CN113644413B - 一种三频介质谐振天线中介质谐振器尺寸设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三频介质谐振天线中介质谐振器尺寸设计方法,包括如下步骤,设计一介电常数为N、TE111为A的立方体;将立方体分为上部分和下部分,将上部分的长度调整到D1、宽度调整到W1及高度调整到H1;将下部分的长度调整到D2、宽度调整到W2及高度调整到H2;得到TE113为B的结构体;将结构体等效为一矩形体,矩形体的高度为H1与H2之和,当D1大于D2时,矩形体的长度为D1,否则,矩形体的长度为D2;当W1大于W2时,矩形体的宽度为W1,否则,矩形体的宽度为W2;计算得到矩形体的介电常数为M;微调矩形体的宽度,使得矩形体的宽度为W3,得到TE311为C的设计体。本尺寸设计方法能够快速设计出介质谐振器的尺寸,利于降低三频介质谐振天线的开发成本。
Description
技术领域
本发明涉及天线技术领域,尤其涉及一种三频介质谐振天线中介质谐振器尺寸设计方法。
背景技术
根据3GPP TS38.101-2 5G终端射频技术规范和TR38.817终端射频技术报告可知,5GmmWave频段有N257(26.5-29.5GHz)、N258(24.25-27.25GHz)、N260(37-40GHz)、N261(27.5-28.35GHz)以及新增的N259(39.5-43GHz),还有未来规划的47-52.6GHz。显然,在5G毫米波移动终端通信中,我们可以用多组天线来实现覆盖上述频段,但是其必将减小终端空间,那么用单天线实现双频甚至多频特性,将简化集成天线的结构和设计流程。
一般而言,多频微带贴片天线是多数设计者首选,因为其具有结构简单、原理清晰以及性能可接受等优点。但是其需要复杂的介质基板叠层结构和非一体式的双频实现方式等缺点,给目前5G毫米波三频天线的应用提出了挑战。
现在已有的应用于通信***的双频天线,一般分两大类:一类是利用天线的已有谐振以及其谐振的N(N≥2)次分量,例如一个天线在28GHz谐振,那么会在56GHz、84GHz也有谐振,所以28GHz、56GHz和84GHz构成三频,这种方式的缺点是频率是固定选择,可用范围较小,例如5G毫米波中通常要求是28GHz、39GHz、47GHz、52GHz构成的多频段,这些频点没有整数倍数关系;另一类是在一个天线单元里面,分布多个天线来实现三频,例如1个天线负责28GHz辐射,另一个天线负责39GHz,另一个天线负责47GHz,此时1个天线单元看起来实现了三频,这种方式需要复杂的多层基板叠层来实现,这样导致双频带天线并非一体式双频结构,加工成本较大。
另外,还有一种通过陶瓷谐振器天线(DRA)来实现三频的方式,陶瓷谐振器天线包括基板和设于基板上的介质谐振器,基板的顶面设有地层,地层上设有缝隙,基板的底面设有与所述缝隙耦合的微带线路,介质谐振器设于地层上并覆盖所述缝隙。陶瓷谐振器天线能够激发三种天线模式(TE111、TE113及TE311),介质谐振器一般呈矩形体状,其中,TE111为矩形体介质谐振器的基模,其方向沿Z轴方向,TE113为最近的高次模,其方向也是沿Z轴方向,TE111和TE113的频点主要是由介质谐振器的厚度决定,TE311的方向沿Y轴方向,由介质谐振器沿Y轴的长度决定。为了让TE111、TE113及TE311达到预设的三频,需要不断地对介质谐振器的尺寸进行调整以及介质谐振器的介电常数进行选择,由于变量过多,设计起来费时费力,导致开发成本居高不下。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是:提供一种三频介质谐振天线中介质谐振器尺寸设计方法。
为了解决上述技术问题,本发明采用的技术方案为:一种三频介质谐振天线中介质谐振器尺寸设计方法,包括如下步骤,
设计一介电常数为N、TE111模的频率为A的立方体,所述立方体的边长为a;
将立方体分为上部分和下部分,将所述上部分的长度调整到D1、宽度调整到W1及高度调整到H1,使所述上部分成为上长方体;将所述下部分的长度调整到D2、宽度调整到W2及高度调整到H2,使所述下部分成为下长方体;得到TE113模的频率为B的结构体;
将所述结构体等效为一矩形体,所述矩形体的高度为H1与H2之和,当所述D1大于所述D2时,所述矩形体的长度为D1,否则,所述矩形体的长度为D2;当所述W1大于所述W2时,所述矩形体的宽度为W1,否则,所述矩形体的宽度为W2;计算得到所述矩形体的介电常数为M;
粗调所述矩形体的长度,使得所述矩形体的长度为D3,微调所述矩形体的宽度,使得所述矩形体的宽度为W3,得到TE311模的频率为C的设计体。
本发明的有益效果在于:通过本尺寸设计方法能够快速设计出三频介质谐振天线中介质谐振器的轮廓尺寸,大大减少了介质谐振器设计耗时,利于降低三频介质谐振天线的设计开发成本。
附图说明
图1为本发明实施例一的三频介质谐振天线中介质谐振器尺寸设计方法的流程框图;
图2为本发明实施例一的案例中三频介质谐振天线的结构示意图;
图3为本发明实施例一的案例中三频介质谐振天线的另一视角的结构示意图(隐藏基板后)。
标号说明:
1、基板;
2、介质谐振器;
3、地层;
31、长轴缝隙;
32、短轴缝隙;
4、微带线路。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果,以下结合实施方式并配合附图予以说明。
请参照图1,一种三频介质谐振天线中介质谐振器尺寸设计方法,包括如下步骤,
设计一介电常数为N、TE111模的频率为A的立方体,所述立方体的边长为a;
将立方体分为上部分和下部分,将所述上部分的长度调整到D1、宽度调整到W1及高度调整到H1,使所述上部分成为上长方体;将所述下部分的长度调整到D2、宽度调整到W2及高度调整到H2,使所述下部分成为下长方体;得到TE113模的频率为B的结构体;
将所述结构体等效为一矩形体,所述矩形体的高度为H1与H2之和,当所述D1大于所述D2时,所述矩形体的长度为D1,否则,所述矩形体的长度为D2;当所述W1大于所述W2时,所述矩形体的宽度为W1,否则,所述矩形体的宽度为W2;计算得到所述矩形体的介电常数为M;
粗调所述矩形体的长度,使得所述矩形体的长度为D3,微调所述矩形体的宽度,使得所述矩形体的宽度为W3,得到TE311模的频率为C的设计体。
本发明的原理简述如下:TE111、TE113及TE311是三频介质谐振天线的三个工作频点,所以,A、B和C都为已知,介电常数N是由立方体本身的材质决定的,所以立方体本身的边长a能够计算得到;获取结构体的目的是为了调整出高次模TE113,使高次模TE113达到B,在调整高次模TE113时,结构体的介电常数是确定的,所以结构体的介电常数不再是变量,此时只需要调整上长方体与下长方体的轮廓尺寸即可;将结构体等效为一矩形体,能够计算获得介质谐振器的高度满足TE111及TE113的情况下,呈矩形体状的介质谐振器的介电常数;最后,通过调整矩形体的宽度/长度,即可调整出高次模TE311,使得高次模TE311达到C。
从上述描述可知,本发明的有益效果在于:通过本尺寸设计方法能够快速设计出三频介质谐振天线中介质谐振器的轮廓尺寸,大大减少了介质谐振器设计耗时,利于降低三频介质谐振天线的设计开发成本。
进一步的,所述M的计算式为
由上述描述可知,等效出来的矩形体的介电常数计算容易。等效出来的矩形体包括具体实体的结构体以及填补所述结构体上的台阶结构的空气。
进一步的,将立方体分为上部分和下部分时,对所述立方体进行均分。
由上述描述可知,将立方体均分为上部分和下部分更方便后续进行尺寸调整。
进一步的,所述上长方体的中心与所述下长方体的中心的连线垂直于所述下长方体的底面。
进一步的,所述D3与所述D2相等。
由上述描述可知,当矩形体TE311的数值本身就比较接近C时,那就无需调整矩形体的长度,此时只需要微调矩形体非模式方向上的尺寸(即矩形体宽度方向上的尺寸)。
进一步的,所述D1与所述W1相等。
由上述描述可知,上长方体的宽度与长度相等,可以减少一个变量,更方便上长方体的尺寸调整。
进一步的,所述D2与所述W2相等。
由上述描述可知,下长方体的宽度与长度相等,可以减少一个变量,更方便下下方体的尺寸调整。
进一步的,所述D1与所述a相等,和/或,所述W1与所述a相等。
进一步的,所述D2与所述a相等,和/或,所述W2与所述a相等。
进一步的,H1与H2之和等于所述a。
由上述描述可知,上长方体与下长方体的尺寸是根据实际需要进行调整的,当不需要调整时,可不进行调整。
实施例一
请参照图1,本发明的实施例一为:
一种三频介质谐振天线中介质谐振器尺寸设计方法,包括如下步骤,
设计一介电常数为N、TE111模的频率为A的立方体,所述立方体的边长为a;
将立方体分为上部分和下部分,将所述上部分的长度调整到D1、宽度调整到W1及高度调整到H1,使所述上部分成为上长方体;将所述下部分的长度调整到D2、宽度调整到W2及高度调整到H2,使所述下部分成为下长方体;得到TE113模的频率为B的结构体,可选的,所述结构体中,所述上长方体的中心与所述下长方体的中心的连线垂直于所述下长方体的底面;优选将立方体分为上部分和下部分时,对所述立方体进行均分,也就是说,上长方体的高度与下长方体的高度相同,均为0.5A。
将所述结构体等效为一矩形体,所述矩形体的高度为H1与H2之和,当所述D1大于所述D2时,所述矩形体的长度为D1,否则,所述矩形体的长度为D2;当所述W1大于所述W2时,所述矩形体的宽度为W1,否则,所述矩形体的宽度为W2;计算得到所述矩形体的介电常数为M;
粗调所述矩形体的长度,使得所述矩形体的长度为D3,微调所述矩形体的宽度,使得所述矩形体的宽度为W3,得到TE311模的频率为C的设计体。
具体的,
空气的介电常数为1。
更具体的,当所述矩形体的TE311的值接近C时,所述D3与所述D2相等,也就是说,此时无需调整所述矩形体的长度。
为方便调整,可选的,所述D1与所述W1相等;所述D2与所述W2相等。可选的,所述D1与所述a相等,和/或,所述W1与所述a相等。可选的,所述D2与所述a相等,和/或,所述W2与所述a相等。可选的,H1与H2之和等于所述a。如此,减少了变量,可进一步方便调整。
为让阅者更充分的理解本技术方案,接下来以一个具体的案例来说明。
请参照图2和图3,一种三频介质谐振天线,包括基板11和设于基板11上的介质谐振器2,基板1的顶面设有地层3,地层3上设有缝隙,基板1的底面设有与所述缝隙耦合的微带线路4,介质谐振器2设于地层3上并覆盖所述缝隙,所述缝隙包括长轴缝隙31,仰视所述三频介质谐振天线时,所述微带线路4横跨所述长轴缝隙31,所述长轴缝隙31的长度方向与所述介质谐振器2的宽度方向一致(即X轴方向),所述长轴缝隙31的宽度方向与所述介质谐振器2的长度方向一致(即Y轴方向),所述介质谐振器2的高度方向即为Z轴方向。可选的,所述缝隙还包括短轴缝隙32,所述长轴缝隙31的两端分别连接有所述短轴缝隙32,所述缝隙整体呈工字型。
本案例采用DK=14(即N=14)的陶瓷体说明仿真设计过程:
基模TE111为28GHz(即A=28GHz)、高次模TE113为39GHz(即B=39GHz)、高次模TE311为60GHz(即C=60GHz)。
首先,用介电常数为14的陶瓷材料设计一陶瓷立方体,要求该立方体的基模谐振频率TE111为28GHz,得到其边长a为1.8mm,即所述立方体的尺寸参数为1.8mm*1.8mm*1.8mm,计算得到其高次模TE113为43GHz左右。
然后,将立方体均分为上部分和下部分,将所述上部分的长度调整到D1、宽度调整到W1及高度调整到H1,使所述上部分成为上长方体;将所述下部分的长度调整到D2、宽度调整到W2及高度调整到H2,使所述下部分成为下长方体,所述结构体中,所述上长方体的中心与所述下长方体的中心的连线垂直于所述下长方体的底面。在保证TE111为28GHz不变的情况下,将高次模TE113调整到39GHz,此时上长方体的尺寸D1*W1*H1为2.4mm*2.4mm*0.95mm,下长方体的尺寸D2*W2*H2为1.7mm*1.7mm*0.95mm。也就是说,此时结构体整体呈T字型。
接着,将呈T字型的结构体等效为一矩形体,该矩形体包括所述结构体以及位于所述结构体的台阶处的空气墙,具体的,所述空气墙整体呈矩形框状。所述矩形体的长度为D3、宽度为W3、高度为(H1+H2),即所述矩形体的尺寸为2.4mm*2.4mm*1.9mm,根据所述计算式计算得到M的值为10.3,通过仿真,发现矩形体的TE311为57GHz,因此,还需要调整TE311,以将TE311调整到60GHz,由于57GHz较为接近60GHz,因此,此时无需调整矩形体的长度(高次模TE311的辐射方向),只需要微调矩形体的宽度(非辐射方向)即可,调整后,设计体的长宽高为2.4mm*1.8mm*1.9mm,介质谐振器的整个设计过程完成。仿真结果中,三频介质谐振天线能够实现28GHz、39GHz及60GHz三频辐射。
综上所述,本发明提供的三频介质谐振天线中介质谐振器尺寸设计方法,通过分步多次调整且每次调整只需调整少数几个变量,能够快速设计出三频介质谐振天线中介质谐振器的轮廓尺寸,大大减少了介质谐振器设计耗时,利于降低三频介质谐振天线的设计开发成本。
以上所述仅为本发明的实施例,并非因此限制本发明的专利范围,凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换,或直接或间接运用在相关的技术领域,均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种三频介质谐振天线中介质谐振器尺寸设计方法,其特征在于:包括如下步骤,
设计一介电常数为N、TE111模的频率为A的立方体,所述立方体的边长为a;
将立方体分为上部分和下部分,将所述上部分的长度调整到D1、宽度调整到W1及高度调整到H1,使所述上部分成为上长方体;将所述下部分的长度调整到D2、宽度调整到W2及高度调整到H2,使所述下部分成为下长方体;得到TE113模的频率为B的结构体;
将所述结构体等效为一矩形体,所述矩形体的高度为H1与H2之和,当所述D1大于所述D2时,所述矩形体的长度为D1,否则,所述矩形体的长度为D2;当所述W1大于所述W2时,所述矩形体的宽度为W1,否则,所述矩形体的宽度为W2;计算得到所述矩形体的介电常数为M;
粗调所述矩形体的长度,使得所述矩形体的长度为D3,微调所述矩形体的宽度,使得所述矩形体的宽度为W3,得到TE311模的频率为C的设计体。
2.根据权利要求1所述的三频介质谐振天线中介质谐振器尺寸设计方法,其特征在于:所述M的计算式为
3.根据权利要求1所述的三频介质谐振天线中介质谐振器尺寸设计方法,其特征在于:将立方体分为上部分和下部分时,对所述立方体进行均分。
4.根据权利要求1所述的三频介质谐振天线中介质谐振器尺寸设计方法,其特征在于:所述上长方体的中心与所述下长方体的中心的连线垂直于所述下长方体的底面。
5.根据权利要求1所述的三频介质谐振天线中介质谐振器尺寸设计方法,其特征在于:所述D3与所述D2相等。
6.根据权利要求1所述的三频介质谐振天线中介质谐振器尺寸设计方法,其特征在于:所述D1与所述W1相等。
7.根据权利要求1所述的三频介质谐振天线中介质谐振器尺寸设计方法,其特征在于:所述D2与所述W2相等。
8.根据权利要求1所述的三频介质谐振天线中介质谐振器尺寸设计方法,其特征在于:所述D1与所述a相等,和/或,所述W1与所述a相等。
9.根据权利要求1所述的三频介质谐振天线中介质谐振器尺寸设计方法,其特征在于:所述D2与所述a相等,和/或,所述W2与所述a相等。
10.根据权利要求1所述的三频介质谐振天线中介质谐振器尺寸设计方法,其特征在于:H1与H2之和等于所述a。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |