CN117220032A - 一种高选择性宽带圆极化介质谐振器滤波天线 - Google Patents
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Abstract
一种高选择性宽带圆极化介质谐振器滤波天线，包括介质谐振器、接地板以及介质基板；介质谐振器的下表面与接地板的上表面相接触；接地板的下表面与介质基板的上表面相接触；在接地板的上表面与介质谐振器的下表面之间，设置有十字交叉型耦合槽线，其交叉点，与介质谐振器底面的中心位置重合；在介质基板的下表面介质谐振器中轴线上设置有一矩形馈电微带线，以及以矩形馈电微带线为对称轴的一对平行寄生微带线组，组成一微带馈电结构，平行寄生微带线组位于介质谐振器投影面中心位置。本发明通过特殊的微带馈电结构激励介质谐振器模式和槽线模式实现一个宽带圆极化效果，同时因为馈电的特殊性在带外引入了两个辐射零点，提高了天线的带外选择性。
Description
技术领域
本发明涉及无线移动通信领域，特别是涉及一种高选择性宽带圆极化介质谐振器天线。
背景技术
常规的射频收发系统通常将滤波器和天线分别单独设计，再用阻抗匹配网络连接，这对系统小型化集成化是不利的，而且额外的匹配网络还会带来降低系统效率的风险。
圆极化天线用作接收天线时对来波的极化形式无选择性，同时它辐射的圆极化波也可以被任意极化的天线接收，因此具有抗多径衰落和低极化损失的优点，在卫星导航与定位、移动通信、雷达通信中也具有很重要的应用。
目前，大多数圆极化滤波天线都是通过在圆极化天线的馈电结构中添加一个带通滤波器来实现，或者通过使用合成方法将圆极化天线的辐射器与一个带通滤波器集成来实现，这样，就可以实现滤波响应。但由于仍然需要外部滤波器或滤波网络，因此集成级别是有限的。此外，由于滤波器滤波网络不可避免的增加插入损耗和尺寸，难以阻抗匹配等，所产生的天线可实现带宽和实现增益在一定程度上被影响，进而实现不了良好的宽带圆极化效果。
发明内容
本发明的目的是提供一种高选择性宽带圆极化介质谐振器天线，以解决滤波电路的引入会不可避免增加天线的尺寸和干扰天线轴比带宽，增加天线的传输损耗，导致天线整体带宽降低的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案。
本发明所述的一种高选择性宽带圆极化介质谐振器天线，包括介质谐振器、接地板以及介质基板，所述的介质谐振器的下表面与接地板的上表面相接触；所述的接地板的下表面与介质基板的上表面相接触；在所述的接地板的上表面与介质谐振器的下表面之间，还设置有一十字交叉型耦合槽线，其交叉点，与介质谐振器底面的中心位置重合；在所述的介质基板的下表面介质谐振器的中轴线上设置有一矩形馈电微带线，以及以所述的矩形馈电微带线为对称轴的一对平行寄生微带线组，组成一微带馈电结构，平行寄生微带线组位于介质谐振器投影面的中心位置。
所述的十字交叉型槽线由长耦合槽线与短耦合槽线呈90°交叉构成，为了在天线中实现正交场的条件，其不仅作为一个耦合结构，同时作为一个槽线谐振器进行辐射。通过矩形馈电微带和寄生微带线组组成的微带馈电同时激励介质谐振器和槽线的模式拓展了带宽，实现一个宽带圆极化效果。而且由于矩形馈电微带和寄生微带线组组成的微带馈电结构的特殊性在带外引入了两个辐射零点，无需额外的滤波电路，不增加额外的天线尺寸，提高了天线的带外选择性。
进一步地，所述的矩形馈电微带线前端以介质谐振器的中轴线为对称轴对称设置，末端进行弯曲。末端进行弯曲主要是为了小型化。
进一步地，本发明所述的平行寄生微带线组可以是多对的，以所述的矩形馈电微带线为对称轴向外扩展排列。
可选的，所述介质谐振器的形状为矩形、圆柱形或半球形。
可选的，所述介质谐振器为陶瓷介质谐振器或复合材料介质谐振器。
本发明通过调节所述平行寄生微带线组的枝节长度控制天线高频阻带辐射零点产生频率的位置。如图6所示，当平行寄生微带线组的枝节逐渐减小，高频处的辐射零点逐渐向高频移动，而低频处的零点基本无影响。
本发明通过调节所述矩形馈电微带线长度控制天线低频阻带辐射零点产生频率的位置。如图7所示，当矩形馈电微带线长度逐渐增加，其低频处的辐射零点逐渐向低频移动，而高频辐射零点基本不变化。
本发明具有以下技术效果：本发明十字交叉型槽线不仅用来激励介质谐振器天线的一对正交模式，同时本身也作为一个辐射单元。通过矩形馈电微带线与平行寄生微带线组组成的微带馈电结构来激励优化介质谐振器和槽线的模式实现一个宽带圆极化效果。而且由于微带馈电结构的特殊性在带外引入了两个辐射零点，且该零点可以通过调节矩形馈电微带线和平行寄生微带线组的长度来控制辐射零点的位置。因此无需额外的滤波电路，在不增加天线的尺寸同时提高了天线的带外选择性。
附图说明
图1是本发明所提供的高选择性宽带圆极化介质谐振器天线3D结构示意图。
图2是本发明所提供的高选择性宽带圆极化介质谐振器天线的主视图。
图3是本发明所提供的高选择性宽带圆极化介质谐振器天线的侧视图。
图4是本发明所提供的高选择性宽带圆极化介质谐振器天线的俯视图。
图5是本发明所提供的高选择性宽带圆极化介质谐振器天线中介质基板下表面的俯视图。
图6是本发明所提供的高选择性宽带圆极化介质谐振器天线平行寄生微带线组7枝节的长度与增益仿真曲线图
图7是本发明所提供的高选择性宽带圆极化介质谐振器天线矩形馈电微带线5的长度与增益仿真曲线图。
图8是本发明所提供的高选择性宽带圆极化介质谐振器天线的S11和增益仿真曲线图。
图9是本发明所提供的高选择性宽带圆极化介质谐振器天线的轴比仿真曲线图。
图10是本发明所提供的高选择性宽带圆极化介质谐振器天线在3.02GHz时，xoz面（左图）和yoz面（右图）的辐射方向图。
图11是本发明所提供的高选择性宽带圆极化介质谐振器天线在3.4GHz时，xoz（面左图）和yoz面（右图）的辐射方向图。
附图标记：1-介质谐振器，2-长耦合槽线，3-短耦合槽线，4-接地面，5-矩形馈电微带线，6-介质基板，7-平行寄生微带线组。
具体实施方式
本发明将结合附图通过以下具体实施方案作进一步说明。所描述的实施方案只是本发明实施方案的一部分，而不是全部实施方案。在本发明实施例的基础上，本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下获得的所有其他实施例都在本发明的保护范围内。
图1~图5为本发明所述的一种高选择性宽带圆极化介质谐振器天线的一个实施例，包括介质谐振器1、接地板4以及介质基板6，所述的介质谐振器1的下表面与接地板4的上表面相接触；所述的接地板4的下表面与介质基板6的上表面相接触；在所述的接地板4的上表面与介质谐振器1的下表面之间，还设置有一十字交叉型耦合槽线，其交叉点，与介质谐振器1底面的中心位置重合；在所述的介质基板6的下表面介质谐振器1的中轴线上设置有一矩形馈电微带线5，以及以所述的矩形馈电微带线5为对称轴的一对平行寄生微带线组7，组成一微带馈电结构，平行寄生微带线组7位于介质谐振器1投影面的中心位置。
所述的十字交叉型槽线由长耦合槽线2与短耦合槽线3呈90°交叉构成。
所述的矩形馈电微带线5前端以介质谐振器1的中轴线为对称轴对称设置，末端进行弯曲。
所述介质谐振器1的形状为矩形。
所述介质谐振器1为陶瓷介质谐振器。
本发明所提供的高选择性宽带圆极化介质谐振器天线中，所述矩形馈电微带线5为信号输入端，所述短耦合槽线2和长耦合槽线3为信号输出端，所述一对平行寄生微带线组7在与矩形馈电微带线5的共同作用下，激励优化介质谐振器和槽线的正交模实现宽带圆极化效果，拓宽了天线的圆极化带宽。同时由于矩形馈电微带5与平行寄生微带线组7组成的微带馈电结构的特殊性自身在带外引入了两个辐射零点，无需额外的滤波电路，不增加额外的天线尺寸，提高了天线的带外选择性。
为了实现所需的圆极化效果，十字交叉型槽线的长耦合槽线2和短耦合槽线3垂直交叉放置，所述矩形馈电微带线5与平行寄生微带线组7组成的微带馈电与十字形耦合槽线角度为45°。
调节矩形馈电微带5与平行寄生微带线组7组成的微带馈电结构中的一对平行寄生微带线组7能控制天线辐射零点产生频率的位置和抑制效果；所述天线辐射零点为天线高频阻带辐射零点。
调节矩形馈电微带5与平行寄生微带线组7组成的微带馈电结构中的矩形馈电微带线组5能控制天线辐射零点产生频率的位置和抑制效果；所述天线辐射零点为天线低频阻带辐射零点。
所述高选择性宽带圆极化介质谐振器天线采用矩形馈电微带5与平行寄生微带线组7组成的微带馈电结构中，微带线-十字交叉型耦合槽线馈电方式进行能量传输。
在具体的实施例中，本发明提供的高选择性宽带圆极化介质谐振器天线工作在中心频率为3.3GHz，低于-10dB带宽范围为2.84-4GHz GHz，阻抗带宽为33.9％，完全覆盖所需的5G通信带宽范围。其中，采用厚度为0.762mm的FR4板材作为介质基板，采用介电常数为10的陶瓷介质谐振器作为辐射体。在介质基板上表面为一层金属材料的接地面，介质基板的下表面设置阻抗为50Ω的矩形微带线5和平行寄生微带线组7组成的微带馈电结构，接地板上的十字交叉型耦合槽线不仅作为耦合结构给介质谐振器馈电，同时本身也作为辐射单元，通过矩形馈电微带5与寄生微带线组7组成的微带馈电结构激励介质谐振器和槽线模式拓宽了天线的圆极化带宽。
图5是本发明所提供的高选择性宽带圆极化介质谐振器天线中介质基板下表面的俯视图，如图5所示，介质基板下表面设有一对平行寄生微带线组7，通过所述矩形微带和一对平行寄生微带线组7组成的微带馈电结构不仅融合了槽线和介质谐振器的圆极化模式实现宽带圆极化效果。同时由于矩形馈电微带5与寄生微带线组7组成的微带馈电结构的特殊性在带外引入了两个辐射零点实现良好的带外抑制效果。
根据所需的工作频带的不同，发明中的电路尺寸也不相同。
在具体的实施例中，矩形陶瓷介质谐振器1的介电常数为10，长a=20.8mm，宽b=20.8mm，高c=15.4mm；介质基板的长宽相等且均为44mm；长馈电槽线的长ls1=22.2mm，宽ws1=0.9mm；短馈电槽线的长ls2=13.5mm，宽ws2=0.9mm，矩形馈电微带线的总长度为ls=37mm，宽度分别为wf=1.5mm，wf1=3.5mm，加载微带线组宽度均为1mm，长度均为lms1=17.2mm。
图6是本发明所提供的高选择性宽带圆极化介质谐振器天线平行寄生微带线7枝节的长度与增益仿真曲线图。如图6所示，当平行寄生微带线组7的枝节长度逐渐减小，高频处的辐射零点逐渐向高频移动，而低频处的零点基本无影响。
图7是本发明所提供的高选择性宽带圆极化介质谐振器天线矩形馈电微带线5的长度与增益仿真曲线图。如图7所示，当矩形馈电微带线5长度逐渐增加，其低频处的辐射零点逐渐向低频移动，而高频辐射零点基本不变化。
图8是本实施例所提供的高选择性宽带圆极化介质谐振器天线的S11和增益仿真曲线图，如8所示，-10dB的阻抗带宽33.9%(2.84-4GHz)，实现一个宽带效果，频带内的最大增益为6dB;在低频阻带2.14GHz处存在一个辐射零点，在高频阻带4.56GHz处存在另外一个辐射零点，提高了带外抑制效果，实现了高选择性。
图9是本实施例所提供的高选择性宽带圆极化介质谐振器天线的轴比仿真曲线图，如图9所示，3dB轴比带宽为15.6％(2.96-3.46GHz)。成功解决滤波电路的引入会不可避免增加天线的尺寸，干扰天线轴比带宽，增加天线的传输损耗和导致天线整体带宽降低的问题。
图10是本实施例所提供的高选择性宽带圆极化介质谐振器天线在3.02GHz时，xoz和yoz面的辐射方向图；图11是本发明所提供的高选择性宽带圆极化介质谐振器天线在3.4GHz时，xoz和yoz面的辐射方向图。本发明提供的高选择性宽带圆极化介质谐振器天线的主瓣窄，交叉极化小，天线能量辐射集中。左手圆极化强于右手圆极化15dB，说明了本发明实现的天线极化方式为左手圆极化，由于其对称性，当十字交叉耦合槽旋转90°能实现右手圆极化特性。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (5)
1.一种高选择性宽带圆极化介质谐振器天线，其特征是包括介质谐振器、接地板以及介质基板；所述的介质谐振器的下表面与接地板的上表面相接触；所述的接地板的下表面与介质基板的上表面相接触；在所述的接地板的上表面与介质谐振器的下表面之间，还设置有一十字交叉型耦合槽线，其交叉点，与介质谐振器底面的中心位置重合；在所述的介质基板的下表面介质谐振器的中轴线上设置有一矩形馈电微带线，以及以所述的矩形馈电微带线为对称轴的一对平行寄生微带线组，组成一微带馈电结构，平行寄生微带线组位于介质谐振器投影面的中心位置；
所述的十字交叉型槽线由长耦合槽线与短耦合槽线呈90°交叉构成。
2.根据权利要求1所述的一种高选择性宽带圆极化介质谐振器天线，其特征是所述的矩形馈电微带线前端以介质谐振器的中轴线为对称轴对称设置，末端进行弯曲。
3.根据权利要求1所述的一种高选择性宽带圆极化介质谐振器天线，其特征是所述的平行寄生微带线组为多对，以所述的矩形馈电微带线为对称轴向外扩展排列。
4.根据权利要求1所述的一种高选择性宽带圆极化介质谐振器天线，其特征是所述介质谐振器的形状为矩形、圆柱形或半球形。
5.根据权利要求1所述的一种高选择性宽带圆极化介质谐振器天线，其特征是所述介质谐振器为陶瓷介质谐振器或复合材料介质谐振器。
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