CN111969313B - 一种基于空心介质贴片谐振器的高增益差分双极化天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于空心介质贴片谐振器的高增益差分双极化天线，包括自下而上依次层叠设置下介质基板、金属反射地板、上介质基板和介质贴片，下介质基板的下表面设有两对用于差分馈电的微带馈线，金属反射地板开设有耦合缝隙，上介质基板开设有位于介质贴片正下方的方形孔，与介质贴片融合形成空心介质贴片谐振器。本发明在介质贴片下方构造一个方形孔，以获得空心介质贴片谐振器，不仅增加了来自介质贴片谐振器侧壁的电磁辐射，以进一步提高增益，而且还使主模TM₁₀₁模式向上移动，使其靠近高次模TM₁₂₁模式，从而实现了带宽扩展。

Description

一种基于空心介质贴片谐振器的高增益差分双极化天线

技术领域

本发明涉及一种具有高增益、宽带和高隔离度的差分馈电双极化介质贴片天线，属于无线通信技术领域。

背景技术

随着无线通信技术的发展，小型化、低损耗、宽带和高增益等特性已成为天线设计的重要指标。微带贴片天线由于其剖面低，重量轻和增益相对较高的优越特性而得到了广泛的研究。为了提高信息传输速率，射频前端的载波频率逐渐升高，这使得微带贴片天线的导体损耗更加严重，辐射效率下降。为了解决这个问题，导体损耗几乎为零的介质谐振器天线受到了广泛的研究。然而，具有均匀介质的传统介质谐振器天线会同时通过顶壁和侧壁辐射，从而导致增益相对较低。

为了满足高增益的发展需求，已经广泛研究了提高介质谐振器天线增益的方法，主要可以分为三类。其中，最通用的方法是将介质谐振器天线与短喇叭集成在一起。另一种方法旨在通过使用多层堆叠的各向异性谐振器，或在介质谐振器的相对侧壁上雕刻凹槽来增加介质谐振器侧壁的辐射。此外，得益于多模式特性，将介质谐振器天线设计以高次模工作是实现增益增强的有效方法。但是，通过上述方法实现的天线大多结构复杂或剖面较高，这将成为介质谐振器天线在某些空间受限应用中的障碍。准平面介质贴片天线的出现有效解决了上述问题。一方面，得益于介质贴片谐振器的各向异性，天线的辐射主要来自侧壁，与微带贴片天线的辐射机制相似。这意味着介质贴片天线能在保持低剖面的同时具有相对较高的增益。另一方面，介质贴片天线不仅具有与介质谐振器天线相当的高辐射效率，而且还继承了多模特性。介质贴片谐振器的高阶模式可用于实现带宽扩展，增益增强或在滤波天线的设计中产生天然的辐射零点。可以发现，介质贴片天线是微带贴片天线和介质谐振器天线之间的良好折衷。

双极化天线不仅可以有效地减少多径效应，而且可以增加通信信道的容量，近年来已被广泛应用。对于双极化天线，在两个输入端口之间实现高度隔离至关重要。为了满足这一要求，已广泛研究了各种差分馈电的双极化天线，以实现其理想的性能，例如对共模敌对噪声的高抗扰性，对称的辐射方向图，谐波抑制等。在申请人申请的专利“一种基于高次模的高增益差分双极化介质贴片天线”中，涉及一款工作在高次模的差分馈电的双极化介质贴片天线，并且将四个接地棒引入谐振器而实现了高达9 dBi的增益，但带宽小于5％，不能满足宽带化的发展需求。

发明内容

本发明的目的在于，克服上述现有技术的缺陷，提出一种结构简单的基于空心介质贴片谐振器的高增益差分双极化天线。受益于介质贴片谐振器的各向异性结构及多模特性，在介质贴片正下方的基板中构造一个方形孔，以获得空心介质贴片谐振器，不仅能增加来自介质贴片谐振器侧壁的电磁辐射，以进一步提高增益，而且还使主模TM₁₀₁模式向上移动，使其靠近高次模TM₁₂₁模式，从而实现了带宽拓展。

为了实现本发明目的，本发明提供的基于空心介质贴片谐振器的高增益差分双极化天线，包括自下而上依次层叠设置下介质基板、金属反射地板、上介质基板和介质贴片，所述下介质基板的下表面设有两对相互正交的用于耦合馈电的微带馈线，金属反射地板开设有与微带馈线一一对应的耦合缝隙，微带馈线通过耦合缝隙对介质贴片进行激励，其特征在于：所述上介质基板开设有位于介质贴片正下方的方形孔，所述方形孔与介质贴片融合形成空心介质贴片谐振器，且所述方形孔边缘在XY平面（介质贴片所在平面）上的投影介于耦合缝隙与介质贴片外边缘之间。

本发明首次提出了一种使用空心介质贴片谐振器的差分馈电双极化天线。根据介质贴片天线各向异性特性与增益之间关系的分析，在介质贴片下方构造一个方形孔，以获得空心介质贴片谐振器。它不仅增加了来自介质贴片谐振器侧壁的电磁辐射，以进一步提高增益，而且还使主模TM₁₀₁模式向上移动，使其靠近高次模TM₁₂₁模式，从而实现了带宽扩展。为了在提高隔离度的同时实现双极化功能，使用两对相同的差分馈线来激励TM₁₀₁模式，TM₁₂₁模式及其相应的简并模式。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明；

图1是本发明实施例天线的分解图。

图2是本发明实施例天线的俯视图。

图3是本发明实施例天线的仰视图。

图4是本发明实施例天线仅由端口1激励时的反射系数和增益曲线图。

图5是本发明实施例天线仅由端口2激励时的反射系数和增益曲线图。

图6是本发明实施例天线的端口1和端口2之间的隔离曲线图。

图7是本发明实施例天线仅由端口1激励时在5.48 GHz频率下的天线辐射方向图。

图8是本发明实施例天线仅由端口1激励时在6.18 GHz频率下的天线辐射方向图。

图9是本发明实施例天线仅由端口2激励时在5.48 GHz频率下的天线辐射方向图。

图10是本发明实施例天线仅由端口2激励时在6.18 GHz频率下的天线辐射方向图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

如图1至图3所示，本实施例差分馈电双极化介质贴片天线，自下而上依次层叠设置有下介质基板5、金属反射地板4、上介质基板3和正方形的介质贴片1。正方形的介质贴片1的介电常数为ε _rd= 45，损耗角正切tanδ= 1.9×10^-4，体积为l _d×l _d×h _d。下介质基板5和上介质基板3均使用Rogers RO4003，介电常数为ε _rs＝ 3.38，损耗角正切为tanδ＝ 2.7×10^-3, 体积为l _g×l _g×h _s。为了获得相对较高的增益，在介质贴片1下方的上介质基板3中构造了一个体积为l _c×l _c×h _s的方形孔2，并与介质贴片1融合形成空心介质贴片谐振器。下介质基板5的下表面印刷有沿x轴和y轴面对面放置的两对相互正交的用于耦合馈电的微带馈线6（尺寸为w _f×l _f），下介质基板5上表面的金属反射地板4则开设有与微带馈线6一一对应的耦合缝隙7（尺寸为w _s×l _s），相对两个耦合缝隙之间的距离为d _s,两对等幅反相的射频信号分别沿着两对微带馈线传输，对介质贴片1进行激励，以实现差分馈电。从图中可知，方形孔2边缘在XY平面上的投影介于耦合缝隙7与介质贴片1边缘之间，即耦合缝隙7暴露于该方形孔2，介质贴片1则完全覆盖住该方形孔2。

本实施例中，下介质基板5为双面印刷电路板，双面印刷电路板的顶层为所述的金属反射地板4，底层为所述的微带馈线6。其中，微带馈线6在金属反射地板4上的投影与对应的耦合缝隙7垂直相交；耦合缝隙7沿着微带馈线6的中心线对称设置。两对微带馈线分别与两对端口连接，图1中，标号8为端口1的正向信号输入端，标号9为端口1的反向信号输入端，标号10为端口2的正向信号输入端，标号11为端口2的反向信号输入端。在差分馈电的条件下，两对等幅反向的射频信号分别沿两对微带馈线传输，利用输入的差分信号实现对天线的激励。

本实施例天线的详细尺寸参数见表I。

表I

参数	<i>l</i><sub>d </sub>	<i>h</i><sub>d</sub>	<i>l</i><sub>g</sub>	<i>h</i><sub>s</sub>	<i>w</i><sub>s</sub>
						数值/mm	30	1.4	52	0.813	2
参数	<i>l</i><sub>s</sub>	<i>d</i><sub>s</sub>	<i>l</i><sub><i>c</i></sub>	<i>w</i><sub>f</sub>	<i>l</i><sub>f</sub>
						数值/mm	7.6	18	28	1.8	19

得益于介质贴片谐振器的多模特性，通过本征模仿真可以找到主模TM₁₀₁模式和高次模TM₁₂₁模式。由于TM₁₀₁模式和TM₁₂₁模式沿x轴的电场分布具有180°相位差，因此均能够被差分馈电方式提供的一对等幅反相的射频信号激励。

为了实现介质贴片天线的增益增强，需要对介质贴片谐振器的各向异性与顶壁和侧壁的反射系数之间的关系进行深入研究。R_x和R_z分别表示介质贴片谐振器顶壁和侧壁的反射系数。当R_x＞R_z时，介质贴片天线的电磁辐射主要来自谐振器的侧壁，R_x/R_z的值越大，介质贴片天线的增益越高。R_x/R_z的值会随着ε_rd/ε_rs的值（介质贴片介电常数与基板介电常数的比值）的增大而增大。为了进一步提高天线的增益，在介质贴片下方构造了一个如图1所示的方形孔以增大ε_rd/ε_rs的值。同时，由于主模TM₁₀₁模式的电场主要沿z轴分布，而高次模TM₁₂₁模式的电场主要被束缚在介质贴片内部，因此ε_rd/ε_rs的变化对TM₁₀₁模式的频率影响更大。方形孔的引入能使TM₁₀₁模式的频率从5.14 GHz上移到5.48 GHz并与TM₁₂₁模式合并，从而拓展了天线的带宽。

图4和5分别为端口1、端口2激励时天线的反射系数（|S₁₁|）和增益。端口1和端口2的阻抗带宽（|S₁₁|<-10 dB）为18.6％（5.24-6.32 GHz）。带内增益稳定，同时端口1和端口2的最大增益值均达到了9.1 dBi。图6是本发明实施例天线的端口1和端口2之间的隔离曲线图，在整个工作频带内的最小隔离为48 dB。图7为本发明实施例天线仅由端口1激励时在5.48 GHz和6.18 GHz处E平面和H平面辐射方向图。图8为本发明实施例天线仅由端口2激励时在5.48 GHz和6.18 GHz处E平面和H平面辐射方向图。天线的交叉极化低于-30 dB。根据上述结果可以看出，本实施例差分双极化介质贴片天线具有稳定且相对较高的带内增益，较宽的阻抗带宽，高隔离度以及低交叉极化。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于空心介质贴片谐振器的高增益差分双极化天线，包括自下而上依次层叠设置下介质基板（5）、金属反射地板（4）、上介质基板（3）和介质贴片（1），所述下介质基板（5）的下表面设有两对相互正交的用于耦合馈电的微带馈线（6），金属反射地板（4）开设有与微带馈线（6）一一对应的耦合缝隙（7），微带馈线（6）通过耦合缝隙（7）对介质贴片（1）进行激励，其特征在于：所述上介质基板（3）开设有位于介质贴片（1）正下方的方形孔（2），所述方形孔（2）与介质贴片（1）融合形成空心介质贴片谐振器，且所述方形孔（2）边缘在XY平面上的投影介于耦合缝隙（7）与介质贴片（1）边缘之间，所述天线工作于主模TM₁₀₁模式和高次模TM₁₂₁模式下。

2.根据权利要求1所述的基于空心介质贴片谐振器的高增益差分双极化天线，其特征在于：所述耦合缝隙（7）暴露于该方形孔（2），介质贴片（1）则完全覆盖住该方形孔（2）。

3.根据权利要求1所述的基于空心介质贴片谐振器的高增益差分双极化天线，其特征在于：所述微带馈线（6）在金属反射地板（4）上的投影与对应的耦合缝隙（7）垂直相交。

4.根据权利要求1所述的基于空心介质贴片谐振器的高增益差分双极化天线，其特征在于：所述耦合缝隙（7）沿着微带馈线（6）的中心线对称设置。

5.根据权利要求1所述的基于空心介质贴片谐振器的高增益差分双极化天线，其特征在于：所述下介质基板（5）为双面印刷电路板，双面印刷电路板的顶层为所述的金属反射地板（4），底层为所述的微带馈线（6）。

6.根据权利要求1所述的基于空心介质贴片谐振器的高增益差分双极化天线，其特征在于：所述介质贴片（1）为正方形介质贴片，位于上介质基板（3）的中心处，介质贴片（1）的形状沿天线两个极化方向对称。

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