CN116780181A - 一种差分宽带双向辐射介质贴片谐振器天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种差分宽带双向辐射介质贴片谐振器天线，包括顶层介质结构、第一低介电常数介质基板、中间层金属结构、第二低介电常数介质基板、底层介质结构，构成对称型介质贴片谐振器；中间层金属结构包括呈中心对称的水平金属条带、水平矩形槽、一对竖直矩形槽、金属地；本发明所设计的天线结构针对现有的双向辐射天线带宽较窄，并且部分天线存在无法覆盖前向和后向、波束不对称、尺寸大或结构复杂等问题，能够在实现宽带双向辐射的同时，兼具前向与后向辐射覆盖、波束对称、尺寸小和结构简单等特点。
Description
技术领域
本发明涉及微波通信领域，具体涉及一种差分宽带双向辐射介质贴片谐振器天线。
背景技术
双向辐射天线能够实现前向和后向的双向覆盖，避免使用多个单向天线进行前后向空间的覆盖，减少多个单向天线间的干扰，提高通信链路质量、降低成本。在此基础上，宽带的双向辐射天线能够支持高速率通信需要的绝对带宽，以及满足多区域、多制式通信的应用需求。另外，在双向辐射天线中，使用介质贴片谐振器相比于使用金属贴片谐振器，具有高效率、低损耗、设计自由度高等优点。差分馈电的双向辐射天线既能够有效降低外界环境对天线产生的噪声干扰，还能够保证天线具有较低的交叉极化水平。因此，差分宽带双向辐射介质贴片谐振器天线具有重要的应用价值。
目前已报道的双向辐射天线多为金属贴片型天线，其设计方法主要有三种，第一种方法是利用相位控制网络调控单向辐射金属贴片天线阵列中阵元的相位分布实现双向辐射，但该类天线由于相位控制网络的加入导致天线尺寸较大、结构复杂。第二种方法是利用金属贴片天线单元两侧的等幅反向极化电场实现位于天线法向两侧的双向辐射，但是两个辐射方向的夹角无法达到180°，即无法覆盖前向和后向，且带宽较窄。第三种方法是通过单个中间层馈线激励背对背金属贴片或金属多贴片超表面，能够实现前向和后向的双向覆盖，但是存在双向辐射波束不对称及带宽较窄的问题。少数双向辐射天线以介质谐振器实现，主要使用置于印刷电路板上的陶瓷介质条作为辐射主体，以TMδ2模获得位于天线法向两侧的双向辐射，但是工作模式少导致工作带宽较窄，且两个辐射方向的夹角无法达到180°，即无法覆盖前向和后向。因此，有必要提出一种差分宽带双向辐射介质贴片谐振器天线，提升天线带宽，并能够兼顾前后向辐射、波束对称、小尺寸及高辐射效率。
发明内容
本发明目的：针对现有的双向辐射天线带宽较窄，并且部分天线存在无法覆盖前向和后向、波束不对称、尺寸大或结构复杂等问题，提供一种差分宽带双向辐射介质贴片谐振器天线，能够在实现宽带双向辐射的同时，兼具前向与后向辐射覆盖、波束对称、尺寸小和结构简单等特点。
为实现以上功能，本发明设计一种差分宽带双向辐射介质贴片谐振器天线，该天线为中心对称结构，包括顶层介质结构1、第一低介电常数介质基板2、中间层金属结构3、第二低介电常数介质基板4、底层介质结构5，构成对称型介质贴片谐振器；
顶层介质结构1由一对材质、尺寸、形状相同的高介电常数介质贴片11-1组成，两个高介电常数介质贴片11-1底部相隔预设距离固定于第一低介电常数介质基板2上表面，该预设距离构成两个高介电常数介质贴片11-1的中间矩形槽12-1；第一低介电常数介质基板2、中间层金属结构3、第二低介电常数介质基板4依次层叠，其中中间层金属结构3包括一对水平金属条带31、一对竖直矩形槽33、金属地34，每条水平金属条带31两侧还包括一对水平矩形槽32，竖直矩形槽33和水平矩形槽32为金属地34上蚀刻所成的结构，水平金属条带31由其两侧的水平矩形槽32，以及竖直矩形槽33包围形成，两竖直矩形槽33相对，每条水平金属条带31、其两侧的一对水平矩形槽32、金属地34构成一组共面波导传输线，两组共面波导传输线在金属地34上呈中心对称；中间层金属结构3两表面分别与第一低介电常数介质基板2下表面、第二低介电常数介质基板4上表面相接；
底层介质结构5与顶层介质结构1相同，包括两个高介电常数介质贴片11-2，以及两者之间的中间矩形槽12-2；底层介质结构5的两个高介电常数介质贴片11-2底部与第二低介电常数介质基板4下表面相接，且底层介质结构5的两个高介电常数介质贴片11-2与顶层介质结构1的两个高介电常数介质贴片11-1在同一水平面上的投影重合；
天线工作时差分信号通过一对共面波导传输线馈入，传递至中间层金属结构3的竖直矩形槽33，并耦合至对称型介质贴片谐振器，在竖直矩形槽33和对称型介质贴片谐振器的共同作用下实现宽带双向辐射。
作为本发明的一种优选技术方案：第一低介电常数介质基板2、中间层金属结构3、第二低介电常数介质基板4为长宽相同的矩形结构，且三者边缘对齐。
作为本发明的一种优选技术方案：顶层介质结构1的高介电常数介质贴片11-1之间的中间矩形槽12-1，以及底层介质结构5的两个高介电常数介质贴片11-2之间的中间矩形槽12-2长度不小于0.8λ0，且不大于0.85λ0，其宽度不小于0.3λ0，且不大于0.35λ0，其中λ0为中心频率对应的自由空间波长。
作为本发明的一种优选技术方案：中间层金属结构3的一对竖直矩形槽33长度不小于0.35λ0，且不大于0.4λ0，相对的两竖直矩形槽33中心间距不小于0.4λ0，且不大于0.45λ0。
有益效果：本发明利用一对差分馈电的共面波导馈线激励一对竖直矩形槽的同向分布基模以及对称型介质贴片谐振器的TE3 x 11模和奇分布TE2 x 11模，结合共面波导开路端指向竖直矩形槽中心，以及竖直矩形槽位于TE3 x 11模垂直电场指向转变区域和奇分布TE2 x 11模电场中等强度区域，获得宽带的前后双向辐射，并且兼顾波束对称、小尺寸和结构简单等特点。
相对于现有技术，本发明的优点包括：
1、利用一对差分馈电的共面波导馈线激励一对竖直矩形槽的同向分布基模以及对称型介质贴片谐振器的TE3 x 11模和奇分布TE2 x 11模，结合共面波导开路端指向竖直矩形槽中心，以及竖直矩形槽位于TE3 x 11模垂直电场指向转变区域和奇分布TE2 x 11模电场中等强度区域，获得宽带的前后双向辐射，并且兼顾波束对称、小尺寸和结构简单等特点。
2、高介电常数介质贴片通过中间矩形槽分割成左右对称两部分，总长度在0.8λ0～0.85λ0之间，宽度在0.3λ0～0.35λ0之间，是形成TE3 x 11模和奇分布TE2 x 11模的关键结构。
3、竖直金属槽上下对称，上下方向长度在0.35λ0～0.4λ0之间，是形成频带内第一谐振点的关键因素，间距在0.4λ0～0.45λ0之间是保证TE3 x 11模和奇分布TE2 x 11模获得良好匹配的关键因素。
4、左右两侧共面波导传输线构成对称的差分馈电结构，且位于对称型介质贴片谐振器的等效电壁面上，既抑制了对称型介质贴片谐振器偶分布TE2 x 11模，又维持了整体天线左右电场的对称性及前后电场的对称性，分别保证了天线的宽频带工作及辐射方向图的左右对称性及前后对称性。
附图说明
图1是根据本发明实施例提供的一种差分宽带双向辐射介质贴片谐振器天线的层结构示意图；
图2是根据本发明实施例提供的一种差分宽带双向辐射介质贴片谐振器天线的俯视图；
图3是根据本发明实施例提供的一种差分宽带双向辐射介质贴片谐振器天线的中间层金属结构示意图；
图4是根据本发明实施例提供的一种差分宽带双向辐射介质贴片谐振器天线的仰视图；
图5是根据本发明实施例提供的一种差分宽带双向辐射介质贴片谐振器天线的阻抗匹配和增益响应仿真图；
图6(a)-图6(c)是根据本发明实施例提供的一种差分宽带双向辐射介质贴片谐振器天线在匹配频带内上中高三个频点处的E面仿真方向图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
参照图1，本发明实施例提供的一种差分宽带双向辐射介质贴片谐振器天线，该天线为中心对称结构，包括顶层介质结构1、第一低介电常数介质基板2、中间层金属结构3、第二低介电常数介质基板4、底层介质结构5，构成对称型介质贴片谐振器；
参照图2，顶层介质结构1由一对材质、尺寸、形状相同的高介电常数介质贴片11-1组成，两个高介电常数介质贴片11-1底部相隔预设距离固定于第一低介电常数介质基板2上表面，该预设距离构成两个高介电常数介质贴片11-1的中间矩形槽12-1；
参照图3，第一低介电常数介质基板2、中间层金属结构3、第二低介电常数介质基板4依次层叠，其中中间层金属结构3包括一对水平金属条带31、一对竖直矩形槽33、金属地34，每条水平金属条带31两侧还包括一对水平矩形槽32，竖直矩形槽33和水平矩形槽32为金属地34上蚀刻所成的结构，水平金属条带31由其两侧的水平矩形槽32，以及竖直矩形槽33包围形成，两竖直矩形槽33相对，每条水平金属条带31、其两侧的一对水平矩形槽32、金属地34构成一组共面波导传输线，两组共面波导传输线在金属地34上呈中心对称；中间层金属结构3两表面分别与第一低介电常数介质基板2下表面、第二低介电常数介质基板4上表面相接；
中间层金属结构3的一对竖直矩形槽33长度不小于0.35λ0，且不大于0.4λ0，相对的两竖直矩形槽33中心间距不小于0.4λ0，且不大于0.45λ0。
参照图4，底层介质结构5与顶层介质结构1相同，包括两个高介电常数介质贴片11-2，以及两者之间的中间矩形槽12-2；底层介质结构5的两个高介电常数介质贴片11-2底部与第二低介电常数介质基板4下表面相接，且底层介质结构5的两个高介电常数介质贴片11-2与顶层介质结构1的两个高介电常数介质贴片11-1在同一水平面上的投影重合；
顶层介质结构1的高介电常数介质贴片11-1之间的中间矩形槽12-1，以及底层介质结构5的两个高介电常数介质贴片11-2之间的中间矩形槽12-2长度不小于0.8λ0，且不大于0.85λ0，其宽度不小于0.3λ0，且不大于0.35λ0，其中λ0为中心频率对应的自由空间波长。
第一低介电常数介质基板2、中间层金属结构3、第二低介电常数介质基板4为长宽相同的矩形结构，且三者边缘对齐。
天线工作时差分信号通过一对共面波导传输线馈入，传递至中间层金属结构3的竖直矩形槽33，并耦合至对称型介质贴片谐振器，在竖直矩形槽33和对称型介质贴片谐振器的共同作用下实现宽带双向辐射。
在此过程中，一对竖直矩形槽33谐振在基模，受一对共面波导传输线的差分激励，在两个槽内形成同向水平电场，为整体天线提供一个谐振点，且支持前向和后向的双向辐射。该对竖直矩形槽33中的同向水平电场能够进一步激励对称型介质贴片谐振器的TE3 x 11模和奇分布TE2 x 11模，并抑制偶分布TE2 x 11模。中间层金属地与对称型介质贴片谐振器TE3 x 11模和奇分布TE2 x 11模的等效电壁重叠，并且两个模式各自的水平电场分量同向，并且幅度分布左右对称，因此都支持前后双向辐射，且方向图左右对称。偶分布TE2 x 11模由于水平电场分量存在反向分布，因此不支持前后双向辐射，需要被抑制。因此，整体天线具有三个支持前后双向辐射的模式，为宽带双向辐射提供了基础。
共面波导馈线前端开路场与竖直矩形槽33的基模谐振场最强处相合，此时共面波导开路端处的电场能够顺利转化为竖直矩形槽33的基模场，因此竖直矩形槽33提供的谐振点能获得良好的阻抗匹配。竖直矩形槽33位于TE3 x 11模垂直电场指向转变区域，又位于奇分布TE2 x 11模电场中等强度区域，因此在TE3 x 11模和奇分布TE2 x 11模都能获得良好的阻抗匹配。
本发明所设计的差分宽带双向辐射介质贴片谐振器天线仿真的阻抗匹配和增益响应如图5所示。从图5可以看出，该案例的10-dB匹配频带在11GHz～17.9GHz之间，中心频率为14.5GHz，相对带宽可达47.8％，工作频带内的最大增益可达到7dBi。图6(a)-图6(c)是天线在匹配频带内上中高三个频点处的E面仿真方向图，其中，图6(a)为天线在匹配频带内12.8GHz频点处的E面仿真方向图，图6(b)为天线在匹配频带内14.5GHz频点处的E面仿真方向图，图6(c)为天线在匹配频带内17GHz频点处的E面仿真方向图，可以看出天线在整个工作频带内具有波束对称的前后向辐射性能，波束指向角分别为0°和180°，辐射方向图左右部分具有较好的对称性，且交叉极化水平较低，天线工作频带内的平均效率为85％。本案例采用的介质基板为RO4003C，高介电常数介质贴片的介电常数为10.2，辐射体尺寸仅为0.86λ0×0.33λ0×0.26λ0。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (4)
1.一种差分宽带双向辐射介质贴片谐振器天线，其特征在于，该天线为中心对称结构，包括顶层介质结构(1)、第一低介电常数介质基板(2)、中间层金属结构(3)、第二低介电常数介质基板(4)、底层介质结构(5)，构成对称型介质贴片谐振器；
顶层介质结构(1)由一对材质、尺寸、形状相同的高介电常数介质贴片(11-1)组成，两个高介电常数介质贴片(11-1)底部相隔预设距离固定于第一低介电常数介质基板(2)上表面，该预设距离构成两个高介电常数介质贴片(11-1)的中间矩形槽(12-1)；第一低介电常数介质基板(2)、中间层金属结构(3)、第二低介电常数介质基板(4)依次层叠，其中中间层金属结构(3)包括一对水平金属条带(31)、一对竖直矩形槽(33)、金属地(34)，每条水平金属条带(31)两侧还包括一对水平矩形槽(32)，竖直矩形槽(33)和水平矩形槽(32)为金属地(34)上蚀刻所成的结构，水平金属条带(31)由其两侧的水平矩形槽(32)，以及竖直矩形槽(33)包围形成，两竖直矩形槽(33)相对，每条水平金属条带(31)、其两侧的一对水平矩形槽(32)、金属地(34)构成一组共面波导传输线，两组共面波导传输线在金属地(34)上呈中心对称；中间层金属结构(3)两表面分别与第一低介电常数介质基板(2)下表面、第二低介电常数介质基板(4)上表面相接；
底层介质结构(5)与顶层介质结构(1)相同，包括两个高介电常数介质贴片(11-2)，以及两者之间的中间矩形槽(12-2)；底层介质结构(5)的两个高介电常数介质贴片(11-2)底部与第二低介电常数介质基板(4)下表面相接，且底层介质结构(5)的两个高介电常数介质贴片(11-2)与顶层介质结构(1)的两个高介电常数介质贴片(11-1)在同一水平面上的投影重合；
天线工作时差分信号通过一对共面波导传输线馈入，传递至中间层金属结构(3)的竖直矩形槽(33)，并耦合至对称型介质贴片谐振器，在竖直矩形槽(33)和对称型介质贴片谐振器的共同作用下实现宽带双向辐射。
2.根据权利要求1所述的一种差分宽带双向辐射介质贴片谐振器天线，其特征在于，第一低介电常数介质基板(2)、中间层金属结构(3)、第二低介电常数介质基板(4)为长宽相同的矩形结构，且三者边缘对齐。
3.根据权利要求1所述的一种差分宽带双向辐射介质贴片谐振器天线，其特征在于，顶层介质结构(1)的高介电常数介质贴片(11-1)之间的中间矩形槽(12-1)，以及底层介质结构(5)的两个高介电常数介质贴片(11-2)之间的中间矩形槽(12-2)长度不小于0.8λ0，且不大于0.85λ0，其宽度不小于0.3λ0，且不大于0.35λ0，其中λ0为中心频率对应的自由空间波长。
4.根据权利要求1所述的一种差分宽带双向辐射介质贴片谐振器天线，其特征在于，中间层金属结构(3)的一对竖直矩形槽(33)长度不小于0.35λ0，且不大于0.4λ0，相对的两竖直矩形槽(33)中心间距不小于0.4λ0，且不大于0.45λ0，其中λ0为中心频率对应的自由空间波长。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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