一种差分双模双极化介质谐振器天线的制作方法

本发明涉及介质谐振器天线技术领域，特别涉及一种差分双模双极化介质谐振器天线。

背景技术

介质谐振器天线是一种目前广泛研究的天线，其具有辐射效率高、欧姆损耗低、无表面波损耗、尺寸小、重量轻、易于被激励，以及设计自由度高等优势。虽然介质谐振器一般由高介电常数、高品质因数的陶瓷材料加工而成，具有较窄的相对带宽，但是现在科研人员在拓宽介质谐振器天线带宽方面进行了大量的研究工作。其中对单个介质谐振器天线来说，最为简单和有效的方法是调整介质谐振器的两个或多个模式的谐振频率，使它们在频谱上靠近，并同时激励这些模式，进而形成双模或多模响应。这种拓宽带宽的方法已经见诸报道。但是，对于差分激励的介质谐振器天线来说，能够被激励的只有场分布对于馈电端呈反相分布的模式，呈同相分布的模式则被抑制。如图1所示，由于采用差分结构进行馈电(馈电端口处电场呈现180度相位差)，反相分布电场与端口电场分布相吻合，故能被有效激励；而同相分布电场与端口处电场分布不相符，故被有效抑制。用上述方法来拓宽差分介质谐振器天线的工作带宽变得困难许多，因为通常在常规形状(如长方体形、圆柱形、半球形等)的介质谐振器中，主模附近的模式既包括场分布呈反相分布的也包括场分布呈同相分布的，无法在差分馈电的情况下同时激励，这增加了差分馈电方式通过同时激励起多个模式来进行带宽拓宽的难度。

技术实现要素：

为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种差分双模双极化介质谐振器天线。所述技术方案如下：

一方面，本发明实施例提供了一种差分双模双极化介质谐振器天线，包括：反射地、设置在反射地上的介质谐振器、多个共形金属带条、以及多个探针，

所述介质谐振器包括：中心部分和设置在中心部分四周且与中心部分相连的多个叶子部分，所述中心部分的四周侧壁上设置有多个共形金属带条，每个相邻的共形金属带条之间夹设一个叶子部分，所述反射地上开设有多个同轴孔，每个所述探针通过所述同轴孔与相应的所述共形金属带条连接。

在本发明实施例上述的差分双模双极化介质谐振器天线中，所述介质谐振器包括：截面为矩形的中心部分和四个叶子部分，四个所述叶子部分分别设置在所述中心部分的四角处。

在本发明实施例上述的差分双模双极化介质谐振器天线中，所述叶子部分的截面为矩形。

在本发明实施例上述的差分双模双极化介质谐振器天线中，包括：四条所述共形金属带条，每条所述共形金属带条均设置在所述中心部分侧面的中轴线处。

在本发明实施例上述的差分双模双极化介质谐振器天线中，所述共形金属带条为t型共形金属带条，所述共形金属带条包括：设置在所述中心部分侧面的中轴线处的主枝和垂直于主枝设置的分枝，所述主枝的一端与所述分枝的中点连接。

在本发明实施例上述的差分双模双极化介质谐振器天线中，所述主枝的长度l1＝7mm、宽度wf＝0.5mm，所述分枝的长度l2＝6.9mm。

在本发明实施例上述的差分双模双极化介质谐振器天线中，所述反射地采用铝合金材料制备。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

通过将介质谐振器设置成中心部分和设置在中心部分四周且与中心部分相连的多个叶子部分，并在中心部分的四周侧壁上设置有多个共形金属带条，每个相邻的共形金属带条之间夹设一个叶子部分，这样相邻的馈电端口会被叶子部分隔离开，能有效减小馈电端口间的耦合，进一步提高差分双极化介质谐振器天线端口间的隔离度；又由于介质谐振器分为中心部分和设置在中心部分四周且与中心部分相连的多个叶子部分，使得介质谐振器可以有多个可被差分激励的工作模式，进而可以实现设计具有低交叉极化且带宽拓宽的差分双模双极化的介质谐振器天线。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的一种现有差分馈电介质谐振器天线的同相激励与反相激励示意图；

图2是本发明实施例一提供的一种差分双模双极化介质谐振器天线的俯视图；

图3是本发明实施例一提供的一种差分双模双极化介质谐振器天线的正视图；

图4是本发明实施例一提供的一种差分双模双极化介质谐振器天线在第一模式下每隔90°时间相位的电场分布图；

图5是本发明实施例一提供的一种差分双模双极化介质谐振器天线在第二模式下每隔90°时间相位的电场分布图；

图6是本发明实施例一提供的一种差分双模双极化介质谐振器天线的谐振频率与尺寸的关系示意图；

图7是本发明实施例一提供的又一种差分双模双极化介质谐振器天线的谐振频率与尺寸的关系示意图；

图8是本发明实施例一提供的一种差分双模双极化介质谐振器天线的耦合系数与尺寸的关系示意图；

图9是本发明实施例一提供的一种差分双模双极化介质谐振器天线与传统差分双极化介质谐振器天线的反射系数对比示意图；

图10是本发明实施例一提供的一种差分双模双极化介质谐振器天线的一组馈电端口输出的反射系数和增益的仿真结果示意图；

图11是本发明实施例一提供的一种差分双模双极化介质谐振器天线的另一组馈电端口输出的反射系数和增益的仿真结果示意图；

图12是本发明实施例一提供的一种差分双模双极化介质谐振器天线在工作频带内的方向图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例一

本发明实施例提供了一种差分双模双极化介质谐振器天线，参见图2，包括：反射地2、设置在反射地2上的介质谐振器3、多个共形金属带条4(参见图3)、以及多个探针5(参见图3)。

介质谐振器3可以包括：中心部分31和设置在中心部分31四周且与中心部分31相连的多个叶子部分32，中心部分31的四周侧壁上设置有多个共形金属带条4(参见图3)，每个相邻的共形金属带条4之间夹设一个叶子部分32，反射地2上开设有多个同轴孔1，每个探针5通过同轴孔1与相应的共形金属带条4连接。

需要说明的是，传统的差分馈电的双极化天线具有比单端馈电的双极化天线高得多的隔离度，其原因是差分激励会在加载点的对称面上形成一个虚拟地，该虚拟地会抑制交叉方向的模式，从而大大提高隔离度。但是这个结论是在没有考虑端口间耦合的情况下分析的。事实上，馈电端口间的耦合对于隔离度有着很大的影响。要提高隔离度，还需要保证端口间的耦合尽量小。

在本实施例中，通过将介质谐振器3设置成中心部分31和设置在中心部分31四周且与中心部分31相连的多个叶子部分32，并在中心部分31的四周侧壁上设置有多个共形金属带条4，每个相邻的共形金属带条4之间夹设一个叶子部分32，这样相邻的馈电端口(包括共形金属条4和探针5)会被叶子部分32隔离开，能有效减小馈电端口间的耦合，进而进一步提高差分双极化介质谐振器天线端口间的隔离度。

此外，需要说明的是，通常一个介质谐振器谐振有无数个模式谐振在不同的频率上，如图1所示，将介质谐振器置于差分馈电端口上，有些模式的电场在端口处呈反相分布，有些模式的电场在端口处呈同相分布，一般情况下，反相和同相场分布的模式在频谱上会依次出现。单端馈电方式会同时激励起这两类模式，但是差分馈电只能激励起端口处场呈反相分布的模式，这增加了差分馈电方式通过同时激励起多个模式来进行带宽拓宽的难度。

在本实施例中，当介质谐振器3中的四个叶子部分32相距较远时，相互之间的耦合很弱，这时有一个模式(即第一模式，记为mode1)电场集中在谐振器的中心部分31，这组模式的场强度每隔90°时间相位的分布图如图4所示。在mode1情况下，介质谐振器天线的谐振频率(即图6中的frequency)主要由a(参见图2)的尺寸决定，两者间的关系如图6中a>12mm时所示；如图7所示，介质谐振器天线的谐振频率(即图7中的frequency)与b(参见图2)的尺寸关系不大。当四个叶子部分32相互靠近时，它们间的耦合增强，此刻的谐振频率不仅仅取决于a，还受其他参数影响，该谐振频率随着a的增加其变化趋势与之前相反，如图4中a<12mm时所示。

上述介质谐振器天线，还有另外一个模式(即第二模式，记为mode2)在中心部分31和四个叶子部分32间进行能量的交换，每隔90°时间相位其电场分布变化见图5。在第二模式情况下，由中心部分31的能量驱动而产生。第二模式下的谐振频率与a的尺寸关系不大，主要由b的尺寸决定，如图6和7所示。

从图4和图5可知，这两个模式的电场均沿y轴分布，标志着它们可以通过一对沿y轴的差分信号激励。

此外，从图6和图7中的变化趋势可以看出，这两个模式的谐振频率存在着相互影响，主要原因在于叶子部分32和中心部分31之间的重叠部分使得两个模式相互耦合。两个模式间的耦合系数(即图8中的couplingcoefficient)与重叠部分的尺寸c(参见图2)决定，这两者间的关系研究结果如图8所示。

因为差分双模双极化介质谐振器天线所设计结构的对称性，介质谐振器3中还存在一组与mode1和mode2简并的反相模式，它们的电场与mode1和mode2的电场垂直，沿x轴分布。这组模式与mode1和mode2可以一起用来设计具有低交叉极化且带宽拓宽的差分双模双极化介质谐振器天线。

可选地，参见图2和图3，介质谐振器3可以包括：截面为矩形的中心部分31和四个叶子部分32，四个叶子部分32分别设置在中心部分31的四角处。优选地，叶子部分32的截面为矩形。

在本实施例中，采用一种四叶草形的介质谐振器，用来设计差分双模双极化天线。通过t形的共形金属带条对可以激励起该介质谐振器中的两组正交模式。该介质谐振器的几何结构可以减小t形馈电金属带条间的耦合；差分馈电能够抑制正交模式，这两个特征为所设计的双极化天线提供了高端口隔离度。同时，通过调整t形的共形馈电金属带条尺寸实现天线输入阻抗的灵活可调整，方便了天线与其他器件的集成设计。图9给出了上述四叶草形的差分双模双极化介质谐振器天线与一个正方形的差分双极化介质谐振器天线的s参数(即反射系数，包括：sdd11和sdd21)对比(其中，实心标识为四叶草形天线，空心标志为正方形天线)，这两个天线均采用t形共形金属带条4贴附在侧壁上进行馈电。在可类比的工作频率范围内，四叶草形的差分双模双极化天线具有超过65db的隔离度，而正方形天线隔离度则在50db以上，可见，四叶草形的差分双模双极化天线的隔离度在工作频带内提高了15db左右。

可选地，参见图2和图3，差分双模双极化介质谐振器天线包括：四条所述共形金属带条4，每条共形金属带条4均设置在中心部分31侧面的中轴线处。

优选地，共形金属带条4为t型共形金属带条，共形金属带条4包括：设置在所述中心部分31侧面的中轴线处的主枝41和垂直于主枝41设置的分枝42，主枝41的一端与分枝42的中点连接。

在本实施例中，鉴于上述的差分天线的优势，本设计旨在获得高性能的差分双极化天线。两组平衡探针对通过同轴孔与附着在介质谐振器侧壁的4个t型共形金属带条相连接，实现双极化天线的馈电结构。4个t型共形金属带条具有相同的尺寸，该共形金属带的尺寸可以通过激光刻蚀技术进行足够精度的控制，进而完成对介质谐振器天线输入阻抗的控制。优选地，主枝41的长度l1＝7mm、宽度wf＝0.5mm，分枝42的长度l2＝6.9mm。

可选地，反射地2可以采用铝合金材料制备。在本实施例中，由于介质谐振器3置于反射地2上，因为镜像作用，介质谐振器3的高度上可以节约一半尺寸。

下面介绍图2、3以及10-12，对上述差分双模双极化介质谐振器天线的进行仿真分析：

上述差分双模双极化介质谐振器天线设计基于ansys公司的hfss电磁仿真软件。介质谐振器3采用介电常数εr＝38，损耗角正切2.5×10^-4的材料制备，其尺寸为a＝16，b＝14，c＝2，h＝7；t形共形金属带条4的尺寸l1＝7mm，l2＝6.9mm，wf＝0.5mm；反射地2采用铝合金材料，反射地面积60×60mm²。

图10和图11为上述差分双模双极化介质谐振器天线的反射系数及增益仿真结果，结果显示此天线具有2.41-2.76ghz的阻抗带宽及增益带宽；带内最大增益达4.6dbi；隔离度如图9所示，带内隔离度大于65db。上述差分双模双极化介质谐振器天线工作频带内方向图如图12所示，可见带内方向图稳定，3db波瓣宽度±45°，且交叉极化小于-45db(其中，图12a的工作频带为2.41ghz，图12b的工作频带为2.58ghz，图12c的工作频带为2.76ghz)。

本发明实施例通过将介质谐振器设置成中心部分和设置在中心部分四周且与中心部分相连的多个叶子部分，并在中心部分的四周侧壁上设置有多个共形金属带条，每个相邻的共形金属带条之间夹设一个叶子部分，这样相邻的馈电端口会被叶子部分隔离开，能有效减小馈电端口间的耦合，进而进一步提高差分双极化介质谐振器天线端口间的隔离度；又由于介质谐振器分为中心部分和设置在中心部分四周且与中心部分相连的多个叶子部分，使得介质谐振器可以有多个可被差分激励的工作模式，进而可以实现设计具有低交叉极化且带宽拓宽的差分双模双极化的介质谐振器天线。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。