基于共面波导馈电的小型化宽频带介质谐振器天线的制作方法

文档序号:10698292阅读:585来源:国知局
基于共面波导馈电的小型化宽频带介质谐振器天线的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于共面波导馈电的小型化宽频带介质谐振器天线,包括介质基板、共面波导和圆环介质谐振器,共面波导包括接地地板、辐射贴片和馈电部分,馈电部分包括环形贴片以及中心带线,接地地板包括两部分且两部分相对于中心带线呈对称结构,在接地地板上具有两个对称性的L型缺口和矩形缺口,辐射贴片由四个两两对称的四分之一圆环贴片构成,圆环介质谐振器位于馈电部分环形贴片的正中间。本发明通过采用共面波导馈电圆环印刷单极天线和介质谐振器天线的混合辐射机制,激励谐振器的多个工作模式,从而扩展带宽,并具有良好的阻抗匹配、辐射效率和峰值增益,保证天线在小尺寸的前提下,获得宽频带工作性能。
【专利说明】
基于共面波导馈电的小型化宽频带介质谐振器天线
技术领域
[0001] 本发明涉及一种天线,特别是涉及一种基于共面波导馈电的小型化宽频带介质谐 振器天线。
【背景技术】
[0002] 目前,随着微波电路的飞速发展,小型化、高效率、宽频带等成为天线的发展趋势, 因此实现天线的小型化和宽频带成为天线设计的重要内容。许多应用程序,如数字广播、视 频会议、卫星通信、无线和雷达等应用程序都需要比较宽的带宽。但在以往的设计中,实现 天线的小型化,就必须牺牲它的带宽。随着无线通信技术的发展,研究者们一直在不断尝试 设计具有小尺寸和宽频带特性的天线,而介质谐振器天线,无疑是一个很好的选择。与传统 天线相比,介质谐振器天线不仅具有效率高、馈电方便、结构简单等优点,还能通过改变形 状或选择合适的模式激励来控制天线的辐射方向图。目前使用高介电常数的介质谐振器可 实现天线小型化,但同时会减小天线的带宽,如何获得小尺寸和宽频带特性的天线仍需要 继续研究。

【发明内容】

[0003] 本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题,特别创新地提出了一种基于共 面波导馈电的小型化宽频带介质谐振器天线。
[0004] 为了实现本发明的上述目的,本发明提供了一种基于共面波导馈电的小型化宽频 带介质谐振器天线,包括介质基板及设置在所述介质基板上的呈轴对称结构分布的共面波 导和圆环介质谐振器,所述共面波导包括接地地板、辐射贴片和馈电部分,所述馈电部分包 括环形贴片以及中心带线,所述接地地板包括两部分且两部分相对于中心带线呈对称结 构,在接地地板上具有两个对称性的L型缺口和矩形缺口,所述辐射贴片由四个两两对称的 四分之一圆环贴片构成,四个圆环贴片分列在馈电部分环形贴片的左上、左下、右上、右下 四个方位且圆弧与馈电部分环形贴片相对;所述圆环介质谐振器位于所述馈电部分环形贴 片的正中间。
[0005] 本发明通过采用共面波导馈电圆环印刷单极天线和介质谐振器天线的混合辐射 机制,激励谐振器的多个工作模式,从而扩展带宽,并具有良好的阻抗匹配、辐射效率和峰 值增益。保证天线在小尺寸的前提下,获得宽频带工作性能。
[0006] 相对于现阶段介质谐振器天线扩展带宽的技术方案,本发明采用共面波导馈电的 圆环印刷单极天线与介质谐振器天线混合结构的设计方法,不仅具有显著的阻抗带宽扩展 优势,而且提高天线的其他结构性能和指标方面,包括:1)减小天线的剖面高度,相对于采 用层叠结构的方法而言,剖面高度至少降低4倍以上;2)采用平面印刷的方式制备天线,使 该天线形式简单、结构紧凑,易于集成,同时没有明显降低天线的辐射性能,比如辐射能量 前后比和峰值增益。而且通过改变基板厚度和圆环介质谐振器尺寸,该天线的工作频段可 以任意调节,可以广泛用于WLAN,WiMAX等无线通信系统中。
[0007] 在本发明的一种优选实施方式中,所述接地地板上的L型缺口位于接地地板上与 馈电部分中心带线距离较远的两个边沿上,所述接地地板的矩形缺口位于接地地板上与馈 电部分中心带线距离较近的两个边沿上。
[0008] L型缺口设计能够有效地调节天线的匹配程度,特别是在2.6GHZ-3.6GHZ这一工作 频段,阻抗匹配改善明显。矩形缺口设计主要是针对共面波导馈线进行阻抗匹配,让该天线 的整体匹配程度,有良好改善。圆环介质谐振器,相对于普通圆柱介质谐振器而言,增加该 天线的工作带宽。
【附图说明】
[0009] 图1是本发明基于共面波导馈电的小型化宽频带介质谐振器天线的整体结构图;
[0010] 图2是本发明基于共面波导馈电的小型化宽频带介质谐振器天线的共面波导部分 的俯视图;
[0011] 图3是本发明基于共面波导馈电的小型化宽频带介质谐振器天线的侧视图;
[0012] 图4是本发明基于共面波导馈电的小型化宽频带介质谐振器天线的频率与反射系 数I S 11 I之间的关系图;
[0013] 图5是本发明基于共面波导馈电的小型化宽频带介质谐振器天线仿真得到的在 XOZ平面和YOZ平面的辐射方向图,虚线表示交叉极化方向图,实线表示共面极化方向图;子 图(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、( f)分别代表在频点4GHz时的XOZ平面、频点4GHz时的YOZ平面、频 点5.5GHz时的XOZ平面、频点5.5GHz时的YOZ平面、频点6.3GHz时的XOZ平面、以及频点 6.3GHz时的YOZ平面辐射方向图。
[0014] 附图标记:1环形贴片;2中心带线;3接地地板;4辐射贴片;5L型缺口;6矩形缺口;7 圆环介质谐振器;8介质基板。
【具体实施方式】
[0015] 下面详细描述本发明的实施例,所述实施例的示例在附图中示出,其中自始至终 相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附 图描述的实施例是示例性的,仅用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。
[0016] 在本发明的描述中,需要理解的是,术语"纵向"、"横向"、"上"、"下"、"前"、"后"、 "左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底" "内"、"外"等指示的方位或位置关系为基于附图所 示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装 置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限 制。
[0017] 在本发明的描述中,除非另有规定和限定,需要说明的是,术语"安装"、"相连"、 "连接"应做广义理解,例如,可以是机械连接或电连接,也可以是两个元件内部的连通,可 以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,对于本领域的普通技术人员而言,可以根据 具体情况理解上述术语的具体含义。
[0018] 如图1、图2、图3所示,本发明提供了一种基于共面波导馈电的小型化宽频带介质 谐振器天线,包括介质基板及设置在介质基板上的呈轴对称结构分布的共面波导和圆环介 质谐振器。在本实施方式中,共面波导和圆环介质谐振器均呈轴对称结构,共面波导被印刷 在介质基板8的上层。
[0019] 共面波导包括金属接地地板3、辐射贴片4和馈电部分,其中,馈电部分包括环形馈 电贴片1以及中心带线2。在本实施方式中,中心带线2的一边与环形馈电贴片1相连,与环形 馈电贴片1相对的一边与介质基板8的边缘对齐。在本实施方式中,中心带线2可以为但不限 于50欧姆的中心带线。
[0020] 接地地板3包括两部分且两部分相对于中心带线2呈对称结构,在接地地板上具有 两个对称性的L型缺口 5和矩形缺口 6,接地地板3的每一部分具有一个L型缺口 5和一个矩形 缺口 6。辐射贴片4由四个两两对称的四分之一圆环贴片构成,四个圆环贴片分列在馈电部 分环形贴片1的左上、左下、右上、右下四个方位且圆弧与馈电部分环形贴片1相对。圆环介 质谐振器7位于馈电部分环形贴片1的正中间。在本实施方式中,馈电部分中心带线2的长度 Ll为15~17mm,宽度Wl为2.5~3.5謹,馈电部分环形贴片2的圆环内半径Rl为6.5~7.5mm, 外环半径R2为7.5~8.5mm。优选长度LI为15mm,宽度wl为3mm,圆环内半径Rl为7mm,外半径 R2 为8mm〇
[0021] 在本实施方式中,接地地板上的L型缺口 5位于接地地板上与馈电部分中心带线2 距离较远的两个边沿上。结合图2所示,L型缺口分为两部分,由两个长宽不等的矩形拼接形 成,一部分位于接地地板上与馈电部分中心带线2距离较远的横边上(垂直于中心带线2), 一部分位于接地地板上与馈电部分中心带线2距离较远的竖边上(平行于中心带线2)。其 中,垂直于中心带线2的的矩形的长L3为6.5~7.5mm,宽W3为1.2~1.7mm;平行于中心带线2 的的纵向矩形长L为35~45mm,宽W5为3~4mm。在一个更加优选的实施方式中,选取L3为 7mm,W3为1.5mm;纵向矩形长L为40mm,宽W5为3.5臟儿型缺口设计以及采用以上尺寸能够有 效地调节天线的匹配程度,特别是在.6GHZ-3.6GHZ这一工作频段,阻抗匹配改善明显。 [0022]接地地板的矩形缺口位于接地地板上与馈电部分中心带线2距离较近的两个边沿 上,即位于接地地板上靠近馈电部分环形贴片1的角上,矩形缺口的长度L4为1.5~2.5mm, 宽度W2为3~4mm,优选为长度L4为2mm,宽度W2为3.5mm。矩形缺口设计以及尺寸选择主要是 针对共面波导馈线进行阻抗匹配,让该天线的整体匹配程度,有良好改善。
[0023]共面波导部分的四个两两对称的四分之一圆环贴片,圆环内半径R4为4.5~ 5.5mm,外半径R5为5.5~6.5mm。优选的圆环内半径R4为5mm,外半径R5为6mm。四分之一圆环 贴片的设计主要是为了激励高频段的两个谐振频点,从而扩展天线整体带宽。
[0024]介质基板厚度均匀,介质基板的长度L为36~42mm,宽度W为30~40mm,介质基板的 厚度Hl为1.2~1.6mm,材料的相对介电常数ε^4-5之间。优选的介质基板的长度L为40mm, 宽度W为35mm,介质基板的厚度为1mm,材料的相对介电常数为4.4。
[0025] 圆环介质谐振器的厚度H2为0.5~1.5mm,圆环内半径R5为2.5~3.5mm,圆环外半 径R6为5.5~6.5mm;其相对介电常数£ 2为9到15之间。优选的圆环介质谐振器,谐振器高度 为1mm,圆环内半径3mm,外半径6mm,材料的相对介电常数为10.2。圆环介质谐振器,相对于 普通圆柱介质谐振器,这样的选择,增加该天线的工作带宽。
[0026] 而且通过改变基板厚度和圆环介质谐振器尺寸,该天线的工作频段可以任意调 节,可以广泛用于WLAN,WiMX等无线通信系统中。
[0027] 完成上述的初始设计之后,在本发明的一种优选实施方式中,本发明使用高频电 磁仿真软件HFSS13.0进行仿真实验,仿真研究表明该天线能够很好的应用在当前的无线通 信系统中,通过HFSS优化功能得到的各项参数最佳尺寸如表1所示。
[0028]表1.各参数最佳尺寸表
[0030]在本实施方式中,采用的介质基板表面金属覆铜的厚度为0.017mm,介质基板的厚 度为1mm,采用的材料为FR4,相对介电常数为4.4。
[0031 ]圆环介质谐振器的高度为1mm,圆环内半径3mm,外半径6mm,材料的相对介电常数 为 10.2。
[0032]根据以上参数,运用HFSS对本发明的天线进行仿真计算,得到天线的反射系数曲 线和天线的辐射方向图。如图4和图5所示。
[0033]图4是本发明反射系数的仿真曲线图。从图可以看到有三个谐振频点,分别为 4GHz、5.5GHZ和6.3GHz。在I S 11 |〈-10dB条件下,该天线的阻抗带宽频率范围2.92-7.16GHz,相对带宽达到84.8%。
[0034] 图5是天线在4GHz、5.5GHZ和6.3GHz时在XOZ平面和YOZ平面的辐射辐射方向图,其 中,(a)图表示天线在4GHz时在XOZ平面的辐射辐射方向图,(b)图表示天线在4GHz时在YOZ 平面的辐射辐射方向图,(c)图表示天线在5.5GHZ时在XOZ平面的辐射辐射方向图,(d)图表 示天线在5.5GHZ时在YOZ平面的辐射辐射方向图,(e)图表示天线在6.3GHz时在XOZ平面的 辐射辐射方向图,(f)图表示天线在6.3GHz时在YOZ平面的辐射辐射方向图。虚线表示交叉 极化方向图,实线表示共面极化方向图。根据图(a)(c)和(b)(d)可以看到天线在4GHz,天线 辐射方向图同基本偶极子天线相似,XOZ面辐射方向图为典型的双向辐射,天线的YOZ面辐 射方向图近似为全向辐射方向图,并且最大辐射方向上交叉极化很小。随着频率的增大,天 线辐射方向图发生形变,交叉极化变得严重,恶化了天线的表现性能,影响天线的工作。这 种情况对介质谐振器天线不可避免,造成这种情况的主要原因是高次模的出现,破坏天线 辐射方向图。但总的来说,天线辐射方向图还是好的。
[0035] 在本说明书的描述中,参考术语"一个实施例"、"一些实施例"、"示例"、"具体示 例"、或"一些示例"等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特 点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不 一定指的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何 的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0036]尽管已经示出和描述了本发明的实施例,本领域的普通技术人员可以理解:在不 脱离本发明的原理和宗旨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 发明的范围由权利要求及其等同物限定。
【主权项】
1. 一种基于共面波导馈电的小型化宽频带介质谐振器天线,其特征在于:包括介质基 板及设置在所述介质基板上的呈轴对称结构分布的共面波导和圆环介质谐振器,所述共面 波导包括接地地板、辐射贴片和馈电部分,所述馈电部分包括环形贴片以及中心带线,所述 接地地板包括两部分且两部分相对于中心带线呈对称结构,在接地地板上具有两个对称性 的L型缺口和矩形缺口,所述辐射贴片由四个两两对称的四分之一圆环贴片构成,四个圆环 贴片分列在馈电部分环形贴片的左上、左下、右上、右下四个方位且圆弧与馈电部分环形贴 片相对; 所述圆环介质谐振器位于所述馈电部分环形贴片的正中间。2. 根据权利要求1所述的基于共面波导馈电的小型化宽频带介质谐振器天线,其特征 在于,所述接地地板上的L型缺口位于接地地板上与馈电部分中心带线距离较远的两个边 沿上,所述接地地板的矩形缺口位于接地地板上与馈电部分中心带线距离较近的两个边沿 上。3. 根据权利要求1或2所述的基于共面波导馈电的小型化宽频带介质谐振器天线,其特 征在于:所述接地地板上的L型缺口,由两个长宽不等的矩形拼接形成,其中,垂直于矩形馈 线部分的矩形的长L3为6.5~7.5mm,宽W3为1.2~1.7mm;平行于矩形馈线部分的矩形长L为 35 ~45mm,宽 W5为3 ~4mm。4. 根据权利要求1或2所述的基于共面波导馈电的小型化宽频带介质谐振器天线,其特 征在于:所述矩形缺口的长度L4为1.5~2.5mm,宽度W2为3~4_。5. 根据权利要求1所述的基于共面波导馈电的小型化宽频带介质谐振器天线,其特征 在于:所述馈电部分中心带线长度L1为15~17mm,宽度W1为2.5~3.5mm,馈电部分环形贴片 内半径R1为6 · 5~7 · 5mm,外环半径R2为7 · 5~8 · 5mm。6. 根据权利要求1所述的基于共面波导馈电的小型化宽频带介质谐振器天线,其特征 在于:共面波导部分的四个两两对称的四分之一圆环贴片,圆环内半径R4为4.5~5.5mm,外 半径R5为5 · 5~6 · 5mm。7. 根据权利要求1所述的基于共面波导馈电的小型化宽频带介质谐振器天线,其特征 在于:所述介质基板厚度均勾,介质基板的长度L为36~42mm,宽度W为30~40mm,介质基板 的厚度H1为1.2~1.6mm,材料的相对介电常数ε 1在4-5之间。8. 根据权利要求1所述的基于共面波导馈电的小型化宽频带介质谐振器天线,其特征 在于:所述圆环介质谐振器的厚度Η2为0.5~1.5mm,圆环内半径R5为2.5~3.5mm,圆环外半 径R6为5.5~6.5mm;其相对介电常数ε 2为9到15之间。
【文档编号】H01Q1/48GK106067596SQ201610345259
【公开日】2016年11月2日
【申请日】2016年5月23日 公开号201610345259.9, CN 106067596 A, CN 106067596A, CN 201610345259, CN-A-106067596, CN106067596 A, CN106067596A, CN201610345259, CN201610345259.9
【发明人】郝宏刚, 黄代利, 尹波, 李佳玉, 阮巍
【申请人】重庆邮电大学
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