CN209183723U - 一种超宽带全向低剖面分立嵌入式介质谐振器天线 - Google Patents
一种超宽带全向低剖面分立嵌入式介质谐振器天线 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型涉及一种超宽带全向低剖面分立嵌入式介质谐振器天线，包括介质基板、两个尺寸相同的等边三角形介质谐振器、矩形单极子及共面波导馈电系统，所述介质基板上部开尺寸大小等同于介质谐振器的凹槽以便嵌入式安装，所述介质谐振器下层嵌入到介质基板之中以减小剖面高度；所述矩形单极子即作为天线，又作为激励源插入两层介质谐振器之间，所述共面波导馈电系统两侧为两个对称的带凹陷的地平面，中间为50Ω直微带馈线，其上端与矩形单极子相连接，其终端连接同轴接头。该天线覆盖3.44～10.85GHz的频带范围，在整个工作频段具有较稳定的增益和较高的辐射效率，剖面高度仅为1.524mm。
Description
技术领域
本实用新型属于无线通信技术领域，具体涉及一种超宽带全向低剖面分立嵌入式介质谐振器天线，特别涉及一种利用分立嵌入式等边三角形介质谐振器和矩形单极子天线结合以获得超宽带特性的天线，该天线可用作超宽带无线通信终端天线。由于使用了嵌入式设计方法，该天线剖面高度仅为1.524mm，特别适用于小型、低剖面无线通信应用领域。
背景技术
早在1965年，美国军方已确立了超宽带技术之基础。此后二十年内，超宽带技术主要为美国军用服务。此间，美国军方支持的研究机构及企业研发了数十种超宽带系统。1989年，美国国防部首次使用超宽带这个术语。由于超宽带技术在军用领域的成功应用，20世纪末开始超宽带技术逐渐被引入民用领域。直到2002年，美国联邦通信委员会FCC(FederalCommunication Committee)正式通过了将超宽带技术应用于民用的议案并制订了超宽带无线通信技术的标准：绝对带宽大于500MHz或相对带宽大于20％，工作频带覆盖3.1～10.6GHz。超宽带无线通信技术具有传输速率高(可达几百兆比特每秒)、抗干扰能力强、带宽极宽、系统容量大、发射功率低、传输距离短等特点。使其在无线通信、射频识别及雷达成像等领域有较广阔的应用前景。早期的介质谐振器主要应用于微波电路(振荡器、滤波器)，此时的介质谐振器通常作为能量存储器而不是辐射器。虽然很早以前学者已发现开放式介质谐振器可以作为辐射器，但直到1983年Long等首次发表了一篇圆柱形介质谐振器天线的论文之后，关于介质谐振器天线的研究才逐渐展开。介质谐振器天线具有体积小、质量轻、成本低、易集成、没有表面波损耗及金属损耗、辐射效率高、馈电方式灵活、对加工精度不敏感等优点，使其在现代的无线通信领域得到了广泛的应用。但由于介质谐振器Q值较高，其带宽相对较窄。近年来许多学者对提高介质谐振器天线带宽的方法进行了大量的研究。研究表明通过改变介质谐振器结构、馈电方式等可以显著的提高介质谐振器天线的带宽，使其达到宽带、超宽带。但这些设计的剖面高度普遍偏高，无法应用于低剖面的小型无线通信设备。文献(D.Guha,B.Gupta,Y.M.M.Antar,“Hybrid Monopole-DRAs UsingHemispherical/Conical-Shaped Dielectric Ring Resonators:ImprovedUltrawideband Designs,”IEEE Transactions on Antennas and Propagation,Volume:60,Publication Year:2012,Page(s):393-398.)通过改变介质谐振器的结构，使用介质谐振器与单极子天线相结合的方式设计了超宽带天线。此天线由中间带圆柱形孔洞的半球形介质谐振器、单极子天线及圆形地平面构成。介质谐振器介电常数为10，阻抗带宽5～21GHz，相对带宽126％。天线尺寸：地平面半径为35mm，剖面高度大于11mm。文献(C.Ozzaim,F.Ustuner,N.Tarim,“Stacked Conical Ring Dielectric Resonator Antenna Excitedby a Monopole for Improved Ultrawide Bandwidth,”IEEE Transactions on Antennasand Propagation,Volume:61,Publication Year:2013,Page(s):1435-1438.)将两个中间有圆柱形孔洞的圆锥形介质谐振器叠放在一起并在中间放置单极子天线以获得超宽带特性。介质谐振器介电常数为10，阻抗带宽2.8～15.2GHz，相对带宽138％。天线尺寸：底面半径17mm，剖面高度大于22mm。文献(M.Abedian,S.K.A.Rahim,M.Khalily,“Two-SegmentsCompact Dielectric ResonatorAntenna for UWB Application,”IEEE Antennas andWireless Propagation Letters,Volume:11,Publication Year:2012,Page(s):1533-1537.)将两个不同介电常数、不同尺寸的矩形介质谐振器交错叠放并与U形印制单极子天线相结合，以获得超宽带特性。下层的矩形介质谐振器介电常数为30，以提高耦合特性；上层的矩形介质谐振器介电常数为15，以减小Q值、增加带宽。此天线阻抗带宽为3.14～10.9GHz，相对带宽为110％。天线尺寸：18mm×36mm×11mm。
实用新型内容
为了克服传统介质谐振器天线剖面高的缺点，本实用新型提供一种超宽带全向低剖面分立嵌入式介质谐振器天线，该天线在保证了较好的超宽带特性(有效覆盖了FCC规定的工作频段)、具有较稳定的增益和较高的辐射效率的基础之上，大大减小了天线的剖面高度。此外，由于该天线具有全向辐射特性，故可与通带内各方向的电磁波实现较好的匹配。该天线结构简单、剖面低、成本较低、易加工，可实现批量生产，适用于现代各种宽带、超宽带的应用场合，特别是对剖面高要求极严苛的情况。
本实用新型采用如下技术方案：一种超宽带全向低剖面分立嵌入式介质谐振器天线，其特征在于，包括上层介质谐振器、下层介质谐振器、矩形单极子、左侧地平面矩形凹陷、右侧地平面矩形凹陷、左侧地平面、右侧地平面、介质基板、共面波导左侧缝隙、共面波导右侧缝隙，介质基板包含介质基板背面、介质基板正面；
所述上层介质谐振器、下层介质谐振器为尺寸相同的等边三角形，上层介质谐振器、下层介质谐振器与介质基板的厚度相同；所述介质基板上部开槽，下层介质谐振器完全嵌入介质基板内部；所述上层介质谐振器层正对叠放于下层介质谐振器正上方并与之对齐，所述矩形单极子印制于介质基板正面，并部分位于上层介质谐振器与下层介质谐振器之间，矩形单极子的另一端与直微带馈线相连接；所述直微带馈线从矩形单极子的一侧的中部竖直延伸到介质基板的边缘位置；介质基板的下部两侧沿介质基板的边缘部分分别设置有沿直微带馈线对称的左侧地平面和右侧地平面，左侧地平面和右侧地平面的上部与直微带馈线的上部两侧之间分别形成左侧地平面矩形凹陷、右侧地平面矩形凹陷，左侧地平面和右侧地平面的下部与直微带馈线的下部两侧之间分别形成共面波导左侧缝隙、共面波导右侧缝隙。
与现有技术相比，本实用新型天线的有益效果是：
1、结构简单、体积小、质量轻。本实用新型的超宽带全向低剖面分立嵌入式介质谐振器天线主要由两个等边三角形介质谐振器、介质基板、矩形单极子天线和共面波导馈电系统组成，结构相对简单，体积小、质量轻、易加工，例如频率覆盖范围3.44～10.85GHz的介质谐振器天线，尺寸为17.6mm×33.6mm×1.524mm。
2、辐射方向图良好，本实用新型的超宽带全向低剖面分立嵌入式介质谐振器天线具有良好的全向辐射特性，由于介质谐振器天线为等边三角形的对称性结构，使得天线的E面及H面辐射方向图皆处于较低的交叉极化水平。
3、该天线具有较稳定的增益和较高的辐射效率。本实用新型的超宽带全向低剖面分立嵌入式介质谐振器天线在整个工作频带范围内增益稳定在2.5dB左右，由于加入了介质谐振器，介质谐振器的各个面皆可形成有效辐射，故有效提高了辐射效率，该天线辐射效率在95％以上。
附图说明
图1为本实用新型一种超宽带全向低剖面分立嵌入式介质谐振器天线一种实施例的结构示意图，其中，图1(a)为主视结构示意图，图1(b)为后视结构示意图，图1(c)为立体结构示意图，图1(d)为左视结构示意图。
图2是本实用新型实施例1的一种超宽带全向低剖面分立嵌入式介质谐振器天线的回波损耗曲线图。
图3是本实用新型实施例1的一种超宽带全向低剖面分立嵌入式介质谐振器天线的电压驻波比曲线图。
图4是本实用新型实施例1的一种超宽带全向低剖面分立嵌入式介质谐振器天线在5GHz的E面和H面交叉极化辐射方向图，其中图4(a)为H平面辐射方向图，图4(b)图为E平面辐射方向图。
图5是本实用新型实施例1的一种超宽带全向低剖面分立嵌入式介质谐振器天线在8GHz的E面和H面交叉极化辐射方向图，其中图5(a)为H平面辐射方向图，图5(b)为E平面辐射方向图。
图6是本实用新型实施例1的一种超宽带全向低剖面分立嵌入式介质谐振器天线在10.2GHz的E面和H面交叉极化辐射方向图，其中图6(a)为H平面辐射方向图，图6(b)为E平面辐射方向图。
图7是本实用新型实施例1的一种超宽带全向低剖面分立嵌入式介质谐振器天线的增益图。
图1中，1-上层介质谐振器，2-下层介质谐振器，3-矩形单极子，4-右侧地平面矩形凹陷，5-左侧地平面矩形凹陷，6-左侧地平面，7-右侧地平面，8-介质基板背面，9-介质基板正面，10-共面波导左侧缝隙，11-共面波导右侧缝隙。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本实用新型作进一步的详细说明。
本实用新型一种超宽带全向低剖面分立嵌入式介质谐振器天线(简称天线，参见图1)，包括上层介质谐振器1、下层介质谐振器2、矩形单极子3、左侧地平面矩形凹陷4、右侧地平面矩形凹陷5、左侧地平面6、右侧地平面7、介质基板、共面波导左侧缝隙10、共面波导右侧缝隙11，介质基板包含介质基板背面8、介质基板正面9。
所述上层介质谐振器1、下层介质谐振器2由介电常数为20的介质材料制成，为尺寸相同的等边三角形，上层介质谐振器1、下层介质谐振器2与介质基板的厚度相同；所述介质基板上部开槽，下层介质谐振器2完全嵌入介质基板内部。所述上层介质谐振器1层正对叠放于下层介质谐振器2正上方并与之对齐，所述矩形单极子3印制于介质基板正面9，并部分位于上层介质谐振器1与下层介质谐振器2之间，矩形单极子3的另一端与直微带馈线相连接。所述直微带馈线从矩形单极子3的一侧的中部竖直延伸到介质基板的边缘位置。介质基板的下部两侧沿介质基板的边缘部分分别设置有沿直微带馈线对称的左侧地平面6和右侧地平面7，左侧地平面6和右侧地平面7的上部与直微带馈线的上部两侧之间分别形成左侧地平面矩形凹陷4、右侧地平面矩形凹陷5，左侧地平面6和右侧地平面7的下部与直微带馈线的下部两侧之间分别形成共面波导左侧缝隙10、共面波导右侧缝隙11。
所述介质基板上部开槽，将下层介质谐振器完美嵌入其中，在下部及中间印制共面波导馈电系统和矩形单极子，在下层介质谐振器正上方放置上层介质谐振器，所述共面波导馈电系统包括两个带矩形凹陷地平面和中间直微带馈线，印制在介质基板正面，中间直微带馈线顶端连接矩形单极子，终端连接同轴接头，两个带矩形凹陷地平面对称印制于中间直微带馈线两侧。
实施例1
本实施例提供一种超宽带全向低剖面分立嵌入式介质谐振器天线，该天线包括上层介质谐振器1、下层介质谐振器2、矩形单极子3、左侧地平面矩形凹陷4、右侧地平面矩形凹陷5、左侧地平面6、右侧地平面7、介质基板背面8、介质基板正面9、共面波导左侧缝隙10、共面波导右侧缝隙11；所述两层介质谐振器为尺寸相同的等边三角形，下层嵌入介质基板上部，上层正叠放于下层之上，所述矩形单极子印制于介质基板正面中部并与直微带馈线相连接，并部分插入两层介质谐振器之间，所述介质基板上部开槽其中嵌入下层介质谐振器，将上层介质谐振器置于下层介质谐振器的正上方，在下部及中间印制共面波导馈电系统和矩形单极子，所述共面波导馈电系统包括两个带矩形凹陷地平面和中间直微带馈线，印制在介质基板正面下半部，中间直微带馈线顶端连接矩形单极子，终端连接同轴接头，两个带矩形凹陷地平面对称印制于中间直微带馈线两侧；
本实施例中上层介质谐振器1、下层介质谐振器2形状为尺寸相同的等边三角形，介电常数均为20，边长为16.45mm，厚度为0.762mm。
介质基板为矩形，介电常数为3，介质基板尺寸为Ls＝33.6mm，Ws＝17.6mm，厚度为0.762mm。
矩形单极子3尺寸为6mm×5.7mm，部分插入两层介质谐振器之间。
左侧地平面矩形凹陷4、右侧地平面矩形凹陷5尺寸均为0.3mm×6.3mm。
左侧地平面6、右侧地平面7尺寸均为7.5mm×14.5mm。
共面波导左侧缝隙10、共面波导右侧缝隙11的宽度为0.4mm，长度为8.2mm。
直微带馈线的特性阻抗为50Ω，其顶端连接矩形单极子，其终端接同轴接头。
实施例1中的天线尺寸仅为17.6mm×33.6mm，厚度为1.524mm，极大的减小了天线的剖面高度，同时减小了天线的体积和质量。
图2为实施例1中天线的回波损耗测量结果，S11小于-10dB的频率范围是3.44～10.85GHz，相对带宽为104％，特别是在3.79～10.66GHz频段内S11小于-13dB。
图3为实施例1中天线的电压驻波比测量结果，如图所示在上述回波损耗小于-10dB的频段内天线的电压驻波比均小于2，满足工程要求。
图4、图5、图6分别是实施例1中天线在频率5GHz、8GHz和10.2GHz时的H平面和E平面辐射方向图，如图所示实施例1的天线辐射方向图接近于偶极子(由两个单极子组成)辐射方向图，说明该天线的辐射机理为单极子辐射机理，其H平面辐射方向图具有良好的全向性，满足工程要求，此外，该天线的在整个工作频段具有较好的E平面和H平面交叉极化水平。
图7为实施例1中天线的增益测量结果，如图所示在大部分工作频段内增益大于1.55dB，通带内的最大增益为4.85dB，最小增益为0.48dB，可见该天线在工作频段内具有较稳定的增益。
本实用新型天线具有低剖面、体积小、结构简单、低交叉极化水平、较稳定的增益和较高的辐射效率等优点，特别适用于小型、低剖面、宽带、超宽带无线通信领域。
上述实施例1为本实用新型较佳的实施方式，另外在本实施例的基础上，介质谐振器一分为二，下层介质谐振器嵌入式安装，介质谐振器厚度与介质基板厚度相等，矩形单极子部分插入介质谐振器之间等技术特点都应包含在本申请的保护范围内。
本实用新型未述及之处适用于现有技术。
Claims (6)
1.一种超宽带全向低剖面分立嵌入式介质谐振器天线，其特征在于，包括上层介质谐振器、下层介质谐振器、矩形单极子、左侧地平面矩形凹陷、右侧地平面矩形凹陷、左侧地平面、右侧地平面、介质基板、共面波导左侧缝隙、共面波导右侧缝隙，介质基板包含介质基板背面、介质基板正面；
所述上层介质谐振器、下层介质谐振器为尺寸相同的等边三角形，上层介质谐振器、下层介质谐振器与介质基板的厚度相同；所述介质基板上部开槽，下层介质谐振器完全嵌入介质基板内部；所述上层介质谐振器正对叠放于下层介质谐振器正上方并与之对齐，所述矩形单极子印制于介质基板正面，并部分位于上层介质谐振器与下层介质谐振器之间，矩形单极子的另一端与直微带馈线相连接；所述直微带馈线从矩形单极子的一侧的中部竖直延伸到介质基板的边缘位置；介质基板的下部两侧沿介质基板的边缘部分分别设置有沿直微带馈线对称的左侧地平面和右侧地平面，左侧地平面和右侧地平面的上部与直微带馈线的上部两侧之间分别形成左侧地平面矩形凹陷、右侧地平面矩形凹陷，左侧地平面和右侧地平面的下部与直微带馈线的下部两侧之间分别形成共面波导左侧缝隙、共面波导右侧缝隙；
上层介质谐振器、下层介质谐振器形状为尺寸相同的等边三角形，介电常数均为20，边长为16.45mm，厚度为0.762mm；
介质基板为矩形，介电常数为3，介质基板尺寸为Ls＝33.6mm，Ws＝17.6mm，厚度为0.762mm。
2.根据权利要求1所述的一种超宽带全向低剖面分立嵌入式介质谐振器天线，其特征在于，矩形单极子尺寸为6mm×5.7mm。
3.根据权利要求1所述的一种超宽带全向低剖面分立嵌入式介质谐振器天线，其特征在于，左侧地平面矩形凹陷、右侧地平面矩形凹陷尺寸均为0.3mm×6.3mm。
4.根据权利要求1所述的一种超宽带全向低剖面分立嵌入式介质谐振器天线，其特征在于，左侧地平面、右侧地平面尺寸均为7.5mm×14.5mm。
5.根据权利要求1所述的一种超宽带全向低剖面分立嵌入式介质谐振器天线，其特征在于，共面波导左侧缝隙、共面波导右侧缝隙的宽度为0.4mm，长度为8.2mm。
6.根据权利要求1所述的一种超宽带全向低剖面分立嵌入式介质谐振器天线，其特征在于，直微带馈线的特性阻抗为50Ω，其顶端连接矩形单极子，其终端接同轴接头。
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| CN115548662A (zh) * | 2022-09-29 | 2022-12-30 | 东莞理工学院 | 一种应用于无线通信系统的uwb天线 |
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