CN114566787A - 一种方向图可重构的c波段介质谐振器天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种方向图可重构的C波段介质谐振器天线，包括介质基板，在介质基板上放置半球形介质谐振器，并且半球形介质谐振器的半球底部接触介质基板；在介质基板上设置四个辐射贴片，并且四个辐射贴片围在半球形介质谐振器正下方，四个辐射贴片通过同轴馈电方式进行馈电，半球形介质谐振器天线通过四个辐射贴片耦合馈电；四个辐射贴片上均开设探针孔，馈电探针连接一个可重构开关网络，通过可重构开关网络给四个辐射贴片分别馈电或者联合馈电。

Description

一种方向图可重构的C波段介质谐振器天线
技术领域
本发明涉及通信天线领域，尤其涉及一种方向图可重构的C波段介质谐振器天线。
背景技术
根据IEEE 521-2002标准，C波段是频率从4.0-8.0GHz的一段频率，主要运用于通信卫星下行传输信号的频段。最近几年来，我国移动无线通信领域快速发展，5G开始商用，并逐步全国覆盖。其中，6.3GHz位于C波段上行(5.925-6.425GHz)频段内，可以避免与5G移动通信的3.5GHz(3.4-3.6GHz)频段重叠产生的干扰。此外，由于其对气候衰减影响不大，抗干扰等特性，还广泛应用于卫星通信和各类小型卫星地面站中。
目前卫星通信对收发系统要求越来越高，需要具有抗噪声和抗干扰的能力。方向图可重构天线可以保持工作频率不变，调整开关元件从而实时调整电磁辐射的方向，抑制一些电磁波对辐射信号的强干扰和强噪声的影响，提高系统的可靠性和安全性。
此外，C波段卫星通信系统遭受地面微波、自然因素等干扰源的同频干扰比较严重，其中对准也是通信过程中的一大挑战。收发天线无法对准会严重影响数据的可靠传输。卫星通信应用系统对准过程繁琐，同时也需要具备准确、快速等要求，所设计的天线也都比较复杂。除此之外，传统天线都采用金属材料，传统金属天线目前难以满足系统所需要各种要求。相比于传统金属天线，介质谐振器天线具有许多优点，例如：无金属损耗、成本低、辐射效率高以及易于激励多种工作模式等。
发明内容
本发明提供了一种方向图可重构的C波段介质谐振器天线，包括介质基板，在介质基板上放置半球形介质谐振器，并且半球形介质谐振器的半球底部接触介质基板；在介质基板上设置四个辐射贴片，并且四个辐射贴片围在半球形介质谐振器正下方，四个辐射贴片通过同轴馈电方式进行馈电，半球形介质谐振器天线通过四个辐射贴片耦合馈电；四个辐射贴片上均开设探针孔，馈电探针连接一个可重构开关网络，通过可重构开关网络给四个辐射贴片分别馈电或者联合馈电。
如上所述的一种方向图可重构的C波段介质谐振器天线，其中，可重构开关网络包括四个开关，port1、port2、port3、port4，port1连接的探针插入左辐射贴片的探针孔内、port2连接的探针插入右辐射贴片的探针孔内、port3连接的探针插入上辐射贴片的探针孔内、port4连接的探针插入下辐射贴片的探针孔内，通过调节各开关的开启/闭合给不同的辐射贴片馈电。
如上所述的一种方向图可重构的C波段介质谐振器天线，其中，通过调节可重构开关网络为介质谐振器天线提供五种模式，具体包括：模式1为port1开启、port2关闭、port3关闭、port4关闭；模式2为port1关闭、port2开启、port3关闭、port4关闭；模式3为port1关闭、port2关闭、port3开启、port4关闭；模式4为port1关闭、port2关闭、port3关闭、port4开启；模式5为port1开启、port2开启、port3开启、port4开启。
如上所述的一种方向图可重构的C波段介质谐振器天线，其中，当选择模式1时，在E平面上，天线的辐射主瓣偏移量为35°，最大增益达到了5.13dBi；当选择模式2时，在E平面上，天线的辐射主瓣偏移量为325°，最大辐射增益达到了5.18dBi；当选择模式3时，在H平面上，天线辐射主瓣偏移量为35°，最大增益达到了5.13dBi；当选择模式4时，在H平面上，天线辐射主瓣偏移量为325°，最大增益达到了5.18dBi；当选择模式5时，在E平面上，天线辐射主瓣偏移量为0°。
如上所述的一种方向图可重构的C波段介质谐振器天线，其中，整个介质谐振器天线谐振在6.15-6.35GHz，中心频率为6.3GHz，中心频率6.3GHz能够避免与5G移动通信频谱重叠从而产生的干扰。
如上所述的一种方向图可重构的C波段介质谐振器天线，其中，介质基板介电常数为4.4，尺寸为50mm*50mm*0.8mm。
如上所述的一种方向图可重构的C波段介质谐振器天线，其中，半球形介质谐振器天线的介电常数为5.7、半径为11.2mm。
如上所述的一种方向图可重构的C波段介质谐振器天线，其中，四个辐射贴片的尺寸均为3.1mm*12mm。
如上所述的一种方向图可重构的C波段介质谐振器天线，其中，四个辐射贴片的相对位置坐标分别为(-13.55mm,-6mm,0.8mm)、(10.45mm,6mm,0.8mm)、(-6mm,13.55mm,0.8mm)、(-6mm,-10.45mm,0.8mm)，所述四个辐射贴片的相对位置坐标为四个辐射贴片的左上顶点坐标位置。
如上所述的一种方向图可重构的C波段介质谐振器天线，其中，在四个辐射贴片上分别开设探针孔，四个探针孔圆心的相对位置坐标分别为(1.2mm，12mm，0mm)、(1.2mm，-12mm，0mm)、(-12mm，1.2mm，0mm)、(12mm，1.2mm，0mm)，开设探针孔的高度为0.8mm。
本发明实现的有益效果如下：
(1)本发明实现一种对准效果好、抗干扰能力好、数据传输效率高、结构简单的方向图可重构的C波段介质谐振器天线。通过控制可重构开关网络选择对应的接口切换天线主辐射波束的方向，改变系统的辐射方向图，使得在谐振器天线的前、后、左、右、上方这五个方向上形成定向波束，可以快速切换对准方向，同时还可以避开干扰源，提高整个辐射过程质量的效果。
(2)本发明用于C波段的方向图可重构半球形的介质谐振器天线，中心频率6.3GHz可以避免与5G移动通信频谱重叠从而产生的干扰，并且也从根本上杜绝了金属损耗，增加了天线的Q值，提高了通信的质量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例一提供的一种方向图可重构的C波段介质谐振器天线示意图；
图2是整体模型俯视图；
图3～7是五种模式下的天线方向图；
图8是天线S参数随着馈电点位置的变化而变化的示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
如图1所示，本发明实施例一提供一种方向图可重构的C波段介质谐振器天线，包括介质基板，在介质基板上放置半球形介质谐振器，并且半球形介质谐振器的半球底部接触介质基板；在介质基板上设置四个辐射贴片，并且四个辐射贴片围在半球形介质谐振器正下方，四个辐射贴片通过同轴馈电方式进行馈电，半球形介质谐振器天线通过四个辐射贴片耦合馈电；四个辐射贴片上均开设探针孔，馈电探针连接一个可重构开关网络，通过可重构开关网络给四个辐射贴片分别馈电或者联合馈电。
具体地，介质基板介电常数为4.4，尺寸为50mm*50mm*0.8mm，采用介质材料从根本上杜绝金属损耗，增加天线的Q值，提高通信质量。介质基板下方为铜质地板，介质基板上方设置半球形介质谐振器天线以及四个长方形铜质辐射贴片，半球形介质谐振器天线的介电常数为5.7、半径为11.2mm，四个辐射贴片的尺寸均为3.1mm*12mm。
四块辐射贴片通过同轴馈电的方式进行馈电，辐射贴片通过电磁耦合原理给半球形介质谐振器馈电，使得谐振器谐振在TE111模式。如图2所示，四个长方形辐射贴片在介质基板上围成一个正方形，该正方形的中心即为半球形介质谐振器的半球底部中心，以该中心为原点，四个辐射贴片的相对位置坐标分别为(-13.55mm,-6mm,0.8mm)、(10.45mm,6mm,0.8mm)、(-6mm,13.55mm,0.8mm)、(-6mm,-10.45mm,0.8mm)。需要说明的是，上述四个坐标点是以四个辐射贴片左上顶点坐标位置为例，其他顶点坐标均可据此计算得到，在此不作限定。
在四个辐射贴片上分别开设探针孔，四个探针孔圆心的相对位置坐标分别为(1.2mm，12mm，0mm)、(1.2mm，-12mm，0mm)、(-12mm，1.2mm，0mm)、(12mm，1.2mm，0mm)，开设探针孔的高度为0.8mm。
本申请通过一个可重构开关网络给四个辐射贴片分别馈电或者联合馈电，即可以有选择的给不同的辐射贴片进行馈电，或者同时给四块辐射贴片馈电，以达到所需要的5种模式，使得整个介质谐振器天线谐振在6.15-6.35GHz，中心频率为6.3GHz，中心频率6.3GHz可以避免与5G移动通信频谱重叠从而产生的干扰。具体地，可重构开关网络包括四个开关，即port1、port2、port3、port4；可选地，port1连接的探针插入左辐射贴片的探针孔内、port2连接的探针插入右辐射贴片的探针孔内、port3连接的探针插入上辐射贴片的探针孔内、port4连接的探针插入下辐射贴片的探针孔内，通过调节各开关的开启/闭合给不同的辐射贴片馈电。本申请通过可重构开关网络可以自适应的调整天线主波束的位置，达到更好的对准，从而再次提高数据传输质量。
其中，采用下表调节各开关的开启/闭合给不同的辐射贴片馈电，使天线进入5种不同模式的波束定向选择：
表1模式设置表
SwitchingMode port1 port2 port3 port4
Mode1 ON OFF OFF OFF
Mode2 OFF ON OFF OFF
Mode3 OFF OFF ON OFF
Mode4 OFF OFF OFF ON
Mode5 ON ON ON ON
当选择模式1时，如图3所示，在E平面上，天线的辐射主瓣偏移量为35°，最大增益达到了5.13dBi。当选择模式2时，如图4所示，在E平面上，天线的辐射主瓣偏移量为325°，最大辐射增益达到了5.18dBi。当选择模式3时，如图5所示，在H平面上，天线辐射主瓣偏移量为35°，最大增益达到了5.13dBi。当选择模式4时，如图6所示，在H平面上，天线辐射主瓣偏移量为325°，最大增益达到了5.18dBi。当选择模式5时，如图7所示，在E平面上，天线辐射主瓣偏移量为0°。如图8所示，通过改变同轴馈电点距离辐射贴片中心的位置Df，可以得到当Df＝1.2mm时，半球形介质谐振器的阻抗匹配达到最佳效果，天线的辐射效率达到最高。
本结构采用介质谐振器结构，通过可重构开关网络选择对应的接口，改变系统的辐射方向图，使得在谐振器天线的前、后、左、右、上方这五个方向上形成定向波束从而达到快速对准目标卫星天线，提高整个辐射过程质量的效果。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的技术方案的基础之上，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种方向图可重构的C波段介质谐振器天线，其特征在于，包括介质基板，在介质基板上放置半球形介质谐振器，并且半球形介质谐振器的半球底部接触介质基板；在介质基板上设置四个辐射贴片，并且四个辐射贴片围在半球形介质谐振器正下方，四个辐射贴片通过同轴馈电方式进行馈电，半球形介质谐振器天线通过四个辐射贴片耦合馈电；四个辐射贴片上均开设探针孔，馈电探针连接一个可重构开关网络，通过可重构开关网络给四个辐射贴片分别馈电或者联合馈电。
2.如权利要求1所述的一种方向图可重构的C波段介质谐振器天线，其特征在于，可重构开关网络包括四个开关，port1、port2、port3、port4，port1连接的探针插入左辐射贴片的探针孔内、port2连接的探针插入右辐射贴片的探针孔内、port3连接的探针插入上辐射贴片的探针孔内、port4连接的探针插入下辐射贴片的探针孔内，通过调节各开关的开启/闭合给不同的辐射贴片馈电。
3.如权利要求2所述的一种方向图可重构的C波段介质谐振器天线，其特征在于，通过调节可重构开关网络为介质谐振器天线提供五种模式，具体包括：模式1为port1开启、port2关闭、port3关闭、port4关闭；模式2为port1关闭、port2开启、port3关闭、port4关闭；模式3为port1关闭、port2关闭、port3开启、port4关闭；模式4为port1关闭、port2关闭、port3关闭、port4开启；模式5为port1开启、port2开启、port3开启、port4开启。
4.如权利要求3所述的一种方向图可重构的C波段介质谐振器天线，其特征在于，当选择模式1时，在E平面上，天线的辐射主瓣偏移量为35°，最大增益达到了5.13dBi；当选择模式2时，在E平面上，天线的辐射主瓣偏移量为325°，最大辐射增益达到了5.18dBi；当选择模式3时，在H平面上，天线辐射主瓣偏移量为35°，最大增益达到了5.13dBi；当选择模式4时，在H平面上，天线辐射主瓣偏移量为325°，最大增益达到了5.18dBi；当选择模式5时，在E平面上，天线辐射主瓣偏移量为0°。
5.如权利要求1所述的一种方向图可重构的C波段介质谐振器天线，其特征在于，整个介质谐振器天线谐振在6.15-6.35GHz，中心频率为6.3GHz，中心频率6.3GHz能够避免与5G移动通信频谱重叠从而产生的干扰。
6.如权利要求1所述的一种方向图可重构的C波段介质谐振器天线，其特征在于，四个辐射贴片的相对位置坐标分别为(-13.55mm,-6mm,0.8mm)、(10.45mm,6mm,0.8mm)、(-6mm,13.55mm,0.8mm)、(-6mm,-10.45mm,0.8mm)，所述四个辐射贴片的相对位置坐标为四个辐射贴片的左上顶点坐标位置。
7.如权利要求6所述的一种方向图可重构的C波段介质谐振器天线，其特征在于，在四个辐射贴片上分别开设探针孔，四个探针孔圆心的相对位置坐标分别为(1.2mm，12mm，0mm)、(1.2mm，-12mm，0mm)、(-12mm，1.2mm，0mm)、(12mm，1.2mm，0mm)，开设探针孔的高度为0.8mm。
8.如权利要求1所述的一种方向图可重构的C波段介质谐振器天线，其特征在于，四个辐射贴片的尺寸均为3.1mm*12mm。
9.如权利要求1所述的一种方向图可重构的C波段介质谐振器天线，其特征在于，介质基板介电常数为4.4，尺寸为50mm*50mm*0.8mm。
10.如权利要求1所述的一种方向图可重构的C波段介质谐振器天线，其特征在于，半球形介质谐振器天线的介电常数为5.7、半径为11.2mm。
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