CN116666977B - 一种多波束介质谐振器端射天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多波束介质谐振器端射天线，包括介质基板、介质陶瓷一、介质陶瓷二、金属层一和金属层二，其中，所述介质陶瓷一和所述介质陶瓷二分别设置于所述介质基板的两侧，且所述金属层一和所述金属层二分别设置于所述介质基板的两侧，所述金属层一与所述介质陶瓷一连接，所述金属层二与所述介质陶瓷二连接，且所述介质陶瓷一、所述介质基板以及所述介质陶瓷二之间通过螺柱贯穿连接，且所述螺柱的两侧分别设置有螺母和螺盖。本发明的多波束端射天线以介质谐振器单天线形式实现，具有尺寸小、结构简洁、在毫米波频段损耗小、三波束辐射，控制波束间隔、幅度差值和波束宽度差值，以及稳定工作频带内辐射方向图等优点。
Description
技术领域
本发明涉及微波通信领域，具体来说，涉及一种多波束介质谐振器端射天线。
背景技术
端射天线是一种沿天线延伸方向接收或发送信号的天线，天线结构能够较好地与***地兼容。常见类型有八木天线、Vivaldi天线、锥形槽天线、平面准八木天线等，主要的辐射特性为单波束辐射，通常可以通过叠加多个引向器或形成渐变形辐射体增加天线增益和指向性，但是天线尺寸较大、波束覆盖区域有限。相比于单波束端射天线，多波束端射天线能够覆盖多个区域，有效克服多径衰落效应和干扰效应，并且相比于宽波束端射天线能够减少不必要方向上的功率损耗，提高通信链路质量。如果单个端射天线能够实现多波束辐射，还能适当减少天线个数及对应的干扰。那么，实现单天线的多波束端向辐射则具有重要的科学价值和工程价值，而控制多个波束之间的间隔、幅度差值、波束宽度差值以及稳定整个工作频带内的辐射方向图是此类天线的技术要点。
目前以多天线方式实现多波束端射天线的方式相对较多，而单天线实现方式相对较少。多天线方式实现多波束端射天线主要有两大类：一类是多个端射天线单元组成阵列，通过巴特勒矩阵、移相网络等给各天线单元提供特定的相位实现多波束辐射；另一类则是组合多个单波束端射天线，每个单波束端射天线覆盖一个方向形成多波束辐射。此两类多波束端射天线，能够实现不同的波束个数，但是普遍存在因多天线单元或波束成形网络导致的结构复杂、尺寸大的问题，另外波束成形网络的损耗极大的降低了天线效率。
以单天线方式实现多波束端向辐射主要是在宽波束端射天线的基础上引入两部分斜向的电磁超材料结构，从而将宽波束改变成双波束，具体方法有两种。第一种是将两部分电磁超材料结构呈中心对称垂直放置于传统宽波束端射天线的斜向前方，在两个方向上各自按路径补偿相位，聚拢成两个波束，成功实现端射双波束辐射，但是存在平面尺寸大、剖面高、结构复杂等问题，并且只实现了双波束辐射。第二种是将多组平面H型周期结构分别列于传统宽波束端射天线辐射体两侧，利用周期性结构对TE模式表面波的操控能力实现双波束端向辐射，该方法有效降低了剖面及结构复杂度，但是平面尺寸进一步增加。同时，上述以单天线方式实现的多波束端射天线只是形成双波束，没有实现三波束辐射；在天线类型上，上述天线主要是金属天线，在毫米波频段具有较高的导体损耗，且部分设计结构复杂无法实现毫米波设计。目前基于介质谐振器的三波束端射天线还没有相关的报道，结合上述问题有必要设计一种尺寸小、结构简单、损耗低、三波束辐射的毫米波介质谐振器端射天线。
发明内容
针对相关技术中的问题，本发明提出一种多波束介质谐振器端射天线，能够减少天线尺寸、简化结构、降低毫米波频段的导体损耗，并解决三波束辐射时波束间隔、幅度差值和波束宽度差值的控制问题以及整个工作频带内辐射方向图的稳定问题。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种多波束介质谐振器端射天线，包括介质基板、介质陶瓷一、介质陶瓷二、金属层一和金属层二，其中，所述介质陶瓷一和所述介质陶瓷二分别设置于所述介质基板的两侧，且所述金属层一和所述金属层二分别设置于所述介质基板的两侧，所述金属层一与所述介质陶瓷一连接，所述金属层二与所述介质陶瓷二连接，且所述介质陶瓷一、所述介质基板以及所述介质陶瓷二之间通过螺柱贯穿连接，且所述螺柱的两侧分别设置有螺母和螺盖。
其中，所述介质陶瓷一和所述介质陶瓷二以所述介质基板为中轴对称设置，且所述介质陶瓷一和所述介质陶瓷二均为十字形介质陶瓷。
其中，所述十字形介质陶瓷中部以及所述介质基板中部均设置有圆形空气孔，所述螺柱贯穿所述圆形空气孔连接所述介质陶瓷一、所述介质基板以及所述介质陶瓷二。
可选的，所述十字形介质陶瓷的长度为0.87~0.91/>；所述十字形介质陶瓷的宽度为0.37/>~0.41/>，所述圆形空气孔的直径为0.18/>~0.22/>；所述螺母的直径为0.29/>~0.33/>。
其中，所述金属层一包括金属条带一、阶梯型共面耦合线和共面耦合线，其中，所述金属条带一与所述十字形介质陶瓷的一短侧连接，所述阶梯型共面耦合线的宽侧与所述十字形介质陶瓷的另一短侧连接，所述阶梯型共面耦合线的窄侧与所述共面耦合线连接。
可选的，所述金属条带一的水平方向长度为0.33~0.37/>；所述金属条带一的垂直方向宽度为0.16/>~0.2/>。
可选的，所述阶梯型共面耦合线的宽侧宽度为0.16~0.2/>，宽侧长度为0.27/>~0.31/>；所述阶梯型共面耦合线的窄侧宽度为0.049/>~0.053/>；窄侧长度为0.067/>~0.071/>；所述阶梯型共面耦合线窄侧的阻抗为122Ω~126Ω，宽侧的阻抗为93Ω~97Ω。
可选的，所述共面耦合线的长度为0.59~0.63/>；且所述共面耦合线与介质基板及金属地组成耦合微带线后阻抗为100Ω。
其中，所述金属层二包括金属条带二和弧形金属地，所述金属条带二与所述金属条带一对称设置，所述弧形金属地位于所述介质基板的一侧，且所述弧形金属地的直边于所述介质基板的侧边相齐平。
可选的，所述弧形金属地的弦长为1.12~1.16/>，弦高为0.29/>~0.33/>。
有益效果：与现有技术相比，本发明的多波束端射天线以介质谐振器单天线形式实现，具有尺寸小、结构简洁、在毫米波频段损耗小、三波束辐射，控制波束间隔、幅度差值和波束宽度差值，以及稳定工作频带内辐射方向图等优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明实施例的一种多波束介质谐振器端射天线的剖面结构示意图；
图2是根据本发明实施例的一种多波束介质谐振器端射天线的俯视结构示意图；
图3是根据本发明实施例的一种多波束介质谐振器端射天线仰视结构示意图；
图4是根据本发明实施例的介质基板的结构示意图；
图5是根据本发明实施例的天线的匹配和增益仿真曲线图；
图6是根据本发明实施例的28.37GHz处的E面的主极化和交叉极化的仿真方向图；
图7是根据本发明实施例的28.37GHz处的H面的主极化和交叉极化的仿真方向图；
图8是根据本发明实施例的30.56GHz处的E面的主极化和交叉极化的仿真方向图；
图9是根据本发明实施例的30.56GHz处的H面的主极化和交叉极化的仿真方向图；
图10是根据本发明实施例的32.64GHz处的E面的主极化和交叉极化的仿真方向图；
图11是根据本发明实施例的32.64GHz处的H面的主极化和交叉极化的仿真方向图。
图中：
1、介质基板；2、介质陶瓷一；3、介质陶瓷二；4、金属层一；5、金属层二；6、圆形空气孔；7、螺柱；8、螺母；9、螺盖；10、金属条带一；11、阶梯型共面耦合线；12、共面耦合线；13、金属条带二；14、弧形金属地。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
根据本发明的实施例，提供了一种多波束介质谐振器端射天线。
如图1-4所示，根据本发明实施例的一种多波束介质谐振器端射天线，包括介质基板1、介质陶瓷一2、介质陶瓷二3、金属层一4和金属层二5，其中，所述介质陶瓷一2和所述介质陶瓷二3以所述介质基板1为中轴对称设置，且所述介质陶瓷一2和所述介质陶瓷二3均为十字形介质陶瓷，所述十字形介质陶瓷中部以及所述介质基板1中部均设置有圆形空气孔6，且所述金属层一4和所述金属层二5分别设置于所述介质基板1的两侧，所述金属层一4与所述介质陶瓷一2连接，所述金属层二5与所述介质陶瓷二3连接，且所述介质陶瓷一2、所述介质基板1以及所述介质陶瓷二3之间通过贯穿所述圆形空气孔6的螺柱7贯穿连接，且所述螺柱7的两侧分别设置有螺母8和螺盖9，所述金属层一4包括金属条带一10、阶梯型共面耦合线11和共面耦合线12，其中，所述金属条带一10与所述十字形介质陶瓷的一短侧连接，所述阶梯型共面耦合线11的宽侧与所述十字形介质陶瓷的另一短侧连接，所述阶梯型共面耦合线11的窄侧与所述共面耦合线12与连接；所述金属层二5包括金属条带二13和弧形金属地14，所述金属条带二13与所述金属条带一10对称设置，所述弧形金属地14位于所述介质基板1的一侧，且所述弧形金属地14的直边于所述介质基板1的侧边相齐平。
具体应用时，所述十字形介质陶瓷的长度为0.87~0.91/>（/>为中心频率对应的自由空间波长）；所述十字形介质陶瓷的宽度为0.37/>~0.41/>，所述圆形空气孔6的直径为0.18/>~0.22/>；所述螺母8的直径为0.29/>~0.33/>。所述金属条带一10的水平方向长度为0.33/>~0.37/>；所述金属条带一10的垂直方向宽度为0.16/>~0.2/>。所述阶梯型共面耦合线11的宽侧宽度为0.16/>~0.2/>，宽侧长度为0.27/>~0.31/>；所述阶梯型共面耦合线11的窄侧宽度为0.049/>~0.053/>；窄侧长度为0.067/>~0.071/>；所述阶梯型共面耦合线11窄侧的阻抗为122Ω~126Ω，宽侧的阻抗为93Ω~97Ω。所述共面耦合线12的长度为0.59/>~0.63/>；且所述共面耦合线12与介质基板1及金属地组成耦合微带线后阻抗为100Ω。所述弧形金属地14的弦长为1.12/>~1.16/>，弦高为0.29/>~0.33/>。
具体使用时，共面耦合线12、介质基板1和弧形金属地14构成耦合微带线作为天线的馈线馈入信号，信号经过阶梯型共面耦合线11后激励由顶部十字形介质陶瓷、介质基板1和介质陶瓷二3（十字形介质陶瓷）组成的十字型介质谐振器，在金属条带一10和金属条带二13作用下，形成三波束端向辐射。
在此过程中，十字形介质谐振器提供TE31δ工作模式，但是如果是普通条形介质谐振器提供的TE31δ模式并不能形成较为理想的三波束辐射形态，主要是三个波束之间的波束间隔差、对三个波束的波束宽度差值和增益差值缺乏控制能力，并且整个匹配频带内方向图缺乏稳定性。因此本发明中，多种结构作用于条形介质谐振器用于调控三个波束的波束宽度和增益的差值，增加波束之间的间隔，提高匹配工作频带内方向图的稳定性。
其中，圆形空气孔6的作用主要是降低介质谐振器水平面中间区域的等效介电常数，提升介质谐振器中心前方的水平电场分量，使得该水平电场分量与介质谐振器前方两侧的水平电场分量在远场区特定方向上的抵消加强，因此，能有效加强辐射零点的深度，用于提升三个波束之间的间隔。但是波束间隔的加强亦导致中间波束的增益及波束宽度的减少，致使三个波束之间的增益及波束宽度差在恶化。
所以，在介质谐振器中心前方需要加入金属条带一10和金属条带二13构成的引向器，金属条带的长度对应介质谐振器的中心部分。引向器上的水平分量电场能够调控两个辐射零点的对应方向，使得两个辐射零点在极坐标系内向两侧移动，从而提高中心波束的增益及波束宽度，减小两侧波束的增益及波束宽度，并减小了整体天线的后向辐射。
十字形介质谐振器的垂直介质臂主要用于进一步减小两侧波束的波束宽度，减小三个波束之间的波束宽度差，同时稳定整个匹配频带内的辐射方向图。弧形金属地主要用于增强整个工作频带内的端向辐射能力。介质谐振器及引向器关于介质基板1对称主要是用于保证H面辐射方向图的对称性。塑料螺丝（包括螺母8、螺柱7和螺盖9）的作用主要是安装固定，由于介电常数较低，对介质谐振器的特性影响较小，因此基本不影响天线的性能
为了进一步理解本发明的上述技术方案，以下通过设计案例本发明的上述技术方案进行详细说明。
图5是天线的匹配和增益仿真曲线图；从图5可以看出，该案例的工作频带覆盖28.37~32.64GHz，相对带宽为14%，工作频带内的最大增益为6.54 dBi。图6-11是天线在28.37GHz、30.56GHz和32.64GHz处的仿真辐射方向图，中心频率（30.56GHz）处E面三个波束的最大增益差在0.4dB以内，其波束指向分别为65°、0°和295°，对应的3dB波束宽度分别为38°、29°和38°。H面的3dB波束宽度为89.3°，E面和H面的交叉极化水平均低于-22 dB。从图6-11中，可以看出在整个工作频带内，E面的三个波束增益差值波动都在1dB以内，且各自波束的半功率波束宽度波动小于6°，因此，三波束辐射在整个频带内较为稳定。在整个工作频带内，辐射效率均高于96%。本案例采用的介质基板为RO4003C，辐射体选用ER9.9介质陶瓷，端射方向尺寸仅有0.9λ0，横向方向尺寸仅有1.22。
综上所述，借助于本发明的上述技术方案，本发明通过将圆形空气孔6、垂直介质臂（十字形介质陶瓷）及金属引向器（金属条带一10和金属条带二13）作用于条形介质谐振器，利用三者对辐射零点的深度和方向、三个波束的波束宽度、三个波束的增益以及频带内方向图稳定性的控制，实现毫米波频段的三波束介质谐振器端射天线，具有尺寸小、结构简洁、损耗小、三波束辐射、波束间隔明显、波束增益差值小和波束宽度差值小、以及工作频带内辐射方向图稳定等优点。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种多波束介质谐振器端射天线，其特征在于，包括介质基板（1）、介质陶瓷一（2）、介质陶瓷二（3）、金属层一（4）和金属层二（5），其中，所述介质陶瓷一（2）和所述介质陶瓷二（3）分别设置于所述介质基板（1）的两侧，且所述金属层一（4）和所述金属层二（5）分别设置于所述介质基板（1）的两侧，所述金属层一（4）与所述介质陶瓷一（2）连接，所述金属层二（5）与所述介质陶瓷二（3）连接，且所述介质陶瓷一（2）、所述介质基板（1）以及所述介质陶瓷二（3）之间通过螺柱（7）贯穿连接，且所述螺柱（7）的两侧分别设置有螺母（8）和螺盖（9）；所述介质陶瓷一（2）和所述介质陶瓷二（3）以所述介质基板（1）为中轴对称设置，且所述介质陶瓷一（2）和所述介质陶瓷二（3）均为十字形介质陶瓷；所述十字形介质陶瓷中部以及所述介质基板（1）中部均设置有圆形空气孔（6），所述螺柱（7）贯穿所述圆形空气孔（6）连接所述介质陶瓷一（2）、所述介质基板（1）以及所述介质陶瓷二（3）。
2.根据权利要求1所述的多波束介质谐振器端射天线，其特征在于，所述十字形介质陶瓷的长度为0.87~0.91/>；所述十字形介质陶瓷的宽度为0.37/>~0.41/>，所述圆形空气孔（6）的直径为0.18/>~0.22/>；所述螺母（8）的直径为0.29/>~0.33/>。
3.根据权利要求1所述的多波束介质谐振器端射天线，其特征在于，所述金属层一（4）包括金属条带一（10）、阶梯型共面耦合线（11）和共面耦合线（12），其中，所述金属条带一（10）与所述十字形介质陶瓷的一短侧连接，所述阶梯型共面耦合线（11）的宽侧与所述十字形介质陶瓷的另一短侧连接，所述阶梯型共面耦合线（11）的窄侧与所述共面耦合线（12）连接。
4.根据权利要求3所述的多波束介质谐振器端射天线，其特征在于，所述金属条带一（10）的水平方向长度为0.33~0.37/>；所述金属条带一（10）的垂直方向宽度为0.16/>~0.2/>。
5.根据权利要求3所述的多波束介质谐振器端射天线，其特征在于，所述阶梯型共面耦合线（11）的宽侧宽度为0.16~0.2/>，宽侧长度为0.27/>~0.31/>；所述阶梯型共面耦合线（11）的窄侧宽度为0.049/>~0.053/>；窄侧长度为0.067/>~0.071/>；所述阶梯型共面耦合线（11）窄侧的阻抗为122Ω~126Ω，宽侧的阻抗为93Ω~97Ω。
6.根据权利要求3所述的多波束介质谐振器端射天线，其特征在于，所述共面耦合线（12）的长度为0.59~0.63/>；且所述共面耦合线（12）与介质基板（1）及金属地组成耦合微带线后阻抗为100Ω。
7.根据权利要求3所述的多波束介质谐振器端射天线，其特征在于，所述金属层二（5）包括金属条带二（13）和弧形金属地（14），所述金属条带二（13）与所述金属条带一（10）对称设置，所述弧形金属地（14）位于所述介质基板（1）的一侧，且所述弧形金属地（14）的直边于所述介质基板（1）的侧边相齐平。
8.根据权利要求7所述的多波束介质谐振器端射天线，其特征在于，所述弧形金属地（14）的弦长为1.12~1.16/>，弦高为0.29/>~0.33/>。
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Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106785460A (zh) * | 2016-11-25 | 2017-05-31 | 南通大学 | 一种差分双极化介质谐振器天线 |
| CN110957565A (zh) * | 2019-11-26 | 2020-04-03 | 南京信息工程大学 | 一种用于5g基站的宽带极化可重构高增益天线 |
-
2023
- 2023-08-02 CN CN202310960634.0A patent/CN116666977B/zh active Active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106785460A (zh) * | 2016-11-25 | 2017-05-31 | 南通大学 | 一种差分双极化介质谐振器天线 |
| CN110957565A (zh) * | 2019-11-26 | 2020-04-03 | 南京信息工程大学 | 一种用于5g基站的宽带极化可重构高增益天线 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 《A cross-shaped MIMO reconfigurable dielectric resonator antenna for GSM and LTE/UMTS applications》;Shahid Khan 等;《2018 29th Irish Signals and Systems Conference (ISSC)》;全文 * |
| 《On the Matching of Microstrip-Fed Dielectric Resonator Antennas》;Atabak Rashidian 等;《IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION》;第61卷(第10期);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116666977A (zh) | 2023-08-29 |
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