CN104269608B - 一种双频圆极化矩形介质谐振器天线 - Google Patents
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Abstract
该发明公开了一种双频圆极化矩形介质谐振器，属于电子技术领域。该天线包括矩形介质基片、设置于介质基片背面的微带线、设置于介质基片正面的刻蚀有改进型圆环缝隙的金属接地板以及设置于接地板上层中心位置的矩形介质块。这款天线主模和可以在低频段产生圆极化辐射；高次模和可以在高频段产生圆极化辐射，通过两者的组合，就能够实现DRA的双频圆极化性能。该发明利用了矩形介质谐振器天线的主模和高次模，具有了双频圆极化性能，并且天线结构简单、馈电方便、结构紧凑能够应用于各类无线通信系统中。
Description
技术领域
本发明属于电子技术领域，特别涉及一种由改进型圆环缝隙激励的双频圆极化矩形介质谐振器天线。
背景技术
随着现代无线通信事业的快速发展，工程上对于天线的小型化、宽频带、低损耗等性能提出了更越来越高的要求，如何简便而有效地实现这些性能的改进成了研究者们多年来努力地方向。虽然常用的微带天线有低剖面、质量轻的优点，但是也存在高频段几何尺寸大及低频段金属欧姆损耗高等缺点，使其应用受到了一定的限制。与传统的天线相比，介质谐振器天线(DRA)具有形式多样、小尺寸、低损耗、激励灵活、低成本以及高辐射效率等优势，因此，介质谐振器天线在过去的20多年里受到了广泛的研究。其中矩形DRA因其拥有更多的设计自由度而比圆柱形和半球形DRA更为常用。
现代无线通信技术的快速发展激发了人们对双频DRA的研究，并且文献中已经报道了几种较为有效的方法。2007年，T.H.Chang和J.F.Kiang等人在IEEE Transactions onAntennas and Propagation上发表的题为“Dual-band split dielectric resonatorantenna”的文章，报道了通过把一个DRA和另一个谐振在不同频率的介质谐振器结合起来可以实现双频带设计的方式，但是第二个谐振器的引入却会导致天线结构的复杂化。1983年，A.Buerkle和K.Sarabandi等人在IEEE Transactions on Antennas and Propagation上发表的题为“Compact slot and dielectric resonator antenna with dual-resonance,broadband characteristics”中报道了利用馈电结构的谐振也可以实现双频DRA，然而这种方法会导致天线匹配的恶化。最近的研究表明，利用DRA的高次模式来实现双频也是一种有效的方式，并且不会导致上述天线结构的复杂化以及匹配性能的恶化等问题。X.S.Fang和C.K.Chow等人于2011年发表在IEEE Antennas Wireless Propagation上的题为“New single-/dual-mode design formulas of the rectangular dielectricresonator antenna using covariance matrix adaptation evolutionary strategy”的文章证实了此方法的可行性。
当前，关于利用高次模实现双频DRA的研究多数还是集中在线极化天线的设计上，仅有少数文献报道了高次模实现双频圆极化DRA，如2012年X.S.Fang和K.W.Leung等人发表在IEEE Transactions on Antennas and Propagation上发表的题为“Linear-/circular-polarization designs of dual-/wide-band cylindrical dielectric resonatorantennas”的文章报道了利用相位正交的垂直带线，来激励主模和高次模从而实现DRA的双频圆极化，但是由于馈电结构需要一个双频段的90°耦合器而复杂不易实现。如何实现结构简单并且馈电方便的双频圆极化矩形DRA有待于进一步的研究。
发明内容
本发明提出了一种双频圆极化矩形介质谐振器天线，该天线基于联合利用主模和高次模的理念，利用改进型圆环缝隙激励起DRA的主模和高次模来实现双频圆极化。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种双频圆极化矩形介质谐振器天线，包括矩形介质基片、设置于介质基片背面的微带线、设置于介质基片正面的金属接地板以及设置于接地板上层中心位置的矩形介质块，其特征在于所述接地板完全覆盖介质基片，位于矩形介质块下方的接地板刻蚀有改进型圆环缝隙，改进型圆环缝隙由一圆环缝隙和两条位于圆环缝隙外侧并与其相连的矩形缝隙构成，圆环缝隙的中心位于介质块几何中心的正下方，两条矩形缝隙的中心线与介质块底面的对角线位于同一直线上，改进型圆环缝隙内没有金属物质；
所述微带线由第一矩形金属贴片和第二矩形金属贴片连接构成，两矩形金属贴片的中心线位于介质基片的对称轴上，第二矩形金属贴片的末端位于介质基板的边；
所述第一矩形金属贴片的宽度大于第二矩形金属贴片的宽度。
本发明天线由改进型圆环缝隙激励，该改进型圆环缝隙刻蚀在介质基片的覆铜面上，并位于矩形陶瓷介质的正下方，通过印刷在介质基片另一面的阶梯状微带线对改进型圆环缝隙进行馈电。这款天线可以认为是一个由直线缝隙激励起和模式的DRA与一个带有微扰的环形缝隙激励起和模式的DRA的组合。其中，主模和模可以在低频段产生圆极化辐射；高次模和可以在高频段产生圆极化辐射。通过两者的组合，就能够实现DRA的双频圆极化性能。
本发明和现有技术相比，其对结构和性能的改善是积极的和明显的。通过DRA主模和高次模的利用实现了双频圆极化工作，通过对激励缝隙的改进使天线可以很容易的激励起主模和高次模本发明在实现了较好的双频圆极化性能的同时保证了天线结构以及馈电结构的简单化，具有很好的应用价值。
附图说明
图1(a)为本发明实施例正面结构示意图；，
图1(b)为本发明实施例的侧面结构示意图；
图1(c)为本发明实施例背面结构示意图；
图2为本发明实施例回波损耗的仿真及实测曲线是意图；
图3为本发明实施例的左旋圆极化轴比的仿真及实测曲线示意图；
图4为本发明实施例的左旋圆极化增益实测曲线示意图。
附图标号说明：1.接地板，2.矩形介质块，3.圆环缝隙，4.直线缝隙，5.直线缝隙，6.第一矩形金属贴片，7.第二矩形金属贴片，8.馈电端口，9.介质基板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
如图1(a)、(b)、(c)所示，该实施例包括一个FR4介质基板9，介质基板的正面为接地板1，位于介质基板9中央并与接地板1接触的矩形介质块2作为天线的辐射体，刻蚀在接地板1上并位于矩形介质块2正下方的由圆环缝隙3和直线缝隙4、5组成的改进型圆环缝隙，改进型圆环缝隙由印刷在介质基板9背面的阶梯型微带线进行激励，。
图1中，介质基板9的面积为100×100mm2，厚度为1.6mm；相对介电常数为12的陶瓷矩形介质块2的长宽高分别为a＝b＝37mm，c＝30mm；直线缝隙4长宽分别为l2＝18mm，w＝3.5mm；直线缝隙5长宽分别为l1＝11mm，w＝3.5mm；圆环缝隙3半径和宽度分别为r＝18mm，w＝3.5mm；第一矩形金属贴片6的长宽分别为lm2＝47.5mm，wm2＝6mm；第二矩形金属贴片7的长宽分别为lm1＝12mm，wm1＝3mm。此处具体尺寸的选取仅为本发明实施例中所选用，对于本领域的技术人员来说，可以根据实际需要对各部分的尺寸进行适当的调整。
当通过馈电端口8对天线进行馈电时，能量通过阶梯型微带线传输到缝隙下方，当第一次经过环形缝隙下方时，位于交点上方的半圆环缝隙与直线缝隙4、5组成一个线状缝隙，能量通过此线状缝隙耦合到陶瓷介质2中激励起主模和这两个正交模式可以在低频段产生圆极化辐射；当能量第二次经过环状缝隙3下方时，能量通过该带有微扰的环状缝隙耦合到陶瓷介质2中激励起高次模和这两个正交高次模可以在高频段产生圆极化辐射。通过这样的组合，就可以由改进型的圆环状缝隙耦合馈电实现双频圆极化DRA。
本发明可通过调节圆环缝隙3的半径实现高频段圆极化轴比的优化；通过调节直线型缝隙4、5的尺寸实现低频段圆极化轴比的优化；通过调整阶梯型微带线6、7的长宽实现高、低频的阻抗匹配。
实施例的回波损耗曲线如图2所示，天线在低频段的10-dB回波损耗带宽为9.1％(1.58-1.73GHz)，高频段10-dB回波损耗带宽为14.4％(2.39-2.76GHz)，表明该天线实现了双频工作。
实施例的圆极化轴比曲线如图3所示，本实施例实现的是左旋圆极化，天线在低频段的3-dB轴比带宽为3.7％(1.61-1.67GHz)，高频段3-dB轴比带宽为3.7％(2.65-2.75GHz),表明该天线在两个频段上都实现了圆极化。
实施例的左旋圆极化增益实测结果如图4所示，低频段中心频率1.64GHz处增益为5.4dBi，高频段中心频率2.70GHz处为5.8dBi，表明该天线在双频上具有较高的增益。
该实施例的仿真和实测结果显示，本发明天线很好的实现了双频圆极化工作，此外该天线结构简单、馈电方便、结构紧凑，具有很好的应用价值。
Claims (3)
1.一种双频圆极化矩形介质谐振器天线，包括矩形介质基片、设置于介质基片背面的微带线、设置于介质基片正面的金属接地板以及设置于接地板上层中心位置的矩形介质块，其特征在于所述接地板完全覆盖介质基片，位于矩形介质块下方的接地板刻蚀有改进型圆环缝隙，改进型圆环缝隙由一圆环缝隙和两条位于圆环缝隙外侧并与其相连的矩形缝隙构成，圆环缝隙的中心位于介质块几何中心的正下方，两条矩形缝隙的中心线与介质块底面的对角线位于同一直线上，改进型圆环缝隙内没有金属物质；该天线基于联合利用主模和高次模的理念，利用改进型圆环缝隙激励起介质谐振器天线的主模TEx 111/TEy 111和高次模TEx 113/TEy 113来实现双频圆极化。
2.如权利要求1所述的一种双频圆极化矩形介质谐振器天线，所述微带线由第一矩形金属贴片和第二矩形金属贴片连接构成，两矩形金属贴片的中心线位于介质基片的对称轴上，第二矩形金属贴片的末端位于介质基板的边。
3.如权利要求2所述的一种双频圆极化矩形介质谐振器天线，所述第一矩形金属贴片的宽度大于第二矩形金属贴片的宽度。
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