CN106058447A - 一种适用于x波段的宽带宽波束圆极化介质谐振器天线 - Google Patents

一种适用于x波段的宽带宽波束圆极化介质谐振器天线 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种适用于X波段的宽带宽波束圆极化介质谐振器天线，属于天线领域。包括正面覆盖有一层金属贴片的介质基板、设于金属贴片上的矩形介质谐振器以及设于介质基板背面的L形馈电微带线。通过在矩形介质谐振器底部四个角挖掉四个相同尺寸的矩形介质块，同时采用十字形耦合缝隙和L形微带线馈电，实现其宽带特性。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及波束宽度宽等优点。

Description

一种适用于X波段的宽带宽波束圆极化介质谐振器天线
技术领域
本发明属于天线领域，具体涉及一种适用于X波段的宽带宽波束圆极化介质谐振器天线。该天线具有很宽的阻抗带宽和轴比带宽。
背景技术
自从介质谐振器被提出用于辐射单元以来，国内外对介质谐振天线的研究受到了广泛的关注。因为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，所以具有非常高的实用价值。通常情况下，介质谐振天线的圆极化带宽非常窄，只有6％左右。随着无线通信对带宽，通信速率要求的逐步提高，研究具有宽带圆极化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。
目前，国内外关于宽带圆极化介质谐振天线的研究取得了一些有意义的成果。通常有两种方法利用介质谐振器天线实现圆极化，一是采用单馈电技术，二是采用馈电网络组成的双馈电技术。在《IEEE Transactions On Antennas And Propagation》1999年第47卷7期论文“Cross-Slot-Coupled Microstrip Antenna and Dielectric ResonatorAntenna for Circular Polarization”中采用了非等长的交叉缝隙通过微带线馈电实现圆极化，该结构非常简单，但其轴比带宽只有3.91％。在《IEEE Microwave And WirelessComponents Letters》2006年第16卷8期论文“Offset Cross-Slot-Coupled DielectricResonator Antenna for Circular Polarization”中，同样采用了非等长的交叉缝隙通过微带线偏馈实现圆极化，该方式对圆极化带宽有所提高，达到6.3％，但其轴比带宽仍比较窄。在《Microwave and Optical Technology Letters》2010年第52卷12期论文“CompactWideband Circularly Polarized Rectangular Dielectric Resonator Antenna WithDual Underlaid Hybrid Couplers”中，采用了馈电网络实行双馈电技术，介质谐振器天线的轴比带宽得到较大的提升，但极其复杂的馈电网络使天线的宽带优势打了折扣。
发明内容
本发明提出了一种适用于X波段的宽带宽波束圆极化介质谐振器天线，通过在矩形介质谐振器底部四个角挖掉四个相同尺寸的矩形介质块，同时采用十字形耦合缝隙和L形微带线馈电，以实现其宽带特性。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及波束宽度宽等优点。
本发明采用的技术方案如下：
一种适用于X波段的宽带宽波束圆极化介质谐振器天线，包括正面覆盖有一层金属贴片的介质基板、设于金属贴片上的矩形介质谐振器以及设于介质基板背面的L形馈电微带线，其特征在于：介质谐振器底部的四个角挖有四个尺寸相同的矩形缺口；
所述金属贴片中心刻蚀有十字形耦合缝隙，其边与介质谐振器相对应的边平行；
所述的L形馈电微带线与十字形缝隙的几何中心偏离，其馈电端口位于介质基板的边沿，并且经过十字形缝隙的一条缝隙到达另一条缝隙的路径长度满足使十字形缝隙的两个耦合枝节产生90度相位差的长度。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)介质谐振器底部通过四个矩形缺口所形成的十字形结构与耦合缝隙的十字形结构相重合，耦合到谐振器的能量更加集中，耦合的电场在物理上形成90度正交。
(2)采用十字形缝隙加L形微带线的馈电方式，极大地拓宽了天线的阻抗带宽。
(3)介质谐振器底部的十字形结构使圆极化正交模式更易于激励，提高了天线的3dB轴比带宽。
(4)介质谐振器底部的十字形结构使电场更多地聚集在其边缘，对增加天线的波束宽度有非常明显的效果。
(5)十字形缝隙通过L形微带线馈电，除了激励起介质本身的基模外，还能激励起两个额外的模式，以增加天线的阻抗带宽。
(6)采用L形馈电微带线在两个缝隙处产生90度相位差，相较于传统的通过调整缝隙长度而产生90度相位差而言，该方案在后续的调节中具有更大的灵活性。
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为本发明实施例的轴比带宽图；
图6为本发明实施例的天线四个不同频点的远场圆极化辐射方向图，其中图6(a)为天线在9.3GHz的辐射方向图，图6(b)为天线在9.6GHz的辐射方向图，图6(c)为天线在9.9GHz的辐射方向图，图6(d)为天线在10.2GHz的辐射方向图，左侧为天线在xoz面的辐射方向图，右侧为天线在yoz面的辐射方向图；图中实线代表LHCP，虚线代表RHCP。
附图标号说明：1介质谐振器；2耦合缝隙；3L形馈电微带线；4矩形缺口；5馈电端口；6金属贴片；7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一种适用于X波段的宽带宽波束圆极化介质谐振器天线作进一步详述。
如图1、2所示，适用于X波段的宽带宽波束圆极化介质谐振器天线包括：正面覆盖有一层金属贴片的正方形介质基板、设于金属贴片上的矩形介质谐振器以及设于介质基板背面的L形馈电微带线；其中介质基板尺寸为100mm×100mm×0.5mm，选择的是相对介电常数为3.5，损耗角正切为0.0018的Taconic RF-35；介质谐振器(材料)的长与宽的尺寸相同，为6.8mm×6.8mm，高度为6.2mm，选择的是相对介电常数为9.2，损耗角正切为0.0022的RogersTMM10，介质谐振器底部的四个角挖有四个长×宽×高均为2.1mm×2.1mm×1.1mm的矩形缺口。
金属贴片中心刻蚀有十字形耦合缝隙，其中Ls1长度为5mm、线宽为0.9mm，Ls2长度为5.1mm、线宽为0.8mm，十字形缝隙的中心对称点与介质块的中心对称点重合。
L形馈电微带线经过十字形缝隙的一条缝隙到达另一条缝隙的路径长度满足介质基板介电常数为3.5、厚度为0.5mm、中心频率为10GHz情况下产生90度相位差所需的微带线长度，其中Lf1长度为6mm、线宽为1.1mm，Lf2长度为50.9mm、线宽为1.1mm，其与十字形缝隙中心点的距离sp2为0.95mm。
本发明通过L形馈电微带线对天线进行馈电，能量从馈电端口经微带线通过耦合缝隙耦合到介质谐振器内，引起介质谐振器的谐振，从而向外辐射电磁波。
本发明通过在介质块底部四角挖掉四个同尺寸介质块来增加天线阻抗带宽和轴比带宽，介质块底部的十字形结构及十字形耦合缝隙易于正交模式的产生。
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：8.9-11.6GHz，相对带宽为：26.3％，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，天线增益保持在2.9dBi-6dBi，该天线增益范围能保证天线正常工作。天线增益最大值为6dBi，出现在介质天线尺寸对应的谐振点附近。
图5为本实例的轴比带宽仿真结果，由图可知，天线圆极化轴比带宽(<3dB)范围为：9.16-10.69GHz，相对带宽为：15.4％，因此，该天线具有很宽的3dB轴比带宽。
图6为本实例天线在四个不同频点的远场圆极化辐射方向图，由图可知，天线的主极化方向为LHCP(Left-Hand Circular Polarization)。在四个不同的频点9.3GHz、9.6GHz、9.9GHz、10.2GHz处，天线的主极化(LHCP)要比交叉极化(RHCP<Right-HandCircular Polarization>)高20dB左右，具有良好的圆极化辐射特性。并且在四个不同的频点处，天线的波束宽度均可达到±50°左右，且方向图稳定。
综上所述，本发明天线的性能指标均能满足实际的使用需求，具有非常强的实用价值。

Claims (1)

1.一种适用于X波段的宽带宽波束圆极化介质谐振器天线，包括正面覆盖有一层金属贴片的介质基板、设于金属贴片上的矩形介质谐振器以及设于介质基板背面的L形馈电微带线，其特征在于：介质谐振器底部的四个角挖有四个尺寸相同的矩形缺口；
所述金属贴片中心刻蚀有十字形耦合缝隙，其边与介质谐振器相对应的边平行；
所述的L形馈电微带线与十字形缝隙的几何中心偏离，其馈电端口位于介质基板的边沿，并且经过十字形缝隙的一条缝隙到达另一条缝隙的路径长度满足使十字形缝隙的两个耦合枝节产生90度相位差的长度。
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