一种宽带圆极化二阶梯形介质谐振器天线设计方法

1.本发明涉及一种宽带圆极化二阶梯形介质谐振器天线(two-order trapezoidal dielectricresonator antenna,简称：totdra)设计方法，属于微波技术与天线领域。


背景技术：

2.介质谐振器天线(dielectric resonator antenna,简称：dra)具有低损耗、高q值、易加工等优势，且具有很高的辐射效率和功率容量，因而在无线通信系统中获得了较多的关注，广泛应用在无线局域网(wlan)和蓝牙(bluetooth)等无线电系统中。圆极化(circularlypolarized,简称：cp)天线通信容量大，具有较强的抗干扰能力，且能有效避免极化失配带来的问题，使得其研究热度一直居高不下。随着无线通信和雷达等系统的快速发展，对cpdra的带宽提出越来越高的要求，然而，dra由于具有谐振特性，品质因数较大，通常其带宽很窄。现有技术要么cp dra(馈电)结构太过复杂，要么实现获得的带宽太窄，无法满足快速发展的无线通信系统的需求。


技术实现要素：

3.针对现有技术存在的上述缺陷，本发明提出并设计了一种新型宽带cp totdra，该发明在现有技术的介质谐振器(dielectric resonator,简称：dr)中引入新一阶dr并维持整个 dr总体尺寸不变，与现有技术相比，确保结构简单情况下有效改善了相对(可用)带宽和增益。
4.本发明所述cp totdra结构包括四部分：介质基板、带有开槽的地板(以下简称：开槽地板)、馈电微带条带(以下简称：馈电条带)和二阶梯形介质谐振器(two-order trapezoideddielectric resonator,简称：totdr)，与现有技术本质区别在于totdr部分。开槽地板和馈电条带分别位于介质基板的上面和下面，totdr位于开槽地板上面。
5.本发明的有益效果是：本发明所述的宽带cp totdra，与现有技术相比，确保结构简单情况下有效改善了相对(可用)带宽和增益。结果表明，该发明的有效相对带宽高达52％ (3.78ghz-6.45ghz)，最高增益高达4.4dbic。与现有技术相对带宽46％(4.09-6.55ghz)和最高增益(3.9dbic)相比，两者均提高13％。
附图说明
6.图1是cp totdra结构图；
7.图2是cp totdra的设计步骤图；
8.图3是cp totdra结构和现有技术结构天线回波损耗对比图。
9.图4是cp totdra结构和现有技术结构天线轴比对比图。
10.图5是cp totdra结构和现有技术结构天线增益对比图。
11.图6是cp totdra辐射方向图。
12.图中：1、馈电条带；2、介质基板；3、开槽地板；4、totdr。
▲
代表现有技术结构仿真
结果，
●
代表本发明结构仿真结果，
△
代表现有技术结构测试结果。
具体实施方式
13.下面将结合本发明cp totdra实施例中的附图，对技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
14.实施例1：
15.图1所示为本发明cp totdra结构图，(a)为天线三维结构，(b)为天线俯视图， (c)为地板及馈电条带。其结构由四部分组成：介质基板、开槽地板、馈电条带和totdr。开槽地板和馈电条带分别位于介质基板的上下两面,开槽地板上面为totdr。
16.所述介质基板尺寸为w
×
l、厚度hs、所用材质相对介电常数为ε
r1
＝2.65，损耗角正切值为δ＝0.003。
17.所述开槽地板为理想导体金属板，尺寸为w
×
lg，其上槽缝隙起始于x＝w的地板边缘且距离y＝lg的地板边缘为d5，尺寸为ws
×
ls。地板开槽可以引入容性效应，改善整个天线的阻抗匹配，并引入一个新的低频谐振频率。
18.所述馈电条带距离开槽地板x＝0的边缘为d4，尺寸为wf
×
l，其中一端在介质基板y＝0 的边缘连接尺寸为wf
×
hs的激励源。
19.所述totdr由主dr、一阶dr和二阶dr三部分构成，高度为h，所用材质相对介电常数为ε
r2
＝9.8。主dr沿x方向距离开槽地板x＝0的边缘为d1，尺寸为wd1
×
ld1；一阶dr 与主dr沿y方向错开距离为d2，尺寸为wd2
×
ld2；二阶dr与一阶dr沿y方向错开距离为d3，尺寸为wd3
×
ld3。优化结构参数值如表1所示。
20.表1圆极化二阶梯形介质谐振器天线的结构尺寸参数(单位:mm)
[0021][0022][0023]
实施例2：
[0024]
图2为本发明cp totdra的设计步骤，(a)为方形介质dr模型，(b)为等效梯形dr模型，(c)为开槽梯形dr模型，(d)为cp totdr模型。具体过程为：
[0025]
a)对于矩形dr，在模式的谐振频率和相对介电常数给定的情况下，通过规则介质波导模型的设计公式(1)—(4)计算得到其边长a。若ε
eff
＝7，要求设计(第二)谐振频率为6ghz，计算可得真空中孤立dr的边长a＝18mm，高度h＝6mm。
[0026][0027]
6.55ghz)增加到52％(3.78ghz-6.45ghz)，相比现有技术结构相对带宽提高13％
[0046]
图5表明，本发明totdra结构与现有技术结构在低频段增益几乎相同，但在有效带宽 (3.78ghz-6.45ghz)高频段内，totdra结构比现有技术结构增益明显改善，totdra结构中当6ghz时获得的最高增益为4.4dbic，比现有技术结构最高增益(3.9dbic)提高13％。
[0047]
图6为在两个ar谐振频率f1＝4.4ghz和f2＝6ghz处仿真得到的归一化cp辐射方向图。其中，实线表示左旋圆极化波，虚线表示右旋圆极化波；(a)和(b)对应f1＝4.4ghz，(c) 和(d)对应f2＝6ghz；(a)和(c)为xoz面内的辐射方向图，(b)和(d)为yoz面内的辐射方向图。可以看出，本发明totdra为双向辐射天线，两侧辐射方向图几乎相同。在两个谐振频率处，沿+z方向均辐射右旋圆极化波波，而沿-z方向均辐射左旋圆极化波。
[0048]
总之，本发明所述cp totdra，其结构参数优化后，综合阻抗带宽(3.7ghz-6.6ghz) 和ar相对带宽(3.78ghz-6.45ghz)后，有效(可用)相对带宽由原来的46％增加到52％，与现有技术结构相比提高13％；有效带宽内在6ghz时获得的最高增益为4.4dbic，与现有技术结构相比提高13％。
[0049]
本发明可广泛运用于微波技术与天线领域。
[0050]
需要说明的是，在本发明中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
[0051]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。