一种宽波束双极化介质谐振器天线

1.本发明涉及一种天线，尤其涉及一种宽波束双极化介质谐振器天线。


背景技术：

2.在无线应用中，天线的半功率波束宽度作为一种重要的指标被广泛关注。宽波束天线由于其覆盖区域较大，在低仰角位置可以获得较高的增益，适用于卫星通信、智能交通等领域。在作为相控阵单元应用时，宽波束天线能够增加扫描范围，适用于需求广角扫描的相关应用。在基站应用中，宽波束天线有利于减少扇区数。与此同时，在卫星天线、基站天线、孔径合成雷达等领域中，天线在获得较宽波束的同时，还需要双极化工作来拓宽系统容量。在双极化宽波束天线中，金属振子型天线，常应用于低频微波频段，当工作在高频时，其较高的导体损耗将降低辐射效率和增益；介质谐振器型天线的导体损耗将极大的减小，辐射效率增高，可以保证在较高频率工作时获得较高的效率和增益。因此，宽波束双极化介质谐振器天线具有一定的研究意义和工程价值。
3.目前的宽波束介质谐振器天线主要设计方法为将矩形介质谐振器弯曲、堆叠多层圆柱形陶瓷介质片、在矩形介质谐振器周围或两侧间隔放置梳状金属结构或环状金属结构、采用不规则形状介质谐振器以融合多种模式、在矩形介质谐振器内嵌入八字型辐射的短柱结构或蘑菇型结构、采用不规则地的矩形介质谐振器或采用折叠地的垂直金属板加载的柱形介质谐振器等。上述设计方法一方面都没有考虑印刷电路板实现时的介质环境影响及处理措施；另一方面，由于介质弯曲、非规则介质结构、加载非平面寄生结构等原因造成的复杂结构无法利用印刷电路板工艺实现基片集成，导致集成度较低。同时，上述天线结构为非中心对称形式，只能实现单极化工作状态，无法实现双极化工作状态。


技术实现要素：

4.发明目的：针对上述现有技术，提出一种具有双极化、平面集成特性的宽波束辐射介质谐振器天线。
5.技术方案：一种宽波束双极化介质谐振器天线，所述天线的结构呈中心对称，从上到下依次包括顶层金属结构、上层高介电常数基片、金属地、下层低介电常数基片以及底层金属结构；
6.所述顶层金属结构由方环型金属结构和四个方形金属贴片构成，四个方形金属贴片分别位于方环型金属结构的四个内侧顶点处，并与方环型金属结构之间设有间隙；方环型金属结构上沿内侧边缘处设有一圈金属化过孔，每个方形金属贴片上设有一对金属化过孔对，所述一圈金属化过孔以及金属化过孔对连接所述顶层金属结构和金属地；
7.所述金属地上设有关于中心对称且成方形排列的四个矩形槽；所述底层金属结构为成十字型排列的四条金属带线，分别对应位于的矩形槽正下方。
8.进一步的，每个方形金属贴片上，所述金属化过孔对分别位于方形金属贴片与方环型金属结构非相邻两侧的边缘处，四对金属化过孔对关于天线中心对称。
9.进一步的，四个方形金属贴片的边长在0.13λ0～0.16λ0之间，且边沿与方环型金属结构内侧边的间隙在0.01λ0～0.02λ0之间。
10.有益效果：现有的宽波束介质谐振器天线，由于未考虑印刷电路板实现时的介质环境影响与处理措施，以及天线结构复杂等原因，无法实现基片集成的宽波束介质谐振器天线；同时由于非中心对称结构导致无法实现双极化。针对现有技术缺点，本发明提出的宽波束介质谐振器天线，其所采用的结构及方法能够以印刷电路板工艺实现基片集成，从而减少安装误差并提高成品率，在性能上解决现有同类设计无法实现双极化工作以及无法在两个极化上都实现波束展宽的问题。
11.具体的，本发明将附有金属化过孔的方形金属贴片置于方形背腔基片集成介质谐振器的近顶点位置，可以抑制非辐射模式并提供与谐振器反向的电场，从而改善匹配并拓展天线的e面波束宽度，最终获得宽波束介质谐振器天线，具有结构简洁、平面化实现、印刷电路板工艺可加工及基片可集成等结构特点，以及可双极化工作及两个极化都能展宽波束等性能特点。
12.四个方形金属贴片的边长在0.13λ0～0.16λ0之间，位于介质谐振器四个顶点位置处，且边沿与方环型金属结构内侧边有间隙，金属化过孔位于方形金属贴片与方环型金属结构非相邻两侧的边缘处，方形金属贴片与金属化过孔相结合，一方面可以抑制模，另一方面在间隙内产生与介质谐振器内反向的电场，有效拓宽两个极化e面辐射的波束宽度。
13.一对竖直矩形槽和一对水平矩形槽中心对称分布于金属地面上，电长度在0.15λ0～0.17λ0之间，间距在0.22λ0～0.26λ0之间，当受到对应微带线差分激励时，形成同向电场，在介质谐振器的作用下能够提供一个支持边向辐射的谐振点，用于展宽工作带宽。
14.一对水平方向微带馈线和一对垂直方向微带馈线，可以分别差分激励竖直矩形槽和水平矩形槽，形成双极化差分馈电结构，结合介质谐振器被激励的正交模，能够使天线获得较高的端口隔离度和较低的交叉极化水平。
15.将一圈金属化过孔排列在方环型金属结构内侧，构成等效金属背腔结构，用于隔离介质谐振器内部与外部结构，避免基片集成环境下外侧结构对内侧主体部分的工作特性产生影响，同时能在一定程度上提升增益。
附图说明
16.图1为本发明宽波束双极化介质谐振器天线的剖面结构示意图；
17.图2为本发明宽波束双极化介质谐振器天线的俯视结构示意图；
18.图3为本发明宽波束双极化介质谐振器天线的中间层金属结构示意图；
19.图4为本发明宽波束双极化介质谐振器天线的底层金属结构示意图；
20.图5为本发明宽波束双极化介质谐振器天线的匹配及隔离仿真结果；
21.图6为本发明宽波束双极化介质谐振器天线的仿真增益；
22.图7为本发明宽波束双极化介质谐振器天线的e面半功率波束宽度；
23.图8为本发明宽波束双极化介质谐振器天线水平极化工作时在18.8ghz处的仿真方向图；
24.图9为本发明宽波束双极化介质谐振器天线水平极化工作时在19.6ghz处的仿真
方向图；
25.图10为本发明宽波束双极化介质谐振器天线水平极化工作时在20.4ghz处的仿真方向图。
具体实施方式
26.下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
27.如图1至图4所示，一种宽波束双极化介质谐振器天线，该天线结构呈中心对称，由顶层金属结构1、上层高介电常数基片2、金属地3、下层低介电常数基片4、底层金属结构5，以及连接顶层金属结构1和金属地3的一圈金属化过孔6和四对金属化过孔对7组成。
28.顶层金属结构1由方环型金属结构11和四个方形金属贴片12构成，方环型金属结构11内侧开口的边长在0.62λ0～0.68λ0之间，λ0为中心频率对应的自由空间波长，四个方形金属贴片12的边长在0.13λ0～0.16λ0之间，分别位于方环型金属结构11的四个内侧顶点处，贴片与方环型金属结构11的边距在0.01λ0～0.02λ0之间。金属化过孔6排列于方环型金属结构11内侧边缘处，将上层高介电常数基片2分割为内侧介质辐射体部分21和外侧介质结构22。每队金属化过孔对7有两个金属化过孔，分别位于方形金属贴片12与方环型金属结构11非相邻两侧的边缘处，四对金属化过孔对7关于天线中心对称。
29.在金属地3上蚀刻了四个长在0.15λ0～0.17λ0之间的矩形槽31～34，两根竖直矩形槽31，32与两根平行矩形槽33，34关于中心对称且间距在0.22λ0～0.26λ0之间。底层金属结构5为四条长在0.38λ0～0.41λ0之间的金属带线51～54，均位于对应矩形槽的正下方，分别与对应的一根矩形槽正交。
30.顶层金属结构1、上层高介电常数基片2、金属地3、一圈金属化过孔6，以及四对金属化过孔对6，7构成方形背腔基片集成介质谐振器，作为天线的辐射体部分。底层金属结构5、下层低介电常数基片4以及金属地3构成一对水平方向微带馈线和一对垂直方向微带馈线，分别对应两对差分端口。
31.对于所提出的宽波束双极化介质谐振器天线，天线工作时，信号通过微带差分馈线对耦合至对应的矩形槽，并在方形背腔基片集成介质谐振器作用下形成宽波束双极化边射辐射。
32.在此过程中，以水平极化工作为例，两个竖直矩形槽受水平差分微带馈电呈现同向水平电场，能够支持边射型水平极化辐射，该同向水平电场能够激励方形背腔基片集成介质谐振器的模，该模式同样支持边射型水平极化辐射。位于谐振器顶点位置的四个方形金属贴片一方面可以有效抑制无法支持边射型辐射的模，使得竖直槽与介质谐振器的模构成水平极化的工作频带；另一方面，四个方形金属贴片与各自边缘处的一对金属化过孔相结合，能够在方形贴片与方环型金属结构内侧的间隙处产生与介质谐振器内反向的电场，并且该反向电场在整个工作频带内都有呈现，因此能够在整个工作频带内有效拓宽水平极化e面辐射的波束宽度；其中将每对金属化过孔置于方形金属贴片面向整体天线中心的两侧边缘近中心处，有利于提升该反向场的强度，使得整个工作频带内波束宽度都提升到100
°
以上。
33.所提出天线为中心对称结构，垂直极化时的工作原理与水平极化时相同，只是方
向正交，整个工作频带内垂直极化辐射的e面波束宽度亦都能提升到100
°
以上。此外，一对水平方向微带馈线和一对垂直方向微带馈线与四个中心对称的矩形槽相组合形成的双极化差分馈电，结合介质谐振器被激励的正交模，能够使天线获得较高的端口隔离度和较低的交叉极化水平。
34.在结构上，天线呈中心对称且平面可集成，能够采用印刷电路板工艺实现，可以减少装配误差，提高成品率及可靠性。
35.下面列出了本发明的一个具体实施例，其天线结构示意图如图1至图4所示。本实施例设计采用rt6010基片与ro4003c基片相结合，整体天线单元尺寸为0.9λ0×
0.9λ0×
0.07λ0。该实施例匹配及隔离响应的仿真结果如图5所示，可见天线工作频带覆盖18.5ghz～20.9ghz，相对带宽为12.2％，在工作频带内端口之间的差模隔离都较好。该实施例的仿真增益如图6所示，工作频带内的最大增益为5.9dbi。仿真的e面半功率波束宽度如图7所示，工作频带内半功率波束宽度在100
°
～141
°
之间。图8至图10分别为天线水平极化工作时，在18.8ghz、19.6ghz、20.4ghz处的仿真方向图，e面半功率波束宽度为124.5
°
、102.4
°
、105.9
°
，h面半功率波束宽度为82.9
°
、77.6
°
、71.9
°
，交叉极化水都较好。由于天线结构及模式的对称性，天线垂直极化性能与水平极化性能相对应。
36.与现有设计相比，本发明提出的宽波束介质谐振器天线，具有结构简洁、平面化实现、印刷电路板工艺可加工及基片可集成等结构优点，以及可双极化工作及两个极化都能展宽波束等性能优点。
37.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种宽波束双极化介质谐振器天线，其特征在于，所述天线的结构呈中心对称，从上到下依次包括顶层金属结构(1)、上层高介电常数基片(2)、金属地(3)、下层低介电常数基片(4)以及底层金属结构(5)；所述顶层金属结构(1)由方环型金属结构(11)和四个方形金属贴片(12)构成，四个方形金属贴片(12)分别位于方环型金属结构(11)的四个内侧顶点处，并与方环型金属结构(11)之间设有间隙；方环型金属结构(11)上沿内侧边缘处设有一圈金属化过孔(6)，每个方形金属贴片(12)上设有一对金属化过孔对(7)，所述一圈金属化过孔(6)以及金属化过孔对(7)连接所述顶层金属结构(1)和金属地(3)；所述金属地(3)上设有关于中心对称且成方形排列的四个矩形槽(31～34)；所述底层金属结构(5)为成十字型排列的四条金属带线(51～54)，分别对应位于的矩形槽正下方。2.根据权利要求1所述的宽波束双极化介质谐振器天线，其特征在于，每个方形金属贴片(12)上，所述金属化过孔对(7)分别位于方形金属贴片(12)与方环型金属结构(11)非相邻两侧的边缘处，四对金属化过孔对(7)关于天线中心对称。3.根据权利要求1或2所述的宽波束双极化介质谐振器天线，其特征在于，四个方形金属贴片(12)的边长在0.13λ0～0.16λ0之间，且边沿与方环型金属结构(11)内侧边的间隙在0.01λ0～0.02λ0之间。

技术总结
本发明公开了一种宽波束双极化介质谐振器天线，将附有金属化过孔的方形金属贴片置于方形背腔基片集成介质谐振器的近顶点位置，可以抑制非辐射模式并提供与谐振器反向的电场，从而改善匹配并拓展天线的E面波束宽度，最终获得宽波束介质谐振器天线，具有结构简洁、平面化实现、印刷电路板工艺可加工及基片可集成等结构特点，以及可双极化工作及两个极化都能展宽波束等性能特点。展宽波束等性能特点。展宽波束等性能特点。


技术研发人员：施金 吴博文 徐凯 张凌燕 郁梅 姜芮芮
受保护的技术使用者：南通大学
技术研发日：2023.05.30
技术公布日：2023/8/13