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CN112928478B - 一种基于高次模叠加的宽波束阶梯型介质谐振器天线 - Google Patents

一种基于高次模叠加的宽波束阶梯型介质谐振器天线 Download PDF

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Abstract

本发明属于宽波束天线技术领域，具体提供一种基于高次模叠加的宽波束阶梯型介质谐振器天线，用以解决现有介质谐振器波束宽度较窄以及上半空间增益不平坦等技术问题。本发明中宽波束阶梯型介质谐振器天线具体包括：介质谐振器1、地板2、馈缝3、介质基板4及馈线5，天线由馈线馈电、电磁波能量通过地板上的馈缝耦合传导至上表面的介质谐振器；所述介质谐振器为由依次邻接的第一至第七介质谐振单元构成的阶梯型介质谐振器。本发明通过具有对称性的阶梯型介质谐振器的独创设计，利用该介质谐振器一对奇、偶高次模辐射方向图叠加的方式展宽了天线波束宽度、实现宽波束，且拥有优越的波束等化性，适用于宽波束天线的应用场合。

Description

一种基于高次模叠加的宽波束阶梯型介质谐振器天线
技术领域
本发明属于宽波束天线技术领域，特别提供一种基于高次模叠加的宽波束阶梯型介质谐振器天线。
背景技术
随着雷达系统和移动通信系统的发展，天线的性能好坏至关重要，严重制约着雷达系统和移动通信系统的工作性能。卫星通信小型终端天线和飞行器载天线对天线的信号范围提出了较高的要求，促使了宽波束天线的研究与发展。
目前为止，宽波束天线多以微带天线、磁电偶极子天线和螺旋天线等形式出现；这类传统的金属天线由于在高频工作时会产生很高的表面波损耗和导体损耗，导致辐射效率较低，且这些天线在加工环节会由于尺寸过小而无法保证精度。介质谐振器天线没有导体损耗，也没有表面波存在，因而辐射效率可以达到95％以上，且具有三维的结构和多样化的介电常数；但介质谐振器天线由于有多种工作模式，对于辐射方向图的控制比较复杂，实现宽波束特性具有一定难度，并且具有波束宽度较窄以及上半空间增益不平坦等技术问题。随着无线通信系统对带宽要求的提高，研究宽波束的介质谐振器天线具有非常实际的意义。
发明内容
本发明的目的在于针对现有介质谐振器具有波束宽度较窄以及上半空间增益不平坦等技术问题，提供一种基于高次模叠加的宽波束阶梯型介质谐振器天线，将介质谐振器离散为多个介质谐振单元，通过各个介质谐振单元的尺寸设计使之拼接后形成具有对称性的阶梯型介质谐振器，利用该介质谐振器一对奇、偶高次模辐射方向图叠加的方式展宽了天线波束宽度、实现宽波束，且拥有优越的波束等化性，适用于宽波束天线的应用场合。
为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案为：
一种基于高次模叠加的宽波束阶梯型介质谐振器天线，包括：介质谐振器1、地板2、馈缝3、介质基板4及馈线5，其中，所述地板2贴合覆盖于介质基板3的上表面、且地板的中心刻蚀有馈缝3，所述馈线5设置于介质基板3的下表面，所述介质谐振器1固定于地板2上表面、且位于地板的中心；其特征在于，
所述介质谐振器1由依次邻接的第一介质谐振单元11、第二介质谐振单元12、第三介质谐振单元13、第四介质谐振单元14、第五介质谐振单元15、第六介质谐振单元16、第七介质谐振单元17构成，所述第一至第七介质谐振单元的长度均相同，所述第三介质谐振单元13与第五介质谐振单元15的宽度、高度均相同，所述第二介质谐振单元12与第六介质谐振单元16的宽度、高度均相同，所述第一介质谐振单元11与第七介质谐振单元17的宽度、高度均相同，使得介质谐振器关于xoz平面镜像对称；并且，第四介质谐振单元14的高度大于第二介质谐振单元12的高度，第二介质谐振单元12的高度大于第三介质谐振单元13的高度，第三介质谐振单元13的高度大于第一介质谐振单元11的高度。
进一步的，所述的介质谐振器1的第一至第七介质谐振单元的介电常数相同，均采用陶瓷材料制成。
进一步的，所述地板2的材料采用铜箔。
进一步的，所述介质基板4为层压板，采用F4BM材料制成。
进一步的，所述馈线5为铜微带线。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明提供一种基于高次模叠加的宽波束阶梯型介质谐振器天线，通过阶梯型介质谐振器的独创设计，利用该介质谐振器一对奇、偶高次模，匹配所选一对奇、偶高次模之间的激励系数和相位差，在工作频段实现所选一对奇、偶高次模辐射方向图叠加，进而实现介质谐振器天线的宽波束。由此可见，本发明克服了现有技术中介质谐振器天线波束宽度较窄以及上半空间增益不平坦等的技术问题，无需增加额外的加载结构的条件下展宽了天线的波束宽度，且拥有优越的波束等化性。
附图说明
图1为本发明中基于高次模叠加的宽波束阶梯型介质谐振器天线的三维结构示意图。
图2为图1所示的宽波束阶梯型介质谐振器天线的主视图。
图3为图1所示的宽波束阶梯型介质谐振器天线的俯视图。
图4为图1所示的宽波束阶梯型介质谐振器天线的仰视图。
图5为本发明实施例中介质谐振器的结构示意图图。
图6是本发明实施例中阶梯型介质谐振器的TEx 113模电场分布图。
图7是本发明实施例中阶梯型介质谐振器的TEz 212模电场分布图。
图8是本发明实施例中宽波束阶梯型介质谐振器天线的S11参数图。
图9为本发明实施例中宽波束阶梯型介质谐振器天线的E面和H面方向图。
图10为本发明实施例中宽波束阶梯型介质谐振器天线的俯仰角0～40°的方向图。
图11为本发明实施例中宽波束阶梯型介质谐振器天线的俯仰角50～80°的方向图。
图12为本发明实施例中宽波束阶梯型介质谐振器天线的水平角0～150°的方向图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图并列举实施例，对本发明做进一步详细说明。
本实施例提供一种基于高次模叠加的宽波束阶梯型介质谐振器天线，其结构如图1～图4所示，具体包括：介质谐振器1、地板2、馈缝3、介质基板4及馈线5；其中，
所述地板2贴合覆盖于介质基板3的上表面、且地板的中心刻蚀有馈缝3，所述馈线5设置于介质基板3的下表面，所述介质谐振器1固定于地板2上表面、且位于地板的中心，所述宽波束阶梯型介质谐振器天线由馈线5馈电、电磁波能量通过地板2中心的馈缝4耦合传导至介质谐振器1；
所述介质谐振器1采用具有对称性的阶梯型介质谐振器，如图5所示，具体由依次邻接的第一介质谐振单元11、第二介质谐振单元12、第三介质谐振单元13、第四介质谐振单元14、第五介质谐振单元15、第六介质谐振单元16、第七介质谐振单元17构成，所述第一至第七介质谐振单元的长度均相同，所述第三介质谐振单元13与第五介质谐振单元15的宽度、高度均相同，所述第二介质谐振单元12与第六介质谐振单元16的宽度、高度均相同，所述第一介质谐振单元11与第七介质谐振单元17的宽度、高度均相同，使得介质谐振器关于xoz平面镜像对称；并且，第四介质谐振单元14的高度大于第二介质谐振单元12的高度，第二介质谐振单元12的高度大于第三介质谐振单元13的高度，第三介质谐振单元13的高度大于第一介质谐振单元11的高度。
需要说明的是，介质谐振单元的尺寸描述中，“长度”指附图中x轴方向的尺寸、“宽度”指附图中y轴方向的尺寸、“高度”指附图中z轴方向的尺寸。
本实施例中：
所述地板2的材料采用铜箔；
所述的介质谐振器1采用陶瓷材料制成、相对介电常数12；所述的介质谐振器1中，第一介质谐振单元11与第七介质谐振单元17的尺寸(长度×宽度×高度)为16.4mm×5.8mm×4.6mm，第二介质谐振单元12与第六介质谐振单元16的体积为16.4mm×3.4mm×9.3mm、第三介质谐振单元13与第五介质谐振单元15的体积为16.4mm×4.9mm×7mm、第四介质谐振单元14的体积为16.4mm×8mm×13.9mm；
所述介质基板3为层压板，采用F4BM材料制成，介质基板3的相对介电常数是2.2，高度(厚度)为1mm，长度为41.4mm，宽度为50.2mm；同样，“长度”指附图中x轴方向的尺寸、“宽度”指附图中y轴方向的尺寸、“高度”指附图中z轴方向的尺寸；
所述馈线5为铜微带线，馈线5的线宽Wms为2.31mm、长度为28.98mm，馈线5超过馈缝4边缘的距离Lstub为7.63mm，馈缝4的缝宽Ws为1.31mm、缝长Ls为10.46mm。
上述基于高次模叠加的宽波束阶梯型介质谐振器天线的工作原理在于：通过阶梯型介质谐振器的独创设计，利用了该介质谐振器一对奇、偶高次模辐射方向图叠加的方式实现宽波束，通过形状综合用简单的馈电槽激发TEz 212模和TEx 113模，其TEx 113模电场分布图与TEz 212模电场分布图分别如图6、图7所示，由图可见，奇次模在侧射方向增益最大，但波束在且在上半空间有一对辐射零点；偶次模在侧射方向有辐射零点，在上半空间有四个斜波束，二者方向图叠加后可以拓宽波束。所述高次模叠加在上半空间获得宽波束的方法中，通过匹配所选高次模之间的激励系数和相位差，在工作频段实现高次模的叠加；所选高次模必须具有以下特征：1.所选高次模具有互补的辐射模式，2.所选高次模存在于介质谐振器中，3.所选高次模互耦且能够被简单的馈电方式所激励。
尤其说明的是，本发明的阶梯型介质谐振器中第一至第七介质谐振单元只要满足上述尺寸关系(如图5所示)和上述所选高次模应具备的特征，即可实现上述工作原理，从而实现宽波束阶梯型介质谐振器天线的设计，而上述实施例中的具体尺寸可以根据实际天线参数进行仿真调节，即实施例中的具体尺寸并不能限定本发明；同理，所述介质基板、馈线及馈缝的具体尺寸同样可以根据实际天线参数进行仿真调节
如图8所示为本实施例中宽波束阶梯型介质谐振器天线的S11参数的仿真结果，由图可见，反射系数的dB值在5.7GHz～6.2GHz低于-10；如图9所示为本实施例中宽波束阶梯型介质谐振器天线的E面和H面方向图，由图可见，E面和H面的波束形状基本一致；如图10所示为本实施例中宽波束阶梯型介质谐振器天线的的俯仰角0～40°的方向图，如图11所示为本实施例中宽波束阶梯型介质谐振器天线的的俯仰角50～80°的方向图，由图可见，方向图在上半空间有优异的增益平坦度，在θ＝0～80°的各水平面中增益不圆度低于2.4dB；如图12所示为本实施例中宽波束阶梯型介质谐振器天线的的水平角0～150°的方向图，在
Figure BDA0002915077260000041
的各俯仰面中增益波动小于3.4dB、波束宽而平坦，且各俯仰面间增益差距小于2dB，拥有优越的波束等化性。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (5)

1.一种基于高次模叠加的宽波束阶梯型介质谐振器天线，包括：介质谐振器（1）、地板（2）、馈缝（3）、介质基板（4）及馈线（5），其中，所述地板贴合覆盖于介质基板的上表面、且地板的中心刻蚀有馈缝，所述馈线设置于介质基板的下表面，所述介质谐振器固定于地板上表面、且位于地板的中心；其特征在于，
所述介质谐振器由沿宽度方向并排依次邻接的第一介质谐振单元（11）、第二介质谐振单元（12）、第三介质谐振单元（13）、第四介质谐振单元（14）、第五介质谐振单元（15）、第六介质谐振单元（16）、第七介质谐振单元（17）构成，所述第一至第七介质谐振单元的长度均相同，所述第三介质谐振单元与第五介质谐振单元的宽度、高度均相同，所述第二介质谐振单元与第六介质谐振单元的宽度、高度均相同，所述第一介质谐振单元与第七介质谐振单元的宽度、高度均相同；并且，第四介质谐振单元的高度大于第二介质谐振单元的高度，第二介质谐振单元的高度大于第三介质谐振单元的高度，第三介质谐振单元的高度大于第一介质谐振单元的高度。
2.按权利要求1所述基于高次模叠加的宽波束阶梯型介质谐振器天线，其特征在于，所述的介质谐振器（1）的第一至第七介质谐振单元的介电常数相同，均采用陶瓷材料制成。
3.按权利要求1所述基于高次模叠加的宽波束阶梯型介质谐振器天线，其特征在于，所述地板（2）的材料采用铜箔。
4.按权利要求1所述基于高次模叠加的宽波束阶梯型介质谐振器天线，其特征在于，所述介质基板（4）为层压板，采用F4BM材料制成。
5.按权利要求1所述基于高次模叠加的宽波束阶梯型介质谐振器天线，其特征在于，所述馈线（5）为铜微带线。
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