CN116780190B - 一种辐射仰角稳定的宽带介质谐振器全向天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种辐射仰角稳定的宽带介质谐振器全向天线，包括多重加载介质谐振器和同轴探针；所述的多重加载介质谐振器包括金属圆环、上层高介电常数介质、下层高介电常数介质、金属地；信号从同轴探针馈入，耦合至多重加载介质谐振器，在开有环型槽的金属地、金属圆环及上层高介电常数介质上的各空气圆孔对多重加载介质谐振器的调控作用下，实现具有宽频带内辐射仰角稳定的全向辐射，本发明所设计的天线结构在增加工作模式拓展带宽的同时，能够获得稳定的辐射仰角，并能保持较高的辐射效率及生产稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及微波通信领域，具体涉及一种辐射仰角稳定的宽带介质谐振器全向天线。
背景技术
基于介质谐振器工作的全向天线既具有介质谐振器天线高辐射效率、低导体损耗、小尺寸的优势，又能实现水平面信号的全方位覆盖能力，在室分系统、蜂窝网络、高频系统等应用场景中具备很强的竞争力。随着第五代及第六代移动通信技术的不断发展，应用场景不断更新，通信频段不断增加，出于减小天线数量、安装成本、系统复杂度及支持多种应用场景的考量，一方面，需要天线拓展自身工作带宽，兼容不同的通信频段或通信制式；另一方面，需要天线在工作频段内保持稳定的辐射性能，尤其是全向天线的辐射仰角，避免在不同的应用场景切换时出现较大的性能波动。因此，发明一种兼具宽带和稳定辐射仰角的介质谐振器全向天线具有重要的应用价值。
目前的介质谐振器全向天线多为圆极化或垂直极化全向工作。其中圆极化类型的介质谐振器全向天线主要通过在底层PCB刻蚀对称弧形槽或是交叉短路微带结构激励上方的介质谐振器实现，具有良好的全向辐射性能，但由于工作模式较少，难以获得宽带匹配。垂直极化类型的介质谐振器全向天线主要通过中心馈电探针激励介质谐振器的一个或两个圆对称模式实现，此时天线的带宽相对较窄，并且工作频带内的辐射仰角的一致性较差；部分设计通过在介质谐振器内增加金属结构增加谐振模式，达到带宽拓展效果，但由于金属结构的存在，天线总效率出现恶化，整体天线结构无法通过基片可集成的方式实现，并且工作频带内的辐射仰角不稳定的问题依然存在。因此，尚未有介质谐振器全向天线在实现宽带工作的基础上兼具辐射仰角稳定、高效率、生产稳定性高等效果。
发明内容
本发明目的：针对现有的介质谐振器全向天线无法在宽频带内实现稳定的辐射仰角，并且部分天线存在工作频带窄、效率低、生产稳定性差等问题，提供一种辐射仰角稳定的宽带介质谐振器全向天线，在增加工作模式拓展带宽的同时，能够获得稳定的辐射仰角，并能保持较高的辐射效率及生产稳定性。
为实现以上功能，本发明设计一种辐射仰角稳定的宽带介质谐振器全向天线，包括多重加载介质谐振器和同轴探针6；所述的多重加载介质谐振器包括金属圆环1、上层高介电常数介质2、下层高介电常数介质3、金属地4；其中上层高介电常数介质2、下层高介电常数介质3、金属地4均为圆盘状，且三者的圆心与金属圆环1的圆心在同一平面上的投影重合；
金属圆环1位于上层高介电常数介质2上，且上层高介电常数介质2、下层高介电常数介质3、金属地4依次层叠，上层高介电常数介质2上具有多个空气圆孔21、以及一个空气通孔5，各空气圆孔21贯穿上层高介电常数介质2，空气通孔5位于上层高介电常数介质2中心处，贯穿上层高介电常数介质2以及下层高介电常数介质3，其圆心与上层高介电常数介质2的圆心重合，且其半径小于金属圆环1内环的半径，大于同轴探针6的半径，使同轴探针6在空气通孔5中穿过；各空气圆孔21排列为预设圈数的圆环状，且由空气圆孔21组成的各圈圆环的圆心与上层高介电常数介质2的圆心重合；
金属地4上蚀刻有环形槽41、圆孔42，且两者的圆心与金属地4的圆心重合，圆孔42的半径大于同轴探针6的半径，使同轴探针6从圆孔42中穿过，避免同轴探针6与金属地4短路；环形槽41在圆孔42外侧，且其外环半径小于下层高介电常数介质3的半径，环形槽41在下层高介电常数介质3所在平面的投影位于下层高介电常数介质3范围内部；
同轴探针6依次穿过多重加载介质谐振器中金属地4上的圆孔42、下层高介电常数介质3和上层高介电常数介质2上的空气通孔5、金属圆环1，信号从同轴探针6馈入，耦合至多重加载介质谐振器，在开有环形槽41的金属地4、金属圆环1及各空气圆孔21对多重加载介质谐振器的调控作用下，实现具有宽频带内辐射仰角稳定的全向辐射。
作为本发明的一种优选技术方案：上层高介电常数介质2、下层高介电常数介质3的半径相同，且小于金属地4的半径。
作为本发明的一种优选技术方案：上层高介电常数介质2、下层高介电常数介质3的半径不小于0.58λ0，不大于0.64λ0，其中λ0为中心频率对应的自由空间波长。
作为本发明的一种优选技术方案：金属地4的半径不小于0.72λ0，不大于0.78λ0，其中λ0为中心频率对应的自由空间波长。
作为本发明的一种优选技术方案：金属地4上的环形槽41与圆心的距离不小于0.49λ0，不大于0.55λ0，其中λ0为中心频率对应的自由空间波长。
作为本发明的一种优选技术方案：上层高介电常数介质2上的各空气圆孔21半径相等，且各空气圆孔21排列为三圈圆环状。
作为本发明的一种优选技术方案：由各空气圆孔21排列构成的三圈圆环中，半径最小的圆环的内边沿与上层高介电常数介质2圆心的距离不小于0.31λ0，不大于0.37λ0，半径最大的圆环的外边沿与上层高介电常数介质2圆心的距离不小于0.47λ0，不大于0.53λ0，其中λ0为中心频率对应的自由空间波长。
有益效果：相对于现有技术，本发明的优点包括：
1、将金属地的环形槽、顶层金属圆环、空气圆孔加载于介质谐振器，通过调节加载位置可以控制TM01、TM02及TM03三个垂直极化全向辐射模式的频点聚拢、阻抗匹配及辐射仰角，从而实现宽频带工作，宽频带内辐射仰角稳定，并且效率高及生产稳定性好。
2、环形槽位于底层圆形金属地，其与谐振器中心的距离在0.49λ0～0.55λ0之间，可以用于调节最低模式(TM01模式)的边界，使得TM01模式的工作频率上移，并且产生的等效串联电容效应，可以降低TM01模式谐振时的阻抗实部，改善天线下边带的阻抗匹配水平。此外，该环形槽能够减小对于TM02及TM03模式的反射地电尺寸，使得三个模式的辐射仰角趋于一致。因此，环形槽对天线的宽带工作、匹配水平及辐射仰角一致性均有贡献。
3、顶层金属圆环与谐振器中心的距离在0.043λ0～0.049λ0之间，位于TM01、TM02及TM03模式的公共强电场区，主要用于同时控制三个模式谐振频率的上下移动并调整三个模式的外部品质因素，有利于天线实现宽频工作及优化宽频带内的整体匹配水平。
4、空气圆孔位于上层高介电常数介质内，其内边沿与谐振器中心的距离在0.31λ0～0.37λ0之间，外边沿与谐振器中心的距离在0.47λ0～0.53λ0之间，加载位置处于TM01模式的弱场区，TM02模式的第二峰值场区，TM03模式的第三峰值场区，主要用于控制TM02和TM03模式的谐振频率，使得TM02模上移时TM03模下移。此外，采用盲孔而非通孔，可以避免天线的圆形金属地被破坏，有助于维持天线宽频带内辐射仰角的稳定。
5、谐振器的底层圆形金属地半径在0.72λ0～0.78λ0之间，大于上层高介电常数介质和下层低介电常数介质的半径，决定了TM01模式的辐射仰角及未加载环形槽时TM02及TM03模式的初始辐射仰角。经环形槽加载后，TM02及TM03模式的辐射仰角与TM01模式的辐射仰角趋于一致，获得宽频带内的稳定辐射仰角。
附图说明
图1是根据本发明实施例提供的一种辐射仰角稳定的宽带介质谐振器全向天线的剖面图；
图2是根据本发明实施例提供的一种辐射仰角稳定的宽带介质谐振器全向天线的俯视图；
图3是根据本发明实施例提供的一种辐射仰角稳定的宽带介质谐振器全向天线的仰视图；
图4(a)-图4(c)是根据本发明实施例提供的一种辐射仰角稳定的宽带介质谐振器全向天线的|S11|、增益及总效率；
图5(a)-图5(d)是根据本发明实施例提供的一种辐射仰角稳定的宽带介质谐振器全向天线不同频率处的仿真方向图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
参照图1，本发明实施例提供的一种辐射仰角稳定的宽带介质谐振器全向天线，包括多重加载介质谐振器和同轴探针6；所述的多重加载介质谐振器包括金属圆环1、上层高介电常数介质2、下层高介电常数介质3、金属地4；其中上层高介电常数介质2、下层高介电常数介质3、金属地4均为圆盘状，且三者的圆心与金属圆环1的圆心在同一平面上的投影重合；
参照图2，金属圆环1位于上层高介电常数介质2上，且上层高介电常数介质2、下层高介电常数介质3、金属地4依次层叠，上层高介电常数介质2上具有多个空气圆孔21、以及一个空气通孔5，各空气圆孔21贯穿上层高介电常数介质2，空气通孔5位于上层高介电常数介质2中心处，贯穿上层高介电常数介质2以及下层高介电常数介质3，其圆心与上层高介电常数介质2的圆心重合，且其半径小于金属圆环1内环的半径，大于同轴探针6的半径，使同轴探针6在空气通孔5中穿过；各空气圆孔21半径相等，排列为三圈圆环状，且由空气圆孔21组成的各圈圆环的圆心与上层高介电常数介质2的圆心重合；
参照图3，金属地4上蚀刻有环形槽41、圆孔42，且两者的圆心与金属地4的圆心重合，圆孔42的半径大于同轴探针6的半径，使同轴探针6从圆孔42中穿过，避免同轴探针6与金属地4短路；环形槽41在圆孔42外侧，且其外环半径小于下层高介电常数介质3的半径，环形槽41在下层高介电常数介质3所在平面的投影位于下层高介电常数介质3范围内部。
上层高介电常数介质2、下层高介电常数介质3的半径相同，且小于金属地4的半径；上层高介电常数介质2、下层高介电常数介质3的半径不小于0.58λ0，不大于0.64λ0，其中λ0为中心频率对应的自由空间波长；金属地4的半径不小于0.72λ0，不大于0.78λ0，金属地4上的环形槽41与圆心的距离不小于0.49λ0，不大于0.55λ0。
由各空气圆孔21排列构成的三圈圆环中，半径最小的圆环的内边沿与上层高介电常数介质2圆心的距离不小于0.31λ0，不大于0.37λ0，半径最大的圆环的外边沿与上层高介电常数介质2圆心的距离不小于0.47λ0，不大于0.53λ0。
同轴探针6依次穿过多重加载介质谐振器中金属地4上的圆孔42、下层高介电常数介质3和上层高介电常数介质2上的空气通孔5、金属圆环1，信号从同轴探针6馈入，耦合至多重加载介质谐振器，在开有环形槽41的金属地4、金属圆环1及各空气圆孔21对多重加载介质谐振器的调控作用下，实现具有宽频带内辐射仰角稳定的全向辐射。
在此过程中，多重加载介质谐振器主体部分在环形槽41、金属圆环1及三圈空气圆孔21的作用下获得三个可控的工作模式，即TM01、TM02及TM03模式。其中，环形槽41对最低模式的边界有调节作用，能够使TM01模式上移；金属圆环1位于TM01、TM02及TM03三个模式的共同强电场区，能够同时控制三个模式的谐振频率上下移动；三圈空气圆孔21位于TM01模式的弱场区，TM02模式的第二峰值场区，TM03模式的第三峰值场区，因此主要控制TM02和TM03模式的谐振频率，并且TM02模上移时TM03模下移。因此在环形槽41、金属圆环1及多圈空气圆孔21的调控下，TM01、TM02及TM03三个垂直极化全向辐射模式可以聚拢为宽带工作形成基础。
在此基础上，环形槽41为TM01模式提供等效电容，降低TM01模式谐振时的阻抗实部，有效改善了天线下边带的阻抗匹配水平。同时，金属圆环1位于三个模式的共同强电场区，可以调整三个模式的外部品质因素，用于优化整个频带内的匹配水平。
当圆形金属地4未加入环形槽41时，三个模式的辐射仰角由金属地4的半径决定，并且由于TM02及TM03模式的场区域小于TM01模式的场区域，导致TM02及TM03模式的辐射仰角远大于TM01模式的辐射仰角。所以，当环形槽41加入到距谐振器中心0.49λ0～0.55λ0位置处的时候，对TM02及TM03模式的反射地效应调节较强，而对TM01模式的反射地效应调节较弱，因此能够使得三个模式的辐射仰角趋于一致，获得宽频带内的稳定辐射仰角。此外，空气圆孔21的加载方式避免了天线的圆形金属地4被破坏，有助于维持天线宽频带内辐射仰角的稳定。
在上述工作机制的作用下，环形槽41、金属圆环1及空气圆孔21对天线的模式聚拢、匹配调节及辐射仰角调控起到积极作用，因此既能实现宽带工作，又能获得宽频带内的稳定辐射仰角。同时因为没有较多的金属结构参与天线工作，天线保持了高效率辐射的优点。天线的主体结构简单、平面化，能够通过多层印刷电路板工艺实现，具有较好的生产稳定性。
以下为本发明的一个设计案例，其天线结构示意图如图1所示，介质基片采用RO4003C和RT6010相结合的方式，天线主体可以通过多层印刷电路板工艺实现。该案例的|S11|的仿真结果如图4(a)，增益仿真结果参照图4(b)，总效率的仿真结果参照图4(c)。该案例实现了宽带工作，10-dB匹配带宽可覆盖13.25GHz～21.32GHz,即相对带宽可达46.7％,工作频带内的最大增益为3.95dBi，总效率均值可达90.4％。
图5(a)、图5(b)、图5(c)和图5(d)分别为天线在14GHz、16GHz、18GHz和20GHz处的垂直面(φ)和水平面(θ)仿真方向图。该案例实现了宽频带内稳定仰角的全向辐射，14GHz、16GHz、18GHz及20GHz处的辐射仰角分别为45°、46°，47°及47°。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (7)
1.一种辐射仰角稳定的宽带介质谐振器全向天线，其特征在于，包括多重加载介质谐振器和同轴探针(6)；所述的多重加载介质谐振器包括金属圆环(1)、上层高介电常数介质(2)、下层高介电常数介质(3)、金属地(4)；其中上层高介电常数介质(2)、下层高介电常数介质(3)、金属地(4)均为圆盘状，且三者的圆心与金属圆环(1)的圆心在同一平面上的投影重合；
金属圆环(1)位于上层高介电常数介质(2)上，且上层高介电常数介质(2)、下层高介电常数介质(3)、金属地(4)依次层叠，上层高介电常数介质(2)上具有多个空气圆孔(21)、以及一个空气通孔(5)，各空气圆孔(21)贯穿上层高介电常数介质(2)，空气通孔(5)位于上层高介电常数介质(2)中心处，贯穿上层高介电常数介质(2)以及下层高介电常数介质(3)，其圆心与上层高介电常数介质(2)的圆心重合，且其半径小于金属圆环(1)内环的半径，大于同轴探针(6)的半径，使同轴探针(6)在空气通孔(5)中穿过；各空气圆孔(21)排列为预设圈数的圆环状，且由空气圆孔(21)组成的各圈圆环的圆心与上层高介电常数介质(2)的圆心重合；
金属地(4)上蚀刻有环形槽(41)、圆孔(42)，且两者的圆心与金属地(4)的圆心重合，圆孔(42)的半径大于同轴探针(6)的半径，使同轴探针(6)从圆孔(42)中穿过，避免同轴探针(6)与金属地(4)短路；环形槽(41)在圆孔(42)外侧，且其外环半径小于下层高介电常数介质(3)的半径，环形槽(41)在下层高介电常数介质(3)所在平面的投影位于下层高介电常数介质(3)范围内部；
同轴探针(6)依次穿过多重加载介质谐振器中金属地(4)上的圆孔(42)、下层高介电常数介质(3)和上层高介电常数介质(2)上的空气通孔(5)、金属圆环(1)，信号从同轴探针(6)馈入，耦合至多重加载介质谐振器，在开有环形槽(41)的金属地(4)、金属圆环(1)及各空气圆孔(21)对多重加载介质谐振器的调控作用下，实现具有宽频带内辐射仰角稳定的全向辐射。
2.根据权利要求1所述的一种辐射仰角稳定的宽带介质谐振器全向天线，其特征在于，上层高介电常数介质(2)、下层高介电常数介质(3)的半径相同，且小于金属地(4)的半径。
3.根据权利要求2所述的一种辐射仰角稳定的宽带介质谐振器全向天线，其特征在于，上层高介电常数介质(2)、下层高介电常数介质(3)的半径不小于0.58λ0，不大于0.64λ0，其中λ0为中心频率对应的自由空间波长。
4.根据权利要求2所述的一种辐射仰角稳定的宽带介质谐振器全向天线，其特征在于，金属地(4)的半径不小于0.72λ0，不大于0.78λ0，其中λ0为中心频率对应的自由空间波长。
5.根据权利要求1所述的一种辐射仰角稳定的宽带介质谐振器全向天线，其特征在于，金属地(4)上的环形槽(41)与圆心的距离不小于0.49λ0，不大于0.55λ0，其中λ0为中心频率对应的自由空间波长。
6.根据权利要求1所述的一种辐射仰角稳定的宽带介质谐振器全向天线，其特征在于，上层高介电常数介质(2)上的各空气圆孔(21)半径相等，且各空气圆孔(21)排列为三圈圆环状。
7.根据权利要求6所述的一种辐射仰角稳定的宽带介质谐振器全向天线，其特征在于，由各空气圆孔(21)排列构成的三圈圆环中，半径最小的圆环的内边沿与上层高介电常数介质(2)圆心的距离不小于0.31λ0，不大于0.37λ0，半径最大的圆环的外边沿与上层高介电常数介质(2)圆心的距离不小于0.47λ0，不大于0.53λ0，其中λ0为中心频率对应的自由空间波长。
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| GR01 | Patent grant |