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CN107689482A - 一种基于二维周期结构的宽带低剖面介质谐振器天线 - Google Patents

一种基于二维周期结构的宽带低剖面介质谐振器天线 Download PDF

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CN107689482A CN201710623997.XA CN201710623997A CN107689482A CN 107689482 A CN107689482 A CN 107689482A CN 201710623997 A CN201710623997 A CN 201710623997A CN 107689482 A CN107689482 A CN 107689482A
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唐慧
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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Abstract

本发明公开了一种基于二维周期结构的宽带低剖面介质谐振器天线，所述天线包括：第一基板、位于第一基板下方的第二基板、位于第一基板上方的用于拓展带宽的介质谐振器单元，第二基板的下表面设置微带馈线，第二基板的上表面设置有与微带馈线垂直的耦合馈电槽，围绕所述介质谐振器单元设置有多个金属化通孔，该多个金属化通孔贯穿第一基板和第二基板形成基片集成波导背腔，所述介质谐振器单元包括成阵列状排布的相互隔开的多个介质子块。本发明在满足宽带的同时兼具低剖面、较小的平面尺寸的特性，适合天线阵列设计。

Description

一种基于二维周期结构的宽带低剖面介质谐振器天线
技术领域
本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种基于二维周期结构的宽带低剖面介质谐振器天线。
背景技术
无线通信技术的飞速发展对天线的小型化、宽频带、低损耗等性能提出了更高的要求。介质谐振器天线(Dielectric Resonator Antenna，DRA)因其低损耗，高辐射效率以及高设计灵活性等特性而在现代无线通信系统中具有广阔的应用前景。
现代无线通信系统对兼具宽带、结构紧凑、高增益等优良特性的天线有紧迫的需求。就介质谐振器而言，可有多种技术手段拓展其工作带宽，例如可通过引入寄生的介质谐振器(Dielectric Resonator，DR)单元展宽其阻抗带宽，但是这种方法带来的问题是增加了天线的尺寸；修改DR的形状也能增加天线的带宽，但某些形状由于特异而不易于加工制造，且该类天线通常由于方向图性能恶化而导致增益较低；通过合并基模和沿着平面方向的三次模可以实现一种宽带、低剖面的层叠型DRA，但是由于其通过放大长高比来将三次模移到频带内，所以此天线有着相对较大的平面尺寸，从而不利于天线阵列的设计。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种基于二维周期结构的兼具宽带、低剖面且平面结构紧凑，以及高增益的介质谐振器天线。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种基于二维周期结构的宽带低剖面介质谐振器天线，所述天线包括：第一基板、位于第一基板下方的第二基板、位于第一基板上方的用于拓展带宽的介质谐振器单元，第二基板的下表面设置微带馈线，第二基板的上表面设置有与微带馈线垂直的耦合馈电槽，围绕所述介质谐振器单元设置有多个金属化通孔，该多个金属化通孔贯穿第一基板和第二基板形成基片集成波导背腔，所述介质谐振器单元包括成阵列状排布的相互隔开的多个介质子块。
较佳的，所述多个介质子块呈4×4的方阵排布结构。
其中，所述第二基板的是上表面为金属层，金属层的中心开设所述耦合馈电槽。每个所述介质子块为方块。
实施本发明的基于二维周期结构的宽带低剖面介质谐振器天线，具有以下有益效果：本发明通过将一个完整的介质块分割为成阵列状排布的相互隔开的多个介质子块，通过耦合馈电，同时激励起基模和沿着x轴方向的二次模两种谐振模式，从而形成较宽的带宽，而且该设计在满足宽带的同时兼具低剖面、较小的平面尺寸以及高增益的特性，适合天线阵列设计。
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，下面将对实施例或现有技术描述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的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图：
图1是本发明天线的一个具体实施例的结构示意图；
图2是具体实施例中天线在4.9GHz和6.2GHz两种谐振频率下的电场分布示意图；
图3是四种天线的结构示意图；
图4是四种天线的|S11|示意图；
图5是四种天线的实际增益示意图；
图6是本发明的天线仿真与测试的|S11|和增益示意图；
图7是本发明的天线仿真与测试的方向图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的典型实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
需要说明的是，本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
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发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
本说明书中使用的“第一”、“第二”等包含序数的术语可用于说明各种构成要素，但是这些构成要素不受这些术语的限定。使用这些术语的目的仅在于将一个构成要素区别于其他构成要素。例如，在不脱离本发明的权利范围的前提下，第一构成要素可被命名为第二构成要素，类似地，第二构成要素也可以被命名为第一构成要素。
为了更好的理解本发明的技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对本发明的技术方案进行详细的说明，应当理解本发明实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本发明实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
参考图1，本发明的基于二维周期结构的宽带低剖面介质谐振器天线包括：第一基板6、第二基板7、介质谐振器单元。介质谐振器单元位于第一基板6上方中心，围绕所述介质谐振器单元设置有多个金属化通孔4，该多个金属化通孔4贯穿第一基板6和第二基板7形成矩形的基片集成波导背腔。第二基板7位于第一基板6下方。第二基板7的下表面设置微带馈线1，微带馈线1处于第二基板7的中分面上，且自第二基板7的边缘延伸一定长度。第二基板7的是上表面为金属层5，金属层5的中心开设有一个耦合馈电槽3，该耦合馈电槽3与下表面的微带馈线1垂直。
具体的，所述介质谐振器单元包括成阵列状排布的相互隔开的多个介质子块2。本实施例中，所述多个介质子2块呈4×4的方阵排布结构。每个所述介质子块2为方块。这些介质子块2总平面尺寸仅为0.5λ0×0.5λ0并且还可以进一步小型化。
为了实现天线结构紧凑、宽带的特性，介质子块2的厚度为h1，并且采用高介电常数εr1材料。在介质子块2的下方是作为其基底的第一基板6，该基板是以RO4003C(εr＝3.38,tanδ＝0.0027)为材料的基板，其厚度为h2。第二基板7同样为以RO4003C为材料、厚度为h3的基板。天线的详细的设计参数被列在表1中。
表1
下面介绍本发明的工作原理。
为了更清楚地解释所提出的介质谐振器单元实现宽带的原理，图2展示了此天线两种谐振频率下的电场分布，图2中上图是在4.9GHz时基模的电场分布，下图是在6.2GHz时二次模的电场分布。我们将微带馈线的延伸方向定义为x轴方向，将耦合馈电槽的延伸方向定义为y轴方向，与第一基板和第二基板垂直的方向为z轴方向。从图2中可以发现低频谐振点主要是由基模引起的，而高频谐振点是由沿着x轴方向的二次模引起的，并且由于这些方形介质子块之间缺口的辐射会减小介质谐振器的品质因数(Q factor)，因此进一步有利于展宽天线带宽。
图3-5展示了四种天线的对比，这更加突出了本发明的介质谐振器的特性。可以发现天线A是有着0.5λ0边长的方形介质谐振器，其只能激励起一种模式，因而带宽较窄。天线B是将完整的方形介质谐振器分割成4×4的多个方形介质子块，两种模式能够被激励起，从而能够获得一个较宽的带宽。天线C(即本发明所提出的天线)在天线B的基础上引入了基片集成波导(substrate integrated waveguide，SIW)背腔，因此获得了更高的增益。当介质子块沿着y方向上的尺寸被进一步减小后，两种谐振模式依然存在，这是因为这两种模式是沿着x轴方向的。天线D则证明了这一点，并且清晰的表明了所提出的天线可实现进一步的小型化。
为了证明以上所提出的技术观念，基于图1的模型总尺寸为0.91λ0×0.91λ0×0.11λ0天线被加工测试。图6展示了此天线仿真与测试的反射系数和增益，图中虚线表示仿真，实现表示测试。测试的阻抗带宽|S11|<-10dB是39％，从4.43-6.58GHz。测试的最大增益在6.3GHz处得到，为9.6dBi。图7展示了在5GHz和6GHz两个频率点时的仿真和测试的方向图，左上图表示在5GHz时E面的方向图，右上图表示5GHz时H面的方向图，左下图表示6GHz时E面的方向图，右下图表示6GHz时H面的方向图，可见天线在频段内向较宽的方向辐射，在±45°的波束范围内交叉极化低于-20dB。
总之，具体实施例的天线能够获得一个39％|S11|<-10dB阻抗带宽，低于-20dB的交叉极化，9.6dBi的最大增益。此天线展现出的兼具宽带、低剖面及紧凑平面尺寸、高增益等优良特性使得其在宽带无线通信系统以及天线阵列设计中有着潜在的优势。
综上所述，实施本发明的基于二维周期结构的宽带低剖面介质谐振器天线，具有以下有益效果：本发明通过将一个完整的介质块分割为成阵列状排布的相互隔开的多个介质子块，通过耦合馈电，同时激励起基模和沿着x轴方向的二次模两种谐振模式，从而形成较宽的带宽，而且该设计在满足宽带的同时兼具低剖面、较小的平面尺寸以及高增益的特性，适合天线阵列设计
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (4)

1.一种基于二维周期结构的宽带低剖面介质谐振器天线，其特征在于，所述天线包括：第一基板、位于第一基板下方的第二基板、位于第一基板上方的用于拓展带宽的介质谐振器单元，第二基板的下表面设置微带馈线，第二基板的上表面设置有与微带馈线垂直的耦合馈电槽，围绕所述介质谐振器单元设置有多个金属化通孔，该多个金属化通孔贯穿第一基板和第二基板形成基片集成波导背腔，所述介质谐振器单元包括成阵列状排布的相互隔开的多个介质子块。
2.根据权利要求1所述的基于二维周期结构的宽带低剖面介质谐振器天线，其特征在于，所述多个介质子块呈4×4的方阵排布结构。
3.根据权利要求1所述的基于二维周期结构的宽带低剖面介质谐振器天线，其特征在于，所述第二基板的是上表面为金属层，金属层的中心开设所述耦合馈电槽。
4.根据权利要求1所述的基于二维周期结构的宽带低剖面介质谐振器天线，其特征在于，每个所述介质子块为方块。
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