剖面介质谐振器天线，其特征在于，所述上介质基板(3)、下介质基板(6)均采用介电常数为3.55与损耗角正切值为0.0027的Rogers 4003C印刷电路板材制成。
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