CN113161736A - 一种双频圆极化介质谐振器天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双频圆极化介质谐振器天线。该天线包括由上至下设置的介质谐振器、上层金属地、介质基板、下层覆铜，其中所述介质谐振器设置于上层金属地的中心位置；所述上层金属地以覆铜形式铺满整个介质基板的上表面，并在上层金属地中心位置刻蚀两个枝节加载的环形缝隙，实现天线的双频圆极化性；所述下层覆铜设置于介质基板的下表面，包括中间的微带馈线以及该微带馈线两侧对称设置的金属反射片，微带馈线从介质基板的一条边沿起始延伸至介质基板内部，微带馈线的起始端与侧边天线的馈电端口相连；能量由馈电端口输入，经微带馈线传输，通过上层金属地中心位置的环形缝隙耦合到介质谐振器。本发明天线具有体积小、双频工作的特点。
Description
技术领域
本发明涉及介质谐振器天线技术领域，特别是一种双频圆极化介质谐振器天线。
背景技术
在现代通信领域中，金属天线导体损耗严重、辐射效率低的缺点日益明显，而介质谐振器天线不具有金属和表面波损耗，辐射效率高，馈电方式多样，功率容量大，对加工误差敏感度低。因此开发结构简单、效率高的介质谐振器天线时是十分必要的。
圆极化天线通信容量大，能够辐射和接收任意极化波，对发射和接收方向不敏感，能够旋向逆转。基于以上优点，学者转向研究圆极化介质谐振器天线，并将其广泛应用于卫星通信、电子对抗、雷达系统和GPS导航中。但是，目前所研究的圆极化介质谐振器天线大多工作于单一频段，工作效率低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单、体积小、易于实现的双频圆极化介质谐振器天线。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种双频圆极化介质谐振器天线，包括由上至下设置的介质谐振器、上层金属地、介质基板、下层覆铜，其中：
所述介质谐振器设置于上层金属地的中心位置；
所述上层金属地以覆铜形式铺满整个介质基板的上表面，并在上层金属地中心位置刻蚀两个枝节加载的环形缝隙，实现天线的双频圆极化性；
所述下层覆铜设置于介质基板的下表面，包括中间的微带馈线以及该微带馈线两侧对称设置的金属反射片，微带馈线从介质基板的一条边沿起始延伸至介质基板内部，微带馈线的起始端与侧边天线的馈电端口相连；
能量由馈电端口输入，经微带馈线传输，通过上层金属地中心位置的环形缝隙耦合到介质谐振器。
进一步地，所述介质谐振器为圆柱形介质谐振器。
进一步地，上层金属地中心位置刻蚀的环形缝隙，包括第一环形缝隙、第一矩形缝隙、第二环形缝隙、第二矩形缝隙；
所述第一环形缝隙位于最外层，内层嵌套第二环形缝隙，该两个不同的环形缝隙使天线实现双频工作；在第二环形缝隙上沿与微带馈线呈45°夹角方向刻蚀一对十字缝隙，分别为第一矩形缝隙和第二矩形缝隙，二者相互正交，实现天线的双频圆极化性；
第二环形缝隙中心处的圆形覆铜保留，即第一矩形缝隙和第二矩形缝隙相交的中心处不连通。
进一步地，所述微带馈线位于介质基板下表面的中线位置，两侧对称设置第一金属反射片和第二金属反射片；所述第一金属反射片、第二金属反射片为尺寸相同的矩形结构，用于阻挡由基板向下辐射的电磁波。
进一步地，根据以下公式确定圆柱形介质谐振器的尺寸：
式中，f为介质谐振器的谐振频率；c为真空中的光速；d为介质谐振器的直径；ε为介质谐振器的介电常数。
进一步地，所述介质谐振器采用氧化铝陶瓷，介电常数为9.8，半径为3.28mm、高6.82mm。
进一步地，所述介质基板采用Rogers4003板材，介电常数为3.38，厚度为1.524mm，尺寸为22mm×22mm。
进一步地，所述第一环形缝隙半径为2.13mm，宽0.7mm；第二环形缝隙半径为0.96mm，宽0.6mm；第一矩形缝隙长6.88mm，宽0.8mm；第二矩形缝隙连接第一环形缝隙、第二环形缝隙，宽0.5mm；第一金属反射片、第二金属反射片长11.4mm，宽5mm；微带馈线长13.6mm，宽2.6mm。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)采用陶瓷介质，结构简单、效率高、易于集成；(2)通过大小不同的环形缝隙实现双频工作，工作范围更为广泛；(3)通过对金属地刻蚀正交斜45°缝隙实现圆极化，实现方式简单；(4)通过调整缝隙尺寸拓宽天线在两个频段的轴比带宽。
附图说明
图1是本发明双频圆极化介质谐振器天线的结构图，其中(a)为天线的正视图，(b)为上层金属地结构图，(c)为下层金属覆铜结构图。
图2是本发明双频圆极化介质谐振器天线的S11曲线图。
图3是本发明双频圆极化介质谐振器天线的轴比曲线图。
图4是本发明双频圆极化介质谐振器天线的增益曲线图。
图5是本发明双频圆极化介质谐振器天线分别在9.7GHz和12.5GHz的极化方向图。
具体实施方式
本发明双频圆极化介质谐振器天线，具有简单的结构，为减少天线的后向辐射，在介质基板的底部刻蚀出一对金属反射片，使天线增益更高；采用两个不同的环形缝隙使天线实现双频工作；在环形缝隙上增加一对十字形矩形缝隙，实现天线的双频圆极化性能。
结合图1，本发明一种双频圆极化介质谐振器天线，其特征在于，包括由上至下设置的介质谐振器1、上层金属地2、介质基板3、下层覆铜4，其中：
所述介质谐振器1设置于上层金属地2的中心位置；
所述上层金属地2以覆铜形式铺满整个介质基板3的上表面，并在上层金属地2中心位置刻蚀两个枝节加载的环形缝隙，实现天线的双频圆极化性；
所述下层覆铜4设置于介质基板3的下表面，包括中间的微带馈线42以及该微带馈线42两侧对称设置的金属反射片，微带馈线42从介质基板3的一条边沿起始延伸至介质基板3内部，微带馈线42的起始端与侧边天线的馈电端口44相连；
能量由馈电端口44输入，经微带馈线42传输，通过上层金属地2中心位置的环形缝隙耦合到介质谐振器1。
作为一种具体示例，所述介质谐振器1为圆柱形介质谐振器。
作为一种具体示例，上层金属地2中心位置刻蚀的环形缝隙，包括第一环形缝隙22、第一矩形缝隙21、第二环形缝隙23、第二矩形缝隙24；
所述第一环形缝隙22位于最外层，内层嵌套第二环形缝隙23，该两个不同的环形缝隙使天线实现双频工作；在第二环形缝隙23上沿与微带馈线42呈45°夹角方向刻蚀一对十字缝隙，分别为第一矩形缝隙21和第二矩形缝隙24，二者相互正交，实现天线的双频圆极化性；
第二环形缝隙23中心处的圆形覆铜保留，即第一矩形缝隙21和第二矩形缝隙24相交的中心处不连通。
作为一种具体示例，所述微带馈线42位于介质基板3下表面的中线位置，两侧对称设置第一金属反射片41和第二金属反射片43；所述第一金属反射片41、第二金属反射片43为尺寸相同的矩形结构，用于阻挡由基板向下辐射的电磁波。
作为一种具体示例，根据以下公式确定圆柱形介质谐振器的尺寸：
式中，f为介质谐振器1的谐振频率；c为真空中的光速；d为介质谐振器1的直径；ε为介质谐振器1的介电常数。
作为一种具体示例，所述介质谐振器1采用氧化铝陶瓷，介电常数为9.8，半径为3.28mm、高6.82mm。
作为一种具体示例，所述介质基板3采用Rogers4003板材，介电常数为3.38，厚度为1.524mm，尺寸为22mm×22mm。上层金属地2与下层覆铜4厚度均为0.5oz。
作为一种具体示例，所述第一环形缝隙22半径为2.13mm，宽0.7mm；第二环形缝隙23半径为0.96mm，宽0.6mm；第一矩形缝隙21长6.88mm，宽0.8mm；第二矩形缝隙24连接第一环形缝隙22、第二环形缝隙23，宽0.5mm；第一金属反射片41、第二金属反射片43长11.4mm，宽5mm；微带馈线42长13.6mm，宽2.6mm。
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例
结合图1，本发明双频圆极化介质谐振器天线，包括由上至下设置的介质谐振器1、上层金属地2、中间层介质基板3、下层覆铜4；所述介质谐振器1为圆柱形，位于金属地2的中心位置；所述上层金属地2覆盖中间层介质基板3的上表面；所述上层金属地2以中心为圆心刻蚀一大一小两个环形缝隙，分别为第一环形缝隙22和第二环形缝隙23；在第二环形缝隙23斜45°方向刻蚀一对十字缝隙，分别为第一矩形缝隙21和第二矩形缝隙24，二者相互正交；所述的下层覆铜4呈轴对称分布。微带线42位于中间位置。第一金属反射片41位于介质基板3下表面左下角，第二金属反射片43与其大小相同、对称分布；所述微带馈线42底部连接侧边天线馈电端口44。
本发明的参数设计过程如下：
(一)介质谐振器1的半径为3.28mm、高6.82mm、介电常数为9.8，中间层介质基板3的厚度为1.524mm、介电常数为3.38，上层金属地2和下层覆铜4厚度均为0.5oz。
(二)金属地上刻蚀的环形缝隙22、23使天线实现双频性能，增加的矩形缝隙21、24使天线实现圆极化性能。
(三)根据以下公式确定介质谐振器1的尺寸：
式中，f为介质谐振器1的谐振频率；c为真空中的光速；d为介质谐振器1的直径；ε为介质谐振器1的介电常数。
(四)下层金属反射片41、43通过阻挡由基板向下辐射的电磁波减小天线的后向辐射，提高天线的方向性及增益。
(五)能量由馈电端口44输入，经微带馈线42传输，经第一、第二环形缝隙22、23及第一、第二矩形缝隙21、24耦合到圆柱形介质谐振器。
结合图1(a)～(c)，本发明双频圆极化介质谐振器天线，圆柱形介质谐振器的材料为氧化铝陶瓷，介电常数为9.8，半径为3.28mm、高6.82mm；介质基板3的材料为Roger4003C，介电常数εr＝3.38，厚度H＝1.524mm，尺寸为22mm×22mm；金属地2和介质基板等大，尺寸为22mm×22mm，厚度为0.5oz；第一环形缝隙半径为2.13mm，宽0.7mm；第二环形缝隙半径为0.96mm，宽0.6mm；第一矩形缝隙长6.88mm，宽0.8mm；第二矩形缝隙连接第一、第二环形缝隙，宽0.5mm；第一、第二金属反射片长11.4mm，宽5mm；微带馈线长13.6mm，宽2.6mm。
图2是本发明双频圆极化介质谐振器天线的S11曲线图，双频圆极化介质谐振器天线的工作频带为8.45-9.53GHz和12.04-13.43GHz，绝对带宽为1.08GHz和1.39GHz，相对带宽为12％和10.69％，能够实现双频工作。
图3是本发明双频圆极化介质谐振器天线轴比曲线图，双频圆极化介质谐振器天线的轴比频带为9.50-9.97GHz和12.14-12.90GHz，绝对轴比带宽为0.47GHz和0.76GHz，相对轴比带宽为5.2％和5.8％，能够实现双频段上的圆极化工作。
图4是本发明双频圆极化介质谐振器天线的增益随频率变化的曲线图，在低频工作频段内，增益稳定满足要求，在高频工作频段内天线增益有所降低，但在可接受范围内。
图5(a)～(b)是本发明双频圆极化介质谐振器天线9.7GHz和12.5GHz的极化方向图，可以看出，双频圆极化介质谐振器天线在两个工作频段上均实现了左旋圆极化辐射。
综上所述，本发明双频圆极化介质谐振器天线方向图稳定，能够实现双频左旋圆极化，结构简单，易于加工实现。
Claims (8)
1.一种双频圆极化介质谐振器天线，其特征在于，包括由上至下设置的介质谐振器(1)、上层金属地(2)、介质基板(3)、下层覆铜(4)，其中：
所述介质谐振器(1)设置于上层金属地(2)的中心位置；
所述上层金属地(2)以覆铜形式铺满整个介质基板(3)的上表面，并在上层金属地(2)中心位置刻蚀两个枝节加载的环形缝隙，实现天线的双频圆极化性；
所述下层覆铜(4)设置于介质基板(3)的下表面，包括中间的微带馈线(42)以及该微带馈线(42)两侧对称设置的金属反射片，微带馈线(42)从介质基板(3)的一条边沿起始延伸至介质基板(3)内部，微带馈线(42)的起始端与侧边天线的馈电端口(44)相连；
能量由馈电端口(44)输入，经微带馈线(42)传输，通过上层金属地(2)中心位置的环形缝隙耦合到介质谐振器(1)。
2.根据权利要求1所述的双频圆极化介质谐振器天线，其特征在于，所述介质谐振器(1)为圆柱形介质谐振器。
3.根据权利要求1所述的双频圆极化介质谐振器天线，其特征在于，上层金属地(2)中心位置刻蚀的环形缝隙，包括第一环形缝隙(22)、第一矩形缝隙(21)、第二环形缝隙(23)、第二矩形缝隙(24)；
所述第一环形缝隙(22)位于最外层，内层嵌套第二环形缝隙(23)，该两个不同的环形缝隙使天线实现双频工作；在第二环形缝隙(23)上沿与微带馈线(42)呈45°夹角方向刻蚀一对十字缝隙，分别为第一矩形缝隙(21)和第二矩形缝隙(24)，二者相互正交，实现天线的双频圆极化性；
第二环形缝隙(23)中心处的圆形覆铜保留，即第一矩形缝隙(21)和第二矩形缝隙(24)相交的中心处不连通。
4.根据权利要求1所述的双频圆极化介质谐振器天线，其特征在于，所述微带馈线(42)位于介质基板(3)下表面的中线位置，两侧对称设置第一金属反射片(41)和第二金属反射片(43)；所述第一金属反射片(41)、第二金属反射片(43)为尺寸相同的矩形结构，用于阻挡由基板向下辐射的电磁波。
5.根据权利要求2所述的双频圆极化介质谐振器天线，其特征在于，根据以下公式确定圆柱形介质谐振器的尺寸：
式中，f为介质谐振器(1)的谐振频率；c为真空中的光速；d为介质谐振器(1)的直径；ε为介质谐振器(1)的介电常数。
6.据权利要求5所述的双频圆极化介质谐振器天线，其特征在于，所述介质谐振器(1)采用氧化铝陶瓷，介电常数为9.8，半径为3.28mm、高6.82mm。
7.据权利要求6所述的双频圆极化介质谐振器天线，其特征在于，所述介质基板(3)采用Rogers4003板材，介电常数为3.38，厚度为1.524mm，尺寸为22mm×22mm。
8.据权利要求7所述的双频圆极化介质谐振器天线，其特征在于，所述第一环形缝隙(22)半径为2.13mm，宽0.7mm；第二环形缝隙(23)半径为0.96mm，宽0.6mm；第一矩形缝隙(21)长6.88mm，宽0.8mm；第二矩形缝隙(24)连接第一环形缝隙(22)、第二环形缝隙(23)，宽0.5mm；第一金属反射片(41)、第二金属反射片(43)长11.4mm，宽5mm；微带馈线(42)长13.6mm，宽2.6mm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20210723 |