CN1643729A - 电介质谐振器天线 - Google Patents

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西蒙·菲利普·金斯利
史蒂文·格雷戈里·奥基夫
提姆·约翰·帕尔默
詹姆士·威廉·金斯利
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Abstract

本发明公开了一种适用于以EH11δ模态进行谐振的电介质谐振器天线及其制造方法。通过将电介质谐振器(2)小心地定位在接地基底(1)上，就可获得所需的谐振模态。谐振器(2)以微带馈线(9)和接地基底(1)中的槽隙(6)的方式获得馈电。因为EH11δ谐振模态在电介质谐振器(2)的纵向延伸方向上具有零位值，所以多个天线能被端对端地放置以形成阵列。在该阵列中，相邻天线之间的耦合被降低并且是垂直极化的，这非常有利于移动通讯应用。

Description

电介质谐振器天线
本发明涉及一种通过配置能够以例如EH11δ模态(mode)、TE02δ模态、TE02模态、TE01模态和混和模态运行的电介质谐振器天线(DRA)，本发明还涉及这样一些DRA的阵列，其中通过配置单个DRA元件的模态使所有阵列模态都具有被设计用来符合特定应用的需求的特殊属性。
电介质谐振器天线的介绍
电介质谐振器天线是以选定的发射和接收频率发射或接收无线电波的谐振器天线装置，它可在例如移动远程通信中得到使用。通常，DRA由配置于或接近于接地基底的许多电介质材料(电介质谐振器)组成，能量通过插入电介质材料的单极探针或设在接地基底中的单极孔径馈线(aperture feed)(孔径馈线是一种设在由电介质材料覆盖的接地基底之中的不连续的且通常为矩形形状的馈线，当然椭圆形、长方形、梯形“H”形状，“<->”形状、或蝴蝶/蝴蝶结形状及这些形状的组合也是适当的。孔径馈线可以由位于接地基底远离电介质材料的一侧上的条带形馈线进行激励，条带形馈线可以采用微带传输线、接地或不接地的共面传输线、三极板(triplate)、开槽线等形式)被传入和传出电介质材料。直接连接到微带传输线并由其激活也是可能的。作为一种选择，双极探针可以被插入到电介质材料中，在这种情况下就不需要接地基底。如在作为例子的本申请人的共同未决的第09/431,548号美国专利申请以及KINGSLEY，S.P.和O′KEEFE，S.G.的出版物(题为“探针馈电式电介质谐振器天线的光束控制和单脉冲处理”，IEE学报-雷达声纳和导航，146，3，121-125，1999)中所述的那样，通过提供多馈线并按照一定顺序或以各种组合形式激励它们，可形成可连续或逐渐增加地控制的一个或多个波束。上述参考文献的全部内容通过引用被并入本申请。
DRA的谐振特性尤其依赖于电介质材料体的形状和大小，此外还依赖于馈线的形状、大小和位置。应当认识到在DRA中，是电介质材料受到激励以进行谐振，这归功于电介质材料中产生的位移电流。这与介电装载天线形成对比，其中传统的导电辐射元件被包含在用于修改辐射元件的谐振特性的电介质材料中，但是不会在电介质材料中产生位移电流并且不会产生电介质材料的谐振。
DRA可以采取多种形式，并且可由包括陶瓷介质在内的各种候选材料制成。
电介质谐振器天线阵列的介绍
从1983年人们第一次对电介质谐振器天线(DRA)进行系统学习起[LONG，S.A.，MCALLISTER，M.W.，and SHEN，L.C.：“The ResonantCylindrical Dielectric Cavity Antenna”，IEEE Transactions on Antennas andPropagation，AP-31，1983，pp 406-412(LONG，S.A.，MCALLISTER，M.W.和SHEN，L.C.的“谐振圆柱式介电谐振腔天线”，IEEE天线和传播学报，AP-31，1983，第406-412页)]，由于它们发射效率高，与最常使用的传输线具有良好的匹配，并且具有小的物理尺寸，所以人们对它们的辐射图的兴趣逐渐增加[MONGIA，R.K.and BHARTIA，P.：“DielectricResonator Antennas-A Review and General Design Relations for ResonantFrequency and Bandwidth″，International Journal of Microwave andMillimetre-Wave Computer-Aided Engineering，1994，4，(3)，pp 230-247，(MONGIA，R.K.和BHARTIA，P.的“电介质谐振器天线-谐振频率和带宽的评论和常规设计”，微波和毫米波计算机辅助工程国际杂志，1994，4，(3)，第230-247页)]。
根据目前的报导，大部分结构都使用装在接地基底或地平面上的电介质材料片，所述电介质材料片或者由位于地平面中的单孔径馈电激励[ITTIPB300N，A.，MONGIA，R.K.，ANTAR，Y.M.M.，BHARTIA，P.andCUHACI，M：″Aperture Fed Rectangular and Triangular DielectricResonators for use as Magnetic Dipole Antennas″，Electronics Letters，1993，29，(23)，pp 2001-2002(ITTIPB300N，A.，MONGIA，R.K.，ANTAR，Y.M.M.，BHARTIA，P.和CUHACI，M的“用于磁偶极子天线的孔径馈电式矩形和三角形电介质谐振器”，电子学报1993，29，(23)，第2001-2002页)]或由插入电介质材料的单极探针激励[MCALLISTER，M.W.，LONG，S.A.and CONWAY G.L.：″Rectangular Dielectric ResonatorAntenna″，Electronics Letters，1983，19，(6)，pp 218-219(MCALLISTER，M.W.，LONG，S.A.和CONWAY G.L.的“矩形电介质谐振器天线”，电子学报，1983，19，(6)，第218-219页)]。利用传输线进行直接激励也有一些作者进行了报导[KRANENBURG，R.A.and LONG，S.A.：″Microstrip Transmission Line Excitation of Dielectric ResonatorAntennas″，Electronics Letters，1994，24，(18)，pp 1156-1157(KRANENBURG，R.A.和LONG，S.A.的“电介质谐振器天线的微带传输线激励”，电子学报，1994，24，(18)，第1156-1157页)]。
应用一系列DRAs构造天线阵列的思想已经由一些作者提了出来，例如，具有两个柱式单馈电DRA的阵列已在文献中被描述[CHOW，K.Y.，LEUNG，K.W.，LUK，K.M.AND YUNG，E.K.N.：“Cylindricaldielectric resonator antenna array”，Electronics Letters，1995，31，(18)，pp1536-1537(CHOW，K.Y.，LEUNG，K.W.，LUK，K.M.和YUNG，E.K.N.的“柱形电介质谐振器天线阵列”，电子学报，1995，31，(18)，第1536-1537页)]，并且被扩展到4个DRA的矩形矩阵[LEUNG，K.W.，LO，H.Y.，LUK，K.M.AND YUNG，E.K.N.：″Two-dimensional cylindricaldielectric resonator antenna array″，Electronics Letters，1998，34，(13)，pp1283-1285(LEUNG，K.W.，LO，H.Y.，LUK，K.M.和YUNG，E.K.N.的“二维柱形电介质谐振器天线阵列”，电子文学，1998，34，(13)，第1283-1285页)]。四个交叉DRA的矩形矩阵也被进行了研究[PETOSA，A.，ITTIPIBOON，A.and CUHACI，M.：“Array of circular-polarized crossdielectric resonator antennas”，Electronics Letters，1996，32，(19)，pp 1742-1743，(PETOSA，A.，ITTIPIBOON，A.和CUHACI，M.的“圆极化交叉电介质谐振器天线阵列”，电子文学，1996，32，(19)，第1742-1743页)]。单馈电DRA的长线性阵列与电介质波导[BIRAND，M.T.ANDGELSTHORPE，R.V.：″Experimental millmeter array using dielectricradiators fed by means of dielectric waveguide″，Electronics Letters，1983，17，(18)，pp 633-635(BIRAND，M.T.和GELSTHORPE，R.V.的“利用由电介质波导馈电的电介质辐射器的试验性的毫米阵列，电子学报，1983，17，(18)，第633-635页)]或微波传输带[PETOSA，A.，MONGIA，R.K.，ITTIPIBOON，A.AND WIGHT，J.S.：″Design of microstrip-fed series arrayof dielectric resonator antennas″，Electronics Letters，1995，31，(16)，pp1306-1307(PETOSA，A.，MONGIA，R.K.，ITTIPIBOON，A.和WIGHT，J.S.的“电介质谐振器天线的微带馈电系列阵列的设计”，电子学报，1995，31，(16)，第1306-1307页)]的馈电相结合的调研被开展开来。最近的研究组已经发现了提高微带馈电DRA阵列带宽的方法[PETOSA，A.，ITTIPIBOON，A.，CUHACI，M.和LAROSE，R.：“Bandwidthimprovement for microstrip-fed series array of dielectric resonatorantennas”，Electronics Letters，1996，32，(7)，pp 608-609(PETOSA，A.，ITTIPIBOON，A.，CUHACI，M.和LAROSE，R.的“电介质谐振器天线的微带馈电系列的阵列带宽提高”，电子学报，1996，32，(7)，第608-609页)]。近来已经开始对可用于形成柱形电介质谐振器天线的多列同相天线阵的不同构造进行研究[WU，Z.；DAVIS，L.E.AND DROSSOS，G.：″Cylindrical dielectric resonator antenna arrays″，ProceedingsOFICAP-LLTH International Conference on Antennas  and Propagation，2001，p.668.(WU，Z.；DAVIS，L.E.和DROSSOS，G.的“柱形电介质谐振器天线阵列”，关于天线和传播的ICAP第11次国际会议学报，2001，第668页)]。
上述论文主要聚焦于对DRA元件阵列的馈电机制的方法和检查为各种应用的这些阵列带来的益处的方法，指出这一点是非常重要的。上述这些公开都没有讨论本申请提出的思想，即，产生特定的DRA激励模态(mode)，用以产生特定的远场图形，进而构成特定的阵列几何形状。
分成一半的DRA的介绍
在设计用于便携式移动通讯系统(如，移动电话手持装置和类似物)的微型电介质谐振器天线时存在的问题是，必须利用高介电材料以使得天线在物理上小到足够与便携式移动通讯系统兼容。此举通常会导致天线在带宽方面太小。因此，识别具有低辐射品质因数的DRA几何结构和模态是非常重要的，因此，这些DRA几何结构和模态本质上是宽带辐射装置。人们认识到分成一半的柱形DRA是这样的装置已经有一些时间了，见[JUNKER，G.P.，KISHK，A.A.AND GLISSON A.W.：″Numericalanalysis of dielectric resonator antennas excited in the quasi-TE-modes″，Electronics Letters，1993，29，(21)，pp 1810-1811(JUNKER，G.P.，KISHK，A.A.和GLISSON A.W.的“由准TE模态激励的电介质谐振器天线的数字分析”，电子学报，1993，29，(21)，第1810-1811页)]或[KAJFEZ，D.AND GUILLON，P.(Eds)：″Dielectric resonators″，Artech House，Inc，Norwood，MA，1986(KAJFEZ，D.和GUILLON，P.(Eds)的“电介质谐振器”，阿泰克豪司公司，Norwood MA，1986)]。本申请的图1示出了分成一半的DRA几何结构，其来源于[KINGSLEY，S.P.，O′KEEFE S.G.AND SAARIO S.：″Characteristics of half volume TE mode cylindricaldielectric resonator antennas″，to be published in IEEE Transactions onAntennas and Propagation，January 2002(KINGSLEY，S.P.，O′KEEFE S.G.AND SAARIO S的“半容积TE模态柱形电介质谐振器天线的特性”，待出版的IEEE天线和传播的学报，2002)]。图1示出了接地的导电基底，半柱形电介质谐振器位于其上，半柱形电介质谐振器的矩形表面3邻近于导电基底1。电介质谐振器2具有的厚度为d，半径为a，并且通过插入到矩形表面3中距表面3的中心点一定距离的单探针获得馈电。谐振器2还具有一对半圆形表面5。这些分成一半的天线的带宽作为特定的研究对象[KISHK，A.A.，JUNKER，G.P.AND GLISSON A.W.：″Study ofbroadband dielectric resonator antennas″，Published in Antenna applicationsSymposium，1999，p.45(KISHK，A.A.，JUNKER，G.P.和GLISSON A.W.的“电介质谐振器的研究”，天线应用研讨会出版，1999，第45页)]，并且已有报导，某些结构可以具有高达35％的带宽。
分成一半的柱式DRAs形成阵列的应用
用于分成一半的柱形DRA的最常用的模态是TE或准TE模态，其辐射图在文献[KINGSLEY，S.P.，O′KEEFE S.G.AND SAARIOS.：″Characteristics of half volume TE mode cylindrical dielectric resonatorantennas″，to be published in IEEE Transactions on Antennas andPropagation，January 2002(KINGSLEY，S.P.，O′KEEFE S.G.和SAARIO S.的“半容积TE模态柱形电介质谐振器天线的特性”，待在IEEE天线和传播学报出版，杂志2002)或文献[JUNKER，G.P.，KISHK，A.A.AND GLISSON A.W.：″Numerical analysis of dielectric resonator antennasexcited in the quasi-TE modes″，Electronics Letters，1993，29，(21)，pp1810-1811(UNKER，G.P.，KISHK，A.A.和GLISSON A.W.的“准TE模态激励的电介质谐振器天线的数字分析”，电子学报，1993，29，(21)，第1810-1811页)]里得到描述。在这种模态下，最大辐射方向沿着天线的长轴。为了从这些元件里形成天线阵列，需要并排地迭加元件2使其长的半圆形表面5相互平行如图2a所示的一样。这使得在元件2之间具有最小的耦合-这是好的阵列设计所需要的。这是一种形成具有垂直极化的水平阵列的好方法，但是，当天线阵列被垂直地转动以形成例如移动通讯应用所需类型的阵列时，阵列变成水平极化，如图2b所示。通常说来，在许多移动通讯应用中垂直极化优于水平极化，因为它能够以低的仰角提供较好的传播。
所需的是这样一种谐振模态，该谐振模态在沿着半柱形介电元件的长轴分布的辐射图里具有零值，以使多个这些元件能够如图2c所示一样被配置。另外，通过将电介质谐振器装在接地基底(地平面)中的槽隙之上或者其附近而使模态受到激励是优选的，因为这是一种比使用探针馈电的方法更加简单、便宜的产品组装方法。所需的模态具有与HEM11δ模态同样的辐射图形状，但其极化相反，HEM11δ模态在文献[KISHK，A.A.，JUNKER，G.P.AND GLISSON A.W.：″Study of broadband dielectricresonator antennas″，published in Antenna applications Symposium，1999，p.45(KISHK，A.A.，JUNKER，G.P.和GLISSON A.W.的“电介质谐振器天线的带宽的研究”，天线应用研讨会出版，1999，第45页)]中有报导。所需模态与由水平电偶极子产生的辐射图相对应并且是EH11δ模态。不幸的是，在学术印刷物上已有关于EH11δ是分成一半的柱形DRA的一种可能的模态的报导[MONGIA R.K.，et.al.：″A half-split cylindrical dielectricresonator antenna using slot-coupling″，IEEE Microwave and Guided WaveLetters，1993，3，(2)，pp.38-39(MONGIA R.K.等人的“应用槽隙耦合的分成一半的柱形电介质谐振器天线”，IEEE微波和波导文学，1993，3，(2)第38-39页)]，但还没有出版物描述它是如何被激励的。事实上，它是一种费力的激励模态，因为对称平面需要是磁性的而不是被电性的，因此不能使用包含探针或槽隙或相似馈电结构的简单的导电基底或地平面。
发明内容
本申请的申请人发现了一种改进的DRA和一种在分成一半的柱形DRA中为EH11δ模态(mode)进行有效的槽隙馈电(slot feeding)的方法并在本专利申请中将其提出。这种方法还可以应用到具有不同于分成一半的柱形的形状的DRAs。
根据本发明的第一个方面，提供了一种电介质谐振器天线，包括具有充分平坦的纵向表面的电介质谐振器和具有相对设置的第一和第二表面的接地基底，并且电介质基底与所述第二表面相邻，其中：
i)所述接地基底包括以第一方向纵向地延伸并具有预定宽度的槽隙；
ii)所述电介质谐振器被布置成使得其纵向表面接近所述接地基底的所述第一表面，在所述纵向表面和所述第一表面之间具有间隙，并且所述纵向表面的一个端区覆盖住所述槽隙的宽度；
iii)所述电介质谐振器的所述纵向表面的主体部分(majority)上设有导电层，所述纵向表面的所述端区没有所述导电层；以及
iv)在所述接地基底的所述第二表面上的所述电介质基底上设有带状馈线，所述带状馈线与所述电介质谐振器的所述纵向表面充分共同延展，并且延伸超过所述接地基底中的所述槽隙的宽度。
根据本发明的第二个方面，提供了一种制造电介质谐振器天线的方法，所述电介质谐振器天线包括具有充分平坦的纵向表面的电介质谐振器和具有相对设置的第一和第二表面的接地基底，并且电介质基底与所述第二表面相邻，其中：
i)在所述接地基底中形成槽隙，所述槽隙纵向地以第一方向延伸并且具有预定的宽度；
ii)在所述接地基底的所述第二表面上的所述电介质基底上设置带状馈线，所述带状馈线通常垂直于所述接地基底中的所述槽隙并且具有延伸超出所述槽隙的宽度的一端；
iii)在所述电介质谐振器的所述纵向表面的主体部分(majority)上涂布导电层，并使所述纵向表面的一个端区没有导电层；
iv)将所述电介质谐振器排列成使得其纵向表面布置在所述接地基底的所述第一表面附近，在所述纵向表面和所述第一表面之间具有间隙，并且所述纵向表面的所述端区覆盖住所述槽隙的宽度；
v)将所述电介质谐振器天线连接到谐振分析仪，并且使所述电介质谐振器在所述接地基底的第一表面的上方来回移动直到找到谐振位置为止，在所述谐振位置处，所述谐振分析仪探测到预定的谐振模态；
vi)在所述谐振位置处用添加有导电金属的粘合剂将所述电介质谐振器的所述纵向表面与所述接地基底的所述第一表面粘合在一起；以及
vii)削减延伸超出所述接地基底中的所述槽隙的所述带状馈线的所述端，直到由所述谐振分析仪测量到的所述预定谐振模态与其它可能的谐振模态相比占有主导地位为止。
尽管也可以按照本发明实施方案的方式对包括TE02或TE02δ模态、TE01模态和混合模态在内的其它模态实现激励，但优选地将所述DRA配置成以EH11δ谐振模态运行。所述谐振模态通常受到所述电介质谐振器元件的尺寸和形状的影响，但也可受到馈电机构的结构影响。
在本发明的运行实施方案中，可以在所述谐振器的所述纵向表面与所述接地基底的所述第一表面之间的所述间隙中充分地填充以导电粘合剂，尽管所述间隙中原则上也可以用适当的材料填充，包括空气和其它的适当材料。但是，如果需要的是磁性对称面的而不是电性对称平面，则需要有小的间隙(即便是只有几微米)以用来激励预定的谐振模态。
任选地，一旦被安装在所述接地基底上，所述电介质谐振器外露的表面可被去除(可能通过锉削或磨削)用以通过提高模态的频率来加强EH11δ谐振模态或其它谐振模态。例如，在电介质谐振器具有分成一半的柱形结构并且其矩形基底面为所述纵向表面的情况下，电介质谐振器的弯曲表面的顶部可通过磨削或锉削被去除，从而留下平坦的上表面。优选地，当应用这种技术时，所述电介质谐振器最初具有较大的尺寸(由此具有比所需频率低的谐振频率)，因此，磨削或锉削处理通过将EH11δ模态或其它谐振模态的谐振频率增大至所需的频率，从而帮助调谐DRA。
在当前的优选实施方案中，所述电介质谐振器为分成一半的柱形谐振器，其矩形基底面即为所述纵向表面。然而，在经过适当的定位和调谐之后，其它的电介质谐振器几何形状也可以产生所需的EH11δ谐振模态或其它模态。本申请的申请人发现，在分成一半的柱形谐振器具有被变平或经过磨削的弯曲表面、和/或具有锥形或斜侧面的情况下，它可以在带宽等发面有所提高。其它可能的电介质谐振器的几何形状包括矩形和三角形(例如，长方形或三棱形)。它们可以被变平或经过磨削或进过斜切和/或具有锥形或斜侧面。
所述介电基底可以是用于制造印刷电路板(PCBs)的类型。
所述带状线馈线优选地为微带线馈线。
所述谐振分析仪可以是矢量网络分析仪。
所述导电涂层可以使用金属化的涂料，例如添加有银的涂料，并且优选地被涂布两层。然而，根据用于谐振器的材料，也可以将不同的金属和它们的组合物涂布在不同的电介质谐振器上。在优选的实施方案中，所述电介质谐振器由陶瓷材料制成，但也可以采用其它适当的电介质材料。
除了槽隙馈电以外，也可使用直接微带馈电机构。
根据本发明的第三个方面，提供了一种电介质谐振器天线，包括：电介质谐振器，其具有充分平坦的纵向表面；电介质基底，其具有相对设置的第一和第二表面，所述第二表面上设有导电地平面，所述第一表面上设有直接微带馈线，所述直接微带馈线随着所述第一表面纵向延伸，所述电介质谐振器被装在所述第一表面上，以使所述电介质谐振器的所述平坦的纵向表面与所述直接微带馈线接触，并且随其共同延展。
优选地，所述直接微带馈线沿着所述电介质基底的所述第一表面延伸超出所述谐振器的所述纵向表面，从而形成一个伸出部分(overhang)。所述伸出部分的长度可被改变以用于将DRA调谐至特定的频率。所述伸出部分可以在所述电介质基底的平面中是卷曲的或是直的。所述伸出部分可以连接到电容器(事实上，所述伸出部分本身就起到了电容器的作用)以用于附加的调谐。
所述电介质谐振器的纵向平表面的全部或部分可配以导电层，例如导电涂料或类似物。在只有部分所述纵向平表面上设有导电层的情况下，所述导电层优选地被涂布成与所述直接微带馈线的宽度相匹配。可以在所述纵向平表面的角部设置小的导电材料垫，以提高所述电介质基底的所述第一表面上的机械稳定性。作为一种选择，所述纵向平表面上也可以没有导电层。
根据所述电介质谐振器的几何形状和在所述电介质谐振器上的导电层的存在或不存在或者其构形，本发明第三方面所述的DRA可以被用来以EH模态、TE01模态、TE02模态或组合模态进行谐振。
直接微带馈电(direct microstrip feeding)的益处是，它可以获得良好的带宽，并且同时具有可以保持使电介质基底的第二表面上具有导电地平面的益处(就是说，其通过地平面的辐射低，并且具有好的抗DRA失调性)。本发明第三方面提供的DRA非常易于制造。
建立EH11δ模态的主要益处之一是，如上所述，以这种模态运行的多个DRA能够组成如图2c所示的阵列。在这种阵列中，DRA元件2以端对端的线性阵列方式放置，优选地，所述阵列作为整体而相对于地球的重力垂直放置。所述阵列运行良好，因为每个DAR元件沿着其纵向表面的方向有零位或近似零位值，因此，在运行其间，相邻的DRA元件在很大程度上不会产生电磁耦合。
根据本发明的第四个方面，提供了一种由符合本发明的第一或第三方面的电介质谐振器天线组成的阵列，在所述阵列中，所述天线被排列成使所述电介质谐振器的所述纵向表面充分地共线(colinear)。
所述阵列优选地被配置成使所述纵向表面在给定的平面内充分地共线，并且所述电介质谐振器朝向同一方向。所述阵列优选地被配置为垂直阵列，即，所述电介质谐振器的所述纵向表面充分地共线并通常垂直于给定的地球地平面。
当所述线性阵列被垂直地布置时，每一个所述DRA元件的辐射图在水平面内近似是全方向的，因此它提供了良好的方位角覆盖。另外，每一个DRA元件的仰角辐射图定义了非常精确的波束宽度(在某些情况下正好是55度)，由此也能够为移动通讯应用提供良好的辐射图控制。该垂直线性阵列能给出窄的仰角辐射图，并且，如果每一单个的DRA元件也在仰角方面具有尽可能窄的辐射图以使所述元件不会朝着所述阵列没有指向的方向辐射能量，则所述阵列是最具有效率的。
所述阵列的另一个优点是可以构造几乎是全方向的垂直单极型天线，但是所述天线可获得比使用偶极子获得的增益更高的增益。典型的电偶极子具有的峰值元件增益是2dBi，举例来说，5个这样的偶极子具有总的峰值增益约是9dBi。本发明实施方案的DRA所获得的增益可多达4dBi(甚至可以潜在地获得更高的增益)，这样，在仍然保持偶极子的良好方位角覆盖的同时，这些元件的阵列总的增益值将约为11dBi。在将来，有可能通过对DRA元件做出进一步改进而使其增益更进一步的提高。
为了更好地理解本发明并说明它是如何被实施的，下面将参照附图通过举例的方式进行说明，在附图中：
图1是现有技术的分成一半的柱形DRA；
图2a是如图1所示的三个DRA构成的水平阵列的平面图；
图2b是如图1所示的三个DRA构成的垂直阵列的侧视图；
图2c是期望的垂直阵列结构的侧视图；
图3显示本发明的设有槽隙馈线的DRA的垂直断面；
图4显示图3所示的DRA的电介质谐振器的纵向表面；
图5显示用于构造图3所示DRA的矢量网络分析仪的第一信号轨迹；
图6显示用于构造图3所示DRA的矢量网络分析仪的第二信号轨迹；
图7显示利用水平极化测得的图3所示DRA的y-z共极性远场辐射图；
图8显示利用水平极化测得的图3所示DRA的x-y共极性远场辐射图；
图9显示利用水平极化测得的图3所示DRA的x-z共极性远场辐射图；
图10显示本发明的具有直接微带馈线的DRA。
图1，2a，2b和2c在介绍本申请时已经论述过了。
图3显示了本发明的优选的DRA，其包括接地的导电基底1，在接地的导电基底1的上方设有分成一半的柱形陶瓷电介质谐振器2，分成一半的柱形陶瓷电介质谐振器2具有设置在所述接地基底1的正上方的纵向矩形表面3。接地的导电基底1包括形成在其内的槽隙6，所述槽隙6以充分垂直于谐振器2的纵向表面(longitudinal surface)3的方向纵向地延伸，纵向表面3的一端7置于槽隙6的上方。接地基底1位于电介质基底8的第一侧面上，电介质基底8可以是印刷电路板(PCB)。微带馈线9设在电介质基底8的第二侧面，微带馈线9与电介质谐振器2的纵向表面3同时充分延展，并且稍微伸出超过槽隙6的宽度。馈线9伸出超过槽隙6的宽度的部分10被定义为“伸出部分(overhang)”。除了端区7之外的谐振器2的纵向表面3的所有部分被涂布以金属化的涂料11，如图4所示。金属化涂料11可以添加有银和其它金属，并且优选地被涂布成两个涂层。纵向表面3的端区7可在涂布之前被遮盖以使端区7没有涂料11。另外，纵向表面3通过金属化粘合剂100粘合在接地基底1上，该金属化粘合剂100也可添加有银。
现在将对经过本申请人构造和测试的本发明的一个实施方案进行描述。具有约110的相对介电常数和7.5mm的半径以及20mm长×7mm宽的纵向表面3的分成一半的柱形陶瓷电介质谐振器2被安装到具有长为18mm、宽为2mm的槽隙6的接地基底1之上。在将谐振器2安装到接地基底1上之前，除了端区7的所有纵向表面3被涂布以两层添加有银的涂料11，端区7的长度至少与槽隙6的宽度一样大。微带馈线9被装于PCB 8的另一侧，以与谐振器的纵向表面3共同延展，并且伸出超过所述槽隙6为伸出部分10的长度，伸出部分10的长度大约是1到2mm。接地基底1利用添加有银的粘合剂100安装在标准FR4 PCB 8上。经过测试，发现该DRA以2382MHz的频率运行(谐振)。峰值增益是2.9dBi，在-10DB点处的S11回波损耗(return loss)是144MHZ，在-3DB点处的S21发射带宽是几百MHZ。
当构造上述的DRA时，执行各种调谐操作。在用涂料11涂布纵向表面3之后，但在用粘合剂100固定谐振器2之前，谐振器2被大致地置于接地基底1的上方，接地基底1被连接到矢量网络分析仪(VNA)(未标出)。然后谐振器2在接地基底1的上方来回移动直到VNA显示出如图5所示的轨迹12为止。轨迹12显示了主谐振模态(resonance mode)13(它不是所需的EH11δ模态)以及位于14处的小倾斜(dip)(它即为所需的EH11δ模态)。
一旦发现正确的位置，谐振器2的纵向表面3被利用添加有银的粘合剂100与接地基底1粘合在一起。VNA保持与DRA连接以保证能够再次找到正确的定位，然后使粘合剂100干燥。
一旦粘合剂100干燥，馈线9的伸出部分10被削减到小于2mm的长度以调谐DRA。当伸出部分10正在被削减或缩短时，VNA显示如图6所示的轨迹15，轨迹15具有作为所需的EH11δ模态的主谐振模态16(与图5相比较)，以及在17处的大大降低的倾斜(它对应于图5中不想要的谐振模态13)。
图7到图9中显示的是三个主要的DRA辐射图，它们都是利用相对于接地基底1的水平极化测得的。图7显示出水平面中的辐射图几乎是全方向的。图8(x轴是垂直方向的，y轴是从左到右)显示出了辐射图中的零位或接近零位的位置18，该零位或接近零位的位置18证实上述DRA正在像水平电偶极子一样在起作用，这时，在x轴方向具有有效的零位值，因此能够构建出元件的线性阵列，如图2c所示。当上述线性阵列被垂直旋转后，水平极化变成垂直极化，因此给予移动通讯应用以所需的阵列模态。最后，图9(z轴是垂直方向的)显示出每一DRA的仰角辐射图正好具有55度的波束宽度，因此为移动通讯应用提供了对辐射图的良好控制。
图10是一种可选的DRA结构，其中所需的谐振模态可被激励。分成一半的柱形陶瓷电介质谐振器20(其弯曲的表面21经过磨削以提供平顶22)的平坦的纵向表面被装在电介质基底23的第一侧面。电介质基底23与第一侧面相对的第二侧面装有导电地平面24。电介质基底23的第一侧面设有直接传导的微带馈线25，它从谐振器20的纵向表面下经过并随其共同延展且通常与其平行。直接传导的微带馈线25设有安装在电介质基底23的第二侧面上并且经由信号引脚27与馈线25电接触的连接器26。上述连接器26还包括用于连接到传导地平面24的接地线28，接地线28和信号引脚27互相绝缘。馈线25沿着电介质基底23的第一表面延伸以超出谐振器20以用于提供伸出部分29。可以改变伸出部分29的长度以通过提供不同的电容效应而把DRA调谐到特定的频率。伸出部分29在基底23的平面上显示为弯曲的构形，但是作为一种选择它也可以是直的构形。谐振器20的纵向表面可用金属涂料(未示出)完全涂布，或者沿着馈线25的馈线部分地被涂布，或者根本不带有金属涂料。
本发明优选的特征能应用于本发明的所有方面并且可以任何组合的方式使用。
在本文的说明书和权利要求书中，词语“包括(comprise)”和“包含(contain)”及其变体(如“包括(comprising)”和“包括(comprises)”)的意思是“包括但不限于”，且不意图排除其它组分、整体、部分、添加物或步骤。

Claims (30)

1.一种电介质谐振器天线，包括具有充分平坦的纵向表面的电介质谐振器和具有相对设置的第一和第二表面的接地基底，并且电介质基底与所述第二表面相邻，其中：
i)所述接地基底包括以第一方向纵向地延伸并具有预定宽度的槽隙；
ii)所述电介质谐振器被布置成使得其纵向表面接近所述接地基底的所述第一表面，在所述纵向表面和所述第一表面之间具有间隙，并且所述纵向表面的一个端区覆盖住所述槽隙的宽度；
iii)所述电介质谐振器的所述纵向表面的主体部分上设有导电层，所述纵向表面的所述端区没有所述导电层；以及
iv)在所述接地基底的所述第二表面上的所述电介质基底上装有带状馈线，所述带状馈线与所述电介质谐振器的所述纵向表面充分共同延展，并且延伸超过所述接地基底中的所述槽隙的宽度。
2.如权利要求1所述的天线，其特征在于，所述天线在其运行期间以EH11δ模态谐振。
3.如权利要求1或2所述的天线，其特征在于，所述电介质谐振器具有半柱形结构，所述半柱形结构具有的矩形基底面为所述纵向表面。
4.如权利要求1或2所述的天线，其特征在于，所述电介质谐振器由半柱形电介质谐振器构成，所述半柱形电介质谐振器具有矩形的基底面和与所述矩形基底面相对的表面，所述矩形基底面为所述纵向表面，所述与矩形基底面相对的表面被变平以形成一个平顶。
5.如权利要求1或2所述的天线，其特征在于，所述电介质谐振器具有长方形的结构，所述长方形结构具有的矩形基底面为所述纵向表面。
6.如权利要求1或2所述的天线，其特征在于，所述电介质谐振器具有三棱形的结构，所述三棱形的结构具有的矩形基底面为所述纵向表面。
7.权利要求1或2所述的天线，其特征在于，所述电介质谐振器由三棱形电介质谐振器构成，所述三棱形电介质谐振器具有矩形的基底面和与所述矩形基底面相对的表面，所述矩形基底面为所述纵向表面，所述与矩形基底面相对的表面被变平以形成一个平顶。
8.如前述任意一项权利要求所述的天线，其特征在于，所述导电层为金属化涂料。
9.如前述任意一项权利要求所述的天线，其特征在于，所述电介质谐振器的纵向表面利用添加有导电材料的粘合剂与所述接地基底粘合在一起，所述粘合剂定出了所述表面之间的间隙。
10.一种制造电介质谐振器天线的方法，所述电介质谐振器天线包括具有充分平坦的纵向表面的电介质谐振器和具有相对设置的第一和第二表面的接地基底，并且电介质基底与所述第二表面相邻，其中：
i)在所述接地基底中形成槽隙，所述槽隙纵向地以第一方向延伸并且具有预定的宽度；
ii)在所述接地基底的所述第二表面上的所述电介质基底上设置带状馈线，所述带状馈线通常垂直于所述接地基底中的所述槽隙并且具有延伸超出所述槽隙的宽度的一端；
iii)在所述电介质谐振器的所述纵向表面的主体部分上涂布导电层，并使所述纵向表面的一个端区没有导电层；
iv)将所述电介质谐振器排列成使得其纵向表面布置在所述接地基底的所述第一表面附近，在所述纵向表面和所述第一表面之间具有间隙，并且所述纵向表面的所述端区覆盖住所述槽隙的宽度；
v)将所述电介质谐振器天线连接到谐振分析仪，并且使所述电介质谐振器在所述接地基底的第一表面的上方来回移动直到找到谐振位置为止，在所述谐振位置处，所述谐振分析仪探测到预定的谐振模态；
vi)在所述谐振位置处用添加有导电金属的粘合剂将所述电介质谐振器的所述纵向表面与所述接地基底的所述第一表面粘合在一起；以及
vii)削减延伸超出所述接地基底中的所述槽隙的所述带状馈线的所述端，直到由所述谐振分析仪测量到的所述预定谐振模态与其它可能的谐振模态相比占有主导地位为止。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述预定谐振模态是EH11δ谐振模态。
12.如权利要求10或11所述的方法，其特征在于，所述电介质谐振器具有半柱形结构，所述半柱形结构带有矩形的基底面和弯曲的表面，所述矩形的基底面为所述纵向表面。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述电介质谐振器的弯曲的表面被变平以形成一个平顶。
14.如权利要求10或11所述的方法，其特征在于，所述电介质谐振器具有三棱形的结构，所述三棱形的结构具有矩形的基底面和与所述矩形基底面相对的顶端，所述矩形的基底面为所述纵向表面。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述电介质谐振器的所述顶端被变平以形成一个平顶。
16.如权利要求10或11所述的方法，其特征在于，所述电介质谐振器具有长方形结构，所述长方形结构具有矩形的基底面，所述矩形的基底面为所述纵向表面。
17.如权利要求10到16中的任意一项所述的方法，其特征在于，所述导电层由金属化涂料涂布而成。
18.如权利要求10到17中的任意一项所述的方法，其特征在于，所述谐振分析仪是矢量网络分析仪。
19.如权利要求12或14或从属与它们的任何权利要求所述的方法，其特征在于，所述电介质谐振器的所述弯曲的表面或顶端通过锉削或磨削被变平，从而使得所述天线的谐振频率增加。
20.一种电介质谐振器天线，包括：电介质谐振器，其具有充分平坦的纵向表面；电介质基底，其具有相对设置的第一和第二表面，所述第二表面上设有导电地平面，所述第一表面上设有直接微带馈线，所述直接微带馈线随着所述第一表面纵向延伸，所述电介质谐振器被装在所述第一表面上，以使所述电介质谐振器的所述平坦的纵向表面与所述直接微带馈线接触，并且随其共同延展。
21.如权利要求20所述的天线，其特征在于，所述直接微带馈线沿着所述电介质基底的所述第一表面延伸超出所述电介质谐振器的纵向表面从而提供一个伸出部分。
22.如权利要求21所述的天线，其特征在于，所述伸出部分在所述电介质基底的平面中是弯曲的。
23.如权利要求21所述的天线，其特征在于，所述伸出部分完全是直的。
24.如权利要求20到23中的任意一项所述的天线，其特征在于，所述电介质谐振器的全部纵向平表面上设有导电层。
25.如权利要求20到23中任意一项所述的天线，其特征在于，只有所述电介质谐振器的纵向平表面与所述直接微带馈线接触的部分上设有导电层。
26.如权利要求23或25所述的天线，其特征在于，所述导电层为金属化的涂料。
27.如权利要求20到26中的任意一项所述的天线，其特征在于，所述天线在其运行的过程当中以EH模态谐振。
28.一种由权利要求1到9或20到27中任意一项所述的、或利用如权利要求10到19中任意一项所述的方法制造出的电介质谐振天线的阵列，在所述阵列中，所述天线被排列成使所述电介质谐振器的所述纵向表面充分地共线。
29.如权利要求28所述的阵列，其特征在于，所述纵向表面按照通常与给定的地球地平面垂直的方向对齐。
30.如权利要求29所述的阵列，其特征在于，所述阵列产生具有垂直极化的辐射图。
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