高增益定向輻射介質諧振器天線的製作方法

2023-04-24 01:00:21 1

本實用新型涉及天線設備，特別的，涉及一種高增益定向輻射介質諧振器天線。

背景技術：

現有的介質諧振器天線主要包括兩類：一是全向輻射介質諧振器天線，二是定向輻射介質諧振器天線，定向輻射介質諧振器天線通常是在介質諧振器中，在模式具有單向性或者定向性的輻射模式的基礎上，添加寄生結構，實現定向輻射。現有高增益定向介質諧振器天線主要包括有兩種結構形式，一種是參考反射面天線，在主輻射結構背後添加起反射作用的金屬腔體，結構複雜，體積較大；另一種是通過將天線單元組成陣列，體積較大。另外，隨著無線、探測、傳輸、控制等領域的不斷發展，對定向天線的的要求越來越高，一方面要儘量結構簡單，另一方面要求天線保證良好的方向性、工作帶寬不能太窄，且增益要儘量高。

技術實現要素：

本實用新型目的在於提供一種高增益定向輻射介質諧振器天線，以解決背景技術中提出的問題。

為實現上述目的，本實用新型提供了一種高增益定向輻射介質諧振器天線，包括矩形的金屬介質基板1，金屬介質基板板面上與其中一條邊平行的方向即Y軸向為縱向，而與其相鄰邊平行的方向即X軸向為橫向，金屬介質基板板面上設置有主諧振介質2與引向諧振介質3，主諧振介質2沿金屬介質基板縱向方向偏離金屬介質基板幾何中心，引向諧振介質3與主諧振介質2沿金屬介質基板縱向方向排列，主諧振介質2與引向諧振介質3之間沿金屬介質基板縱向方向保持有間隙，所述主諧振介質為筒形結構，主諧振介質的內筒中設置有饋電探針4，金屬介質基板兩縱向邊緣處分別設置有一組沿縱向排列的金屬柱隊列5，每一組所述金屬柱隊列5包括若干根間距設置的金屬柱51。

進一步的，所述金屬介質基板上的金屬柱隊列沿金屬介質基板橫向方向與引向諧振介質3和/或主諧振介質2相對。

優選的，所述主諧振介質的中心點離金屬介質基板一邊在縱向上的距離s1等於22～30mm；

在縱向上，所述金屬柱隊列中最近一根金屬柱的中心點離金屬介質基板一邊的距離c1等於18～30mm，且c1小於或等於s1；在橫向上，所述金屬柱隊列中金屬柱的中心點離金屬介質基板近邊的距離c2等於1.8～2.1mm。

優選的，所述金屬柱的高度h4等於3.8～4.2mm，所述金屬柱隊列中，相鄰兩金屬柱外圓面之間的間距b等於0.4～1.5mm。

優選的，每一組所述金屬柱隊列中所包括的金屬柱數量為11～26根。

優選的，所述主諧振介質與引向諧振介質均為帶內筒的圓筒狀結構，所述主諧振介質2的中軸線與引向諧振介質3中軸線之間沿金屬介質基板縱向方向的距離s2等於8～15mm。

優選的，主諧振介質與引向諧振介質的材質均為陶瓷，所述金屬介質基板的材質為銅。

優選的，所述金屬介質基板的長度L為75～85mm，金屬介質基板的寬度W為55～65mm，金屬介質基板的厚度t為1～1.3mm；

所述引向諧振介質外半徑r4等於3.3～3.7mm，引向諧振介質內半徑r3等於1.3～1.6mm，引向諧振介質高度h2等於3.3～3.5mm；

所述主諧振介質外半徑r2等於4.3～4.7mm，主諧振介質內半徑r1等於1～1.6mm，主諧振介質高度h1等於4.3～4.5mm；

所述饋電探針直徑d1等於0.9～1.1mm，饋電探針高度h3等於5.6～6.2mm；

所述金屬柱直徑d2等於0.9～1.1mm。

進一步優選的，所述饋電探針的高度為6mm，饋電探針的直徑為1mm。

進一步的，所述主諧振介質2與引向諧振介質3相背的一側柱面上設置有金屬貼片6。

有益效果：本實用新型在主諧振介質的旁邊設置了引向諧振介質對天線輻射進行初步引向並提高增益，再通過兩組金屬柱隊列進一步增強天線的方向性能並進一步提高增益，使天線的性能大大提升，本實用新型還在主諧振介質柱面上設置金屬貼片，可減小天線的背瓣並提高天線的方向圖3dB波束寬度，大大提高天線的方向性，增加金屬貼片後可使天線的工作模式產生擾動，使天線可在全向工作模式下實現定向輻射，由於此時天線的全向模式是天線的主模，也是基模，可以使天線的定向輻射的方向圖帶寬更寬，表現更加穩定，為介質諧振天線的定向輻射探索了一種新方法，在寬帶定向輻射天線中有廣闊應用前景，大大擴展了天線的應用範圍。

本實用新型中，金屬介質基板上的主諧振介質與引向諧振介質偏離金屬介質基板的幾何中心設置，金屬介質基板本身也有一定有引向作用。

本實用新型通過合理設置主諧振介質與引向諧振介質之間的距離、饋電探針的長度以及主諧振介質內壁與饋電探針之間的縫隙尺寸，使天線的阻抗匹配性能達到最佳。

除了上面所描述的目的、特徵和優點之外，本實用新型還有其它的目的、特徵和優點。下面將參照圖，對本實用新型作進一步詳細的說明。

附圖說明

構成本申請的一部分的附圖用來提供對本實用新型的進一步理解，本實用新型的示意性實施例及其說明用於解釋本實用新型，並不構成對本實用新型的不當限定。在附圖中：

圖1是本實用新型優選實施例一的天線立體結構圖；

圖1.1是本實用新型優選實施例一的天線俯視圖；

圖1.2是本實用新型優選實施例一的天線側視圖；

圖2是本實用新型優選實施例二的天線立體結構圖；

圖3是本實用新型優選實施例三的天線立體結構圖；

圖4是本實用新型對比例一的天線立體結構圖；

圖5是本實用新型對比例二的天線立體結構圖；

圖6是本實用新型實施例一、實施例二、實施例三與對比例一、對比例二的天線在工作頻帶內的增益曲線圖。

圖7是本實用新型實施例一、實施例二、實施例三與對比例一、對比例二的天線的輻射方向圖；

圖8是本實用新型實施例一、實施例二、實施例三與對比例一、對比例二的天線的S參數曲線圖(其中實施例一的天線位於10GHz附近的諧振點的S曲線未完全示出，可參考圖9～圖11)；

圖9是實施例一在不同的主諧振介質與引向諧振介質距離(s2)條件下的S參數掃描曲線圖；

圖10是實施例一在不同的饋電探針高度(h3)條件下的S參數掃描曲線圖；

圖11是實施例一在不同的主諧振介質內半徑(r1)條件下的S參數掃描曲線圖。

圖中：1-金屬介質基板，2-主諧振介質，3-引向諧振介質，4-饋電探針，5-金屬柱隊列，51-金屬柱，6-金屬貼片。

具體實施方式

以下結合附圖對本實用新型的實施例進行詳細說明，但是本實用新型可以根據權利要求限定和覆蓋的多種不同方式實施。

參見圖1及圖1.1、圖1.2的實施例一的高增益定向輻射介質諧振器天線，包括矩形的金屬介質基板1，金屬介質基板板面上與長邊平行的方向即Y軸向為縱向，而與其短邊平行的方向即X軸向為橫向，金屬介質基板板面上設置有主諧振介質2與引向諧振介質3，主諧振介質2沿金屬介質基板縱向方向偏離金屬介質基板幾何中心，引向諧振介質3與主諧振介質2沿金屬介質基板縱向方向排列，主諧振介質2與引向諧振介質3之間沿金屬介質基板縱向中軸線方向保持有間隙，主諧振介質為圓筒形結構，主諧振介質的內筒中設置有饋電探針4，金屬介質基板兩縱向邊緣處分別設置有一組沿縱向排列的金屬柱隊列5，每一組金屬柱隊列5包括16根間距設置的金屬柱51。

實施例一中，主諧振介質2與引向諧振介質3相背的一側柱面上設置有金屬貼片6。

實施例一中，金屬柱隊列5沿金屬介質基板橫向方向與引向諧振介質3及主諧振介質2相對。

實施例一中，主諧振介質與引向諧振介質均為帶內筒的圓筒狀結構，主諧振介質與引向諧振介質的材質均為陶瓷，金屬介質基板的材質為銅。

參見圖1.1及圖1.2，實施例一中的天線各部件及部位的尺寸如表1：

表1

參見圖2的實施例二的高增益定向輻射介質諧振器天線，包括矩形的金屬介質基板1，金屬介質基板板面上設置有主諧振介質2與引向諧振介質3，主諧振介質2沿金屬介質基板縱向方向偏離金屬介質基板幾何中心，引向諧振介質3與主諧振介質2沿金屬介質基板縱向方向排列，主諧振介質2與引向諧振介質3之間沿金屬介質基板縱向中軸線方向保持有距離，主諧振介質為圓筒形結構，主諧振介質的內筒中設置有饋電探針4，金屬介質基板兩縱向邊緣處分別設置有一組金屬柱隊列5，每一組金屬柱隊列5包括26根間距設置的金屬柱51。

實施例二中，主諧振介質2與引向諧振介質3相背的一側柱面上設置有金屬貼片6。

實施例二中，金屬柱隊列5沿金屬介質基板橫向方向與引向諧振介質3及主諧振介質2相對。

實施例二中，主諧振介質與引向諧振介質均為帶內筒的圓筒狀結構，主諧振介質與引向諧振介質的材質均為陶瓷，金屬介質基板的材質為銅。

參照圖1.1與圖1.2，實施例二中的天線各部件及部位的尺寸如表2：

表2

參見圖3的實施例三的高增益定向輻射介質諧振器天線，包括矩形的金屬介質基板1，金屬介質基板板面上設置有主諧振介質2與引向諧振介質3，主諧振介質2沿金屬介質基板縱向方向偏離金屬介質基板幾何中心，引向諧振介質3與主諧振介質2沿金屬介質基板縱向方向排列，主諧振介質2與引向諧振介質3之間沿金屬介質基板縱向中軸線方向保持有距離，主諧振介質為圓筒形結構，主諧振介質的內筒中設置有饋電探針4，金屬介質基板兩縱向邊緣處分別設置有一組金屬柱隊列5，每一組金屬柱隊列5包括11根間距設置的金屬柱51。

實施例三中，主諧振介質2與引向諧振介質3相背的一側柱面不設置金屬貼片。

實施例三中，金屬柱隊列5沿金屬介質基板橫向方向與引向諧振介質3及主諧振介質2相對。

實施例三中，主諧振介質與引向諧振介質均為帶內筒的圓筒狀結構，主諧振介質與引向諧振介質的材質均為陶瓷，金屬介質基板的材質為銅。

參照圖1.1與圖1.2，實施例三中的天線各部件及部位的尺寸如表3：

表3

參見圖4的對比例一的天線，對比例一的天線不設置金屬柱與引向諧振介質，其餘結構、尺寸與實施例三相同。

參見圖5的對比例二的天線，對比例二的天線不設置金屬柱，其餘結構、尺寸與實施例三相同。

對於實施例一、實施例二、實施例三與對比例一、對比例二所提出的天線，本申請的發明人進行了仿真與計算，五種天線的工作模式均為TM01δ模式(TM01δ模式為全向工作模式)，獲得了五種天線在TM01δ模式下的各種參數與性能曲線圖如圖6～圖8。

從圖6可以看出，對比例一、對比例二、實施例三的增益依次穩步提升，且實施例三相對於對比例一、對比例二的增益整體提升較大，工作頻帶內的增益曲線有兩個峰值，對應頻率分別為7.5GHz和11.5GHz左右。實施例二與實施例一的天線在工作頻帶內的增益相對於實施例三有進一步的提升，且實施例一的天線在7.69GHz-11.61GHz的工作頻帶內，增益從8.04dBi增加到10.87dBi，最高增益對應的頻率為11.2GHz，而天線的總輻射效率在頻帶內最低為86.1％，最高可達98.5％。

圖7顯示了實施例一、實施例二、實施例三與對比例一、對比例二的天線的輻射特性，圖7(a)為五種天線的直角坐標系示意圖，圖7(b-1)為對比例一的天線在俯仰面(圖7a中的xoz面)內的方向圖，圖7(b-2)為對比例一的天線在水平面(圖7a中的xoy面)內的方向圖，圖7(c-1)為對比例二的天線在俯仰面內的方向圖，圖7(c-2)為對比例二的天線在水平面內的方向圖，圖7(d-1)為實施例三的天線在俯仰面內的方向圖，圖7(d-2)為實施例三的天線在水平面內的方向圖，圖7(e-1)為實施例二的天線在俯仰面內的方向圖，圖7(e-2)為實施例二的天線在水平面內的方向圖，圖7(f-1)為實施例一的天線在俯仰面內的方向圖，圖7(f-2)為實施例一的天線在水平面內的方向圖。

從圖7(b-1)及圖7(b-2)可以看出，對比例一的天線在頻帶內的三個頻點處的最大增益分別是4.83dBi、4.83dBi、5.32dBi，俯仰面內最大輻射方向分別是54°、61°、62°，對比例一的天線在工作頻帶內，輻射方向並不是都指向前方，在中頻處，在水平面內各個方向的輻射都比較大，方向性並不明顯。

從圖7(c-1)及圖7(c-2)可以看出，對比例二的天線在頻帶內的三個頻點處的最大增益分別是5.23dBi、4.7dBi、6.6dBi，俯仰面內最大輻射方向分別是54°、60°、62°。可以看到，對比例二的天線在工作頻帶內，最大輻射方向指向天線前方兩側，而在中頻處，最大輻射指向天線的後方，因此方向性並不好。

從圖7(d-1)及圖7(d-2)可以看出，實施例三的天線在頻帶內的三個頻點處的最大增益分別是5.59dBi、5.1dBi、9.42dBi，俯仰面內最大輻射方向分別是53°、56°、61°，相對於對比例一與對比例二增益相對於對比例一與對比例二有了較大幅度的提高，另外，對比圖7(b-1)～圖7(d-2)中可以看出，實施例三的天線相對於對比例一與對比例二在工作頻帶內指向性得到了提高。

從圖7(e-1)及圖7(e-2)可以看出，實施例二的天線在頻帶內的三個頻點處的最大增益分別是8.7dBi、9.26dBi、10.3dBi，俯仰面內最大輻射方向分別是53°、56°、61°。相對於實施例三及對比例一、對比例二，實施例二的增益大大提高，最大增益可達10.3dBi。對比圖7(d-1)及圖7(d-2)可以看出，相對於實施例三，實施例二的天線在工作頻帶內，天線的副瓣大大減小，且背瓣有所收斂，方向性進一步提高。

從圖7(f-1)及圖7(f-2)可以看出，實施例一的天線在頻帶內的三個頻點處的最大增益分別是8.06dBi、10.1dBi、10.4dBi，對應的最大輻射角度分別是53°、57°、60°。增益相對於實施例二進一步提高，對應的3dB波束寬度分別是96.9°、65.5°、67.5°，天線的方向性顯著提升。

由圖8可以看出，實施例三與對比例一、對比例二所提出的天線的阻抗帶寬都比較接近，工作頻帶內有兩個比較明顯的諧振點，分別出現在7.6GHz處和10.8GHz處，因此實施例三在不影響工作頻帶的情況下，定向性比對比例一及對比例二更好，增益更高，而實施例二的天線的阻抗特性由於金屬貼片的加入，變化比較劇烈，主要是由於金屬貼片就在主諧振介質的表面，對介質的主要工作模式產生了擾動，使得輻射特性不再對稱，即定向性更好，能量能更加集中的輻射向期望的方向，也就是天線的一側，同時，相比於前三者，實施例二的天線增益更高。實施例一在實施例二的基礎上對天線尺寸(主諧振介質與引向諧振介質之間的間距、兩者的內外半徑尺寸和高度尺寸等，具體見表1與表2)作了優化調動，另外對金屬柱的數量和位置進行了優化調動，從圖6可以看出，實施例一的天線可用頻段為7.69GHz-11.61GHz，帶寬為3.92GHz，相對帶寬為40.6％，在帶內有兩個比較明顯的諧振點，分別是8.0GHz和10.06GHz，拓展了帶寬的同時改善了帶內的匹配情況。

為了進一步驗證主諧振介質與引向諧振介質之間的距離、饋電探針長度及主諧振介質內徑對天線性能的影響，本申請的發明人進一步以實施例一為基礎，分別設計不同的主諧振介質與引向諧振介質距離、不同的饋電探針長度及不同的主諧振介質內半徑值，並對天線進行了仿真測試，得到圖9～圖11的S參數掃描曲線圖。

圖9所示為主諧振介質與引向諧振介質的間距s2對天線阻抗帶寬的影響。從圖9中可以看出，間距對於帶寬的影響不是很大，只是影響了匹配的效果。實際上，間距這個參數對天線來說是至關重要的。當兩個介質的距離太遠，主諧振介質輻射的場在沒有到達引向諧振介質之前就會衰減，兩介質的耦合明顯變小，從而使得引向諧振介質的引向作用難以發揮；而當兩個介質之間的距離太近，天線的方向圖帶寬又會很明顯的變小，在阻抗帶寬內的個別頻段上，天線的輻射方向圖會發生分叉，因此，實施例一中選取s2等於9時，天線阻抗匹配性最佳。

圖10顯示了饋電探針的高度對天線工作頻帶的影響。可以看出，高度從6mm增加到9mm的過程中，天線的阻抗帶寬逐漸變小，阻抗匹配逐漸變差。即使探針高度在一個比較小的範圍內變化，天線的工作頻帶也會發生劇烈的變化。實施例一中當探針的高度為6mm時，阻抗匹配達到最佳。

從圖11中可以看出，天線在工作頻帶內存在兩個諧振點，而主諧振介質內半徑r1這一參數主要影響高頻率諧振點處的阻抗匹配特性，主諧振介質內半徑從1.0mm增加到1.6mm的過程中，天線的頻帶整體向高頻處移動，實施例一中當主諧振介質內半徑等於1.0mm時，阻抗匹配最佳。

以上所述僅為本實用新型的優選實施例而已，並不用於限制本實用新型，對於本領域的技術人員來說，本實用新型可以有各種更改和變化。凡在本實用新型的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護範圍之內。