由螺旋缝隙馈电的宽频宽波束圆极化介质谐振器天线的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电子技术领域，特别涉及宽频宽波束圆极化介质谐振器天线技术。
【背景技术】
[0002] 现代无线通信技术的快速发展激发了人们对圆极化介质谐振器天线（DRA)的研 究，以解决极化失配带来的通信问题。目前实现介质谐振器天线宽带圆极化的方法主要分 为两种：第一种为使用多点馈电，第二种为使用单点馈电。第一种方法能够实现更宽的带 宽，但需要引入复杂的馈电结构，增加设计难度。第二种方法馈电结构简单，但带宽却相对 较窄，一般只有3%的3dB轴比带宽。
[0003] 目前，一些带宽可以和多点馈电相媲美的单点馈电的圆极化介质谐振器天线被相 继报道了 出来。2011 年 M.I.Sulaiman 和 S.K.Khamas 等人在 IEEE Antennas and Wireless Propagation Letter上发表了一篇题为"A singly fed wideband circularly polarized dielectric resonator antenna using concentric open half-loops'，的文章，文章中 介质谐振器天线通过同心开路环馈电，实现了 13%的3dB轴比带宽。2012年J. M. Patin 和 S. K. Sharma 等人在 International Journal of Antennas and Propagation 上发表了 题为"Single feed aperture-coupled wideband dielectric resonator antenna with circular polarization for ku-band applications'，的文章，报道了 米用 了令页结形的 十字交叉槽线对圆柱介质谐振器天线馈电的设计，实现了 17. 24%的3dB轴比带宽，相比 于直线型的的十字交叉槽线的馈电结构，带宽有了显著的提升；2013年邹孟和潘锦等人 在 IEEE Antennas and Wireless Propagation Letter 上发表了一篇题为 "A wideband circularly polarized rectangular dielectric resonator antenna excited by a lumped resistively loaded monofilar-spiral-slot" 的文章，报道的介质谐振器天线由 电阻加载的单线型螺旋缝隙馈电，通过这种馈电设计，可以实现18. 7%的3dB轴比带宽。
[0004] 当前，如何通过单点馈电这种简单的馈电结构，进一步提升圆极化介质谐振器天 线的带宽，仍然是学术界值得研究的技术难点。
【发明内容】
[0005] 本发明公开了一种由螺旋缝隙馈电的宽频宽波束圆极化介质谐振器天线，目的是 提供一种结构简单、馈电方便的宽带圆极化介质谐振器天线。
[0006] 本发明为解决上述问题所采用的技术方案是，一种由螺旋缝隙馈电的宽频宽波束 圆极化介质谐振器天线，包括矩形介质基板、覆盖介质基板正面并刻蚀有缝隙的金属地板、 贴片电阻、矩形介质谐振器及设于基板背面对天线馈电的同轴线，其特征在于，所述金属地 板上刻蚀的缝隙为两个大小相同、螺旋方向相反的阿基米德螺旋缝隙互补构成，且缝隙位 于介质谐振器的覆盖范围内。
[0007] 所述阿基米德螺旋缝隙由长度不同的直线缝隙臂首尾相接组成，每条直线缝隙臂 之间有宽度一致的间隔金属贴片，阿基米德螺旋缝隙的臂长满足：
[0009] 其中^为最末段、长度最长的直线缝隙臂的长度，1 2为与最末段直线缝隙臂相接、 长度第二长的直线缝隙臂的长度，依次类推。为天线中心频率处螺旋缝隙内等效磁流导 波波长。
[0010] 所述贴片电阻分别位于两个阿基米德螺旋缝隙的末段中点位置，贴片电阻一端连 接金属地板，另一端连接间隔金属贴片。
[0011] 贴片电阻的阻值R满足R = ζ。，Ζ。为天线中心频率处阿基米德螺旋缝隙的特征阻 抗。
[0012] 所述同轴线的内、外导体穿过介质基板分别连接间隔金属贴片的两个端点。
[0013] 本发明由同轴线馈电，能量通过同轴线传输到缝隙下方，能量通过阿基米德螺旋 缝隙耦合到矩形介质谐振器中激励起主模TEiu和TEfu，这两个正交模式产生圆极化辐射。
[0014] 本发明的有益效果是，本发明通过引入贴片电阻加载的阿基米德螺旋缝隙对介质 谐振器天线进行馈电，在简单的介质谐振器结构的基础上通过单点馈电实现了宽带圆极化 功能，并具有较宽的波束。
【附图说明】
[0015] 图1 (a)为本发明实施例天线的正面结构示意图；
[0016] 图1(b)为本发明实施例天线的侧面结构示意图；
[0017] 图2为本发明实施例的回波损耗仿真和实测曲线示意图；
[0018] 图3为本发明实施例的右旋圆极化轴比的仿真曲线示意图；
[0019] 图4为本发明实施例的右旋圆极化增益仿真曲线示意图；
[0020] 图5为本发明实施例的x-z平面和y-ζ平面的轴比仿真示意图；
[0021] 图6为本发明实施例的辐射效率仿真示意图；
[0022] 图7为本发明实施例的方向图仿真示意图。
[0023] 附图标号说明：1.介质基板，2.矩形介质谐振器，3.馈电点，4.贴片电阻，5.阿基 米德螺旋缝隙，6.金属地板，7.同轴线，8间隔金属贴片。
【具体实施方式】
[0024] 下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步详细的说明。
[0025] 本发明的由螺旋缝隙馈电的宽频宽波束圆极化介质谐振器天线的实施例示意图 如图1(a)、（b)所示，包括矩形介质基板1、覆盖介质基板正面并刻蚀有缝隙的金属地板6、 贴片电阻4、矩形介质谐振器2及设于基板背面对天线馈电的同轴线7。
[0026] 介质基板1的相对介电常数为2. 2,厚度为2mm，横截面大小为75*75mm2;矩形介 质谐振器为相对介电常数为12的陶瓷，其长a、宽b、高c对应尺寸为a = b = 40mm、c = 10cm ;阿基米德螺旋缝隙5由长度不同的14条直线缝隙臂首尾相接组成，每条直线缝隙臂 之间有宽度一致的间隔金属贴片，阿基米德螺旋缝隙5的宽度为ws= 0. 56_，间隔金属贴 片8的宽度为ds= 0. 56_ ;天线中心频率处阿基米德螺旋缝隙5内等效磁流导波波长λ g=51. 3mm〇
[0027] 阿基米德螺旋缝隙5最末段、长度最长的直线缝隙臂的长度的参数^为16. 8_， 贴片电阻4焊接在最外层缝隙的中心位置。根据天线中心频率处阿基米德螺旋缝隙5的特 征阻抗将贴片电阻4阻值R设置为50欧姆。
[0028] 上述天线中具体尺寸的选取仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，对 于本领域的技术人员来说，可以根据实际应用要求对各部件的尺寸进行调整。通过调节螺 旋缝隙5的臂长实现圆极化轴比的优化；通过调整介质谐振器2的高度实现谐振频率的改 变。
[0029] 参数S11仿真和测试结果如图2所示，由图2可以看出，在实施例天线3dB轴比带 宽内 Sll〈-10dB。
[0030] 对上述实施例的天线进行性能仿真测试：天线轴向轴比AR性能仿真结果如图 3所示，天线AR〈3dB的频率范围为1. 93 - 2. 50GHz，相对带宽为25. 8 %，且全部包含在 Sll〈-10dB带宽之内。
[0031] 天线右旋增益的性能仿真结果如图4所示，在3dB轴比带宽之内增益Gain>3dB，在 2. 27GHz 增益达到 5. 8dB。
[0032] 由图5可以看出，实施例天线中心频率处x-z平面3dB轴比波瓣宽度为170度，y-z 平面3dB轴比波瓣宽度为160度，波束非常宽。
[0033] 天线辐射效率的性能仿真结果如图6所示，在3dB轴比带宽之内大于56 %，在 2. 21GHz 效率达到 95. 8%。
[0034] 天线在2. 12GHz的方向图的性能仿真结果如图7所示，可以看出实施例天线实现 了宽频宽波束的圆极化设计。
[0035] 从仿真结果可以看出，本发明在简单的介质谐振器结构的基础上通过单点馈电实 现了宽带宽波束圆极化功能。
【主权项】
1. 一种由螺旋缝隙馈电的宽频宽波束圆极化介质谐振器天线，包括矩形介质基板、覆 盖介质基板正面并刻蚀有缝隙的金属地板、贴片电阻、矩形介质谐振器及设于基板背面对 天线馈电的同轴线，其特征在于，所述金属地板上刻蚀的缝隙为两个大小相同、螺旋方向相 反的阿基米德螺旋缝隙互补构成，且缝隙位于介质谐振器的覆盖范围内。2. 如权利要求1所述的一种由螺旋缝隙馈电的宽频宽波束圆极化介质谐振器天线，其 特征在于，所述阿基米德螺旋缝隙由长度不同的直线缝隙臂首尾相接组成，每条直线缝隙 臂之间有宽度一致的间隔金属贴片，阿基米德螺旋缝隙的臂长满足： 1ι= 1 (1 = 30ws),12= 13=l-(ws+ds),lZi=12i+i=l-(2i-l)(ws+ds)(i= 2, 3,...),Ii+l2+l3+l4= 1· 2λg 其中1:为最末段、长度最长的直线缝隙臂的长度，12为与最末段直线缝隙臂相接、长度 第二长的直线缝隙臂的长度，依次类推；为天线中心频率处螺旋缝隙内等效磁流导波波 长。3. 如权利要求1所述的一种由螺旋缝隙馈电的宽频宽波束圆极化介质谐振器天线，其 特征在于，所述贴片电阻分别位于两个阿基米德螺旋缝隙的末段中点位置，贴片电阻一端 连接金属地板，另一端连接间隔金属贴片。4. 如权利要求1所述的一种由螺旋缝隙馈电的宽频宽波束圆极化介质谐振器天线，其 特征在于，贴片电阻的阻值R满足R=Ζ。，Ζ。为天线中心频率处阿基米德螺旋缝隙的特征阻 抗。5. 如权利要求1所述的一种由螺旋缝隙馈电的宽频宽波束圆极化介质谐振器天线，其 特征在于，所述同轴线的内、外导体穿过介质基板分别连接间隔金属贴片的两个端点。
【专利摘要】该发明公开了一种由螺旋缝隙馈电的宽频宽波束圆极化介质谐振器天线，属于电子技术领域。该天线包括矩形介质基板、覆盖介质基板正面并刻蚀有缝隙的金属地板、贴片电阻、矩形介质谐振器及设于基板背面对天线馈电的同轴线。本发明由同轴线馈电，能量通过同轴线传输到缝隙下方，通过阿基米德螺旋缝隙耦合到矩形介质谐振器中激励起主模和，这两个正交模式产生圆极化辐射。本发明在简单的介质谐振器结构的基础上通过单点馈电实现了宽带圆极化功能，并具有较宽的波束。
【IPC分类】H01Q9/04, H01Q1/36
【公开号】CN105261825
【申请号】CN201410476356
【发明人】潘锦, 邹孟, 吴凯, 崔元善, 张翔, 陈兆丰
【申请人】电子科技大学
【公开日】2016年1月20日
【申请日】2015年6月16日