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CN109193125B - 单馈圆极化介质谐振器天线 - Google Patents

单馈圆极化介质谐振器天线 Download PDF

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CN109193125B CN201810862191.0A CN201810862191A CN109193125B CN 109193125 B CN109193125 B CN 109193125B CN 201810862191 A CN201810862191 A CN 201810862191A CN 109193125 B CN109193125 B CN 109193125B
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杨汶汶
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陈建新
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Nantong University
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Abstract

本发明公开了一种单馈圆极化介质谐振器天线，包括：介质基板，所述介质基板的下表面设置有微带线，上表面设置有金属大地层，金属大地层开设有用于与微带线配合进行耦合馈电的耦合槽；顶层辐射单元，包括一个带条介质谐振器和一个空心的双层介质谐振器；其中，双层介质谐振器设置于金属大地层上并覆盖所述耦合槽；带条介质谐振器设置于所述金属大地层上，并位于所述双层介质谐振器内的空心区域，其中，所述带条介质谐振器自垂直于微带线的方向，在水平面内绕自身中心点沿从上而下视角的逆时针方向转动预设角度形成，以实现从线极化波向圆极化波的转换。本发明的天线具有较高的增益、低剖面以及较宽的工作带宽。

Description

单馈圆极化介质谐振器天线
技术领域
本发明涉及天线领域，尤其涉及一种单馈圆极化介质谐振器天线。
背景技术
圆极化介质谐振器天线(Dielectric Resonator Antenna，DRA)具有辐射效率高、设计灵活以及抗雨雾干扰和多径效应等优点，在卫星通信、导航、移动通信等方面具有广阔的应用前景。
近年来，国内外的天线研究人员对圆极化介质谐振器天线投入了大量的研究。一般地，产生圆极化波的馈电方案有两种，分别是单馈点和多馈点技术。其中多馈电点的DRA具有更宽的轴比带宽，但需采用额外的馈电网络，结构相对复杂。而单一馈电点的DRA结构简单，但通常轴比带宽较窄，可有多种技术手段拓展其轴比带宽，例如可采用特殊形状的DR，但这种不规则形状的天线不易于加工制造也很难用传统的理论去分析；放大DR的长高比或者宽高比也能够增加轴比带宽，但这种方法带来的问题是增加了天线的尺寸；利用改进的馈电技术也是一种展宽轴比带宽的有效方法，但这类设计中常采用低介电常数的介质材料从而导致增益较低。
现代无线通信系统对于具有紧凑结构、宽带、高增益性能的天线的需求十分迫切。因此，需要一种具有宽带(对于圆极化天线而言，轴比带宽决定了天线的整体工作带宽)和高增益特点的单馈圆极化介质谐振器天线。
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需求，提供一种单馈圆极化介质谐振器天线。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种单馈圆极化介质谐振器天线，包括：
介质基板，所述介质基板的下表面设置有微带线，上表面设置有金属大地层，所述金属大地层开设有用于与所述微带线配合进行耦合馈电的耦合槽；
顶层辐射单元，包括一个带条介质谐振器和一个空心的双层介质谐振器；其中，所述双层介质谐振器设置于金属大地层上并覆盖所述耦合槽；所述带条介质谐振器设置于所述金属大地层上，并位于所述双层介质谐振器内的空心区域，其中，所述带条介质谐振器自垂直于微带线的方向，在水平面内绕自身中心点沿从上而下视角的逆时针方向转动预设角度形成，以实现从线极化波向圆极化波的转换。
在本发明所述的天线中，所述双层介质谐振器包括空心介质板和位于所述空心介质板上方的陶瓷薄板，所述空心介质板呈正方形框体状，所述陶瓷薄板呈正方形板状，且空心介质板和陶瓷薄板的水平投影重合，所述陶瓷薄板的介电常数高于所述空心介质板的介电常数。
在本发明所述的天线中，所述耦合槽设置于金属大地层的中心，所述介质基板、金属大地层、耦合槽、带条介质谐振器、双层介质谐振器的沿天线厚度方向上的中心轴重合，所述介质基板、金属大地层的水平投影均呈长方形且两者的水平投影重合，所述耦合槽、双层介质谐振器的水平投影均呈正方形且位于所述介质基板的水平投影内。
在本发明所述的天线中，所述微带线自所述介质基板的下表面的短边的中心位置，沿平行于长边的方向延伸形成。
本发明的单馈圆极化介质谐振器天线，具有以下有益效果：本发明的天线，顶层辐射单元包括一个带条介质谐振器和一个空心的双层介质谐振器，带条介质谐振器位于所述双层介质谐振器内的空心区域，且其自垂直于微带线的方向，在水平面内绕自身中心点沿从上而下视角的逆时针方向转动预设角度形成，双层介质谐振器既可用作天线的一个辐射单元又可将带条介质谐振器封装于其中，形成一个低剖面的天线结构；进一步地，双层介质谐振器中的陶瓷薄板的介电常数远高于空心介质板的介电常，使得天线的辐射主要由介质谐振器侧面辐射而非顶面所贡献，从而得到了较高的辐射增益，来自带条介质谐振器和空心的双层介质谐振器的两种谐振模式被合并形成较宽的工作带宽。
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是本发明天线的结构示意图；
图2是本发明天线的分解示意图；
图3是天线在两个频率点上的电场分布；
图4是天线仿真得到的|S11|图；
图5是天线仿真的轴比和增益；
图6是天线在x-z面和y-z面的辐射方向图。
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”、“水平”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。
本发明总的思路是：设计单馈圆极化介质谐振器天线的顶层辐射单元包括一个带条介质谐振器和一个空心的双层介质谐振器，其中双层介质谐振器设置于金属大地层上并位于所述双层介质谐振器的空心区域，其中，所述带条介质谐振器自垂直于微带线的方向，在水平面内绕自身中心点沿从上而下视角的逆时针方向转动预设角度形成。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述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1，一个具体的实施例中的单馈圆极化介质谐振器天线包括：
介质基板1，所述介质基板1的下表面设置有微带线11，上表面设置有金属大地层12，所述金属大地层12蚀刻有用于与所述微带线11配合进行耦合馈电的耦合槽120。例如，本实施例中的介质基板1采用的是起支撑作用的以Rogers 5880(εr＝2.2,tanδ＝0.0009)为材料的基板，其厚度为h。
顶层辐射单元2，包括一个带条介质谐振器21和一个空心的双层介质谐振器22；其中，所述双层介质谐振器22设置于金属大地层12上并覆盖所述耦合槽；所述带条介质谐振器21设置于所述金属大地层12上，并位于所述双层介质谐振器22内的空心区域。
具体的，所述耦合槽120设置于金属大地层12的中心，所述介质基板1、金属大地层12、耦合槽120、带条介质谐振器21、双层介质谐振器22的沿天线厚度方向上的中心轴重合，所述介质基板1、金属大地层12的水平投影均呈长方形且两者的水平投影重合，所述微带线11自所述介质基板1的下表面的短边的中心位置，沿平行于长边的方向延伸形成。所述耦合槽120、双层介质谐振器22的水平投影均呈正方形且位于所述介质基板1的水平投影内。
更具体的，所述带条介质谐振器21采用的是厚度为hs、采用高介电常数εr1陶瓷材料，自垂直于微带线11的方向，在水平面内绕自身中心点沿从上而下视角的逆时针方向转动预设角度θ°形成。假如，按照如下方式建立0xyz坐标系：以带条介质谐振器21的中心点为原点，天线板厚度方向为z轴，自微带线11指向顶层辐射单元2的方向为z轴的正方向；介质基板1的长边方向即平行于微带线11的方向，为x轴，且朝向微带线11的一侧为x轴正方向；介质基板1的短边方向即垂直于微带线11的方向，为y轴，且从上而下看，x轴逆时针旋转90°到达y轴位置。则，带条介质谐振器21相当于从平行于y轴的位置，绕原点旋转预设角度θ°形成，且旋转方向是沿y轴正方向往x轴负方向旋转。
更具体的，所述双层介质谐振器22包括基于Teflon材料的空心介质板221和位于所述空心介质板上方的陶瓷薄板222，陶瓷薄板222的介电常数为εr1，厚度为ht1，所述空心介质板221呈正方形框体状，所述陶瓷薄板呈正方形板状，且空心介质板221和陶瓷薄板222的水平投影重合，所述陶瓷薄板222的介电常数高于所述空心介质板221的介电常数。一种可行的实施方式中，天线的详细设计参数被列在表1中。
表1天线的详细设计参数
Figure BDA0001749968410000061
下面分析该天线的宽带高增益的工作原理。将带条介质谐振器21以合适的θ°放置于耦合槽120上来实现从线极化波向圆极化波的转换。随后源自带条介质谐振器21的圆极化波会激励上方层叠的双层介质谐振器22，双层介质谐振器22的谐振模式会被激励起并且与带条介质谐振器21的模式耦合形成双模的工作频带。另一方面，空心的双层介质谐振器22与传统均匀介质的介质谐振器相比具有低Q值以及高增益的特性。其中，低Q值是由于当低介电常数的空心介质板221被嵌入到高介电常数层和地之间时，电场线被迫通过低介电常数区域导致Q值的降低。而且，由于高介电常数的陶瓷薄板222与低介电常数的空心介质板221之间的高反射，使得双层介质谐振器22的辐射主要是来自于它的侧壁而不是上壁，因此该天线的增益较高。
为了分析该天线的工作模式，图3给出了在两个频率点上的电场分布。如图可见低频的谐振模式只要是来自带条DR的TE111模式，图中(a)是9GHz，(b)是11GHz，而高频的谐振模式是来自双层介质谐振器的三次模TE131。
图4给出了此天线仿真的反射系数，能够获得40％(8.1GHz-12.2GHz)的阻抗带宽。图5给出了此天线仿真的轴比(axial ratio，AR)性能和增益，3-dB AR带宽为28.9％，从8.6GHz到11.5GHz，带内的最大增益为10.2dBi。图6给出了在9GHz和11GHz两种频率下天线仿真的辐射方向图，图中(a)是9GHz，(b)是11GHz，左边两个图是x-z面，右边两个图是y-z面，表明了天线在频段内具有良好的辐射性能。
综上所述，本发明的单馈圆极化介质谐振器天线，具有以下有益效果：本发明的天线，顶层辐射单元包括一个带条介质谐振器和一个空心的双层介质谐振器，带条介质谐振器位于所述双层介质谐振器内的空心区域，且其自垂直于微带线的方向，在水平面内绕自身中心点沿从上而下视角的逆时针方向转动预设角度形成，双层介质谐振器既可用作天线的一个辐射单元又可将带条介质谐振器封装于其中，形成一个低剖面的天线结构；进一步地，双层介质谐振器中的陶瓷薄板的介电常数远高于空心介质板的介电常，使得天线的辐射主要由介质谐振器侧面辐射而非顶面所贡献，从而得到了较高的辐射增益，来自带条介质谐振器和空心的双层介质谐振器的两种谐振模式被合并形成较宽的工作带宽。
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)

1.一种单馈圆极化介质谐振器天线，其特征在于，包括：
介质基板，所述介质基板的下表面设置有微带线，上表面设置有金属大地层，所述金属大地层开设有用于与所述微带线配合进行耦合馈电的耦合槽；
顶层辐射单元，包括一个带条介质谐振器和一个空心的双层介质谐振器；其中，所述双层介质谐振器设置于金属大地层上并覆盖所述耦合槽；所述带条介质谐振器设置于所述金属大地层上，并位于所述双层介质谐振器内的空心区域，其中，所述带条介质谐振器自垂直于微带线的方向，在水平面内绕自身中心点沿从上而下视角的逆时针方向转动预设角度形成；所述带条介质谐振器以合适的角度放置于耦合槽上以实现从线极化波向圆极化波的转换。
2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述双层介质谐振器包括空心介质板和位于所述空心介质板上方的陶瓷薄板，所述空心介质板呈正方形框体状，所述陶瓷薄板呈正方形板状，且空心介质板和陶瓷薄板的水平投影重合，所述陶瓷薄板的介电常数高于所述空心介质板的介电常数。
3.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述耦合槽设置于金属大地层的中心，所述介质基板、金属大地层、耦合槽、带条介质谐振器、双层介质谐振器的沿天线厚度方向上的中心轴重合，所述介质基板、金属大地层的水平投影均呈长方形且两者的水平投影重合，所述耦合槽、双层介质谐振器的水平投影均呈正方形且位于所述介质基板的水平投影内。
4.根据权利要求3所述的天线，其特征在于，所述微带线自所述介质基板的下表面的短边的中心位置，沿平行于长边的方向延伸形成。
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Assignee: Dongguan Xintongqing Intelligent Technology Co.,Ltd.

Assignor: Guangzhou binju Technology Co.,Ltd.

Contract record no.: X2025980011435

Denomination of invention: Single fed circularly polarized dielectric resonator antenna

Granted publication date: 20200908

License type: Common License

Record date: 20250626

EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract

Application publication date: 20190111

Assignee: Guangdong Jiayu Elevator Equipment Co.,Ltd.

Assignor: Guangzhou binju Technology Co.,Ltd.

Contract record no.: X2025980011831

Denomination of invention: Single fed circularly polarized dielectric resonator antenna

Granted publication date: 20200908

License type: Common License

Record date: 20250627

Application publication date: 20190111

Assignee: Guangdong Dele Power Energy Co.,Ltd.

Assignor: Guangzhou binju Technology Co.,Ltd.

Contract record no.: X2025980011828

Denomination of invention: Single fed circularly polarized dielectric resonator antenna

Granted publication date: 20200908

License type: Common License

Record date: 20250627

Application publication date: 20190111

Assignee: KANGYANG PLASTIC (DONGGUAN) CO.,LTD.

Assignor: Guangzhou binju Technology Co.,Ltd.

Contract record no.: X2025980011824

Denomination of invention: Single fed circularly polarized dielectric resonator antenna

Granted publication date: 20200908

License type: Common License

Record date: 20250627