一种基于介质谐振器高次模的高增益双向端射天线阵列的制作方法

本发明具体涉及一种基于介质谐振器高次模的高增益双向端射天线阵列，属于天线
技术领域：
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背景技术：
：随着长距离(长桥、隧道、公路、铁路)无线通信系统的发展，双向端射天线阵列以其独特的双向辐射和高增益特性受到越来越多的关注。近些年来，人们对双向端射天线的设计做了大量的研究。然而，据我们所知，很多的双向端射天线的驱动单元均采用金属，这样不可避免的会带来欧姆损耗，随着频率的不断提升，此问题会越凸显。技术实现要素：本发明针对现有技术中存在的不足，为了克服传统的端射天线加引向器尺寸大以及频率升高存在金属损耗的情况，提出一种基于介质谐振器高次模的高增益双向端射天线阵列。本发明为实现上述发明目的，采取的技术方案如下：一种基于介质谐振器高次模的高增益双向端射天线阵列，包括基板，所述基板包括微波介质基片构成的上层和下层；还包括两个介质谐振器、金属片、微带双巴伦馈电网络、金属地、接地过孔、两个共面带线；所述两个介质谐振器均粘贴在基板的上层表面；所述微带双巴伦馈电网络印制在基板的上层；所述两个介质谐振器关于微带双巴伦馈电网络为中心相对称设置；所述两个共面带线均印制在基板的上层；所述两个共面带线关于微带双巴伦馈电网络为中心相对称设置；所述两个共面带线分别与微带双巴伦馈电网络的两输出端连接；所述共面带线与介质谐振器的下表面连接；所述微带双巴伦馈电网络通过共面带线激励介质谐振器的高次模；所述两个介质谐振器远离微带双巴伦馈电网络的一侧面均粘贴金属片；所述金属地印制在基板的下层；所述接地过孔贯通基板的上层与下层；所述微带双巴伦馈电网络通过接地过孔与金属地连接；所述天线阵列通过调整金属地的长度以及介质谐振器与金属地在辐射方向的间距，实现双向端射。进一步的作为本发明的优选技术方案，所述两个介质谐振器的高次模作为磁偶极子，通过微带双巴伦馈电网络与两端的共面带线进行馈电，实现天线的双向端射。进一步的作为本发明的优选技术方案，所述两个介质谐振器均为工作于高次模的矩形介质谐振器，采用介电常数为45与损耗角正切值为0.00019的陶瓷材料制成。进一步的作为本发明的优选技术方案，所述基板采用介电常数为3.55与损耗角正切值为0.0027的rogers4003c印刷电路板材制成。进一步的作为本发明的优选技术方案，所述金属片设置在介质谐振器一侧面的中心；金属片的宽度约为介质谐振器一侧面宽度的三分之一；金属片的长度等于介质谐振器一侧面的高度。进一步的作为本发明的优选技术方案，所述金属地的长度约为0.6λ；所述介质谐振器与金属地在辐射方向的间距约为0.3λ；两个介质谐振器的间距约为1.2λ，λ为天线工作频率对应的真空波长。进一步的作为本发明的优选技术方案，所述天线阵列的反射系数小于-10db。本发明所述，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明在不加引向器的情况下，通过采用介质谐振器的高次模以及在介质谐振器一侧面贴上金属贴片提高天线的增益，减小了天线的物理尺寸。本发明可有效提升双向端射天线阵列的增益。本发明通过调整金属地的长度以及介质谐振器与金属地在辐射方向的间距，来实现较好的双向辐射特性。附图说明图1是双向端射天线阵列的立体图；图2是双向端射天线阵列的平面结构示意图；图3(a)是未加载金属片的介质谐振器高次模的电场分布图；图3(b)是加载金属片的介质谐振器高次模的电场分布图；图4是双向端射天线阵列的仿真与测试反射系数与增益图；图5是双向端射天线阵列在10.34ghz处e面和h面仿真与测试方向图；图中标号示意如下：1-介质谐振器，2-金属片，3-微带双巴伦馈电网络，4-基板，5-金属地，6-接地过孔，7-共面带线。具体实施方式下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。如图1与图2所示，一种基于介质谐振器高次模的高增益双向端射天线阵列，包括基板4，基板4包括微波介质基片构成的上层和下层；还包括两个介质谐振器1、金属片2、微带双巴伦馈电网络3、金属地5、接地过孔6、两个共面带线7；两个介质谐振器1均粘贴在基板4的上层表面；微带双巴伦馈电网络3印制在基板4的上层；两个介质谐振器1关于微带双巴伦馈电网络3为中心相对称设置；两个共面带线7均印制在基板4的上层；两个共面带线7关于微带双巴伦馈电网络3为中心相对称设置；两个共面带线7分别与微带双巴伦馈电网络3的两输出端连接；共面带线7与介质谐振器1的下表面连接；微带双巴伦馈电网络3通过共面带线7激励介质谐振器1的高次模；两个介质谐振器1远离微带双巴伦馈电网络3的一侧面均粘贴金属片2；金属地5印制在基板4的下层；接地过孔6贯通基板4的上层与下层；微带双巴伦馈电网络3通过接地过孔6与金属地5连接；天线阵列通过调整金属地5的长度以及介质谐振器1与金属地5在辐射方向的间距，实现双向端射。本发明的两个介质谐振器1的高次模作为磁偶极子，通过微带双巴伦馈电网络3与两端的共面带线7进行馈电，实现天线的双向端射。两个介质谐振器1均采用矩形介质谐振器，材料为微波介质陶瓷材质，其介电常数εr＝45，损耗角正切tanδ1＝0.00019，图1中，h为介质谐振器1的高度。金属地5的长度lg约为0.6λ；介质谐振器1与金属地5在辐射方向的间距d2约为0.3λ；两个介质谐振器1的间距约为1.2λ，λ为天线工作频率对应的真空波长。金属片2贴在介质谐振器1的一侧边，金属片2的宽度w为4.5mm，长度h为1mm。介质基板4为印刷电路板，材料为rogers4003c板材，介电常数εr1＝3.55，损耗角正切tanδ2＝0.0027。金属片2设置在介质谐振器1一侧面的中心；金属片2的宽度约为介质谐振器1一侧面宽度的三分之一；金属片2的长度等于介质谐振器1一侧面的高度。天线阵列的反射系数小于-10db。本发明实施例对天线各部分的尺寸进行优化，具体的，本实施例的具体参数见下表：参数lswslawalgleww1d1d2hs1值(mm)69.832.56.513.624.484.51.21.28.210.8表中介质谐振器1的长度la为6.5mm，介质谐振器1的宽度wa为13.6mm，介质谐振器1的高度h为1mm，介质基板4长度ls为69.8mm,介质基板4宽度ws为32.5mm，金属地5的长度lg为24.4mm,基板4伸出介质谐振器1的长度le为8mm，贴在介质谐振器1一侧面的金属片2的宽度w为4.5mm，长度h为1mm。共面带线7包括两条带线，一条带线的宽度w1为1.2mm，两条带线的间距s1为0.8mm。共面带线7在介质谐振器1的下表面的长度d1为1.2mm，介质谐振器1与金属地5在z方向即辐射方向的间距d2为8.2mm。本发明实施例是基于介质谐振器高次模的高增益双向端射天线阵列，在传统的金属双向端射天线阵列的基础上，将传统金属双向端射天线阵列用高次模的矩形介质谐振器替换，并通过微带双巴伦馈电网络与两端的共面带线进行馈电。在设计过程中，介质谐振器1与金属地5在z方向即辐射方向的间距d2为8.2mm，金属地5的长度lg为24.4mm，通过优化介质谐振器1与金属地5的间距d2以及金属地的长度lg，可以获得较好的双向端射辐射性能。本发明实施例中工作于高次模te3δ1模的介质谐振器场图中有三个圆，如图3所示。根据介质谐振器1的电场分布图，中间圆的电场在右侧边缘沿着x的方向与两边的方向相反。为了去解决这个问题，在介质谐振器1的一侧面贴上金属片2后，中间圆的电场得到了减弱，因而天线的增益可得到提高。本发明实施例中微带双巴伦馈电网络3为一个双marchand巴伦，它由两个传统的marchand巴伦背靠背放置，中间为一个长约为1/2λ的微带线作为输入端口，宽传输线与输入端口连接，宽传输线采用50欧姆的传输线，双marchand巴伦的两边为两根长度约为1/4λ的微带线，其中每根微带线的一端开路，另一端作为输出端口，λ为天线工作频率对应的真空波长。为了验证所提出的设计思想，本实施例设计了一种基于介质谐振器高次模的高增益双向端射天线阵列。图4给出了仿真和实测的反射系数。|s11|<-10db的仿真和测试的阻抗带宽分别为70mhz(10.3ghz-10.37ghz)和80mhz(10.3ghz-10.38ghz)。e面和h面在10.34ghz时的方向图，如图5所示。所测得的e面和h面两种方向图在辐射方向上均保持稳定，与仿真结果吻合较好。本发明实施例的一种基于介质谐振器高次模的高增益双向端射天线阵列在不增加传统引向器的情况下具有较好增益和较低的损耗。以上所述的具体实施方案，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方案而已，并非用以限定本发明的范围，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所做出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。当前第1页12