一种四模四端口圆柱形介质谐振器分集天线

1.发明属于无线通信领域的天线，特别涉及一种四模四端口圆柱形介质谐振器分集天线。


背景技术：

2.介质谐振器天线具有辐射效率高，零金属损耗，小体积，低剖面以及形状灵活等优点。随着现代移动通信技术的发展，介质谐振器天线的应用越来越广阔。对于室内无线局域网应用，多输入多输出天线具有增加容量，降低误码率等优势。多输入多输出天线的阶数是其提升通信性能的重要参数。多端口天线作为多输入多输出天线可以提升其阶数，通过每个端口输入不同的正交信号提高信道容量或者输入相同的信号以降低误码率。分集特性可以提高多输入多输出天线的分集增益，并且分集还可以实现端口之间的高隔离，其中方向图分集还具有覆盖多个辐射方向的优势。
3.近年来出现了各种介质谐振器天线，大致可以分为三类：球形、矩形和圆柱形。目前公开的多端口介质谐振器天线中，无论是全向天线还是分集天线，最多只能做到三个端口。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种结构紧凑简单、多端口、多模式、方向图分集、高辐射效率、稳定的增益和方向图的四模四端口圆柱形介质谐振器分集天线。
5.本发明采用如下技术方案：一种四模四端口圆柱形介质谐振器分集天线，其特征是：至少包括圆柱形介质谐振器(1)、地板(2)、端口(3)、矩形缝隙(4)、探针(5)、介质板(6)和最下层的馈电网络(7)，圆柱形介质谐振器(1)为中心对称结构，它作为天线的主辐射体位于整个天线结构的最上层；地板(2)位于介质板(6)的上层，是中心刻蚀有矩形缝隙的正方形金属片，位于圆柱形介质谐振器(1)的下层，馈电网络(7)印制在介质板(6)的下表面；所述的馈电网络(7)由第一威尔金森功分器(14)和第二威尔金森功分器(15)组成，在第一威尔金森功分器(14)和第二威尔金森功分器(15)相交处通过金属化过孔(12)与位于介质板(6)上层的金属连通；所述的端口(3)有四个，分别是第一端口(8)、第二端口(9)、第三端口(10)和第四端口(11)；第一端口(8)的矩形法兰盘焊接在介质板(6)的上层地板(2)上，x方向的第一威尔金森功分器(14)输入端与探针(5)焊接；第二端口(9)的矩形法兰盘焊接在介质板(6)的上层地板(2)上，y方向的第二威尔金森功分器(15)输入端也与探针焊接；第三端口(10)的矩形法兰盘焊接在介质板(6)的下层金属焊盘上，该焊盘通过金属化过孔与地板(2)连接；探针(5)包括：b1探针和b2探针，两个探针在位于圆柱形介质谐振器(1)下端的四个矩形缝隙(4)对角线位置，b1探针伸出介质板(6)紧靠圆柱形介质谐振器(1)；第四端口(11)的矩形法兰盘也是焊接在介质板(6)的下层金属焊盘上，该焊盘通过金属化过孔与地板(2)连接，b2探针伸出介质板(6)紧靠圆柱形介质谐振器(1)；通过调节第一威尔金森功分器(14)和第二威尔金森功分器(15)中的末端三角形的角度和长度以及介质板(6)上层的四
个矩形缝隙(4)长度分别对端口(3)的第一端口(8)的hem
x12δ+1
和第二端口(9)的hem
y12δ+1
模式的匹配进行调整；通过调节b1探针和b2探针的高度可以分别对端口(3)的第三端口(10)的hem
121δ
和第四端口(11)的hem
221δ
模式的匹配进行调整。
6.所述的地板(2)上的四个矩形缝隙(4)位于圆柱形介质谐振器(1)下侧，介质板(6)的上层，四个矩形缝隙分别是a1矩形缝隙、a2矩形缝隙、a3矩形缝隙和a4矩形缝隙，a1矩形缝隙、a2矩形缝隙、a3矩形缝隙和a4矩形缝隙呈中心对称分布。
7.所述的金属化过孔(12)有四个，四个金属化过孔(12)分别连第二通威尔金森功分器(15)和介质板(6)上层的地板(2)的一条飞线，所述的第二威尔金森功分器(15)的两个臂利用四个金属化过孔(12)实现与第一威尔金森功分器(14)的共存。
8.所述的介质板(6)是rogers 4003板材，圆柱形介质谐振器(1)利用介电常数为9.5的陶瓷材料制成；所述的天线介质板(6)为双面的pcb板，下层是由第一威尔金森功分器(14)和第二威尔金森功分器(15)组成的馈电网络(7)，上层为刻蚀有矩形缝隙的正方形金属地板(2)；天线的主辐射体是圆柱形介质谐振器(1)。
9.所述的圆柱形介质谐振器(1)半径是24.5mm，高度是33.5mm。
10.所述的介质板(6)为正方形，边长是63.5mm，厚度为1.524mm；天线地板(2)也是正方形，边长是63.5mm。
11.所述的第一端口(8)的法兰盘焊接在介质板(6)上层的地板(2)上，同轴内芯与第一威尔金森功分器(14)输入端焊接；第二端口(9)的法兰盘焊接在介质板(6)上层的地板(2)上，同轴内芯与第二威尔金森功分器(15)输入端焊接；第三端口(10)和第四端口(11)的法兰盘与位于介质板(6)下层的焊盘焊接，焊盘与地板(2)通过金属化过孔连接，b1探针和b2探针与圆柱形介质谐振器紧密贴合。
12.所述的探针(5)超出介质板(6)的长度18.5mm；两个探针(5)与整个天线的中心构成的圆心角，圆心角为180
°
。
13.所述的第一威尔金森功分器(14)和第二威尔金森功分器(15)由微带线和贴片电阻(13)构成，两个贴片电阻(13)均采用0805封装的100ω电阻，第一威尔金森功分器(14)和第二威尔金森功分器(15)尺寸一致，第一威尔金森功分器(14)和第二威尔金森功分器(15)输入端微带线的宽度3.2mm，圆环处微带线宽度是1.6mm，输出端两个臂微带线宽度均为3.2mm，两个贴片电阻(13)位于第一威尔金森功分器(14)和第二威尔金森功分器(15)圆环处微带线宽度1.6mm处。
14.所述的端口中的反射系数小于
‑
10db，天线在2.4
–
2.48ghz范围内四个端口的任意两个端口之间的隔离度大于16db；第一端口(8)和第二端口(9)的增益在4dbi左右，第三端口(10)和第四端口(11)增益在5.5dbi左右，四个端口在工作频带内增益波动小于1db；第一端口(8)和第二端口(9)的天线辐射效率在88％左右，第三端口(10)和第四端口(11)的天线辐射效率在95％左右,四个端口在工作频带内辐射效率波动小于5％。
15.本发明所公开的天线，圆柱形介质谐振器为中心对称结构，四个矩形缝隙构成的馈电结构也呈中心对称分布，这种结构可以保证天线辐射方向图和其相位中心的对称性和稳定性。
16.本发明所公开的天线具有结构紧凑简单、多端口、多模式、方向图分集、高辐射效率、稳定的增益和方向图等优点，适合应用于无线通信领域，所述的无线通信包括但不限于
卫星通信和无线局域网。
17.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例对本发明进行进一步详细说明。
附图说明
18.图1是本发明实施例1所公开天线的立体结构示意图；
19.图2是本发明实施例1所公开天线的侧视结构示意图；
20.图3是本发明实施例1所公开天线介质板的底视结构示意图；
21.图4是本发明实施例1所公开天线介质板的俯视结构示意图；
22.图5是本发明实施例1所公开天线各个端口的反射系数数据图；
23.图6是本发明实施例1所公开天线任意两个端口之间的端口隔离度数据图；
24.图7是本发明实施例1所公开天线的辐射方向图。
25.图8是本发明实施例1所公开天线的增益数据图。
26.图9是本发明实施例1所公开天线的辐射效率数据图。
27.图中，1、圆柱形介质谐振器；2、地板；3、端口；4、矩形缝隙；5、探针；6、介质板；7、馈电网络；8、第一端口；9、第二端口；10、第三端口；11、第四端口；12、金属化过孔；13、贴片电阻；14、第一威尔金森功分器；15、第二威尔金森功分器。
具体实施方式
28.应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
29.如图1、图2、图3和图4所示，一种四模四端口圆柱形介质谐振器分集天线，其特征是：至少包括圆柱形介质谐振器1、地板2、端口3、矩形缝隙4、探针5、介质板6和最下层的馈电网络7，圆柱形介质谐振器1为中心对称结构，它作为天线的主辐射体位于整个天线结构的最上层；地板2位于介质板6的上层，是中心刻蚀有矩形缝隙的正方形金属片，位于圆柱形介质谐振器1的下层，馈电网络7印制在介质板6的下表面；所述的馈电网络7由第一威尔金森功分器14和第二威尔金森功分器15组成，在第一威尔金森功分器14和第二威尔金森功分器15相交处通过金属化过孔12与位于介质板6上层的金属连通；所述的端口3有四个，分别是第一端口8、第二端口9、第三端口10和第四端口11；第一端口8的矩形法兰盘焊接在介质板6的上层地板2上，x方向的第一威尔金森功分器14输入端与探针5焊接；第二端口9的矩形法兰盘焊接在介质板6的上层地板2上，y方向的第二威尔金森功分器15输入端也与探针焊接；第三端口10的矩形法兰盘焊接在介质板6的下层金属焊盘上，该焊盘通过金属化过孔与地板2连接；探针5包括：b1探针和b2探针，两个探针在位于圆柱形介质谐振器1下端的四个矩形缝隙4对角线位置，探针b1伸出介质板6紧靠圆柱形介质谐振器1；第四端口11的矩形法兰盘也是焊接在介质板6的下层金属焊盘上，该焊盘通过金属化过孔与地板2连接，探针b2伸出介质板6紧靠圆柱形介质谐振器1；通过调节第一威尔金森功分器14和第二威尔金森功分器15中的末端三角形的角度和长度以及介质板6上层的四个矩形缝隙4长度分别对端口3的第一端口8的hem
x12δ+1
和第二端口9的hem
y12δ+1
模式的匹配进行调整；通过调节b1探针和b2探针的高度可以分别对端口3的第三端口10的hem
121δ
和第四端口11的hem
221δ
模式的匹配进行调整。
30.所述的地板2上的四个缝隙4位于圆柱形介质谐振器1下侧，介质板6的上层，四个矩形缝隙分别是a1矩形缝隙、a2矩形缝隙、a3矩形缝隙和a4矩形缝隙，a1矩形缝隙、a2矩形缝隙、a3矩形缝隙和a4矩形缝隙呈中心对称分布。
31.如图3所示，所述的金属化过孔12有四个，四个金属化过孔12分别连第二通威尔金森功分器15和介质板6上层的地板2的一条飞线，所述的第二威尔金森功分器15的两个臂利用四个金属化过孔12实现与第一威尔金森功分器14的共存。
32.所述的介质板6是rogers 4003板材，圆柱形介质谐振器1利用介电常数为9.5的陶瓷材料制成。
33.所述的天线介质板6为双面的pcb板，下层是由第一威尔金森功分器14和第二威尔金森功分器15组成的馈电网络7，上层为刻蚀有矩形缝隙的正方形金属地板2；天线的主辐射体是圆柱形介质谐振器1。
34.圆柱形介质谐振器1半径是24.5mm，高度是33.5mm。
35.所述的介质板6为正方形，边长是63.5mm，厚度为1.524mm。
36.天线地板2也是正方形，边长是63.5mm。
37.第一端口8的法兰盘焊接在介质板6上层的地板2上，同轴内芯与第一威尔金森功分器14输入端焊接；第二端口9的法兰盘焊接在介质板6上层的地板2上，同轴内芯与第二威尔金森功分器15输入端焊接；第三端口10和第四端口11的法兰盘与位于介质板6下层的焊盘焊接，焊盘与地板2通过金属化过孔连接，b1探针和b2探针与圆柱形介质谐振器紧密贴合，不留空隙；探针5超出介质板6的长度18.5mm；两个探针5与整个天线的中心构成的圆心角，圆心角为180
°
。
38.如图3所示，所述的第一威尔金森功分器14和第二威尔金森功分器15由微带线和贴片电阻13构成，两个贴片电阻13均采用0805封装的100ω电阻，第一威尔金森功分器14和第二威尔金森功分器15尺寸一致，第一威尔金森功分器14和第二威尔金森功分器15输入端微带线的宽度3.2mm，圆环处微带线宽度是1.6mm，输出端两个臂微带线宽度均为3.2mm，两个贴片电阻13位于第一威尔金森功分器14和第二威尔金森功分器15圆环处微带线宽度1.6mm处。
39.本发明天线不同端口之间的隔离度通过不同的原理实现。首先，第一端口8和第二端口9即两个简并的hem
12δ+1
模式之间的隔离度通过馈电结构的正交性保证，第一威尔金森功分器14和第二威尔金森功分器15分别位于x极化方向和y极化方向，与第一威尔金森功分器14相对应的a2矩形缝隙、a4矩形缝隙长边位于y极化方向，与第二威尔金森功分器15相对应的a1矩形缝隙、a3矩形缝隙长边位于x极化方向；其次，第三端口10和第四端口11即两个简并的hem
21δ
模式之间的隔离度通过探针5位于模式场零点保证，原本hem
21δ
模式电场零点与最大值之间构成的圆心角为135
°
，但是由于另一模式的馈电结构的影响导致两个探针5与坐标原点之间构成的圆心角取为180
°
时是最优结果；最后，hem
12δ+1
和hem
21δ
模式两个模式族之间的隔离度是由特征模理论提供基础的，同时在馈电结构上分别选用缝隙和探针保证了两个模式族之间隔离度的实现。
40.本发明天线的第一端口8、第二端口9激励时都可以产生定向的辐射方向图，第三端口10、第四端口11激励时可以产生水平全向的辐射方向图，实现了方向图分集。此外第三端口10和第四端口11比第一端口8、第二端口9的增益要略高一些。
41.如图1所示，第一端口8、第二端口9的法兰盘分别焊接在位于介质板6的地板2上，保证其接地，其内导体与位于介质板6下层的威尔金森功分器输入端连接，第三端口10、第四端口11的矩形法兰盘与介质板3下层的焊盘焊接到一起，内导体伸出作为探针5紧靠圆柱形介质谐振器1，两个端口的相对位置影响第三端口10与第四端口11之间的隔离度。地板2的尺寸会对辐射方向图和增益产生影响。
42.综上所述，通过对圆柱形介质谐振器1的半径和高度、矩形缝隙4的尺寸、两个同轴探针5的高度和相对位置以及介质板材进行调整和优化配置，可使天线四个端口的四个模式工作在同一频带、各个模式之间的隔离度提高、包络相关系数降低，增益和辐射效率等远场辐射特性稳定。
43.图5是本发明所公开天线各个端口的反射系数参数曲线，该天线可工作的带宽为2.36
–
2.52ghz，反射系数小于
‑
10db。
44.图6是本发明实施例1所公开天线任意两个端口之间的端口隔离度参数曲线，该天线在2.4
–
2.48ghz范围内四个端口的任意两个端口之间的隔离度大于16db。
45.图7是本发明实施例1所公开天线的辐射方向图，该天线在工作频带2.36
–
2.52ghz内，第一端口8和第二端口9可以天顶方向的定向辐射，第三端口10和第四端口11实现在θ＝45
°
平面内全向辐射。
46.图8是发明实施例1所公开天线的增益参数曲线，第一端口8和第二端口9在工作频带内增益在4dbi左右，第三端口10和第四端口11增益在5.5dbi左右，四个端口在工作频带内增益波动小于1db。
47.图9是发明实施例1所公开天线的辐射效率参数曲线，第一端口8和第二端口9的天线辐射效率在88％左右，第三端口10和第四端口11的天线辐射效率在95％左右,四个端口在工作频带内辐射效率波动小于5％。
48.第一端口8和第二端口9的法兰盘焊接在介质板6上层的地板2上，同轴内芯与威尔金森功分器输入端焊接；第三端口10和第四端口11同轴的法兰盘与位于介质板6下层的焊盘焊接，探针5与圆柱形介质谐振器紧密贴合，不留空隙；探针5超出介质板6的长度是18.5mm；两个探针5与整个天线的中心构成的圆心角为180
°
；探针5长度的调节可以调整第三端口10和第四端口11的匹配；圆心角的大小可以调节两个端口之间的隔离度。第一端口8和第二端口9馈电可以激励圆柱形介质谐振器两个简并极化正交的hem
12δ+1
模式，具有定向的辐射方向图；第三端口10和第四端口11激励两个简并的高阶hem
21δ
模式，两个模式的辐射方向图都是水平全向。
49.所述的第一威尔金森功分器14和第二威尔金森功分器15的尖端和位于地板2上四个矩形缝隙的尺寸可以调节天线第一端口8和第二端口9的输入阻抗和匹配。
50.本发明实施例没有详细叙述的部件和结构属本行业的公知部件和常用结构或常用手段，这里不一一叙述。