CN116759796A - 一种宽带双波束介质谐振器天线 - Google Patents

一种宽带双波束介质谐振器天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种宽带双波束介质谐振器天线，包括金属顶层、上层高介电常数基片、金属中间层、中层低介电常数基片、金属大地、下层底层低介电常数基片以及金属底层，金属顶层和金属中间的中部均具有矩形开口，上层高介电常数基片与矩形开口对应的位置形成高介电常数介质矩形，高介电常数介质矩形上设置有若干非金属化过孔；金属中间层的金属面位于矩形开口的两长边侧对称设置有金属矩形片；中层低介电常数基片与矩形开口对应的位置形成低介电常数介质矩形；金属大地的中部设置有平行矩形槽；金属顶层、金属中间层和金属大地之间连接有若干金属化过孔。本发明能够获得宽带稳定的水平方向双波束辐射，并且可集成易组装，导体损耗低。

Description

一种宽带双波束介质谐振器天线
技术领域
本发明涉及微波通信技术领域，特别涉及一种宽带双波束介质谐振器天线。
背景技术
随着移动通信用户数量激增、用户体验要求增强，移动通信技术向高速率、高容量方向发展。从天线角度提高系统速率与容量有多种方法，一是拓展天线的带宽，二是采用双波束或多波束天线。天线带宽的拓展能够支持高速率通信需要的绝对带宽，并且能够兼容不同地区及不同频段的应用需求。天线在双波束或多波束工作状态下，能够覆盖多个区域用于提升系统容量，避免多天线间的互相干扰，并且在铁路、隧道等狭长区域有着天然的优势。现有的双波束天线可以分为阵列实现方式和单元实现方式。前者主要通过移相网络或器件改变阵列中单波束单元间的相位分布实现双波束辐射，因此需要的单元数多、尺寸大，并且移相网络或器件将引入较大的损耗及提升结构复杂度。以单元方式实现双波束辐射，能够有效减少天线尺寸、避免移相网络的损耗、简化结构，在低增益场景下具有明显的优势，在高增益场景下可以通过组阵实现。综上所述，以单元方式实现一种双波束天线并具有宽带响应具有重要的研究意义和工程价值。
目前以单元形式实现双波束辐射的天线多为金属贴片天线，主要是通过中心馈电方式激励贴片天线的TM20模，此类天线的好处是剖面低、易集成，但是由于双波束辐射模式少、可控性低、匹配响应窄等原因使得此类天线难以获得宽带特性，并且在毫米波频段谐振器带来的导体损耗较大。目前此类天线带宽最宽可达23.5%，主要是在金属贴片上蚀刻出金属条带与馈电探针处的金属条带进行耦合实现。少数单元式双波束天线以介质谐振器实现，主要使用陶瓷介质条作为辐射主体，置于印刷电路板上，以TMδ2模获得双波束辐射，此类天线可以极大地减小毫米波频段的导体损耗，但是在结构上无法实现基片集成，组装误差大、工序复杂，在性能上支持双波束辐射的模式少、品质因素过高导致工作带宽较窄。因此，尚未有以单元方式实现的双波束辐射天线兼具宽带、低导体损耗、平面化结构、可集成的优势。
针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
针对相关技术中的问题，本发明提出一种宽带双波束介质谐振器天线，以解决现有技术中以单元方式实现的双波束天线带宽较窄，并且部分天线存在毫米波频段导体损耗大、不易集成或组装误差大的问题。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种宽带双波束介质谐振器天线，包括依次连接的金属顶层、上层高介电常数基片、金属中间层、中层低介电常数基片、金属大地、下层底层低介电常数基片以及金属底层，其中，所述金属顶层和所述金属中间的中部均具有矩形开口，所述上层高介电常数基片与所述矩形开口对应的位置形成高介电常数介质矩形，所述高介电常数介质矩形上设置有若干非金属化过孔；所述金属中间层的金属面位于所述矩形开口的两长边侧对称设置有金属矩形片；所述中层低介电常数基片与所述矩形开口对应的位置形成低介电常数介质矩形；所述金属大地的中部设置有中心对称的平行矩形槽；所述金属顶层、所述金属中间层和所述金属大地之间连接有若干金属化过孔；所述高介电常数介质矩形、所述低介电常数介质矩形、所述金属矩形片以及所述金属大地之间构成背腔型基片集成多模反相介质谐振器；所述下层低介电常数基片、所述金属大地以及金属底层之间构成T型微带馈电结构。
可选的，所述金属底层包括金属条带和阶梯型条带，所述金属条带与所述阶梯型条带之间构成T形结构。
可选的，所述矩形开口的长度为0.8~0.82/>；所述矩形开口的宽度为0.54/>~0.56/>。
可选的，所述非金属化过孔包括非金属化过孔一和非金属化过孔二，所述非金属化过孔一为圆形非金属化过孔，所述非金属化过孔二为条形非金属化过孔。
可选的，所述非金属化过孔一的设置于所述高介电常数介质矩形的两长边侧，且每侧的数量为两排；所述非金属化过孔二设置于所述高介电常数介质矩形的两短边侧。
可选的，所述非金属化过孔一的孔径为0.08~0.085/>；所述非金属化过孔二的长度为0.3/>~0.35/>；所述非金属化过孔二的宽度为0.08/>~0.085/>。
可选的，所述金属矩形片的长度为0.3~0.35/>；所述金属矩形片的宽度为0.1~0.12/>。
可选的，所述平行矩形槽的长度为0.2~0.23/>；所述平行矩形槽的宽度为0.04/>~0.05/>；两所述平行矩形槽之间的间距为0.42/>~0.5/>。
可选的，所述金属化过孔包括金属化过孔一和金属化过孔二，所述金属化过孔一为圆形金属化过孔，所述金属化过孔二为环形金属化过孔。
可选的，所述圆形金属化过孔位于所述环形金属化过孔的外侧，所述环形金属化过孔环形围绕于所述矩形开口外侧。
有益效果：本发明将非金属化过孔作用于高介电常数介质矩形，并将高介电常数介质矩形、低介电常数介质矩形、金属矩形片以及金属大地构成背腔型基片集成多模反相介质谐振器；结合T型微带结构耦合反相平行矩形槽，保证平行矩形槽、TE111模和TE131模对应的谐振及其水平方向双波束辐射，抑制异向辐射的TM111模，从而获得宽带稳定的水平方向双波束辐射，并且兼具低导体损耗、平面化结构、可集成易组装的优势。
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的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明实施例的一种宽带双波束介质谐振器天线的剖面结构示意图；
图2是根据本发明实施例的一种宽带双波束介质谐振器天线的顶面结构示意图；
图3是根据本发明实施例的一种宽带双波束介质谐振器天线的金属中间层的结构示意图；
图4是根据本发明实施例的一种宽带双波束介质谐振器天线的金属大地的结构示意图；
图5是根据本发明实施例的一种宽带双波束介质谐振器天线的金属底层的结构示意图；
图6是根据本发明实施例的一种宽带双波束介质谐振器天线的仿真阻抗匹配和增益曲线图；
图7是根据本发明实施例的一种宽带双波束介质谐振器天线的仿真效率曲线图；
图8是根据本发明实施例的一种宽带双波束介质谐振器天线的23GHz双波束指向为±37°的E面仿真方向图；
图9是根据本发明实施例的一种宽带双波束介质谐振器天线的28GHz双波束指向为±32°的E面仿真方向图；
图10是根据本发明实施例的一种宽带双波束介质谐振器天线的33GHz双波束指向为±30°的E面仿真方向图。
图中：
1、金属顶层；2、上层高介电常数基片；3、金属中间层；4、中层低介电常数基片；5、金属大地；6、下层底层低介电常数基片；7、金属底层；8、矩形开口；9、高介电常数介质矩形；10、非金属化过孔；11、金属矩形片；12、低介电常数介质矩形；13、平行矩形槽；14、金属化过孔；15、金属条带；16、阶梯型条带；17、非金属化过孔一；18、非金属化过孔二；19、金属化过孔一；20、金属化过孔二；21、顶层方环形金属结构；22、高介电常数基片环；23、中间层方环形金属结构；24、低介电常数基片环。
具体实施方式
下面将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，所描述的实施例仅仅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，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
根据本发明的实施例，提供了一种宽带双波束介质谐振器天线。
如图1-5所示，根据本发明实施例的一种宽带双波束介质谐振器天线，包括依次连接的金属顶层1、上层高介电常数基片2、金属中间层3、中层低介电常数基片4、金属大地5、下层底层低介电常数基片6以及金属底层7，其中，所述金属顶层1和所述金属中间3的中部均具有矩形开口8，所述上层高介电常数基片2与所述矩形开口8对应的位置形成高介电常数介质矩形9，所述高介电常数介质矩形9上设置有若干非金属化过孔10；所述金属中间层3的金属面位于所述矩形开口8的两长边侧对称设置有金属矩形片11；所述中层低介电常数基片4与所述矩形开口8对应的位置形成低介电常数介质矩形12；所述金属大地5的中部设置有中心对称的平行矩形槽13；所述金属顶层1、所述金属中间层3和所述金属大地5之间连接有若干金属化过孔14；所述高介电常数介质矩形9、所述低介电常数介质矩形12、所述金属矩形片11以及所述金属大地5之间构成背腔型基片集成多模反相介质谐振器；所述下层低介电常数基片6、所述金属大地5以及金属底层7之间构成T型微带馈电结构。
在一个实施例中，所述金属底层7包括金属条带15和阶梯型条带16，所述金属条带15与所述阶梯型条带16之间构成T形结构。
在一个实施例中，所述矩形开口8的长度为0.8~0.82/>；所述矩形开口的宽度为0.54/>~0.56/>。
在一个实施例中，所述非金属化过孔10包括非金属化过孔一17和非金属化过孔二18，所述非金属化过孔一17为圆形非金属化过孔，所述非金属化过孔二18为条形非金属化过孔。所述非金属化过孔一17的设置于所述高介电常数介质矩形9的两长边侧，且每侧的数量为两排；所述非金属化过孔二18设置于所述高介电常数介质矩形9的两短边侧。所述非金属化过孔一17的孔径为0.08~0.085/>；所述非金属化过孔二18的长度为0.3/>~0.35；所述非金属化过孔二18的宽度为0.08/>~0.085/>。
在一个实施例中，所述金属矩形片11的长度为0.3~0.35/>；所述金属矩形片11的宽度为0.1/>~0.12/>。所述平行矩形槽13的长度为0.2/>~0.23/>；所述平行矩形槽13的宽度为0.04/>~0.05/>；两所述平行矩形槽13之间的间距为0.42/>~0.5/>。
在一个实施例中，所述金属化过孔14包括金属化过孔一19和金属化过孔二20，所述金属化过孔一19为圆形金属化过孔，所述金属化过孔二20为环形金属化过孔。所述圆形金属化过孔位于所述环形金属化过孔的外侧，所述环形金属化过孔环形围绕于所述矩形开口8外侧。
在矩形开口8外侧为用于基片集成的拓展结构，而所述金属顶层1、上层高介电常数基片2、金属中间层3、中层低介电常数基片4上与矩形开口8对应的外侧则为顶层方环形金属结构21、高介电常数基片环22、中间层方环形金属结构23和低介电常数基片环24。
在实际使用时，对于所提出的宽带双波束介质谐振器天线，信号从T型微带馈电结构馈入，并等幅同相耦合至平行矩形槽13，再经过背腔型基片集成多模反相介质谐振器，达到双波束辐射效果。
在此过程中，背腔型基片集成多模反相介质谐振器和T型微带耦合双槽结构是构成宽带双波束辐射的关键因素。在背腔型基片集成多模反相介质谐振器未添加金属矩形片11时，存在TM111、TE111和TE131三个模式，三者的电场都存在左右反向的水平电场分布，因此可以由等幅同相输出的T型微带馈电结构对向耦合至平行矩形槽13进行激励，此时平行矩形槽13的双槽内电场呈反相分布。在这种状态下天线可以获得四个反射零点，在顺序上分别对应反相分布的平行矩形槽13及背腔型基片集成多模反相介质谐振器的TM111、TE111和TE131三个模式主导的谐振。其中，反相分布的平行矩形槽13、谐振器的TE111模和TE131模都是反相水平电场占据主导，可以获得较好的水平方向双波束辐射，而谐振器的TM111模，虽然存在部分的反相水平电场，但是占主导的电场为x方向上的反相电场分量E x ，无法形成水平方向双波束辐射。因此为了获得宽带的水平方向双波束辐射，必须将TM111模移除至频带外。
将金属矩形片11嵌入介质谐振器中间层，与中间层方环形金属结构23的上下内侧边相连，位置处于TM111模E x 分量最强处，可以为TM111模提供z方向额外的电场路径，使其频率下移至频带外，而其它支持水平双波束辐射的三个反射零点依然正常工作。因此，完整的背腔型基片集成多模反相介质谐振器能够帮助天线获得宽频带内稳定的水平方向双波束辐射。
背腔型基片集成多模反相介质谐振器的上下边缘各设有两排非金属化过孔的主要目的有两个方面，一方面是降低x方向边缘的介电常数，用于增强分量，提高增益与效率，另一方面是防止x方向的高次模进入到工作频带，影响频带内的辐射稳定性。而如果采用整体缩小x方向，或减少孔的排数，将无法达到此两方面的目的。谐振器左右两侧设置的一对条状非金属化过孔18，主要用于增大天线TE131模谐振时的阻抗实部，使天线易于匹配。
在上述工作机制的作用下，天线可以激励起多个支持水平双波束辐射的谐振模式，具有宽带双波束辐射的优点。在整体结构上，采用介质基片结合印刷电路板的多层板、过孔、覆铜刻蚀等工艺，可以获得平面化结构、可集成易组装等优势，并且在毫米波频段依然保持较低的导体损耗。
为了方便理解本发明的上述技术方案，以下通过具体实例对本发明的上述技术方案进行详细说明。
以RT6010基片为高介电常数基片，RO4003C基片为低介电常数基片，整体天线单元尺寸为1.4 × 0.75/> × 0.17/>（/>为中心频率处对应的自由空间波长）为例，如图6和图7所示，宽带双波束介质谐振器天线的中心频率在28.25 GHz，10-dB匹配带宽(22.6GHz~33.9GHz)可达40%，工作频带内的最大增益为5.67dBi，增益曲线在带内平坦度较好。图7为天线的总效率响应曲线，其最高效率可达94.4%。图8-10为设计天线在三个反射零点处的天线仿真E面方向图，其双波束指向分别为±37°、±32°和±30°，频带内方向图指向较为稳定，且3dB波束内交叉极化水平均小于-25dB。
由此可见，借助于本发明的上述技术方案，通过将非金属化过孔作用于高介电常数介质矩形，并将高介电常数介质矩形、低介电常数介质矩形、金属矩形片以及金属大地构成背腔型基片集成多模反相介质谐振器；结合T型微带结构耦合反相平行矩形槽，保证平行矩形槽、TE111模和TE131模对应的谐振及其水平方向双波束辐射，抑制异向辐射的TM111模，从而获得宽带稳定的水平方向双波束辐射，并且兼具低导体损耗、平面化结构、可集成易组装的优势。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种宽带双波束介质谐振器天线，其特征在于，包括依次连接的金属顶层、上层高介电常数基片、金属中间层、中层低介电常数基片、金属大地、下层底层低介电常数基片以及金属底层，其中，所述金属顶层和所述金属中间的中部均具有矩形开口，所述上层高介电常数基片与所述矩形开口对应的位置形成高介电常数介质矩形，所述高介电常数介质矩形上设置有若干非金属化过孔；所述金属中间层的金属面位于所述矩形开口的两长边侧对称设置有金属矩形片；所述中层低介电常数基片与所述矩形开口对应的位置形成低介电常数介质矩形；所述金属大地的中部设置有中心对称的平行矩形槽；所述金属顶层、所述金属中间层和所述金属大地之间连接有若干金属化过孔；所述高介电常数介质矩形、所述低介电常数介质矩形、所述金属矩形片以及所述金属大地之间构成背腔型基片集成多模反相介质谐振器；所述下层低介电常数基片、所述金属大地以及金属底层之间构成T型微带馈电结构。
2.根据权利要求1所述的宽带双波束介质谐振器天线，其特征在于，所述金属底层包括金属条带和阶梯型条带，所述金属条带与所述阶梯型条带之间构成T形结构。
3.根据权利要求1所述的宽带双波束介质谐振器天线，其特征在于，所述矩形开口的长度为0.8~0.82/>；所述矩形开口的宽度为0.54/>~0.56/>。
4.根据权利要求1所述的宽带双波束介质谐振器天线，其特征在于，所述非金属化过孔包括非金属化过孔一和非金属化过孔二，所述非金属化过孔一为圆形非金属化过孔，所述非金属化过孔二为条形非金属化过孔。
5.根据权利要求4所述的宽带双波束介质谐振器天线，其特征在于，所述非金属化过孔一的设置于所述高介电常数介质矩形的两长边侧，且每侧的数量为两排；所述非金属化过孔二设置于所述高介电常数介质矩形的两短边侧。
6.根据权利要求5所述的宽带双波束介质谐振器天线，其特征在于，所述非金属化过孔一的孔径为0.08λ0~0.085λ0；所述非金属化过孔二的长度为0.3~0.35/>；所述非金属化过孔二的宽度为0.08/>~0.085/>。
7.根据权利要求1所述的宽带双波束介质谐振器天线，其特征在于，所述金属矩形片的长度为0.3~0.35/>；所述金属矩形片的宽度为0.1/>~0.12/>。
8.根据权利要求1所述的宽带双波束介质谐振器天线，其特征在于，所述平行矩形槽的长度为0.2~0.23/>；所述平行矩形槽的宽度为0.04/>~0.05/>；两所述平行矩形槽之间的间距为0.42/>~0.5/>。
9.根据权利要求1所述的宽带双波束介质谐振器天线，其特征在于，所述金属化过孔包括金属化过孔一和金属化过孔二，所述金属化过孔一为圆形金属化过孔，所述金属化过孔二为环形金属化过孔。
10.根据权利要求9所述的宽带双波束介质谐振器天线，其特征在于，所述圆形金属化过孔位于所述环形金属化过孔的外侧，所述环形金属化过孔环形围绕于所述矩形开口外侧。
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金力新等: "一种毫米波双波束介质谐振器滤波天线", 《2022年全国微波毫米波会议论文集（上册）》, pages 451 - 453 *

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CN116759796B (zh) 2023-11-07

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