一种基于介质谐振器的宽带准八木天线

摘要

本发明公开了一种基于介质谐振器的宽带准八木天线，属于天线技术领域。包括基板，基板包括微波介质基片构成的上层和下层；还包括反射器、介质谐振器、顶层引向器、底层引向器、差分微带对、共面带线；反射器印制在基板的下层；介质谐振器粘贴在基板的上层表面；差分微带对、共面带线均印制在基板的上层；差分微带对与共面带线连接；共面带线与介质谐振器上的金属焊盘连接，激励介质谐振器的两个谐振模式，两个谐振模式提供天线的两个谐振点；顶层引向器印制在基板的上层；底层引向器印制在基板的下层；顶层引向器和底层引向器部分重叠；介质谐振器的两个谐振点与底层和顶层引向器提供的额外两个谐振点构成天线的宽带响应。

权利要求

1.一种基于介质谐振器的宽带准八木天线，包括基板，所述基板包括微波介质基片构成的上层和下层；其特征在于，还包括反射器(11)、介质谐振器(12)、顶层引向器(13)、底层引向器(14)、差分微带对(15)、共面带线(16)；所述反射器(11)印制在所述基板的下层；所述介质谐振器(12)粘贴在基板的上层表面；所述差分微带对(15)、共面带线(16)均印制在基板的上层；所述差分微带对(15)与共面带线(16)连接；所述共面带线(16)与介质谐振器(12)上的金属焊盘连接，激励介质谐振器(12)的两个谐振模式；所述两个谐振模式提供天线的两个谐振点；所述顶层引向器(13)印制在所述基板的上层；所述底层引向器(14)印制在所述基板的下层；所述顶层引向器(13)和所述底层引向器(14)部分重叠；所述介质谐振器(12)的两个谐振点与底层引向器(14)引入的额外谐振点、顶层引向器(13)引入的额外谐振点组成一个天线宽带响应。

2.根据权利要求1所述的基于介质谐振器的宽带准八木天线，其特征在于，所述介质谐振器(12)的长度a为天线中心频率对应的三分之一空气波长；所述介质谐振器(12)与反射器(11)之间的距离l1为天线中心频率对应的四分之一空气波长。

3.根据权利要求1所述的基于介质谐振器的宽带准八木天线，其特征在于，所述介质谐振器(12)的长度a与宽度b的比例a/b大于2，以获得谐振频率接近的两个谐振模式。

4.根据权利要求1所述的基于介质谐振器的宽带准八木天线，其特征在于，所述介质谐振器(12)为矩形介质谐振器，采用相对介电常数大于45的陶瓷材料制成。

5.根据权利要求1所述的基于介质谐振器的宽带准八木天线，其特征在于，所述顶层引向器(13)的长度与底层引向器(14)的长度均略短于介质谐振器(12)的长度a。

6.根据权利要求1所述的基于介质谐振器的宽带准八木天线，其特征在于，所述基板的相对介电常数小于10。

7.根据权利要求1所述的基于介质谐振器的宽带准八木天线，其特征在于，所述反射器(11)为金属地；所述金属地，作为天线的反射器(11)的同时也作为差分微带对(15)的地。

8.根据权利要求1至7任意一项所述的基于介质谐振器的宽带准八木天线，其特征在于，所述天线的中心频率为10.45GHz，相对带宽大于20％，即反射系数小于-10dB部分。

说明书

一种基于介质谐振器的宽带准八木天线

技术领域

[0001] 本发明具体涉及一种基于介质谐振器的宽带准八木天线，属于天线技术领域。

背景技术

[0002] 随着无线系统的发展，端射天线由于其特定的应用而受到了广泛的关注，例如点对点通信系统和雷达成像系统。迄今为止，全世界已研究和开发了各种类型的端射天线，包括对数周期天线，喇叭天线，表面波天线和准八木天线。对数周期天线具有用于端射辐射的超宽带宽，但由于部分辐射特性，其端射增益受到限制。传统的金属喇叭天线增益高，带宽大，但体积大，重量大。为了减轻喇叭天线的重量，研究者们提出了基片集成波导喇叭天线。但是，由于基片集成喇叭天线开口端太薄，因此其工作频带较窄。维瓦尔第天线也具有宽带特性，但是随着工作频率的增加，交叉极化和旁瓣将迅速恶化。准八木天线是一种典型的寄生元件天线，具有结构简单，重量轻，方向性好，易组阵等优点，具有很强的吸引力。随着现代无线通信系统的发展，低频频谱资源日渐紧缺，高频频谱拥有丰富的频谱资源，天线作为无线通信系统的发射和接受端，工作频率水涨船高。传统的利用金属带条作为辐射单元的天线受限于趋肤效应，在高频率工作时会有更多的损耗。因为介质谐振器中没有表面电流，因此利用介质谐振器作为辐射单元的天线在高频的损耗会比较小。现有的基于介质谐振器的八木天线，介质谐振器构成的辐射单元只有一个主模式被激励，因此其工作带宽较窄，无法满足现代无线通信系统中的宽频和多频工作要求。因此具有宽带响应的基于介质谐振器的准八木天线在现代无线通信系统中是迫切需要的。

发明内容

[0003] 本发明针对现有技术中存在的不足，提出了一种高增益并且通带内增益平稳的基于介质谐振器的宽带准八木天线。

[0004] 本发明为实现上述发明目的，采取的技术方案如下：

[0005] 一种基于介质谐振器的宽带准八木天线，包括基板，所述基板包括微波介质基片构成的上层和下层；还包括反射器、介质谐振器、顶层引向器、底层引向器、差分微带对、共面带线；所述反射器印制在所述基板的下层；所述介质谐振器粘贴在基板的上层表面；所述差分微带对、共面带线均印制在基板的上层；所述差分微带对与共面带线连接；所述共面带线与介质谐振器上的金属焊盘连接，激励介质谐振器的两个谐振模式；所述两个谐振模式提供天线的两个谐振点；所述顶层引向器印制在所述基板的上层；所述底层引向器印制在所述基板的下层；所述顶层引向器和所述底层引向器部分重叠；所述介质谐振器的两个谐振点与底层引向器引入的额外谐振点、顶层引向器引入的额外谐振点组成一个天线宽带响应。

[0006] 进一步的作为本发明的优选技术方案，所述介质谐振器的长度a为天线中心频率对应的三分之一空气波长；所述介质谐振器与反射器之间的距离L1为天线中心频率对应的四分之一空气波长。

[0007] 进一步的作为本发明的优选技术方案，所述介质谐振器的长度a与宽度b的比例a/b大于2，以获得谐振频率接近的两个谐振模式。

[0008] 进一步的作为本发明的优选技术方案，所述介质谐振器为矩形介质谐振器，采用相对介电常数大于45的陶瓷材料制成。

[0009] 进一步的作为本发明的优选技术方案，所述顶层引向器的长度与底层引向器的长度均略短于介质谐振器的长度a。

[0010] 进一步的作为本发明的优选技术方案，所述基板的相对介电常数小于10。

[0011] 进一步的作为本发明的优选技术方案，所述反射器为金属地；所述金属地，作为天线的反射器的同时也作为差分微带对的地。

[0012] 进一步的作为本发明的优选技术方案，所述天线的中心频率为10.45GHz，相对带宽大于20％，即反射系数小于-10dB部分。

[0013] 本发明所述基于介质谐振器的宽带准八木天线，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

[0014] 本发明通过介质谐振器和两个引向器各自的谐振频率组合形成一个高增益并且通带内增益平稳的宽带八木天线，介质谐振器的两个谐振点和两个引向器的谐振点组成一个宽带响应，可以满足现代无线通信的多频工作要求。

附图说明

[0015] 图1为本发明的结构示意图一；

[0016] 图2为本发明的结构示意图二；

[0017] 图3为本发明在9.48GHz频率上的E面的仿真和实测对比图；

[0018] 图4为本发明在9.48GHz频率上的H面的仿真和实测对比图；

[0019] 图5为本发明在10.34GHz频率上的E面的仿真和实测对比图；

[0020] 图6为本发明在10.34GHz频率上的H面的仿真和实测对比图；

[0021] 图7为本发明在11.42GHz频率上的E面的仿真和实测对比图；

[0022] 图8为本发明在11.42GHz频率上的H面的仿真和实测对比图；

[0023] 图9为本发明的回波损耗和实际增益的仿真和实测对比图；

[0024] 附图中，1-介质谐振器所在区域；2-基板上层所在区域；3-基板下层所在区域；11-反射器；12-介质谐振器；13-顶层引向器；14-底层引向器；15-差分微带对；16-共面带线。

具体实施方式

[0025] 下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

[0026] 如图1与图2所示，一种基于介质谐振器的宽带准八木天线，包括基板，基板包括微波介质基片构成的上层和下层；还包括反射器11、介质谐振器12、顶层引向器13、底层引向器14、差分微带对15、共面带线16；反射器11印制在基板的下层；介质谐振器12粘贴在基板的上层表面；差分微带对15、共面带线16均印制在基板的上层；差分微带对15与共面带线16连接；共面带线16与介质谐振器12的金属焊盘连接，激励介质谐振器12的两个谐振模式；两个谐振模式提供天线的两个谐振点；顶层引向器13印制在基板的上层；底层引向器14印制在基板的下层；顶层引向器13和底层引向器14部分重叠；介质谐振器12的两个谐振点与底层和顶层引向器提供的额外两个谐振点构成天线的宽带响应。

[0027] 基板采用相对介电常数小于10的基板。具体采用介电常数为3.38，损耗角正切为0.0027的Rogers 4003C基板。基板包括介质谐振器所在区域1、基板上层所在区域2、基板下层所在区域3。所述反射器11为金属地；所述金属地，作为天线的反射器11的同时也作为差分微带对15的地。在介质谐振器12前面有两个金属引向器，即底部引向器14和顶部引向器
13。差分微带对15与共面带线16连接，差分微带对15上的差分信号，转换为共面带线16上的差分信号，共面带线16与介质谐振器12的金属焊盘连接，激励介质谐振器的两个谐振模式，提供天线的两个谐振点。本发明实施例的基于介质谐振器的宽带准八木天线，利用一个介质谐振器12替代传统金属驱动器，再将两个引向器同时印刷在基板的上下层，同时引向器也更加接近介质谐振器12，可以让介质谐振器12激励起引向器的模式，上下层引向器可以分别提供两个谐振点。介质谐振器12的两个谐振点和两个引向器的谐振点组成一个宽带响应。

[0028] 天线的中心频率为f0，空气波长λ＝cf0(c为3×108m/s)。介质谐振器12的长度a为天线中心频率对应的三分之一空气波长；介质谐振器12与反射器11之间的距离l1为天线中心频率对应的四分之一空气波长。顶层引向器13的长度与底层引向器14的长度均略短于介质谐振器12的长度a。介质谐振器12为矩形介质谐振器，采用相对介电常数大于45的陶瓷材料制成。天线阻抗匹配的实现可以通过调整共面带线16宽带部分的宽度w2和长度l2来实现。

[0029] 介质谐振器12的长度a与宽度b的比例a/b大于2，以获得谐振频率接近的两个谐振模式。使得介质谐振器12的两个谐振点的频率可以更加接近。

[0030] 具体实施时，各个参数具体如下，介质谐振器12的相对介电常数为69，介质谐振器12的长度a为11.5mm，介质谐振器12的宽度b为3.3mm，介质谐振器12的厚度c为1mm，介质谐振器12与反射器11的距离l1为8mm，共面带线16宽带长度l2为6mm，顶层引向器13的长度dl2为7.8mm，顶层引向器13的宽度dw2为4mm,顶层引向器13与介质谐振器12近引向器端的距离g3为3mm，底层引向器14的长度dl1为7.8mm，底层引向器14的宽度dw1为2.8mm,底层引向器14与介质谐振器12近引向器端的距离g2为3.5mm，差分微带对15的两根微带线间距g1为1.5mm，共面带线16窄带宽度w1为1mm，共面带线16宽带宽度w2为1.6mm，介质谐振器12上的金属焊盘的宽度w3等于w1，介质谐振器12上的金属焊盘的高度等于c，基板的长度sl为34mm，基板的宽度sw为30mm。

[0031] 使用软件HFSS以及安捷伦E5230C网络分析器以及微波暗室对本发明的基于介质谐振器的宽带准八木天线进行模拟和测量，测量的结果如图3至图9所示，可以看到本发明的基于介质谐振器的宽带准八木天线的中心频率为10.45GHz，相对带宽FBW大于20％。其中，具体相对带宽FBW为21.7％，即反射系数小于-10dB部分，其交叉极化水平在E面和H面上的最大值分别为-18dB和-17dB，因此本发明实施例的基于介质谐振器的宽带准八木天线其不仅具备较宽的带宽还具有良好的辐射性能。

[0032] 本发明的基于介质谐振器的宽带准八木天线相比于传统金属准八木天线能够获得更宽的带宽和更高的增益。

[0033] 以上所述的具体实施方案，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方案而已，并非用以限定本发明的范围，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所做出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。