基于金属柱加载的频率可重构介质谐振器天线的制作方法

本发明涉及通信领域，尤其涉及一种基于金属柱加载的频率可重构介质谐振器天线。

背景技术：

相比于传统金属贴片天线，介质谐振器天线具有低损耗、低成本、重量轻与多设计维度等优势。近年来，对于介质谐振器天线研究报道的数量呈现一种井喷式的增长。为了适应当前无线通信系统中器件的紧凑型设计需求，将不同工作频段的器件集成到一个器件上，实现天线的频率可重构设计，逐渐成为主要的发展趋势。目前，对于频率可重构介质谐振器天线，有很多见诸于报的研究成果。其中，一类为使用水或者具有高介电常数的流体充当介质谐振器天线中的介质谐振器部分，通过微型泵改变流体的体积，进而改变了介质谐振器天线的工作频率。该类天线需要设计复杂的给液排液系统，同时由于流体的存在，天线只能水平放置，无法满足一些特定场合中天线需要非水平放置的使用需求。另一类为使用电子器件，如可变电容、二极管和开关等，加载在介质谐振器天线的特定部位，进而对介质谐振器天线的工作频率进行调节。天线的工作频率由电子器件的工作状态控制。此类可重构方法受限于需要复杂的电子器件控制电路，同时电子器件的使用会增加系统的损耗、降低能量使用效率，降低系统长时间工作状态下的可靠性。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种基于金属柱加载的频率可重构介质谐振器天线。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种基于金属柱加载的频率可重构介质谐振器天线，包括：

介质基板，其下表面设置有微带线，其上表面覆盖一层金属地，所述金属地的中心位置开设有与所述微带线垂直的耦合槽；

介质谐振器，呈t型结构，包括宽度相同的第一矩形体部和第二矩形体部，所述第一矩形体部设置于所述金属地上，所述第二矩形体部位于所述第一矩形体部顶部，所述第一矩形体部和第二矩形体部的宽度方向均与所述耦合槽的延伸方向一致，所述第一矩形体部的长度小于所述第二矩形体部的长度，若以所述微带线的延伸方向定义为x轴，所述耦合槽的延伸方向定义为y轴，介质基板的厚度定义为z轴，所述介质谐振器的工作模式为te111^x模式；

两组金属柱，竖直设置在所述金属地上且位于所述第一矩形体部的两侧，所述两组金属柱的水平投影位于所述第二矩形体部的水平投影区域内。

在本发明所述的基于金属柱加载的频率可重构介质谐振器天线中，所述介质谐振器位于所述金属地的中心位置，所述两组金属柱的水平投影关于所述耦合槽对称，每一组金属柱包括两个金属柱，且每一组金属柱均关于所述耦合槽的垂直平分面对称。

在本发明所述的基于金属柱加载的频率可重构介质谐振器天线中，所述耦合槽的水平投影位于以所述两组金属柱的水平投影为四个顶点所形成的矩形区域内。

在本发明所述的基于金属柱加载的频率可重构介质谐振器天线中，所述微带线的一端与所述介质基板的侧边平齐，所述介质基板的另一端位于以所述两组金属柱的水平投影为四个顶点所形成的矩形区域内，且所述微带线的水平投影与所述耦合槽的水平投影相交。

在本发明所述的基于金属柱加载的频率可重构介质谐振器天线中，所述介质基板的平面形状为正方形。

在本发明所述的基于金属柱加载的频率可重构介质谐振器天线中，所述金属柱的形状为圆柱体。

在本发明所述的基于金属柱加载的频率可重构介质谐振器天线中，所述第一矩形体部的高度大于所述第二矩形体部的高度。

在本发明所述的基于金属柱加载的频率可重构介质谐振器天线中，所述金属地的材料为铜。

本发明的基于金属柱加载的频率可重构介质谐振器天线，具有以下有益效果：本发明所设计天线的工作模式为宽边te111^x模式，其谐振频率通过改变加载金属柱的高度进行调节，通过改变加载金属柱的高度，介质谐振器天线的工作频率可以被连续调节，金属柱加载于介质谐振器天线的窄边处，为实现天线较高的增益及金属柱的有效加载，介质谐振器天线采用t型结构，本发明的天线在频率可调谐范围内具有较好的阻抗匹配、稳定的辐射方向图及较低的交叉极化，可以有效的使用在ku波段甚至于更高的频率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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，还可以根据提供的附图获得其他的附图：

图1是本发明的基于金属柱加载的频率可重构介质谐振器天线的分解图；

图2是本发明的基于金属柱加载的频率可重构介质谐振器天线的俯视图；；

图3是本发明的基于金属柱加载的频率可重构介质谐振器天线的除去介质谐振器以外的结构的投影图；

图4是加载不同高度的金属柱时天线的电场分布对比图；

图5是加载不同高度的金属柱时天线的增益变化示意图；

图6是加载不同高度的金属柱时天线的回波损耗变化示意图；

图7是加载不同高度的金属柱时天线的方向图对比示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的典型实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。应当理解本发明实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本发明实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合

需要说明的是，本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

本说明书中使用的“第一”、“第二”等包含序数的术语可用于说明各种构成要素，但是这些构成要素不受这些术语的限定。使用这些术语的目的仅在于将一个构成要素区别于其他构成要素。例如，在不脱离本发明的权利范围的前提下，第一构成要素可被命名为第二构成要素，类似地，第二构成要素也可以被命名为第一构成要素。

参考图1-2，本发明的基于金属柱3加载的频率可重构介质谐振器2天线包括介质基板1、介质谐振器2以及两组金属柱3。

其中，介质基板1的下表面设置有微带线4，介质基板1的上表面覆盖一层金属地5，本实施例中所述金属地5的材料为铜。所述金属地5的中心位置开设有耦合槽6，所述耦合槽6的延伸方向与所述微带线4的延伸方向垂直。具体的，所述介质基板1的平面形状为正方形。如图中所示，本文中是以所述微带线4的延伸方向定义为x轴，所述耦合槽6的延伸方向定义为y轴，介质基板1的厚度方向为z轴。

其中，所述介质谐振器2位于所述金属地5的中心位置，介质谐振器2粘附在金属地5上并采用缝隙耦合的方式馈电，所述介质谐振器2的工作模式为te111^x模式。介质谐振器2相当于矩形介质谐振器2在x方向上的两侧被部分切除后形成的t型结构。

具体的，介质谐振器2呈t型结构，左右对称且前后对称，包括宽度相同的第一矩形体部和第二矩形体部，所述第一矩形体部的高度大于所述第二矩形体部的高度，所述第一矩形体部粘附在所述金属地5上，所述第二矩形体部位于所述第一矩形体部顶部，第一矩形体部和第二矩形体部的前后端面平齐，所述第一矩形体部和第二矩形体部的宽度方向均与所述耦合槽6的延伸方向一致，所述第一矩形体部的长度小于所述第二矩形体部的长度。

更具体的，所述两组金属柱3的水平投影关于所述耦合槽6对称，每一组金属柱3包括两个金属柱3，且每一组金属柱3均关于所述耦合槽6的垂直平分面对称。

其中，所述金属柱3的形状为圆柱体。两组金属柱3竖直设置在所述金属地5上且位于所述第一矩形体部的两侧，所述两组金属柱3的水平投影位于所述第二矩形体部的水平投影区域内。

本实施例中，是利用四个金属螺钉从介质基板1的底部拧上来并贯穿介质基板1，贯穿后突出与介质基板1上表面的部分就形成了所述金属柱3。

参考图3，更具体的，所述耦合槽6的水平投影位于以所述两组金属柱3的水平投影为四个顶点所形成的矩形区域内。所述微带线4的一端与所述介质基板1的侧边平齐，所述介质基板1的另一端位于以所述两组金属柱3的水平投影为四个顶点所形成的矩形区域内，且所述微带线4的水平投影与所述耦合槽6的水平投影相交。

本一个具体的实施例中，天线采用相对介电常数为9.9、损耗角正切为0.00015的介质谐振器2。介质谐振器2是由矩形介质谐振器在x方向上的两侧被部分切除后形成的t型结构。t型介质谐振器2在z方向上的高度尺寸为h1与h2，在x方向上的长度尺寸为l1与ld，在y方向上的宽度尺寸为wd。四个半径均为rpillar且高度均为hpillar的金属柱3加载在介质谐振器2的切除部分，用于介质谐振器2天线工作频率的调节。金属柱3的中心在x方向上的间距为l3，在y方向上的间距为l4。微带线4线宽为winput，长度为l5，印制在介质基板1的底侧。介质基板1型号为罗杰斯ro4003c，其具有相对介电常数3.38，损耗角正切为0.0027，其为边长为l2的正方形结构，厚度为hs。介质基板1上的金属地5的铜厚为0.0175mm。

参考图4，图4中左图为加载金属柱3高度为0mm时电场强度矢量图，右图为加载金属柱3高度为1.2mm时电场强度幅度图，从左图可以看出，该介质谐振器2天线的工作模式为宽边te111^x模式，因为介质谐振器2在x方向上的两侧被部分切除，电场在介质谐振器2被切除的区域将会比其他区域更加集中。从右图中可以看出，金属柱3加载在该处对谐振器中的场分布具有最大的影响，因而具有最大的频率调谐能力。基于上述原理，通过改变加载在上述位置的金属柱3的高度，介质谐振器2天线的场分布将会被调节，从而实现介质谐振器2天线的频率可重构设计。该结构的频率可重构介质谐振器2天线的工作频率可以通过改变金属柱3的高度实现连续调节。且本发明所提出的介质谐振器2天线工作频率的调节方法，可以有效的应用于ku波段或更高频段，极大程度的避免了复杂的偏置电路设计及电子元器件在较高频率下的低可靠性。此外，还可在射频系统之外使用微机电系统对天线进行精准迅速的工作频率控制。

本发明的天线的最终尺寸经过仿真优化最终确定如下：h1＝1,h2＝2,rpillar＝0.55,hs＝0.508,l1＝2.8,l2＝20,l3＝5,l4＝4,l5＝12,ld＝6,ls＝3,wd＝5,ws＝0.5,winput＝1.2，上述数值单位均为毫米。图5是加载不同高度的金属柱时天线的增益变化示意图，从图中可以看出，当介质谐振器2不加载金属柱3(高度为0mm)时，天线工作的中心频率为18.55ghz；当加载金属柱3的高度从0mm到1.9mm变化时，天线的工作频率从18.55ghz变化到13.35ghz。此时由于在不同加载金属柱3的高度下，天线的输入阻抗会产生一定变化，对天线的工作带宽有一定影响，可调谐的频率范围取天线反射系数保持小于-10db的范围。

图6是加载不同高度的金属柱时天线的回波损耗变化示意图，从图中可以看出，由于金属柱3的加载，天线的导体损耗增加，当加载的金属柱3高度从0mm变化到1.9mm时，天线的增益从8.58dbi降低到5.8dbi。然而在频率调谐范围内，天线的增益仍然大于5.8dbi，保持着较高的数值。

图7是加载不同高度的金属柱时天线的方向图对比示意图，上、中、下三组图具体是加载金属柱3高度hpillar分别为0mm、1.2mm和1.9mm对应于天线工作频率为18.55ghz、16.72ghz和13.35ghz处的方向图示意图。从图中可以看出，该天线具有稳定的辐射方向图、较低的交叉极化。天线e面的交叉极化低于-40db，h面低于-30db。

综上所述，本发明的基于金属柱加载的频率可重构介质谐振器天线，具有以下有益效果：本发明所设计天线的工作模式为宽边te111^x模式，其谐振频率通过改变加载金属柱的高度进行调节，通过改变加载金属柱的高度，介质谐振器天线的工作频率可以被连续调节，金属柱加载于介质谐振器天线的窄边处，为实现天线较高的增益及金属柱的有效加载，介质谐振器天线采用t型结构，本发明的天线在频率可调谐范围内具有较好的阻抗匹配、稳定的辐射方向图及较低的交叉极化，可以有效的使用在ku波段甚至于更高的频率。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。