CN105680160B - 二单元宽带介质谐振器天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种二单元宽带介质谐振器天线，属于天线领域。本发明天线包括介质基板、设于基板正面的覆铜面及两个圆柱形介质谐振器、设于基板背面的馈电网络。其特点是设置两个介质谐振器，并且对两个谐振器采用不同的馈电结构，使其实现宽带特性，该天线具有宽频带、低剖面、易于加工、工作频带内方向图稳定性高等优点。

Description

二单元宽带介质谐振器天线
技术领域
本发明属于天线领域，具体涉及覆盖国内2G/3G/LTE通信工作频段的一种二单元宽带介质谐振器天线。
背景技术
介质谐振天线具有体积小、重量轻、损耗低、易于激励、无表面波激励等优点，具有非常高的实用价值。因此自从介质谐振器被提出用于辐射单元以来，对介质谐振天线的研究受到了国内外广泛的关注。通常情况下，介质谐振天线的带宽非常窄，只有10％左右。随着无线通信对带宽，通信速率要求的逐步提高，研究具有宽带特性的介质谐振天线，对无线通信的发展具有非常实际的意义。在国内通信***中，2G(1710–1920MHz)，3G(1880–2170MHz)and LTE(2300–2400MHz and 2570–2690MHz)通信带宽的拓展增加了对宽带天线的需求。
目前，国内外关于宽带介质谐振天线的研究取得了一些有意义的成果。实现宽带的方法主要包括采用多层介质结构，在介质块中加入谐振空腔，采用特殊谐振结构等。例如，在《IET Microwave Antennas Propagation》2007年第1卷第5期论文“Compactwideband multi-layer cylindrical dielectric resonator antennas”中，采用多层介质叠加的方式增加天线带宽，但通过探针馈电，降低了制造的精度，在探针与介质间，引入了空气缝隙，容易使实物测试结果与仿真结果误差增加。在《IEEE Antennas And WirelessPropagation Letters》2007年第6卷论文“Broadband Dielectric Resonator AntennaWith an Offset Well”中，通过在介质谐振天线中挖出一个偏离结构中心的空腔，降低谐振器的Q值，从而提高谐振带宽，但该方法因为馈电点和空腔与天线几何结构中心偏离，导致远场辐射方向图不对称，影响天线使用效果。在《IEEE Transactions On Antennas AndPropagation》2013年第61卷第3期论文“Stacked Conical Ring Dielectric ResonatorAntenna Excited by a Monopole for Improved Ultrawide Bandwidth”中，将单极子天线与圆锥形介质谐振天线组合起来，形成超宽带的天线结构，虽然天线带宽达到了超宽带的水平，但其结构的不稳定性使其难于加工制作。在《IEEE Antennas And WirelessPropagation Letters》2014年第13卷论文“Aperture-Coupled Asymmetric DielectricResonators Antenna for Wideband Applications”中，两个圆柱介质谐振天线非对称地放置在一个矩形缝隙两侧，该天线结构虽然实现了宽带，但其带宽只有29％。
发明内容
本发明提出了一种二单元宽带介质谐振器天线，其特点是设置两个介质谐振器，并且对两个谐振器采用不同的馈电结构，使其实现宽带特性。该天线具有宽频带、低剖面、易于加工、工作频带内方向图稳定性高等优点。
本发明采用的技术方案如下：
一种二单元宽带介质谐振器天线，包括介质基板、设于基板正面的覆铜面及两个圆柱形介质谐振器、设于基板背面的馈电网络，其特征在于：
所述两个介质谐振器为尺寸、相对介电常数均相同的圆柱形介质谐振器；
所述覆铜面上开设有矩形耦合缝隙和阶梯耦合缝隙，两缝隙的中心分别与两介质谐振器的中心重合；
所述馈电网络包括一个输入端及两个馈电端，其输入端口位于基板的边，两个馈电端分别对两缝隙进行耦合馈电。
进一步地，所述阶梯耦合缝隙为中心对称的三阶梯耦合缝隙，其中间段宽度最窄，两端宽度最宽。
进一步地，所述馈电网络的输入端由两段线宽不同的微带线组成。
进一步地，对矩形缝隙馈电的馈电端为与缝隙正交设置的矩形微带线。
进一步地，对阶梯缝隙馈电的馈电端为线宽不同的阶梯微带线，其末段的线宽最宽，中间段线宽最窄。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)采用两个同尺寸的圆柱介质单元，通过使用不同的馈电方式，有效地实现了天线宽频带。
(2)采用双圆柱谐振器，在实现宽带的基础上有效地降低了天线的剖面。
(3)通过在金属接地板上蚀刻出耦合缝隙并采用微带线馈电方式，有效地减少了天线馈电结构的复杂性，使天线易于加工。
(4)平衡微带线的使用，使馈入两个单元的电流相位发生相差及延迟，有利于减小辐射单元同频工作时的干扰。
附图说明
图1为本发明实施例的俯视图；
图2为本发明实施例的侧视图；
图3为本发明实施例的回波损耗曲线图；
图4为本发明实施例的增益曲线图；
图5为本发明实施例的天线三个不同频点的远场方向辐射图。
附图标号说明：1、2圆柱形介质谐振器；3覆铜面；4阶梯耦合缝隙；5矩形缝隙；6阶梯微带线；7矩形微带线；8平衡微带线；9馈电端口；10介质基板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施例的一种二单元宽带介质谐振器天线作进一步详述。
如图1、2所示，二单元宽带介质谐振器天线，包括介质基板10，设于基板正面的覆铜面3及两个圆柱形介质谐振器4、5，设于基板背面的馈电网络。
介质基板10尺寸为200×200×0.73mm3，相对介电常数为2.33；覆铜面3的尺寸为200×200mm2；两圆柱形介质谐振器4、5的半径为22mm，高为20mm，相对介电常数为9.2，两个圆柱形介质谐振器之间的缝隙宽度为3mm，且关于基板的中线对称；阶梯耦合缝隙与矩形耦合缝隙的中心分别与两谐振器的中心重合，其阶梯耦合缝隙的中间段长度为8mm，线宽为3mm，与中间段连接的两段的长度为8mm，线宽为5mm，外侧两段的长度为9mm，线宽为10mm；矩形耦合缝隙的长宽为22mm×2mm。
馈电网络包括一个输入端及两个馈电端，如图所示，其中对阶梯耦合缝隙馈电的微带线馈电端尺寸为Lf11＝7mm、线宽为4mm，Lf12＝10mm、线宽为0.7mm，Lf13＝20mm、线宽为2.18mm；对矩形耦合缝隙馈电的微带线馈电端尺寸为Lf3＝39mm、线宽为2.18mm；微带馈线Lf51＝50mm、线宽为2.18mm，Lf52＝57.86mm、线宽为2.18mm，Lf53＝33.01mm、线宽为2.18mm；输入端由两段线宽不同的微带线组成，Lf54＝22mm、线宽为3.7mm，Lf55＝26.91mm、线宽为2.18mm。
本发明通过微带线对介质谐振天线进行馈电，能量从馈电端，经微带线通过耦合缝隙耦合到介质谐振器内，引起介质块的谐振，从而向外辐射电磁波。
本发明采用两个介质单元，通过不同的馈电结构，使两个单元分别覆盖低频段和高频段，同时两个单元组合作用，以此拓宽天线的工作频带。
图3为本实例的阻抗带宽仿真结果，由图可知，天线阻抗带宽(<-10dB)范围为：1.62-2.78GHz，相对带宽为：52.7％。因此，该天线具有较宽的工作带宽。
图4为本实例的增益仿真结果，由图可知，在低频段，天线增益保持在0.16dBi-2.3dBi，高频段，天线增益范围为5dBi-7.5dBi。该天线增益范围能保证天线正常工作。
图5为本实例的远场辐射方向图仿真结果，由图可知，在所选取的1.7GHz，2.2GHz，2.7GHz这三个频点上，天线的E面和H面方向图能保持一致性，在主辐射方向上，其交叉极化比主极化至少低30dB。

Claims (5)

1.一种二单元宽带介质谐振器天线，包括介质基板、设于基板正面的覆铜面及两个介质谐振器、设于基板背面的馈电网络，其特征在于：
所述两个介质谐振器为尺寸、相对介电常数均相同的圆柱形介质谐振器；
所述覆铜面上开设有矩形耦合缝隙和阶梯耦合缝隙，两缝隙的中心分别与两介质谐振器的中心重合；
所述馈电网络由金属微带线组成，包括一个输入端及两个馈电端，其输入端口位于基板的边，两个馈电端分别对两缝隙进行耦合馈电。
2.如权利要求1所述的一种二单元宽带介质谐振器天线，其特征在于：所述阶梯耦合缝隙为中心对称的三阶梯耦合缝隙，其中间段宽度最窄，两端宽度最宽。
3.如权利要求1所述的一种二单元宽带介质谐振器天线，其特征在于：所述馈电网络的输入端由两段线宽不同的微带线组成。
4.如权利要求1所述的一种二单元宽带介质谐振器天线，其特征在于：对矩形缝隙馈电的馈电端为与缝隙正交设置的矩形微带线。
5.如权利要求1所述的一种二单元宽带介质谐振器天线，其特征在于：对阶梯缝隙馈电的馈电端为线宽不同的阶梯微带线，其末段的线宽最宽，中间段线宽最窄。
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