一种宽带双频圆极化毫米波介质谐振器天线

1.本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种宽带双频圆极化毫米波介质谐振器天线。


背景技术：

2.随着通信技术的发展，毫米波频段已成为第五代通信技术的关键频段之一。而天线作为无线通信系统中的射频前端元件，起到了将高频电流信号转换为空间电磁辐射的重要作用，其工作频段也必将会拓展到毫米波频段。在毫米波频段，无线通信系统对天线提出了更高的要求，比如宽频带、多频段、低损耗和高增益等。然而，随着频率的升高，电导体天线的趋肤效应会越来越明显，欧姆损耗也会随之上升，这就导致了电导体天线的辐射效率会随着频率的升高而下降。介质谐振器天线以低损耗介电陶瓷等非导体材料为辐射体，避免了辐射体结构中的欧姆损耗。因此，介质谐振器天线可以在毫米波频段保持较高的辐射效率，从而降低了系统的功耗。但是，目前的圆极化介质谐振器天线均无法同时覆盖两个或两个以上已公布的毫米波通信频段。


技术实现要素：

3.本发明通过提供一种宽带双频圆极化毫米波介质谐振器天线，解决了现有技术中目前的圆极化介质谐振器天线均无法同时覆盖两个或两个以上已公布的毫米波通信频段的技术问题。
4.本发明提供了一种宽带双频圆极化毫米波介质谐振器天线，包括：介质基片、设置于所述介质基片背面的微带线、设置于所述介质基片正面的金属接地板及设置于所述接地板上层中心位置的介质块；所述微带线沿着所述介质基片的水平面中垂线对称分布；所述接地板完全覆盖所述介质基片；在所述接地板上有修正十字花型缝隙；所述修正十字花型缝隙包括：修正十字缝隙和花型缝隙；所述修正十字缝隙包含环形缝隙和周向分布于所述环形缝隙外侧的缝隙枝节；所述花型缝隙包含拥有扇形臂或者矩形臂的蝶型缝隙和拥有扇形臂或者矩形臂的领结形金属片；所述蝶型缝隙在所述环形缝隙的内侧；所述领结形金属片分布在所述蝶型缝隙中。
5.具体来说，所述环形缝隙为圆环形缝隙或者方环形缝隙。
6.具体来说，所述缝隙枝节为矩形缝隙枝节或者扇形缝隙枝节。
7.具体来说，所述修正十字花型缝隙还包括：弧形缝隙；所述弧形缝隙对称分布在所述缝隙枝节的外侧。
8.具体来说，所述弧形缝隙为圆弧形缝隙或者l型弧形缝隙。
9.具体来说，所述微带线包含六边形金属片和矩形金属片；所述矩形金属片同时连接于所述六边形金属片的边和所述介质基片的边；所述介质基片的边即为馈电端口。
10.具体来说，所述介质块为矩形介质块或者圆柱形介质块。
11.具体来说，所述介质块为采用热压炉烧结的介电陶瓷，且相对介电常数为5～9。
12.本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
13.修正十字花型缝隙中位于介质块正下方的修正十字缝隙可以在低频段(25ghz附近)同时激励出介质块的一对主模式——和，以产生圆极化的辐射。此外，修正十字缝隙作为辐射体可以在低频段(27.5ghz附近)产生新的圆极化辐射，此时缝隙谐振模式的电场主要集中在修正十字缝隙的环形缝隙中，而周向分布于环形缝隙外侧的缝隙枝节上的电场主要是为修正十字缝隙的缝隙谐振模式提供满足圆极化条件的相位差；由修正十字缝隙激励的和模式产生的圆极化辐射和由修正十字缝隙的缝隙辐射产生的圆极化在低频段相互融合，从而实现低频宽带圆极化辐射特性。
14.此外，修正十字花型缝隙中的花型缝隙可以在高频段(37ghz附近)同时激励出介质块的一对高次模式——和模式，从而使该介质谐振器天线在高频段(37ghz附近)产生圆极化辐射；另外，花型缝隙本身作为辐射体可以在高频段(40ghz附近)产生新的圆极化辐射，此时花型缝隙上的电场主要集中在花型缝隙的领结形金属片周围，而蝶型缝隙的作用是为花型缝隙的缝隙谐振模式提供满足圆极化条件的相位差；由花型缝隙激励的和模式产生的圆极化辐射和由花型缝隙的缝隙辐射产生的圆极化在高频段相互融合，从而实现高频宽带圆极化辐射特性。
15.综上所述，本发明首先采用修正十字花型缝隙同时激励出介质块的一对主模式和一对高次模式，实现了该介质谐振器天线的双频圆极化特性；并且利用修正十字花型缝隙自身的缝隙辐射进一步展宽了该介质谐振器天线的双频圆极化带宽，使得该介质谐振器天线具有双频宽带圆极化辐射特性，有效解决了现有技术中目前的圆极化介质谐振器天线均无法同时覆盖两个或两个以上已公布的毫米波通信频段的技术问题。
附图说明
16.图1为本发明实施例提供的宽带双频圆极化毫米波介质谐振器天线的主视图；
17.图2为本发明实施例提供的宽带双频圆极化毫米波介质谐振器天线的俯视图；
18.图3为本发明实施例提供的宽带双频圆极化毫米波介质谐振器天线的仰视图；
19.图4为本发明实施例提供的宽带双频圆极化毫米波介质谐振器天线的端口反射系数的仿真结果示意图；
20.图5为本发明实施例提供的宽带双频圆极化毫米波介质谐振器天线的定向辐射轴比的仿真结果示意图；
21.图6为本发明实施例提供的宽带双频圆极化毫米波介质谐振器天线的定向辐射增益的仿真结果示意图；
22.图7为本发明实施例提供的宽带双频圆极化毫米波介质谐振器天线的辐射效率的仿真结果示意图；
23.其中，1-介质块，2-接地板，3-介质基片，4-六边形金属片，5-矩形金属片，6-修正十字缝隙，7-花型缝隙，8-弧形缝隙，9-馈电端口。
具体实施方式
24.本发明实施例通过提供一种宽带双频圆极化毫米波介质谐振器天线，解决了现有
技术中目前的圆极化介质谐振器天线均无法同时覆盖两个或两个以上已公布的毫米波通信频段的技术问题。
25.本发明实施例中的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：
26.修正十字花型缝隙中位于介质块正下方的修正十字缝隙可以在低频段(25ghz附近)同时激励出介质块的一对主模式——和，以产生圆极化的辐射。此外，修正十字缝隙作为辐射体可以在低频段(27.5ghz附近)产生新的圆极化辐射，此时缝隙谐振模式的电场主要集中在修正十字缝隙的环形缝隙中，而周向分布于环形缝隙外侧的缝隙枝节上的电场主要是为修正十字缝隙的缝隙谐振模式提供满足圆极化条件的相位差；由修正十字缝隙激励的和模式产生的圆极化辐射和由修正十字缝隙的缝隙辐射产生的圆极化在低频段相互融合，从而实现低频宽带圆极化辐射特性。
27.此外，修正十字花型缝隙中的花型缝隙可以在高频段(37ghz附近)同时激励出介质块的一对高次模式——和模式，从而使该介质谐振器天线在高频段(37ghz附近)产生圆极化辐射；另外，花型缝隙本身作为辐射体可以在高频段(40ghz附近)产生新的圆极化辐射，此时花型缝隙上的电场主要集中在花型缝隙的领结形金属片周围，而蝶型缝隙的作用是为花型缝隙的缝隙谐振模式提供满足圆极化条件的相位差；由花型缝隙激励的和模式产生的圆极化辐射和由花型缝隙的缝隙辐射产生的圆极化在高频段相互融合，从而实现高频宽带圆极化辐射特性。
28.综上所述，本发明实施例首先采用修正十字花型缝隙同时激励出介质块的一对主模式和一对高次模式，实现了该介质谐振器天线的双频圆极化特性；并且利用修正十字花型缝隙自身的缝隙辐射进一步展宽了该介质谐振器天线的双频圆极化带宽，使得该介质谐振器天线具有双频宽带圆极化辐射特性，有效解决了现有技术中目前的圆极化介质谐振器天线均无法同时覆盖两个或两个以上已公布的毫米波通信频段的技术问题。
29.为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
30.参见图1、图2和图3，本发明实施例提供的宽带双频圆极化毫米波介质谐振器天线，包括：介质基片3、设置于介质基片3背面的微带线、设置于介质基片3正面的金属接地板2及设置于接地板2上层中心位置的介质块1；微带线沿着介质基片3的水平面中垂线对称分布；接地板2完全覆盖介质基片3；在接地板2上刻蚀有修正十字花型缝隙；修正十字花型缝隙的中心位于介质块1几何中心的正下方，修正十字花型缝隙沿着介质块1的水平截面的任意一条对角线均左右对称。修正十字花型缝隙包括：修正十字缝隙6和花型缝隙7；修正十字缝隙6包含环形缝隙和周向分布于环形缝隙外侧的缝隙枝节；花型缝隙7包含拥有扇形臂或者矩形臂的蝶型缝隙和拥有扇形臂或者矩形臂的领结形金属片；蝶型缝隙在环形缝隙的内侧；领结形金属片分布在蝶型缝隙中。具体地，修正十字缝隙6的长臂枝节长度、短臂枝节长度、圆环内半径分别为l
s1
＝0.5～1.5mm，l
s2
＝0.1～0.2mm，r1＝0.65～0.75mm；修正十字缝隙6的缝隙宽度为w
s1
＝0.15～0.25mm；花型缝隙7的扇形臂蝶型缝隙的外半径、大扇形枝节弧度角、小扇形枝节弧度角分别为r2＝0.55～0.65mm，φ2＝70～90
°
，φ1＝40～60
°
；花型缝隙7的扇形臂蝶型缝隙的内半径为r3＝0.2～0.3mm；花型缝隙7的扇形臂领结形金属片的扇形枝节弧度角为φ3＝40～60
°
；花型缝隙7的扇形臂领结形金属片的内半径为r5＝0.1～
0.2mm；花型缝隙7的扇形臂领结形金属片的外半径为r4＝0.5～0.6mm；微带线使用厚度为0.254mm的rogers 5880高频板材制备而成。
31.具体地，环形缝隙为圆环形缝隙或者方环形缝隙。缝隙枝节为矩形缝隙枝节或者扇形缝隙枝节。
32.为了辅助调节该天线的高频段圆极化辐射性能、解决修正十字花型缝隙中花型缝隙7因尺寸过小而导致的加工精度过高的问题，修正十字花型缝隙还包括：弧形缝隙8；弧形缝隙8对称分布在缝隙枝节的外侧。
33.具体地，弧形缝隙8为圆弧形缝隙或者l型弧形缝隙。弧形缝隙8的内半径、弧度角分别为r6＝1.25～1.35mm，φ4＝50～70
°
。弧形缝隙8的缝隙宽度为w
s2
＝0.05～0.15mm。
34.对微带线的结构进行具体说明，微带线包含六边形金属片4和矩形金属片5；矩形金属片5同时连接于六边形金属片4的边和介质基片3的边；介质基片3的边即为馈电端口9。六边形金属片4在沿微带线的方向上，可以看作是两个尺寸完全一样的等腰梯形金属片的组合，其中每一个等腰梯形金属片的高度、较长底边的宽度、较短底边的宽度分别为l
m2
＝1～1.5mm，w
m2
＝1.0～1.5mm，w
m1
＝0.70～0.80mm。与六边形金属片4相连的矩形金属片5的宽度为w
m1
＝0.70～0.80mm。
35.具体地，介质块1为矩形介质块或者圆柱形介质块。介质块1为采用热压炉烧结的介电陶瓷，且相对介电常数为5～9。微带线超出矩形介质块正下方中心的距离为l
m1
＝0.5～1.5mm。
36.对本发明实施例提供的宽带双频圆极化毫米波介质谐振器天线进行更进一步的说明：
37.介质块1为正方形横截面的长方体介电陶瓷块，且横截面的长、宽均为a、高度为h，并以中心轴正对的方式放置在修正十字花型缝隙正面的上方，用以辐射电磁波。陶瓷矩形介质块1的长宽高分别为a＝b＝2.5～3mm，h＝2.7～3.3mm。修正十字花型缝隙负责将输入的电磁波能量耦合到介质块1中，为介质块1提供辐射所需要的电磁波能量。微带线负责将导行电磁波引导至修正十字花型缝隙所在的位置，并对介质块天线的双频段输入阻抗进行调节。修正十字花型缝隙负责对耦合到介质块1中的电磁波进行幅度、相位的调控，使介质块1能够辐射出拥有双频圆极化特性的电磁波，修正十字花型缝隙同时还拥有自己的辐射模式，并且这些辐射模式能够与介质块1的辐射模式融合，实现双频宽带圆极化辐射特性。其中，修正十字缝隙6用于实现24.25-27.5ghz频段的圆极化辐射，花型缝隙7用于实现37-42.5ghz频段的圆极化辐射，弧形缝隙8用于辅助调节37-42.5ghz频段的圆极化特性，微带线用于调节介质块天线在24.25-27.5ghz和37-42.5ghz两个频段处的输入阻抗。
38.如图4所示，使用cst软件对本发明实施例提供的宽带双频圆极化毫米波介质谐振器天线进行全波仿真，通过调节介质块1的尺寸，使介质谐振器天线的低阶模式和高阶模式分别工作在26ghz附近和39ghz附近，并通过调节微带线的结构参数，使介质谐振器天线的端口反射系数在23.1-30.15ghz和35.4-45ghz频率范围内小于-10db，以此达到天线与端口之间阻抗匹配的要求。
39.如图5所示，使用cst软件对本发明实施例提供的宽带双频圆极化毫米波介质谐振器天线进行全波仿真，通过调节修正十字花型缝隙的结构参数，使介质谐振器天线的定向辐射轴比在24-28.5ghz和36-42.4ghz频率范围内小于3db，以此达到单向圆极化辐射的目
27.5ghz和37-42.5ghz。此外，本发明实施例提供的宽带双频圆极化毫米波介质谐振器天线还具有结构紧凑、馈电方便、介质块结构易于加工等优点，具有很好的应用价值。
50.尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
51.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。