CN106410379B - 一种天线 - Google Patents

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CN106410379B CN201610403157.8A CN201610403157A CN106410379B CN 106410379 B CN106410379 B CN 106410379B CN 201610403157 A CN201610403157 A CN 201610403157A CN 106410379 B CN106410379 B CN 106410379B
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Abstract

一种天线，包括介质谐振器，所述介质谐振器和接地层耦合，所述接地层位于介质基板上,所述介质基板具有位于接地层上的槽结构；以及单极子，所述单极子基本上由所述介质谐振器环绕，其中,当所述单极子、所述介质谐振器以及所述槽结构被电信号激励时，所述单极子、所述介质谐振器以及所述槽结构的组合设置为以基本上单向性的方式辐射与所述电信号相关的电磁信号。

Description

一种天线
技术领域
本发明涉及一种用于通信***的天线，但非仅限于涉及用于通信***的具有侧向辐射的单向环状介质谐振器天线。
背景技术
在无线电通信***中，信息转换为无线电信号以电磁波或者辐射的形式传送。这些电磁信号进一步被合适的天线传送和/或接收。
当需要在所需方向集中辐射之时，人们使用单向天线。在一些诸如办公室和家庭WIFI路由器的应用中，天线经常放在远离房间中心的位置，例如墙边。在这种情况下，具有侧向辐射图的单向天线优于具有垂直辐射图的天线。常规的侧向的单向天线需要较大的接地层或者空腔。人们希望减小天线的尺寸,以将天线放在更加紧凑的设备中,并且减少天线的可见度。
发明内容
根据本发明的第一个方面，本发明提供了一种天线，包括介质谐振器，所述介质谐振器和接地层耦合，所述接地层设置于介质基板上，所述介质基板具有位于接地层上的槽结构，以及单极子，所述单极子基本上由所述介质谐振器环绕；其中,当所述单极子，所述介质谐振器以及所述槽结构被电信号激励时，所述单极子、所述介质谐振器以及所述槽结构的组合设置为以基本上单向性的方式辐射与所述电信号相关的电磁信号。
在第一方面的一个实施例中，所述单极子、所述介质谐振器以及所述槽结构的组合形成多个偶极子，所述多个偶极子设置为辐射所述电磁信号。
在第一方面的一个实施例中，所述辐射的电磁信号有互补的辐射图。
在第一方面的一个实施例中，在第一方向上的所述互补的辐射图由多个偶极子所构成的多个电磁辐射元件的叠加效果定义。
在第一方面的一个实施例中，在与所述第一方向相反的第二方向上的所述互补的辐射图由多个偶极子所构成的多个电磁辐射元件的抵消效果定义。
在第一方面的一个实施例中，所述多个偶极子包括磁偶极子以及垂直于磁偶极子的电偶极子。
在第一方面的一个实施例中，所述多个偶极子包括水平磁偶极子以及竖直电偶极子。
在第一方面的一个实施例中，所述电磁信号基本上沿着与所述接地层平行的所述第一方向辐射。
在第一方面的一个实施例中，所述磁偶极子由所述介质谐振器和所述槽结构的组合定义。
在第一方面的一个实施例中，所述磁偶极子根据所述介质谐振器的HEM11δ+2模式和所述槽结构的槽天线模式设置为构成多个电磁辐射元件中的至少一个。
在第一方面的一个实施例中，所述电偶极子由单极子定义。
在第一方面的一个实施例中，所述电偶极子设置为构成多个电磁辐射元件中的至少一个。
在第一方面的一个实施例中，所述介质谐振器包括沿着所述介质谐振器的中心轴线的空腔。
在第一方面的一个实施例中，所述单极子基本上被介质谐振器包围在沿着中心轴线的空腔内。
在第一方面的一个实施例中，所述中心轴线正交于所述接地层。
在第一方面的一个实施例中，所述槽结构基本上正交于所述中心轴线。
在第一方面的一个实施例中，所述槽结构基本上是细长的并且垂直于位于所述接地层的纵向轴线。
在第一方面的一个实施例中，所述槽结构基本上沿着所述纵向轴线从所述接地层的中心点偏移。
在第一方面的一个实施例中，还包括所述介质基板上的微带传输线，所述微带传输线与所述接地层位于所述介质基板的相对侧。
在第一方面的一个实施例中，所述微带传输线和所述单极子电气性连接。
在第一方面的一个实施例中，所述微带传输线设置为与位于所述介质基板上的所述槽结构至少部分地重叠。
在第一方面的一个实施例中，所述微带传输线设置为馈电所述槽结构。
在第一方面的一个实施例中，还包括沿着所述微带传输线位于远离所述槽结构介质基板的边缘的连接器。
在第一方面的一个实施例中，所述中心轴线位于所述微带传输线与所述槽结构重叠处。
在第一方面的一个实施例中，所述介质谐振器为圆柱环状介质谐振器。
在第一方面的一个实施例中，所述单极子为锥形单极子，倒锥形单极子，圆柱形单极子或梯级单极子。
在第一方面的一个实施例中，所述槽结构被蚀刻在接地层上。
根据本发明的第二方面，本发明还提供了一种天线阵列，所述天线阵列包括根据第一方面所述的多个天线。
附图说明
现在将通过示例参照下述附图对本发明的实施例进行详细描述,其中：
图1是根据本发明一个实施例的天线立体图；
图2是图1所示天线的侧面图；
图3是图1所示天线的俯视图；
图4是图1所示天线的仰视图；
图5是图1所示天线没有介质谐振器的全视图；
图6是示出图1所示天线的测量和仿真的反射系数的曲线图；
图7是示出图1所示天线的测量和仿真的辐射图在3.3GHz工作的曲线图；
图8是示出图1所示天线的测量和仿真的辐射图在3.5GHz工作的曲线图；
图9是示出图1所示天线的测量和仿真的辐射图在3.7GHz工作的曲线图；
图10是示出图1所示天线的测量和仿真的增益的曲线图；以及
图11是示出图1所示天线的测量的效率曲线图。
具体实施方式
参见图1-5，示出天线100包括介质谐振器102，所述介质谐振器102和接地层104耦合，所述接地层104位于介质基板106之上，所述介质基板106具有位于所述接地层104上的槽结构108，以及单极子110，所述单极子110基本上由所述介质谐振器102环绕；其中当所述单极子110、所述介质谐振器102以及所述槽结构108被电信号激励时，所述单极子110、所述介质谐振器102以及所述槽结构108的组合设置为以基本上单向性的方式辐射与所述电信号相关的电磁信号。
在这个实施例中，所述介质谐振器102为圆柱环状介质谐振器，所述圆柱环状介质谐振器里面包含一个空腔112。所述介质谐振器102可由如但不限于陶瓷或金属氧化物的介电材料构成。所述介质谐振器102位于所述介质基板106上，所述介质基板106包括一种具有一定厚度的矩形介电材料。设置一层金属在介质基板106的一侧上，以形成所述天线100的接地层104，并且所述介质谐振器102耦合于其上具有接地层104的所述介质基板106的那一侧上。
参见图1-3，所述介质谐振器102以及所述空腔112沿着中心轴线设置，所述中心轴线优选为单个中心轴线。所述中心轴线基本上正交于所述接地层104和/或所述介质基板106，这样所述圆柱环状介质谐振器102主要垂直设置于所述介质基板106上。
在一些实施例中，所述介质谐振器102和/或所述介质基板106可以为其他形状和尺寸。
所述天线100还包括单极子110，所述单极子110基本上被所述环状介质谐振器102环绕。如附图所示，所述单极子110在所述空腔112内被环绕，所述空腔112由所述环状介质谐振器102定义。所述单极子110是一种导电体(诸如金属棒)，所述导电体设置成接收电信号以及当受到激励时辐射电磁信号。优选地，所述单极子110是一种倒锥形单极子，所述倒锥形单极子所具有的更窄的一端附连于所述介质基板106。可选地，所述单极子110可为锥形单极子，圆柱形单极子或者梯级单极子，或者本领域技术人员熟知的其他形状。
所述天线100还包括槽结构108，所述槽结构108位于所述介质基板106上。在这个实施例中，所述槽结构108基本上是细长的并且位于所述接地层104上，形成所述接地层104的金属层的金属材料在所述槽结构108的该位置内不存在。所述槽结构108可蚀刻在所述接地层104上或者通过本领域技术人员熟知的任何一种方法形成在所述介质基板106上。
此外，所述天线100包括位于所述介质基板106上的微带传输线114。所述微带传输线114位于所述接地层104的对面。优选地，所述微带传输线114是一种薄带导体(诸如金属)，所述薄带导体设置为馈电所述槽结构108，因此所述微带传输线114在所述介质基板106的相对侧至少部分地与所述槽结构108重叠。所述微带传输线114以及所述槽结构108的组合可认为是位于所述天线100内的槽天线结构，并且所述微带传输线114设置为馈电所述槽结构108。
优选地，所述微带传输线114和所述单极子110电气性连接。参见附图4，所述单极子110穿过所述介质基板106焊接到所述微带传输线114。因此，当所述微带传输线114馈电所述槽结构108时，电信号也提供到所述单极子110。
参见附图2和附图3，所述圆柱环状介质谐振器102包括内部半径b，外部半径a，高度H以及介电常数εr。根据不同的要求或者应用，可选择具有不同介电常数εr的不同介电材料构成所述介质谐振器102。所述的圆柱环状介质谐振器102位于一个所述具有介电常数为εrs，厚度是hs矩形介质基板106的所述接地层104上。所述介质基板106的边长分别是Ga和Gb(Ga≠Gb)，其中Gb＝Gb1+Gb2。类似地，根据不同的要求或者应用，可选择具有不同介电常数εrs的不同介电材料构成所述介质基板106。
具有长是L，宽是W的所述槽结构108形成在接地层104上。在所述介质基板106的另一侧上，一个长为Ls,宽为Wf的50-Ω的所述微带传输线114印刷或者成型在所述介质基板106的另一侧上，这样所述槽结构108可被所述微带传输线114馈电。
所述圆锥单极子110穿过所述介质基板106并进入所述环状介质谐振器102的所述空腔112内。如附图所示，所述单极子110具有高度h，上部直径Da以及下部直径Db。
参见如附图3中所示的俯视图，所述介质谐振器102和/或所述单极子110的中心轴线正交于所述槽结构108。优选地，中心轴线位于所述微带传输线114与所述槽结构108重叠的位置。所述槽结构108基本上是细长的并且垂直于一个纵向轴线(如附图3中所示的y轴)。因此，所述微带传输线114、所述槽结构108以及所述单极子110至少部分地彼此重叠，以及所述介质谐振器102也和所述槽结构108和/或所述微带传输线114(至少部分地)重叠。
优选地，所述天线100有个非对称的接地层104，所述接地层104Gb1≠Gb2，因此，所述槽结构108基本上沿着纵向轴线(y轴)从所述接地层104上的中心点偏移。主瓣沿-y方向，因此Gb1应该尽量小以减少因所述接地层104产生的方向图倾斜效果。在一个典型的示例中，Gb1设置为与所述介质谐振器102等同的半径a，但是Gb2仅仅比Gb1稍微大一些(诸如大2mm)。连接器116(诸如SMA连接器116)沿着所述微带传输线114设置于远离所述槽结构108(距离为Gb2)的所述介质基板106的边缘上，并且焊接在所述微带传输线114和所述接地层104上，以用来连接通信***中其他的元件。发明人通过他们自己的研究，设计了X-方向磁偶极子，所述磁偶极子分别在yz-平面(E-平面)以及xy-平面(H-平面)显示出“O”和“∞”形的辐射图，同时Z-方向电偶极子分别在yz-平面(E-平面)以及xy-平面(H-平面)显示出“∞”和“O”形的辐射图。在一个侧向上的所述互补的辐射图有叠加效果但是在相反侧向的辐射图有抵消效果。因此，可在两个辐射平面上得到具有较好的前后比率(FTBRs)的侧向单向辐射图。
在一个示例中，当所述单极子110、所述介质谐振器102以及所述槽结构108被一个电信号激励时，例如当一定量的能量提供给所述微带传输线114时，包括所述单极子110、所述介质谐振器102以及所述槽结构108的组合的所述天线100进一步设置为将所述电信号转换为电磁信号，然后以电磁波或电磁辐射的方式辐射所述电磁信号。如前所述，所述辐射图是单向的，因此所述电磁信号基本上以单向方式辐射。
优选地，所述介质谐振器102、所述槽结构108以及所述单极子110的组合定义多个偶极子，所述偶极子设置为辐射电磁信号，所述偶极子包括如前所述的磁偶极子以及电偶极子。所述磁偶极子以及所述电偶极子设置为垂直互补的磁偶极子和电偶极子，这样当所述天线100被激励时，能够获得所期望的由所述多个偶极子构成的所述电磁辐射元件的叠加和/或抵消效果。
在这个实施例中，磁偶极子由所述介质谐振器102以及所述槽结构108的组合定义。优选地，介质谐振器102的一个HEM11δ+2模式与槽结构108的所述槽天线模式的组合被用为所需的磁偶极子，以及所述磁偶极子构成所述多个电磁辐射元件中的至少一个。可选地，所述介质谐振器102的其他模式可被用来获得等效的磁偶极子。
另外，所述电偶极子由所述单极子110定义。加载所述介质谐振器的单极子110用为所需的电偶极子，这样所述的电偶极子设置为构成所述多个电磁辐射元件中的至少一个。
优选地，由所述天线100辐射的所述电磁信号可包括互补的辐射图，所述辐射图可指示从所述天线100辐射的所述电磁信号的强度或功率密度。具体地，第一方向上的所述互补辐射图由互补的磁偶极子和电偶极子构成的电磁辐射元件的叠加效果定义，但是与第一方向相对的第二方向上的所述电磁辐射图由互补的磁偶极子和电偶极子构成的电磁辐射元件的抵消效果定义。
在优选的实施例中，所述天线100包括水平的磁偶极子和竖直的电偶极子，以及当所述接地层104基本上与以上定义的所述第一方向平行时，所述电磁信号基本上沿着一个和所述接地层104平行的方向辐射。可选地，所述天线100可以设置为在三维空间里的其他方向上辐射单向电磁信号。
在其他的示例性实施例中，一种包括多个所述天线100的天线阵列可实施用来增加单向辐射电磁信号的强度，和/或引入额外的电磁信号的辐射方向。
这些实施例的优势在于所述天线包括具有相对较小接地层的互补源，这样所述天线体积小巧。它具有侧向辐射图而非垂直单向的辐射图。因此所述天线可被广泛应用于诸如办公室以及放置于远离房屋中心的家庭无线网络路由器等不同的设施。
有利地，所述天线主要由介电材料构成，因此所述天线即使在毫米波频率下也能实现极低的损耗并且取得非常高的辐射效率。另外，具有不同介电常数的介电材料可用来实现所述天线，这样设计人可以选择最适合不同应用的介电材料。
在一个示例性的实施例中，所述天线100设计为在3.5GHz的WiMax波段下工作。ANSYS HFSS用优化参数来设计介质谐振器天线(DRA)，所述优化参数为εr＝15，a＝9mm，b＝5mm，H＝35mm，Ga＝48mm,Gb1＝9mm，Gb2＝11mm,εrs＝2.33，hs＝l.57mm,W＝4.4mm,L＝12.4mm，Ls＝16.7mm，Wf＝4.66mm，Da＝7.2mm，Db＝0.6mm，以及h＝33.2mm。
在一个实验中，所述反射系数利用安捷伦科技公司的网络分析仪PNA8753测量得到，但是所述辐射图，所述天线100增益以及所述天线100效率利用Satimo StarLab***测量得到。为了抑制流向同轴电缆的外部导体上的电流，实验中要使用RF扼流圈。
参见附图6，其显示出所述天线100的测量和仿真的反射系数，所述DRA模式观测得到的测量和仿真结果之间有非常好的一致性，但是发现槽模式中存在差异(4.3％频移)。发现槽模式中存在差异主要是由所述介质谐振器102和所述接地层104之间的空气间隙导致。
在另外一个实验中，0.08mm的空气间隙引入所述仿真中并且为了便于比较，所得结果也在附图6中显示。从所述附图可以看出，测量结果与空气间隙结果的一致性比与原结果的一致性要好。测量得到的阻抗带宽为43.6％(2.78-4.33GHz)，它分别和原有的仿真结果43.0％(2.76-4.27GHz)以及新仿真的结果41.34％(2.84-4.32GHz)相一致。从附图中可得到，相对于DRA模式，空气间隙效应在槽模式上更强。
参见附图7-9，其提供了所述天线100的辐射图。得到了稳定的侧向的单向辐射图。由于所述接地层104的影响，垂直面存在一个小的倾斜角度，但是每个方位平面上都能观测到非常对称的结果。在设计的频带(3.3-3.7GHz)下，测量得到的波束宽度和FTBR分别宽于117°和高于17.75dB。
定义所述FTBR带宽为FTBR>15dB的频率范围后，则从仿真中发现FTBR带宽是15.34％(3.19-3.72GHz)。这比仿真的阻抗带宽(～43％)窄了很多，因此限制所述天线100的工作带宽。
参见附图10，其显示了测量和仿真的增益。测量得到的增益在WiMax波段内的最小值和最大值分别为3.19dBi到3.60dBi。仿真的增益在3.19dBi到3.55dBi之间变化，比测量得到的结果稍微小一些。
参见附图11，其显示了所述天线100的效率。效率跨所述WiMax波段在83.1％到95.3％之间变动。
本领域的技术人员可在不偏离如概括地描述的发明的精神或范围的情况下，可对如在具体实施例中所示的本发明进行很多变化和/或修改。因此，当前实施例在各方面可认为是示例性的而非限制性的。
本文包含所参阅的现有技术不被认为是公知常识性的知识，除非另有所指。

Claims (24)

1.一种天线，其包括介质谐振器，所述介质谐振器和接地层耦合，所述接地层位于介质基板上，所述介质基板具有位于所述接地层上的槽结构；位于所述介质基板上的微带传输线，以及单极子，所述单极子基本上由所述介质谐振器环绕；其中，当所述单极子、所述介质谐振器以及所述槽结构被电信号激励时，所述单极子、所述介质谐振器以及所述槽结构的组合被设置为以基本上单向性的方式辐射与所述电信号相关的电磁信号，其中所述微带传输线与所述接地层位于所述介质基板的相对侧，以及所述微带传输线与所述槽结构至少部分地重叠，且所述微带传输线被设置为馈电所述槽结构；以及其中所述单极子为锥形单极子、倒锥形单极子或梯级单极子。
2.根据权利要求1所述的天线，其中，所述单极子、所述介质谐振器以及所述槽结构的所述组合形成多个偶极子，所述多个偶极子设置为辐射所述电磁信号。
3.根据权利要求2所述的天线，其中，所述辐射的电磁信号具有互补的辐射图。
4.根据权利要求3所述的天线，其中，在第一方向上的所述互补的辐射图由所述多个偶极子所构成的多个电磁辐射元件的叠加效果定义。
5.根据权利要求4所述的天线，其中，在与所述第一方向相反的第二方向上的所述互补的辐射图由所述多个偶极子所构成的所述多个电磁辐射元件的抵消效果定义。
6.根据权利要求3所述的天线，其中，所述多个偶极子包括磁偶极子以及垂直于所述磁偶极子的电偶极子。
7.根据权利要求3所述的天线，其中，所述多个偶极子包括水平磁偶极子以及竖直电偶极子。
8.根据权利要求4所述的天线，其中，所述电磁信号基本上沿着与所述接地层平行的所述第一方向辐射。
9.根据权利要求6所述的天线，其中，所述磁偶极子由所述介质谐振器和所述槽结构的组合定义。
10.根据权利要求8所述的天线，其中，所述多个偶极子包括磁偶极子，所述磁偶极子根据所述介质谐振器的HEM11δ+2模式和所述槽结构的槽天线模式被设置为构成所述多个电磁辐射元件中的至少一个。
11.根据权利要求6所述的天线，其中，所述电偶极子由所述单极子定义。
12.根据权利要求11所述的天线，其中，所述电偶极子被设置为构成所述多个电磁辐射元件中的至少一个。
13.根据权利要求1所述的天线，其中，所述介质谐振器包括沿着所述介质谐振器的中心轴线的空腔。
14.根据权利要求13所述的天线，其中，所述单极子基本上被所述介质谐振器包围在沿着所述中心轴线的所述空腔内。
15.根据权利要求13所述的天线，其中，所述中心轴线正交于所述接地层。
16.根据权利要求13所述的天线，其中，所述槽结构基本上正交于所述中心轴线。
17.根据权利要求16所述的天线，其中，所述槽结构基本上是细长的并且垂直于位于所述接地层上的纵向轴线。
18.根据权利要求17所述的天线，其中，所述槽结构基本上沿着所述纵向轴线从所述接地层的中心点偏移。
19.根据权利要求1所述的天线，其中，所述微带传输线和所述单极子电气性连接。
20.根据权利要求1所述的天线，还包括沿着所述微带传输线位于远离所述槽结构的所述介质基板的边缘上的连接器。
21.根据权利要求13所述的天线，其中，所述中心轴线位于所述微带传输线与所述槽结构重叠处。
22.根据权利要求1所述的天线，其中，所述介质谐振器为圆柱环状介质谐振器。
23.根据权利要求1所述的天线，其中，所述槽结构被蚀刻在所述接地层上。
24.一种天线阵列，包括多个根据权利要求1所述的多个天线。
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