CN114927869A - 一种毫米波双波束介质谐振器天线 - Google Patents

一种毫米波双波束介质谐振器天线 Download PDF

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Abstract

本发明属于微波通信技术领域，具体涉及一种毫米波双波束介质谐振器天线。本发明的顶层低介电常数基片层设置周期性阵列排布的空气长孔与空气短孔；空气短孔的上方设置矩形凹槽，矩形凹槽内设置高介电常数介质条带；中间金属层结构的表面刻蚀有一对平行槽；底层金属层结构包括第一金属条带、第二金属条带；顶层低介电常数基片、中间金属层结构及高介电常数介质条带构成介质谐振器；中间金属层结构、底层低介电常数基片层、第一金属条带、第二金属条带构成微带线，形成T型微带结构。本发明将使用单个介质谐振器，通过控制激励其工作模式实现毫米波频段的单天线双波束辐射，达到高效率、结构简单、平面化易安装等目的。

Description

一种毫米波双波束介质谐振器天线
技术领域
本发明属于微波通信技术领域，具体涉及一种毫米波双波束介质谐振器天线。
背景技术
毫米波天线工作波长短、绝对带宽宽，可以有效减小天线及系统的尺寸，提高通信速率，符合无线通信系统小型化高速率的发展趋势。毫米波双波束天线能够同时覆盖两个区域，减少天线个数及对应的干扰，适用于狭长空间，同时能够减少不必要方向的功率损耗，减少多径效应提高通信链路质量。目前获得双波束天线的主要方式有多阵元相位分布方式和单元方式。多阵元相位分布方式包括透镜阵、反射阵、相控阵和漏波天线，都是基于多个单元的相位分布实现双波束，因此需要一定的口径和相位分布控制，天线尺寸较大、结构复杂。单元方式双波束天线则具有结构简单、口面小的特点，同时也可以通过组阵增加增益，是一种较好的双波束天线。
目前单元方式实现的双波束天线主要有金属天线和介质天线两种。单元方式的金属双波束天线主要通过架空贴片、贴片开槽结构实现，其中贴片开槽主要目的是拓展带宽和产生滤波功能，但是金属双波束天线在毫米波频段存在导体损耗导致的低效率问题，并且部分天线结构复杂不易在毫米波实现。介质双波束天线主要通过阵列天线或多端口结合多介质谐振器实现，而非通过单元方式实现，虽然实现了双波束特性但是存在结构复杂、不易平面化及组装、在毫米波频段实现困难等问题。
单元方式金属双波束天线在毫米波频段存在效率低、结构复杂不易实现的问题，而介质双波束天线在毫米波频段存在谐振器个数多、结构复杂、不易平面化及组装等问题。
发明内容
本发明针对现有技术中的问题，提供了一种毫米波双波束介质谐振器天线。本发明将使用单个介质谐振器，通过控制激励其工作模式实现毫米波频段的单天线双波束辐射，达到高效率、结构简单、平面化易安装等目的。
本发明采取的技术方案如下：
一种毫米波双波束介质谐振器天线，其特征在于，包括自上而下层叠设置的顶层低介电常数基片层、中间金属层结构、底层低介电常数基片层、底层金属层结构；所述顶层低介电常数基片层设置周期性阵列排布的空气长孔与空气短孔；所述空气短孔的上方设置矩形凹槽，所述矩形凹槽内设置高介电常数介质条带；所述矩形凹槽、高介电常数介质条带均设置在顶层低介电常数基片层的中心线上；所述高介电常数介质条带的上表面与顶层低介电常数基片层的上表面在同一水平面；所述中间金属层结构的表面刻蚀有一对平行槽；所述底层金属层结构包括第一金属条带、第二金属条带；所述第一金属条带、第二金属条带在同一水平面相对垂直设置且第一金属条带位于第二金属条带的中心线上；所述第二金属条带在中间金属层结构的垂直投影面上与一对平行槽的水平中心线相重合；所述顶层低介电常数基片、中间金属层结构及高介电常数介质条带构成介质谐振器；所述中间金属层结构、底层低介电常数基片层、第一金属条带、第二金属条带构成微带线，形成T型微带结构。
进一步的作为本发明的优选技术方案，所述一对平行槽的长度均在0.12λ0～0.14λ0之间，平行间距在0.26λ0～0.30λ0之间。
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条带采用陶瓷，其介电常数为69，长在0.50λ0～0.54λ0之间，宽在0.08λ0～0.12λ0之间。
进一步的作为本发明的优选技术方案，所述第一金属条带、第二金属条带的长度均在0.42λ0～0.46λ0之间。
本发明相对于现有技术的有益效果为：
1、本发明通过T型微带线耦合平行槽激励带有周期性空气长孔和空气短孔的介质谐振器，激励介质谐振器的TMδ2模，抑制介质谐振器的TMδ1模和TMδ3模，从而形成水平方向的毫米波双波束辐射，达到高效率、结构简单、平面化易安装等效果。
2、本发明呈周期性阵列排布的空气长孔和空气短孔分别位于高介电常数介质条带的周围及下方，用于降低等效介电常数，降低对介质谐振器模式的扰动，并且降低介质损耗，进一步提高毫米波频段的辐射效率。
3、本发明的T型微带线左右对称，长度在0.42λ0～0.46λ0之间，平行槽的间距在0.26λ0～0.30λ0之间，保证平行槽的电场呈等幅反向分布，激励介质谐振器的TMδ2模，抑制介质谐振器的TMδ1模和TMδ3模。
4、本发明与现有的单元方式金属双波束天线相比，更适用于毫米波，具有更好的辐射效率；与现有的介质双波束天线相比，使用的谐振器个数少、结构简单，在毫米波频段效率进一步提升、易于平面化和安装。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的结构俯视图；
图3为本发明的中间金属层结构示意图；
图4为本发明的底层金属层结构示意图；
图5为本发明的S参数和增益曲线图；
图6为本发明在26.28GHz处的E面仿真辐射方向图；
附图中，1-顶层低介电常数基片层；2-中间金属层结构；3-底层低介电常数基片层；4-底层金属层结构；5-高介电常数介质条带；11-空气长孔；12-空气短孔；21-平行槽；41-第一金属条带；42-第二金属条带。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
如图1至图4所示，一种毫米波双波束介质谐振器天线，包括自上而下层叠设置的顶层低介电常数基片层1、中间金属层结构2、底层低介电常数基片层3、底层金属层结构4；顶层低介电常数基片层1设置周期性阵列排布的空气长孔11与空气短孔12；空气短孔12的上方设置矩形凹槽，矩形凹槽内设置高介电常数介质条带5；矩形凹槽、高介电常数介质条带5均设置在顶层低介电常数基片层1的中心线上；高介电常数介质条带5的上表面与顶层低介电常数基片层1的上表面在同一水平面；中间金属层结构2的表面刻蚀有一对平行槽21；底层金属层结构4包括第一金属条带41、第二金属条带42；第一金属条带41、第二金属条带42在同一水平面相对垂直设置且第一金属条带41位于第二金属条带42的中心线上；第二金属条带42在中间金属层结构2的垂直投影面上与一对平行槽21的水平中心线相重合；顶层低介电常数基片1、中间金属层结构2及高介电常数介质条带5构成介质谐振器；中间金属层结构2、底层低介电常数基片层3、第一金属条带41、第二金属条带42构成微带线，形成T型微带结构。
一对平行槽21的长度均在0.12λ0～0.14λ0之间，平行间距在0.26λ0～0.30λ0之间。高介电常数介质条带5采用陶瓷，其介电常数为69，长在0.50λ0～0.54λ0之间，宽在0.08λ0～0.12λ0之间。第一金属条带41、第二金属条带42的长度均在0.42λ0～0.46λ0之间。
信号通过第一金属条带41对应的微带馈线馈入到第二金属条带42对应的微带线，而后通过平行槽21将信号耦合到由顶层低介电常数基片1、中间金属层结构2及高介电常数介质条带5构成的介质谐振器，并进行辐射。
本发明工作时，第二金属条带42对应的微带线电流等幅反向，并使得一对平行槽21时的电场呈现等幅反向的分布特点。该等幅反向的槽电场分布能够抑制介质谐振器的TMδ1模和TMδ3模，并激励介质谐振器的TMδ2模，利用TMδ2模两端等幅反向的特性，形成左右方向的双波束辐射。介质谐振器中顶层低介电常数基片1的矩形凹槽用于装嵌介质谐振器的主体即高介电常数介质条带5，便于在毫米波频段实现平面化及便于安装；呈周期性排布的空气长孔11和空气短孔12用于降低等效介电常数，降低对介质谐振器模式的扰动，并且降低介质损耗，进一步提高毫米波频段的辐射效率。
本发明呈现中心对称特点。本发明通过T型微带线耦合平行槽21激励带有周期性空气长孔11和空气短孔12的介质谐振器，激励介质谐振器的TMδ2模，抑制介质谐振器的TMδ1模和TMδ3模，从而形成水平方向的毫米波双波束辐射，达到高效率、结构简单、平面化易安装等效果。本发明呈周期性阵列排布的空气长孔11和空气短孔12分别位于高介电常数介质条带5的周围及下方，用于降低等效介电常数，降低对介质谐振器模式的扰动，并且降低介质损耗，进一步提高毫米波频段的辐射效率。本发明的T型微带线左右对称，长度在0.42λ0～0.46λ0之间，平行槽21的间距在0.26λ0～0.30λ0之间，保证平行槽21的电场呈等幅反向分布，激励介质谐振器的TMδ2模，抑制介质谐振器的TMδ1模和TMδ3模。
本发明的匹配及增益响应的仿真结果如图5所示。本发明的工作频带覆盖25.7～27GHz，相对带宽为4.7％。工作频带内的最大增益为6.6dBi。图6是本发明天线在26.28GHz处的E面仿真辐射方向图。在该频点处，交叉极化电平为-16.7dB，两个辐射波束指向±41°，辐射效率为94％。
本发明与现有的单元方式金属双波束天线相比，更适用于毫米波，具有更好的辐射效率；与现有的介质双波束天线相比，使用的谐振器个数少、结构简单，在毫米波频段效率进一步提升、易于平面化和安装。
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 (4)

1.一种毫米波双波束介质谐振器天线，其特征在于，包括自上而下层叠设置的顶层低介电常数基片层(1)、中间金属层结构(2)、底层低介电常数基片层(3)、底层金属层结构(4)；所述顶层低介电常数基片层(1)设置周期性阵列排布的空气长孔(11)与空气短孔(12)；所述空气短孔(12)的上方设置矩形凹槽，所述矩形凹槽内设置高介电常数介质条带(5)；所述矩形凹槽、高介电常数介质条带(5)均设置在顶层低介电常数基片层(1)的中心线上；所述高介电常数介质条带(5)的上表面与顶层低介电常数基片层(1)的上表面在同一水平面；所述中间金属层结构(2)的表面刻蚀有一对平行槽(21)；所述底层金属层结构(4)包括第一金属条带(41)、第二金属条带(42)；所述第一金属条带(41)、第二金属条带(42)在同一水平面相对垂直设置且第一金属条带(41)位于第二金属条带(42)的中心线上；所述第二金属条带(42)在中间金属层结构(2)的垂直投影面上与一对平行槽(21)的水平中心线相重合；所述顶层低介电常数基片(1)、中间金属层结构(2)及高介电常数介质条带(5)构成介质谐振器；所述中间金属层结构(2)、底层低介电常数基片层(3)、第一金属条带(41)、第二金属条带(42)构成微带线，形成T型微带结构。
2.根据权利要求1所述的一种毫米波双波束介质谐振器天线，其特征在于，所述一对平行槽(21)的长度均在0.12λ0～0.14λ0之间，平行间距在0.26λ0～0.30λ0之间。
3.根据权利要求1所述的一种毫米波双波束介质谐振器天线，其特征在于，所述高介电常数介质条带(5)采用陶瓷，其介电常数为69，长在0.50λ0～0.54λ0之间，宽在0.08λ0～0.12λ0之间。
4.根据权利要求1所述的一种毫米波双波束介质谐振器天线，其特征在于，所述第一金属条带(41)、第二金属条带(42)的长度均在0.42λ0～0.46λ0之间。
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