CN117691363A - 一种全向双极化圆柱形的介质谐振器天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种全向双极化圆柱形的介质谐振器天线，包括：介质谐振器、接地平面和介质基板，介质谐振器为圆柱体，接地平面层叠设置在介质谐振器的底部，接地平面开设有矩形槽，矩形槽用于激励介质谐振器的第一谐振器模式，以产生第一电磁场；介质基板的下表面设置有功分组件和微带线；功分组件的输入端连接第一馈电端口，用于输出四路相同功率的信号，微带线的一端连接第二馈电端口、另一端连接导电探针的底端，导电探针的另一端依次穿过介质基板和接地平面，并延伸至介质谐振器的内部；导电探针用于激励介质谐振器的第二谐振模式，以产生第二电磁场；本发明的天线能够实现全向双极化，且具有高增益性能。

Description

一种全向双极化圆柱形的介质谐振器天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种全向双极化圆柱形的介质谐振器天线。
背景技术
目前，由于具有全向辐射方向图的天线，可以实现360°的全向信号覆盖，允许发射与接收天线的自由对准，极化分集天线则是可以用于减弱多径效应和增加信道容量，全向双极化天线成为了业界研究热点。介质谐振器天线以其重量轻、损耗低、透明以及易于激发等优点得到广泛的研究和学习。因此，业界一直在努力设计可靠的双极化全向介质谐振器天线。
经过多年发展，相关技术中已有许多双端口甚至三端口的介质谐振器天线。然而，这些天线基本都存在如下两个缺陷：1.大多数多端口天线，要么不提供全向馈电端口，要么只有一个端口是全向的；2.少见的拥有两个馈电端口的天线，也只能获得比较低的天线增益。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例的目的是提供一种全向双极化圆柱形的介质谐振器天线，在满足全向双极化辐射方向图的前提下，具有高增益性能。
本发明实施例提供了一种全向双极化圆柱形的介质谐振器天线，包括：
介质谐振器，所述介质谐振器为圆柱体；
接地平面，所述接地平面层叠设置在所述介质谐振器的底部，所述接地平面开设有矩形槽，所述矩形槽用于激励所述介质谐振器的第一谐振器模式，以产生第一电磁场；其中，所述第一电磁场为所述介质谐振器内部电场分量平行于地面的全向电磁场；
介质基板，所述介质基板层叠设置在所述接地平面的底部，所述介质基板的下表面设置有功分组件和微带线；
所述功分组件的输入端连接第一馈电端口，用于输出四路相同功率的信号，相邻两路信号的相位相差180°；
所述微带线的一端连接第二馈电端口、另一端连接导电探针的底端，所述导电探针的另一端依次穿过介质基板和接地平面，并延伸至所述介质谐振器的内部；
所述导电探针用于激励所述介质谐振器的第二谐振模式，以产生第二电磁场；其中，所述第二电磁场为所述介质谐振器内部电场分量垂直于地面的全向电磁场。
可选地，所述导电探针沿所述介质谐振器的中心轴设置。
可选地，所述功分组件包括第一T形功分器和2个第二T形功分器；
所述第一T形功分器的输入端和所述介质谐振器的内边缘重合，所述第一T形功分器的输入端连接所述第一馈电端口、所述第一T形功分器的2个输出端和2个第二T形功分器的输入端一一对应连接；
所述第一T形功分器用于输出两路相同功率和相位的信号，所述第二T形功分器用于输出两路相同功率且相位相差180°的信号。
可选地，2个所述第二T形功分器的输出端围绕所述导电探针设置，且通过所述矩形槽在所述介质谐振器的底部产生等效环形电流。
可选地，所述矩形槽共四条，四条所述矩形槽围绕所述导电探针呈十字形正交设置。
可选地，所述介质谐振器的内部开设有长条形缝隙，所述长条形缝隙共四条，四条所述长条形缝隙一一对应的设置在四条所述矩形槽的上方。
可选地，所述接地平面由覆铜蚀刻而成。
可选地，所述介质谐振器采用K9玻璃材质。
可选地，所述第一谐振器模式为TE02δ+1模式，所述第二谐振模式为TM02δ模式，所述第一谐振器模式和所述第二谐振模式均为全向辐射模式。
可选地，所述微带线的特征阻抗为50欧姆。
本发明实施例包括以下有益效果：本发明利用矩形槽和导电探针，激励一个高增益且全向的双极化的介质谐振器天线，产生的第一电磁场和第二电磁场在介质谐振器内部的电场分量互相正交，形成极化分集双端口天线。本发明通过合理的馈电布局，有效地激励出具有高增益特性的圆柱形介质谐振器高阶模式，实现具有全向辐射方向图的高增益天线。
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种全向双极化圆柱形的介质谐振器天线的整体示意图；
图2是图1中全向双极化圆柱形的介质谐振器天线的侧视图；
图3是图1中全向双极化圆柱形的介质谐振器天线的俯视图；
图4是图1中全向双极化圆柱形的介质谐振器天线的仰视图；
图5是本发明实施例提供的一种全向双极化圆柱形的介质谐振器天线各端口S参数的示意图；
图6是示出在5.8GHz，本发明实施例提供的一种全向双极化圆柱形的介质谐振器天线中端口1的E面(θ＝25°)平面和H面(x-z)平面的辐射方向图；
图7是示出在5.8GHz，本发明实施例提供的一种全向双极化圆柱形的介质谐振器天线中端口2的H面(θ＝25°)平面和E面(x-z)平面的辐射方向图；
图8是本发明实施例提供的一种全向双极化圆柱形的介质谐振器天线各端口的实际增益(单位为dBi)的示意图；
图9是本发明实施例提供的一种全向双极化圆柱形的介质谐振器天线各端口间的包络相关系数(单位为dB)的示意图；
附图标记：
102、介质基板；104、介质谐振器；105、微带线；106、接地平面；108、矩形槽；109、功分组件；110、第一T形功分器；111、第二T形功分器；114、导电探针；116、长条形缝隙；118、第一馈电端口；119、第二馈电端口。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
需要说明的是，虽然在装置示意图中进行了功能电源模块划分，在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于装置中的电源模块划分，或流程图中的顺序执行所示出或描述的步骤。说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的术语只是为了描述本申请实施例的目的，不是旨在限制本申请。
相关技术中，已有许多双端口甚至三端口的介质谐振器天线。然而，这些天线基本都存在如下两个缺陷：1.大多数多端口天线，要么不提供馈电端口，要么只有一个端口是全向的；2.少见的拥有两个馈电端口的天线，也只能获得比较低的天线增益。
现有相关天线设计无法实现在满足两个端口同时全向的基础上，具有高增益性能的要求。为此，本发明通过使用介质谐振器天线的两个高阶全向模式，来使得天线的增益性能优于现有设计，同时，相较于低阶模式，高阶模式会使得天线的相对带宽变小。本发明还特别地引入空气薄层到介质谐振器当中去，这使得天线获得高增益的同时，还能保持与同类型天线相当或者更优的相对带宽。
如图1、图2、图3和图4所示，本实施例提供的一种全向双极化圆柱形的介质谐振器天线，包括：
介质谐振器104，所述介质谐振器104为圆柱体；
接地平面106，所述接地平面106层叠设置在所述介质谐振器104的底部，所述接地平面106开设有矩形槽108，所述矩形槽108用于激励所述介质谐振器104的第一谐振器模式，以产生第一电磁场；其中，所述第一电磁场为所述介质谐振器104内部电场分量平行于地面的全向电磁场；
介质基板102，所述介质基板102层叠设置在所述接地平面106的底部，所述介质基板102的下表面设置有功分组件109和微带线105；
所述功分组件109的输入端连接第一馈电端口118，用于输出四路相同功率的信号，相邻两路信号的相位相差180°；
所述微带线105的一端连接第二馈电端口119、另一端连接导电探针114的底端，所述导电探针114的另一端依次穿过介质基板102和接地平面106，并延伸至所述介质谐振器104的内部；
所述导电探针114用于激励所述介质谐振器104的第二谐振模式，以产生第二电磁场；其中，所述第二电磁场为所述介质谐振器104内部电场分量垂直于地面的全向电磁场。
本发明提供的全向双极化圆柱形的介质谐振器天线，具有高增益的第一馈电端口118和第二馈电端口119。利用矩形槽108和导电探针114，激励一个高增益且全向的双极化的介质谐振器104天线，两个极化端口在介质内部的电场互相正交，第一馈电端口118产生的第一电磁场平行于地平面，第二馈电端口119产生的第二电磁场垂直于地平面，形成极化分集双端口天线。
本发明采用圆柱形主体的介质谐振器104，激励介质谐振器104的两个介质内部电场分量相互正交的全向模式，为本发明带来两个端口的全向辐射方向图，实现全向双极化；在介质谐振器104天线的设计中，激励天线高阶模式带来高增益，同时，相较于低阶模式，高阶模式会使得天线的相对带宽变小。
在一些实施例中，所述导电探针114沿所述介质谐振器104的中心轴设置；
在一些实施例中，所述功分组件109包括第一T形功分器110和2个第二T形功分器111；
所述第一T形功分器110的输入端和所述介质谐振器104的内边缘重合，所述第一T形功分器110的输入端连接所述第一馈电端口118、所述第一T形功分器110的2个输出端和2个第二T形功分器111的输入端一一对应连接；
所述第一T形功分器110用于输出两路相同功率和相位的信号，所述第二T形功分器111用于输出两路相同功率且相位相差180°的信号。
本实施例中，第一T形功分器110用于将输入端的能量等分为两路给到2个第二T形功分器111，第二T形功分器111用于为介质谐振器104提供两路相同功率且相位相差180°的信号，以通过2个第二T形功分器111对介质谐振器104进行馈电；
在所述矩形槽108激励所述介质谐振器104的第一谐振器模式时，2个第二T形功分器111用于为介质谐振器104天线提供四路相同功率的信号，相邻两路信号具有180°相位差，利用180°相位差使2个第二T形功分器111的输出端，共四条微带馈线输出等效环形电流。本发明设置第一T形功分器110和2个第二T形功分器111实现等效环形电流，通过等效环形电流给介质谐振器104提供一个内部电场分量平行于介质基板102的电磁场。本发明采用合理的结构设计，第一馈电端口118和第二馈电端口119之间还具有低耦合的特点。
在一些实施例中，2个所述第二T形功分器111的输出端围绕所述导电探针114的底端设置，且通过所述矩形槽108在所述介质谐振器104的底部产生等效环形电流。
本实施例中，2个所述第二T形功分器111设置在所述微带线105的两侧，微带线105在第二T形功分器111激励介质谐振器104天线的第二馈电端口119时用于传输信号。
在一些实施例中，所述矩形槽108共四条，四条所述矩形槽108围绕所述导电探针114的底端呈十字形正交设置。
在一些实施例中，所述介质谐振器104的内部开设有长条形缝隙116，所述长条形缝隙116共四条，四条所述长条形缝隙116一一对应的设置在四条所述矩形槽108的上方。
相关技术中，使用高次模式的天线的带宽会比较窄，本实施例通过在介质谐振器104的内部开设有长条形缝隙116，长条形缝隙116的内部填充有薄层空气，引入薄层空气到介质谐振器104当中，使得介质谐振器104天线获得高增益的同时，还能保持与同类型天线相当或者更优的工作带宽。
在一些实施例中，所述接地平面106由覆铜蚀刻而成。
在一些实施例中，所述第一谐振器模式为TE02δ+1模式，所述第二谐振模式为TM02δ模式，所述第一谐振器模式和所述第二谐振模式均为全向辐射模式。
需要说明的是，δ为沿Z方向的半波数量，由于使用介电常数为6.85的介质谐振器104，δ的取值范围为0到1，且天线存在地板作用，故第一谐振器模式为TE02δ+1模式，第二谐振模式为TM02δ模式。
在一些实施例中，所述微带线105的特征阻抗为50欧姆。
为进一步验证本发明全向双极化圆柱形的介质谐振器天线的特性，在一个实施例中，介质谐振器104的介电常数εr为6.85，介质基板102的介电常数εrs为6.15，其具体的尺寸如下：
图2中：介质谐振器104的高度122＝8.5mm；介质基板102的厚度132＝0.63mm；长条形缝隙116的高度125＝5mm；导电探针114的高度150＝9.13mm；图3中：接地平面106的直径120＝56mm；介质谐振器104的直径130＝90mm；长条形缝隙116的宽度124＝1.4mm；长条形缝隙116的长度126＝11mm；相邻矩形槽108的最短距离128＝11mm；矩形槽108的宽度134＝2.8mm；矩形槽108的长度136＝18mm；导电探针114和矩形槽108的最短距离138＝5.5mm；图4中：连接第一T形功分器110和第二T形功分器111的微带线宽度140＝0.92mm；第二T形功分器111其中一路输出端微带馈线的长度144＝18.9mm；第二T形功分器111另一路输出端微带馈线的长度146＝6.3mm。
图5示出了本发明所提出的介质谐振器104天线各端口的S参数值，如图5中S11和S22所示，得到的天线重叠阻抗带宽为7.7％(5.63-6.08GHz)，获得较高的阻抗带宽主要原因是本发明合理地在介质谐振器104的内部开设长条形缝隙116，通过空气填充长条形缝隙116，从而在介质谐振器104中加入薄层空气。如图5中S12所示，得到本发明所提出的介质谐振器104天线的两个端口在上述重叠带宽具有42dB的端口隔离度，获得较好的端口隔离性能主要原因是本发明合理选用介质谐振器104的辐射模式。介质谐振器104天线的全向模式TE02δ+1模式、TM02δ模式得以激发，形成一个高增益且全向的双极化圆柱形介质谐振器104天线，可应用在WLAN-5.8GHz(5.725GHz-5.85GHz)频段。
图6和图7示出了全向双极化圆柱形的介质谐振器天线的端口1、端口2在频率5.8GH z的辐射方向图。从图中可以看出，端口1和端口2具有全向辐射方向图，且在介质内部的电场互相正交，可以得出，本发明通过第一馈电端口118和第二馈电端口119组合形成一个具有极化分集特性的圆柱形的介质谐振器104天线。
图8示出了所述的全向双极化圆柱形的介质谐振器天线的天线增益，端口1和端口2的观察方向都为θ＝25o和由图8可知，端口1在5.80GHz处获得峰值增益6.46dBi，端口2在6.08GHz处获得最大增益7.89dBi。
图9示出了本发明全向双极化圆柱形的介质谐振器天线的两个端口之间的包络相关系数，由图可知，各端口包络相关系数在5.63GHz-6.08GHz处均小于-45dB。
可见，本发明的上述实施方式提供了一种全向双极化圆柱形的介质谐振器天线，本发明中激励了介质谐振器104的两个全向模式，由于两个模式均为高次模式，获得了优异的天线增益性能，此外，还通过在介质谐振器104中加入薄层空气，获得较大的阻抗带宽。
以上参照附图说明了本申请实施例的优选实施例，并非因此局限本申请实施例的权利范围。本领域技术人员不脱离本申请实施例的范围和实质内所作的任何修改、等同替换和改进，均应在本申请实施例的权利范围之内。

Claims (10)

1.一种全向双极化圆柱形的介质谐振器天线，其特征在于，包括：
介质谐振器，所述介质谐振器为圆柱体；
接地平面，所述接地平面层叠设置在所述介质谐振器的底部，所述接地平面开设有矩形槽，所述矩形槽用于激励所述介质谐振器的第一谐振器模式，以产生第一电磁场；其中，所述第一电磁场为所述介质谐振器内部电场分量平行于地面的全向电磁场；
介质基板，所述介质基板层叠设置在所述接地平面的底部，所述介质基板的下表面设置有功分组件和微带线；
所述功分组件的输入端连接第一馈电端口，用于输出四路相同功率的信号，相邻两路信号的相位相差180°；
所述微带线的一端连接第二馈电端口、另一端连接导电探针的底端，所述导电探针的另一端依次穿过介质基板和接地平面，并延伸至所述介质谐振器的内部；
所述导电探针用于激励所述介质谐振器的第二谐振模式，以产生第二电磁场；其中，所述第二电磁场为所述介质谐振器内部电场分量垂直于地面的全向电磁场。
2.根据权利要求1所述的介质谐振器天线，其特征在于，所述导电探针沿所述介质谐振器的中心轴设置。
3.根据权利要求2所述的介质谐振器天线，其特征在于，所述功分组件包括第一T形功分器和2个第二T形功分器；
所述第一T形功分器的输入端和所述介质谐振器的内边缘重合，所述第一T形功分器的输入端连接所述第一馈电端口、所述第一T形功分器的2个输出端和2个第二T形功分器的输入端一一对应连接；
所述第一T形功分器用于输出两路相同功率和相位的信号，所述第二T形功分器用于输出两路相同功率且相位相差180°的信号。
4.根据权利要求3所述的介质谐振器天线，其特征在于，2个所述第二T形功分器的输出端围绕所述导电探针的底端设置，且通过所述矩形槽在所述介质谐振器的底部产生等效环形电流。
5.根据权利要求2所述的介质谐振器天线，其特征在于，所述矩形槽共四条，四条所述矩形槽围绕所述导电探针的底端呈十字形正交设置。
6.根据权利要求5所述的介质谐振器天线，其特征在于，所述介质谐振器的内部开设有长条形缝隙，所述长条形缝隙共四条，四条所述长条形缝隙一一对应的设置在四条所述矩形槽的上方。
7.根据权利要求1所述的介质谐振器天线，其特征在于，所述接地平面由覆铜蚀刻而成。
8.根据权利要求1所述的介质谐振器天线，其特征在于，所述介质谐振器采用K9玻璃材质。
9.根据权利要求1所述的介质谐振器天线，其特征在于，所述第一谐振器模式为TE02δ+1模式，所述第二谐振模式为TM02δ模式，所述第一谐振器模式和所述第二谐振模式均为全向辐射模式。
10.根据权利要求1所述的介质谐振器天线，其特征在于，所述微带线的特征阻抗为50欧姆。
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