一種雙頻圓極化矩形介質諧振器天線的製作方法

2023-07-18 13:35:51

一種雙頻圓極化矩形介質諧振器天線的製作方法
【專利摘要】該發明公開了一種雙頻圓極化矩形介質諧振器，屬於電子【技術領域】。該天線包括矩形介質基片、設置於介質基片背面的微帶線、設置於介質基片正面的刻蝕有改進型圓環縫隙的金屬接地板以及設置於接地板上層中心位置的矩形介質塊。這款天線主模和可以在低頻段產生圓極化輻射；高次模和可以在高頻段產生圓極化輻射，通過兩者的組合，就能夠實現DRA的雙頻圓極化性能。該發明利用了矩形介質諧振器天線的主模和高次模，具有了雙頻圓極化性能，並且天線結構簡單、饋電方便、結構緊湊能夠應用於各類無線通信系統中。
【專利說明】一種雙頻圓極化矩形介質諧振器天線

【技術領域】
[0001] 本發明屬於電子【技術領域】，特別涉及一種由改進型圓環縫隙激勵的雙頻圓極化矩 形介質諧振器天線。

【背景技術】
[0002] 隨著現代無線通信事業的快速發展，工程上對於天線的小型化、寬頻帶、低損耗等 性能提出了更越來越高的要求，如何簡便而有效地實現這些性能的改進成了研究者們多年 來努力地方向。雖然常用的微帶天線有低剖面、質量輕的優點，但是也存在高頻段幾何尺寸 大及低頻段金屬歐姆損耗高等缺點，使其應用受到了一定的限制。與傳統的天線相比，介質 諧振器天線（DRA)具有形式多樣、小尺寸、低損耗、激勵靈活、低成本以及高輻射效率等優 勢，因此，介質諧振器天線在過去的20多年裡受到了廣泛的研究。其中矩形DRA因其擁有 更多的設計自由度而比圓柱形和半球形DRA更為常用。
[0003] 現代無線通信技術的快速發展激發了人們對雙頻DRA的研究，並且文獻中已經報 道了幾種較為有效的方法。2007年，Τ· H. Chang和J. F. Kiang等人在IEEE Transactions on Antennas and Propagation 上發表的題為 "Dual-band split dielectric resonator antenna"的文章，報導了通過把一個DRA和另一個諧振在不同頻率的介質諧振器結合 起來可以實現雙頻帶設計的方式，但是第二個諧振器的引入卻會導致天線結構的複雜 化。1983 年，A. Buerkle 和 K. Sarabandi 等人在 IEEE Transactions on Antennas and Propagation 上發表的題為 "Compact slot and dielectric resonator antenna with dual-resonance, broadband characteristics"中報導了利用饋電結構的諧振也可以實 現雙頻DRA，然而這種方法會導致天線匹配的惡化。最近的研究表明，利用DRA的高次模 式來實現雙頻也是一種有效的方式，並且不會導致上述天線結構的複雜化以及匹配性能 的惡化等問題。X.S. Fang和C.K. Chow等人於2011年發表在IEEE Antennas Wireless Propagation 上的題為 "New single-/dual-mode design formulas of the rectangular dielectric resonator antenna using covariance matrix adaptation evolutionary strategy"的文章證實了此方法的可行性。
[0004] 當前，關於利用高次模實現雙頻DRA的研究多數還是集中在線極化天線的設計 上，僅有少數文獻報導了高次模實現雙頻圓極化DRA，如2012年X. S. Fang和K. W. Leung等 人發表在 IEEE Transactions on Antennas and Propagation 上發表的題為 "Linear-/ circular-polarization designs of dual-/wide-band cylindrical dielectric resonator antennas"的文章報導了利用相位正交的垂直帶線，來激勵主模和高次模從而 實現DRA的雙頻圓極化，但是由於饋電結構需要一個雙頻段的90°耦合器而複雜不易實 現。如何實現結構簡單並且饋電方便的雙頻圓極化矩形DRA有待於進一步的研究。


【發明內容】

[0005] 本發明提出了一種雙頻圓極化矩形介質諧振器天線，該天線基於聯合利用主模和 高次模的理念，利用改進型圓環縫隙激勵起DRA的主模ΤΕ?νΤΕ^^Ρ高次模TEL/TE^ 來實現雙頻圓極化。
[0006] 本發明是通過以下技術方案實現的：
[0007] -種雙頻圓極化矩形介質諧振器天線，包括矩形介質基片、設置於介質基片背面 的微帶線、設置於介質基片正面的金屬接地板以及設置於接地板上層中心位置的矩形介質 塊，其特徵在於所述接地板完全覆蓋介質基片，位於矩形介質塊下方的接地板刻蝕有改進 型圓環縫隙，改進型圓環縫隙由一圓環縫隙和兩條位於圓環縫隙外側並與其相連的矩形縫 隙構成，圓環縫隙的中心位於介質塊幾何中心的正下方，兩條矩形縫隙的中心線與介質塊 底面的對角線位於同一直線上，改進型圓環縫隙內沒有金屬物質；
[0008] 所述微帶線由第一矩形金屬貼片和第二矩形金屬貼片連接構成，兩矩形金屬貼片 的中心線位於介質基片的對稱軸上，第二矩形金屬貼片的末端位於介質基板的邊；
[0009] 所述第一矩形金屬貼片的寬度大於第二矩形金屬貼片的寬度。
[0010] 本發明天線由改進型圓環縫隙激勵，該改進型圓環縫隙刻蝕在介質基片的覆銅面 上，並位於矩形陶瓷介質的正下方，通過印刷在介質基片另一面的階梯狀微帶線對改進型 圓環縫隙進行饋電。這款天線可以認為是一個由直線縫隙激勵起TEiu和模式的DRA 與一個帶有微擾的環形縫隙激勵起TELjPTElu模式的DRA的組合。其中，主模TEiu:和 模可以在低頻段產生圓極化輻射；高次模ΤΕ?13和丁￡『13可以在高頻段產生圓極化輻 射。通過兩者的組合，就能夠實現DRA的雙頻圓極化性能。
[0011] 本發明和現有技術相比，其對結構和性能的改善是積極的和明顯的。通過DRA主 模和高次模的利用實現了雙頻圓極化工作，通過對激勵縫隙的改進使天線可以很容易的激 勵起主模TEi^/TElu和高次模ΤΕ?^/ΤΕ^，。本發明在實現了較好的雙頻圓極化性能的同 時保證了天線結構以及饋電結構的簡單化，具有很好的應用價值。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012] 圖1(a)為本發明實施例正面結構示意圖；，
[0013] 圖1(b)為本發明實施例的側面結構示意圖；
[0014] 圖1(c)為本發明實施例背面結構示意圖；
[0015] 圖2為本發明實施例回波損耗的仿真及實測曲線是意圖；
[0016] 圖3為本發明實施例的左旋圓極化軸比的仿真及實測曲線示意圖；
[0017] 圖4為本發明實施例的左旋圓極化增益實測曲線示意圖。
[0018] 附圖標號說明：1.接地板，2.矩形介質塊，3.圓環縫隙，4.直線縫隙，5.直線縫 隙，6.第一矩形金屬貼片，7.第二矩形金屬貼片，8.饋電埠，9.介質基板。

【具體實施方式】
[0019] 下面結合附圖對本發明的【具體實施方式】作進一步詳細的說明。
[0020] 如圖1 (a)、（b)、（c)所示，該實施例包括一個FR4介質基板9,介質基板的正面為 接地板1，位於介質基板9中央並與接地板1接觸的矩形介質塊2作為天線的輻射體，刻蝕 在接地板1上並位於矩形介質塊2正下方的由圓環縫隙3和直線縫隙4、5組成的改進型圓 環縫隙，改進型圓環縫隙由印刷在介質基板9背面的階梯型微帶線進行激勵，。
[0021] 圖1中，介質基板9的面積為100X 100mm2,厚度為1.6mm;相對介電常數為12的 陶瓷矩形介質塊2的長寬高分別為a = b = 37mm，c = 30mm ;直線縫隙4長寬分別為12 = 18mm，w = 3. 5mm ;直線縫隙5長寬分別為h = llmm，w = 3. 5mm ;圓環縫隙3半徑和寬度分 別為r = 18mm，w = 3. 5mm ;第一矩形金屬貼片6的長寬分別為lm2 = 47. 5mm，wm2 = 6mm ;第 二矩形金屬貼片7的長寬分別為lml = 12mm，wml = 3mm。此處具體尺寸的選取僅為本發明 實施例中所選用，對於本領域的技術人員來說，可以根據實際需要對各部分的尺寸進行適 當的調整。
[0022] 當通過饋電埠 8對天線進行饋電時，能量通過階梯型微帶線傳輸到縫隙下方， 當第一次經過環形縫隙下方時，位於交點上方的半圓環縫隙與直線縫隙4、5組成一個線狀 縫隙，能量通過此線狀縫隙耦合到陶瓷介質2中激勵起主模和!^；^，這兩個正交模 式可以在低頻段產生圓極化輻射；當能量第二次經過環狀縫隙3下方時，能量通過該帶有 微擾的環狀縫隙耦合到陶瓷介質2中激勵起高次模ΤΕ? 1；?和ΤΕ〖13,這兩個正交高次模可以 在高頻段產生圓極化輻射。通過這樣的組合，就可以由改進型的圓環狀縫隙耦合饋電實現 雙頻圓極化DRA。
[0023] 本發明可通過調節圓環縫隙3的半徑實現高頻段圓極化軸比的優化；通過調節直 線型縫隙4、5的尺寸實現低頻段圓極化軸比的優化；通過調整階梯型微帶線6、7的長寬實 現高、低頻的阻抗匹配。
[0024] 實施例的回波損耗曲線如圖2所示，天線在低頻段的?Ο-dB回波損耗帶寬為9. 1% (1. 58-1. 73GHz)，高頻段?Ο-dB回波損耗帶寬為14. 4% (2. 39-2. 76GHz)，表明該天線實現 了雙頻工作。
[0025] 實施例的圓極化軸比曲線如圖3所示，本實施例實現的是左旋圓極化，天線 在低頻段的3-dB軸比帶寬為3. 7% (1.61-1. 67GHz)，高頻段3-dB軸比帶寬為3. 7% (2. 65-2. 75GHz)，表明該天線在兩個頻段上都實現了圓極化。
[0026] 實施例的左旋圓極化增益實測結果如圖4所示，低頻段中心頻率1. 64GHz處增益 為5. 4dBi，高頻段中心頻率2. 70GHz處為5. 8dBi，表明該天線在雙頻上具有較高的增益。
[0027] 該實施例的仿真和實測結果顯示，本發明天線很好的實現了雙頻圓極化工作，此 外該天線結構簡單、饋電方便、結構緊湊，具有很好的應用價值。
【權利要求】
1. 一種雙頻圓極化矩形介質諧振器天線，包括矩形介質基片、設置於介質基片背面的 微帶線、設置於介質基片正面的金屬接地板以及設置於接地板上層中心位置的矩形介質 塊，其特徵在於所述接地板完全覆蓋介質基片，位於矩形介質塊下方的接地板刻蝕有改進 型圓環縫隙，改進型圓環縫隙由一圓環縫隙和兩條位於圓環縫隙外側並與其相連的矩形縫 隙構成，圓環縫隙的中心位於介質塊幾何中心的正下方，兩條矩形縫隙的中心線與介質塊 底面的對角線位於同一直線上，改進型圓環縫隙內沒有金屬物質。
2. 如權利要求1所述的一種雙頻圓極化矩形介質諧振器天線，所述微帶線由第一矩形 金屬貼片和第二矩形金屬貼片連接構成，兩矩形金屬貼片的中心線位於介質基片的對稱軸 上，第二矩形金屬貼片的末端位於介質基板的邊。
3. 如權利要求1所述的一種雙頻圓極化矩形介質諧振器天線，所述第一矩形金屬貼片 的寬度大於第二矩形金屬貼片的寬度。
【文檔編號】H01Q1/50GK104269608SQ201410473523
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年9月17日 優先權日:2014年9月17日
【發明者】潘錦, 鄒孟, 張凡, 張翔, 陳兆豐, 崔元善 申請人:電子科技大學