基于共面波導(dǎo)饋電的小型化寬頻帶介質(zhì)諧振器天線的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于共面波導(dǎo)饋電的小型化寬頻帶介質(zhì)諧振器天線，包括介質(zhì)基板、共面波導(dǎo)和圓環(huán)介質(zhì)諧振器，共面波導(dǎo)包括接地地板、輻射貼片和饋電部分，饋電部分包括環(huán)形貼片以及中心帶線，接地地板包括兩部分且兩部分相對于中心帶線呈對稱結(jié)構(gòu)，在接地地板上具有兩個對稱性的L型缺口和矩形缺口，輻射貼片由四個兩兩對稱的四分之一圓環(huán)貼片構(gòu)成，圓環(huán)介質(zhì)諧振器位于饋電部分環(huán)形貼片的正中間。本發(fā)明通過采用共面波導(dǎo)饋電圓環(huán)印刷單極天線和介質(zhì)諧振器天線的混合輻射機制，激勵諧振器的多個工作模式，從而擴展帶寬，并具有良好的阻抗匹配、輻射效率和峰值增益，保證天線在小尺寸的前提下，獲得寬頻帶工作性能。
【專利說明】
基于共面波導(dǎo)饋電的小型化寬頻帶介質(zhì)諧振器天線
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種天線，特別是涉及一種基于共面波導(dǎo)饋電的小型化寬頻帶介質(zhì)諧 振器天線。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，隨著微波電路的飛速發(fā)展，小型化、高效率、寬頻帶等成為天線的發(fā)展趨勢， 因此實現(xiàn)天線的小型化和寬頻帶成為天線設(shè)計的重要內(nèi)容。許多應(yīng)用程序，如數(shù)字廣播、視 頻會議、衛(wèi)星通信、無線和雷達等應(yīng)用程序都需要比較寬的帶寬。但在以往的設(shè)計中，實現(xiàn) 天線的小型化，就必須犧牲它的帶寬。隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，研究者們一直在不斷嘗試 設(shè)計具有小尺寸和寬頻帶特性的天線，而介質(zhì)諧振器天線，無疑是一個很好的選擇。與傳統(tǒng) 天線相比，介質(zhì)諧振器天線不僅具有效率高、饋電方便、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，還能通過改變形 狀或選擇合適的模式激勵來控制天線的輻射方向圖。目前使用高介電常數(shù)的介質(zhì)諧振器可 實現(xiàn)天線小型化，但同時會減小天線的帶寬，如何獲得小尺寸和寬頻帶特性的天線仍需要 繼續(xù)研究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明旨在至少解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題，特別創(chuàng)新地提出了一種基于共 面波導(dǎo)饋電的小型化寬頻帶介質(zhì)諧振器天線。
[0004] 為了實現(xiàn)本發(fā)明的上述目的，本發(fā)明提供了一種基于共面波導(dǎo)饋電的小型化寬頻 帶介質(zhì)諧振器天線，包括介質(zhì)基板及設(shè)置在所述介質(zhì)基板上的呈軸對稱結(jié)構(gòu)分布的共面波 導(dǎo)和圓環(huán)介質(zhì)諧振器，所述共面波導(dǎo)包括接地地板、輻射貼片和饋電部分，所述饋電部分包 括環(huán)形貼片以及中心帶線，所述接地地板包括兩部分且兩部分相對于中心帶線呈對稱結(jié) 構(gòu)，在接地地板上具有兩個對稱性的L型缺口和矩形缺口，所述輻射貼片由四個兩兩對稱的 四分之一圓環(huán)貼片構(gòu)成，四個圓環(huán)貼片分列在饋電部分環(huán)形貼片的左上、左下、右上、右下 四個方位且圓弧與饋電部分環(huán)形貼片相對;所述圓環(huán)介質(zhì)諧振器位于所述饋電部分環(huán)形貼 片的正中間。
[0005] 本發(fā)明通過采用共面波導(dǎo)饋電圓環(huán)印刷單極天線和介質(zhì)諧振器天線的混合輻射 機制，激勵諧振器的多個工作模式，從而擴展帶寬，并具有良好的阻抗匹配、輻射效率和峰 值增益。保證天線在小尺寸的前提下，獲得寬頻帶工作性能。
[0006] 相對于現(xiàn)階段介質(zhì)諧振器天線擴展帶寬的技術(shù)方案，本發(fā)明采用共面波導(dǎo)饋電的 圓環(huán)印刷單極天線與介質(zhì)諧振器天線混合結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，不僅具有顯著的阻抗帶寬擴展 優(yōu)勢，而且提高天線的其他結(jié)構(gòu)性能和指標(biāo)方面，包括：1)減小天線的剖面高度，相對于采 用層疊結(jié)構(gòu)的方法而言，剖面高度至少降低4倍以上;2)采用平面印刷的方式制備天線，使 該天線形式簡單、結(jié)構(gòu)緊湊，易于集成，同時沒有明顯降低天線的輻射性能，比如輻射能量 前后比和峰值增益。而且通過改變基板厚度和圓環(huán)介質(zhì)諧振器尺寸，該天線的工作頻段可 以任意調(diào)節(jié)，可以廣泛用于WLAN，WiMAX等無線通信系統(tǒng)中。
[0007] 在本發(fā)明的一種優(yōu)選實施方式中，所述接地地板上的L型缺口位于接地地板上與 饋電部分中心帶線距離較遠的兩個邊沿上，所述接地地板的矩形缺口位于接地地板上與饋 電部分中心帶線距離較近的兩個邊沿上。
[0008] L型缺口設(shè)計能夠有效地調(diào)節(jié)天線的匹配程度，特別是在2.6GHZ-3.6GHZ這一工作 頻段，阻抗匹配改善明顯。矩形缺口設(shè)計主要是針對共面波導(dǎo)饋線進行阻抗匹配，讓該天線 的整體匹配程度，有良好改善。圓環(huán)介質(zhì)諧振器，相對于普通圓柱介質(zhì)諧振器而言，增加該 天線的工作帶寬。
【附圖說明】
[0009] 圖1是本發(fā)明基于共面波導(dǎo)饋電的小型化寬頻帶介質(zhì)諧振器天線的整體結(jié)構(gòu)圖；
[0010] 圖2是本發(fā)明基于共面波導(dǎo)饋電的小型化寬頻帶介質(zhì)諧振器天線的共面波導(dǎo)部分 的俯視圖；
[0011] 圖3是本發(fā)明基于共面波導(dǎo)饋電的小型化寬頻帶介質(zhì)諧振器天線的側(cè)視圖；
[0012] 圖4是本發(fā)明基于共面波導(dǎo)饋電的小型化寬頻帶介質(zhì)諧振器天線的頻率與反射系 數(shù)I S 11 I之間的關(guān)系圖；
[0013] 圖5是本發(fā)明基于共面波導(dǎo)饋電的小型化寬頻帶介質(zhì)諧振器天線仿真得到的在 XOZ平面和YOZ平面的輻射方向圖，虛線表示交叉極化方向圖，實線表示共面極化方向圖；子 圖（a)、（b)、（c)、（d)、（e)、（ f)分別代表在頻點4GHz時的XOZ平面、頻點4GHz時的YOZ平面、頻 點5.5GHz時的XOZ平面、頻點5.5GHz時的YOZ平面、頻點6.3GHz時的XOZ平面、以及頻點 6.3GHz時的YOZ平面輻射方向圖。
[0014] 附圖標(biāo)記：1環(huán)形貼片;2中心帶線;3接地地板;4輻射貼片;5L型缺口；6矩形缺口；7 圓環(huán)介質(zhì)諧振器;8介質(zhì)基板。
【具體實施方式】
[0015] 下面詳細描述本發(fā)明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終 相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附 圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。
[0016] 在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語"縱向"、"橫向"、"上"、"下"、"前"、"后"、 "左"、"右"、"豎直"、"水平"、"頂"、"底" "內(nèi)"、"外"等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所 示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝 置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限 制。
[0017] 在本發(fā)明的描述中，除非另有規(guī)定和限定，需要說明的是，術(shù)語"安裝"、"相連"、 "連接"應(yīng)做廣義理解，例如，可以是機械連接或電連接，也可以是兩個元件內(nèi)部的連通，可 以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以根據(jù) 具體情況理解上述術(shù)語的具體含義。
[0018] 如圖1、圖2、圖3所示，本發(fā)明提供了一種基于共面波導(dǎo)饋電的小型化寬頻帶介質(zhì) 諧振器天線，包括介質(zhì)基板及設(shè)置在介質(zhì)基板上的呈軸對稱結(jié)構(gòu)分布的共面波導(dǎo)和圓環(huán)介 質(zhì)諧振器。在本實施方式中，共面波導(dǎo)和圓環(huán)介質(zhì)諧振器均呈軸對稱結(jié)構(gòu)，共面波導(dǎo)被印刷 在介質(zhì)基板8的上層。
[0019] 共面波導(dǎo)包括金屬接地地板3、輻射貼片4和饋電部分，其中，饋電部分包括環(huán)形饋 電貼片1以及中心帶線2。在本實施方式中，中心帶線2的一邊與環(huán)形饋電貼片1相連，與環(huán)形 饋電貼片1相對的一邊與介質(zhì)基板8的邊緣對齊。在本實施方式中，中心帶線2可以為但不限 于50歐姆的中心帶線。
[0020] 接地地板3包括兩部分且兩部分相對于中心帶線2呈對稱結(jié)構(gòu)，在接地地板上具有 兩個對稱性的L型缺口 5和矩形缺口 6，接地地板3的每一部分具有一個L型缺口 5和一個矩形 缺口 6。輻射貼片4由四個兩兩對稱的四分之一圓環(huán)貼片構(gòu)成，四個圓環(huán)貼片分列在饋電部 分環(huán)形貼片1的左上、左下、右上、右下四個方位且圓弧與饋電部分環(huán)形貼片1相對。圓環(huán)介 質(zhì)諧振器7位于饋電部分環(huán)形貼片1的正中間。在本實施方式中，饋電部分中心帶線2的長度 Ll為15~17mm，寬度Wl為2.5~3.5謹(jǐn)，饋電部分環(huán)形貼片2的圓環(huán)內(nèi)半徑Rl為6.5~7.5mm， 外環(huán)半徑R2為7.5~8.5mm。優(yōu)選長度LI為15mm，寬度wl為3mm，圓環(huán)內(nèi)半徑Rl為7mm，外半徑 R2 為8mm〇
[0021] 在本實施方式中，接地地板上的L型缺口 5位于接地地板上與饋電部分中心帶線2 距離較遠的兩個邊沿上。結(jié)合圖2所示，L型缺口分為兩部分，由兩個長寬不等的矩形拼接形 成，一部分位于接地地板上與饋電部分中心帶線2距離較遠的橫邊上（垂直于中心帶線2)， 一部分位于接地地板上與饋電部分中心帶線2距離較遠的豎邊上（平行于中心帶線2)。其 中，垂直于中心帶線2的的矩形的長L3為6.5~7.5mm，寬W3為1.2~1.7mm;平行于中心帶線2 的的縱向矩形長L為35~45mm，寬W5為3~4mm。在一個更加優(yōu)選的實施方式中，選取L3為 7mm，W3為1.5mm;縱向矩形長L為40mm，寬W5為3.5臟兒型缺口設(shè)計以及采用以上尺寸能夠有 效地調(diào)節(jié)天線的匹配程度，特別是在.6GHZ-3.6GHZ這一工作頻段，阻抗匹配改善明顯。 [0022]接地地板的矩形缺口位于接地地板上與饋電部分中心帶線2距離較近的兩個邊沿 上，即位于接地地板上靠近饋電部分環(huán)形貼片1的角上，矩形缺口的長度L4為1.5~2.5mm， 寬度W2為3~4mm，優(yōu)選為長度L4為2mm，寬度W2為3.5mm。矩形缺口設(shè)計以及尺寸選擇主要是 針對共面波導(dǎo)饋線進行阻抗匹配，讓該天線的整體匹配程度，有良好改善。
[0023]共面波導(dǎo)部分的四個兩兩對稱的四分之一圓環(huán)貼片，圓環(huán)內(nèi)半徑R4為4.5~ 5.5mm，外半徑R5為5.5~6.5mm。優(yōu)選的圓環(huán)內(nèi)半徑R4為5mm，外半徑R5為6mm。四分之一圓環(huán) 貼片的設(shè)計主要是為了激勵高頻段的兩個諧振頻點，從而擴展天線整體帶寬。
[0024]介質(zhì)基板厚度均勻，介質(zhì)基板的長度L為36~42mm，寬度W為30~40mm，介質(zhì)基板的 厚度Hl為1.2~1.6mm，材料的相對介電常數(shù)ε^4-5之間。優(yōu)選的介質(zhì)基板的長度L為40mm， 寬度W為35mm，介質(zhì)基板的厚度為1mm，材料的相對介電常數(shù)為4.4。
[0025] 圓環(huán)介質(zhì)諧振器的厚度H2為0.5~1.5mm，圓環(huán)內(nèi)半徑R5為2.5~3.5mm，圓環(huán)外半 徑R6為5.5~6.5mm;其相對介電常數(shù)￡ 2為9到15之間。優(yōu)選的圓環(huán)介質(zhì)諧振器，諧振器高度 為1mm，圓環(huán)內(nèi)半徑3mm，外半徑6mm，材料的相對介電常數(shù)為10.2。圓環(huán)介質(zhì)諧振器，相對于 普通圓柱介質(zhì)諧振器，這樣的選擇，增加該天線的工作帶寬。
[0026] 而且通過改變基板厚度和圓環(huán)介質(zhì)諧振器尺寸，該天線的工作頻段可以任意調(diào) 節(jié)，可以廣泛用于WLAN，WiMX等無線通信系統(tǒng)中。
[0027] 完成上述的初始設(shè)計之后，在本發(fā)明的一種優(yōu)選實施方式中，本發(fā)明使用高頻電 磁仿真軟件HFSS13.0進行仿真實驗，仿真研究表明該天線能夠很好的應(yīng)用在當(dāng)前的無線通 信系統(tǒng)中，通過HFSS優(yōu)化功能得到的各項參數(shù)最佳尺寸如表1所示。
[0028]表1.各參數(shù)最佳尺寸表
[0030]在本實施方式中，采用的介質(zhì)基板表面金屬覆銅的厚度為0.017mm，介質(zhì)基板的厚 度為1mm，采用的材料為FR4,相對介電常數(shù)為4.4。
[0031 ]圓環(huán)介質(zhì)諧振器的高度為1mm，圓環(huán)內(nèi)半徑3mm，外半徑6mm，材料的相對介電常數(shù) 為 10.2。
[0032]根據(jù)以上參數(shù)，運用HFSS對本發(fā)明的天線進行仿真計算，得到天線的反射系數(shù)曲 線和天線的輻射方向圖。如圖4和圖5所示。
[0033]圖4是本發(fā)明反射系數(shù)的仿真曲線圖。從圖可以看到有三個諧振頻點，分別為 4GHz、5.5GHZ和6.3GHz。在I S 11 |〈-10dB條件下，該天線的阻抗帶寬頻率范圍2.92-7.16GHz，相對帶寬達到84.8%。
[0034] 圖5是天線在4GHz、5.5GHZ和6.3GHz時在XOZ平面和YOZ平面的輻射輻射方向圖，其 中，（a)圖表示天線在4GHz時在XOZ平面的輻射輻射方向圖，（b)圖表示天線在4GHz時在YOZ 平面的輻射輻射方向圖，（c)圖表示天線在5.5GHZ時在XOZ平面的輻射輻射方向圖，（d)圖表 示天線在5.5GHZ時在YOZ平面的輻射輻射方向圖，（e)圖表示天線在6.3GHz時在XOZ平面的 輻射輻射方向圖，（f)圖表示天線在6.3GHz時在YOZ平面的輻射輻射方向圖。虛線表示交叉 極化方向圖，實線表示共面極化方向圖。根據(jù)圖（a)(c)和(b)(d)可以看到天線在4GHz，天線 輻射方向圖同基本偶極子天線相似，XOZ面輻射方向圖為典型的雙向輻射，天線的YOZ面輻 射方向圖近似為全向輻射方向圖，并且最大輻射方向上交叉極化很小。隨著頻率的增大，天 線輻射方向圖發(fā)生形變，交叉極化變得嚴(yán)重，惡化了天線的表現(xiàn)性能，影響天線的工作。這 種情況對介質(zhì)諧振器天線不可避免，造成這種情況的主要原因是高次模的出現(xiàn)，破壞天線 輻射方向圖。但總的來說，天線輻射方向圖還是好的。
[0035] 在本說明書的描述中，參考術(shù)語"一個實施例"、"一些實施例"、"示例"、"具體示 例"、或"一些示例"等的描述意指結(jié)合該實施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特 點包含于本發(fā)明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術(shù)語的示意性表述不 一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點可以在任何 的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結(jié)合。
[0036]盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解:在不 脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本 發(fā)明的范圍由權(quán)利要求及其等同物限定。
【主權(quán)項】
1. 一種基于共面波導(dǎo)饋電的小型化寬頻帶介質(zhì)諧振器天線，其特征在于:包括介質(zhì)基 板及設(shè)置在所述介質(zhì)基板上的呈軸對稱結(jié)構(gòu)分布的共面波導(dǎo)和圓環(huán)介質(zhì)諧振器，所述共面 波導(dǎo)包括接地地板、輻射貼片和饋電部分，所述饋電部分包括環(huán)形貼片以及中心帶線，所述 接地地板包括兩部分且兩部分相對于中心帶線呈對稱結(jié)構(gòu)，在接地地板上具有兩個對稱性 的L型缺口和矩形缺口，所述輻射貼片由四個兩兩對稱的四分之一圓環(huán)貼片構(gòu)成，四個圓環(huán) 貼片分列在饋電部分環(huán)形貼片的左上、左下、右上、右下四個方位且圓弧與饋電部分環(huán)形貼 片相對； 所述圓環(huán)介質(zhì)諧振器位于所述饋電部分環(huán)形貼片的正中間。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于共面波導(dǎo)饋電的小型化寬頻帶介質(zhì)諧振器天線，其特征 在于，所述接地地板上的L型缺口位于接地地板上與饋電部分中心帶線距離較遠的兩個邊 沿上，所述接地地板的矩形缺口位于接地地板上與饋電部分中心帶線距離較近的兩個邊沿 上。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于共面波導(dǎo)饋電的小型化寬頻帶介質(zhì)諧振器天線，其特 征在于:所述接地地板上的L型缺口，由兩個長寬不等的矩形拼接形成，其中，垂直于矩形饋 線部分的矩形的長L3為6.5~7.5mm，寬W3為1.2~1.7mm;平行于矩形饋線部分的矩形長L為 35 ~45mm，寬 W5為3 ~4mm。4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于共面波導(dǎo)饋電的小型化寬頻帶介質(zhì)諧振器天線，其特 征在于:所述矩形缺口的長度L4為1.5~2.5mm，寬度W2為3~4_。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于共面波導(dǎo)饋電的小型化寬頻帶介質(zhì)諧振器天線，其特征 在于:所述饋電部分中心帶線長度L1為15~17mm，寬度W1為2.5~3.5mm，饋電部分環(huán)形貼片 內(nèi)半徑R1為6 · 5~7 · 5mm，外環(huán)半徑R2為7 · 5~8 · 5mm。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于共面波導(dǎo)饋電的小型化寬頻帶介質(zhì)諧振器天線，其特征 在于:共面波導(dǎo)部分的四個兩兩對稱的四分之一圓環(huán)貼片，圓環(huán)內(nèi)半徑R4為4.5~5.5mm，外 半徑R5為5 · 5~6 · 5mm。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于共面波導(dǎo)饋電的小型化寬頻帶介質(zhì)諧振器天線，其特征 在于:所述介質(zhì)基板厚度均勾，介質(zhì)基板的長度L為36~42mm，寬度W為30~40mm，介質(zhì)基板 的厚度H1為1.2~1.6mm，材料的相對介電常數(shù)ε 1在4-5之間。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于共面波導(dǎo)饋電的小型化寬頻帶介質(zhì)諧振器天線，其特征 在于:所述圓環(huán)介質(zhì)諧振器的厚度Η2為0.5~1.5mm，圓環(huán)內(nèi)半徑R5為2.5~3.5mm，圓環(huán)外半 徑R6為5.5~6.5mm;其相對介電常數(shù)ε 2為9到15之間。
【文檔編號】H01Q1/48GK106067596SQ201610345259
【公開日】2016年11月2日
【申請日】2016年5月23日 公開號201610345259.9, CN 106067596 A, CN 106067596A, CN 201610345259, CN-A-106067596, CN106067596 A, CN106067596A, CN201610345259, CN201610345259.9
【發(fā)明人】郝宏剛, 黃代利, 尹波, 李佳玉, 阮巍
【申請人】重慶郵電大學(xué)