一种基于方向图叠加的宽波束多介质复合谐振器天线

技术领域

本发明属于宽波束天线技术领域，特别涉及一种基于方向图叠加的宽波束多介质复合谐振器天线。

背景技术

随着信息科学技术的快速发展，在卫星导航、通信和射频识别等领域对天线的的信号覆盖范围也越来越高，也就是对天线的波束宽度提出了要求，对于如何拓宽天线的宽度也是目前学者们研究的热点。

目前为止，宽波束天线主要有微带天线、磁电偶极子天线和螺旋天线等形式；由于金属天线会在高频工作时存在较高的表面损耗和导体损耗，这类天线的辐射效率较低，在加工方面也会遇到因为尺寸太小导致的困难。介质谐振器天线被提出以来，受到了国内外研究学者的广泛关注；介质谐振器天线具有体积小、损耗低、易于激励、无表面波、设计自由度高等优点，具有很高的研究价值；然而，通常情况下，介质谐振器天线的带宽较窄，且具有上半空间增益不平坦等技术问题。随着无线通信系统对带宽要求的提高，研究宽波束的介质谐振器天线具有非常实际的意义。

发明内容

本发明的目的在于针对现有介质谐振器具有波束宽度较窄以及上半空间增益不平坦等技术问题，提供一种基于方向图叠加的宽波束多介质复合谐振器天线，将介质谐振器离散为多个介质谐振单元，通过各个介质谐振单元的介电常数的差异化设计使之拼接后形成多介质复合谐振器，利用该介质谐振器一对奇、偶高次模辐射方向图叠加的方式展宽了天线波束宽度、实现宽波束，且拥有优越的波束等化性，适用于宽波束天线的应用场合。

为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：

一种基于方向图叠加的宽波束多介质复合谐振器天线，包括：介质谐振器1、地板2、馈缝3、介质基板4及馈线5，其中，所述地板2贴合覆盖于介质基板3的上表面、且地板的中心刻蚀有馈缝3，所述馈线5设置于介质基板3的下表面，所述介质谐振器1固定于地板2上表面、且位于地板的中心；其特征在于，

所述介质谐振器1由依次邻接的第一介质谐振单元11、第二介质谐振单元12、第三介质谐振单元13、第四介质谐振单元14、第五介质谐振单元15构成，所述第一至第七介质谐振单元的长度、高度均相同，所述第一介质谐振器单元11与第五介质谐振器单元15的介电常数相同、且宽度相同，所述第二介质谐振器单元12与第四介质谐振器单元14的介电常数相同、且宽度相同，使得介质谐振器关于xoz平面镜像对称；并且，第一介质谐振器单元11，第二介质谐振器单元12及第三介质谐振器单元13的介电常数依次递增。

进一步的，所述的介质谐振器1的第一至第五介质谐振单元均采用陶瓷材料制成。

进一步的，所述地板2的材料采用铜箔。

进一步的，所述介质基板4为层压板，采用Teflon材料制成。

进一步的，所述馈线5为铜微带线。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明提供一种基于方向图叠加的宽波束多介质复合谐振器天线，通过将介质谐振器1离散化为多个介电常数和尺寸不同的介质谐振器单元，采用多目标遗传算法进行介电常数综合匹配，使介质谐振器单元的一对奇、偶模的谐振频率接近且因微扰互相耦合并同时辐射，二者方向图叠加后实现宽波束。由此可见，本发明克服了现有技术中介质谐振器天线波束宽度较窄以及上半空间增益不平坦等的技术问题，无需增加额外的加载结构的条件下展宽了天线的波束宽度，且拥有优越的波束等化性。

附图说明

图1为本发明中基于方向图叠加的宽波束多介质复合谐振器天线的三维结构示意图。

图2为图1所示的宽波束多介质复合谐振器天线的主视图。

图3为图1所示的宽波束多介质复合谐振器天线的俯视图。

图4为图1所示的宽波束多介质复合谐振器天线的仰视图。

图5为本发明实施例中介质谐振器的结构示意图图。

图6是本发明实施例中阶梯型介质谐振器的TE

图7是本发明实施例中阶梯型介质谐振器的TE

图8为本发明实施例中宽波束多介质复合谐振器天线的S11参数图。

图9为本发明实施例中宽波束多介质复合谐振器天线的E面和H面方向图。

图10为本发明实施例中宽波束多介质复合谐振器天线的俯仰角0～90°的方向图。

图11为本发明实施例中宽波束多介质复合谐振器天线的水平角0～150°的方向图。

图12为本发明实施例中宽波束多介质复合谐振器天线的交叉极化图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图并列举实施例，对本发明做进一步详细说明。

本实施例提供一种基于方向图叠加的宽波束多介质复合谐振器天线，其结构如图1～图4所示，具体包括：介质谐振器1、地板2、馈缝3、介质基板4及馈线5；其中，

所述地板2贴合覆盖于介质基板3的上表面、且地板的中心刻蚀有馈缝3，所述馈线5设置于介质基板3的下表面，所述介质谐振器1固定于地板2上表面、且位于地板的中心，所述宽波束阶梯型介质谐振器天线由馈线5馈电、电磁波能量通过地板2中心的馈缝4耦合传导至介质谐振器1；

所述介质谐振器1采用具有对称性的多介质复合谐振器，如图5所示，由依次邻接的第一介质谐振单元11、第二介质谐振单元12、第三介质谐振单元13、第四介质谐振单元14、第五介质谐振单元15构成，所述第一至第七介质谐振单元的长度、高度均相同，所述第一介质谐振器单元11与第五介质谐振器单元15的介电常数相同、且宽度相同，所述第二介质谐振器单元12与第四介质谐振器单元14的介电常数相同、且宽度相同，使得介质谐振器关于xoz平面镜像对称；并且，第一介质谐振器单元11，第二介质谐振器单元12及第三介质谐振器单元13的介电常数依次递增。

需要说明的是，介质谐振单元的尺寸描述中，“长度”指附图中x轴方向的尺寸、“宽度”指附图中y轴方向的尺寸、“高度”指附图中z轴方向的尺寸。

本实施例中：

所述地板2的材料采用铜箔；

所述介质基板3为层压板，采用Teflon材料制成，介质基板3的相对介电常数是2.1，厚度为0.6mm，长度为50.2mm，宽度为41.4mm。

所述馈线5为铜微带线，馈线5的线宽Wms为4.34mm、长度为4.25mm，馈线5超过馈缝4边缘的距离Lstub为11.35mm，馈缝4的缝宽Ws为3.3mm、缝长Ls为9.85mm；从而使该天线与馈电结构良好匹配；

所述介质谐振器1采用陶瓷材料制成；第一介质谐振器单元11与第五介质谐振器单元15的介电常数为19，尺寸(长度×宽度×高度)为28.5mm×15.9mm×8.7mm；第二介质谐振器单元12与第四介质谐振器单元14的介电常数为14，尺寸为28.5mm×10.2mm×8.7mm，第三介质谐振器单元13的介电常数为7，尺寸为28.5mm×17.8mm×8.7mm；需要说明的是，不同介电常数的介质谐振器单元通过选择不同陶瓷材料实现，而相同介电常数的介质谐振器单元采用相同陶瓷材料。

上述基于方向图叠加的宽波束多介质复合谐振器天线的工作原理在于：通过将介质谐振器1离散化为多个介电常数和尺寸不同的介质谐振器单元，采用多目标遗传算法进行介电常数综合匹配，使介质谐振器单元的一对奇、偶模的谐振频率接近(近似相同)且因微扰互相耦合并同时辐射，梯度型的介电常数分布决定了模式的场分布和激励系数，通过形状综合用简单的馈电槽激发TE

尤其说明的是，本发明的多介质复合谐振器中第一至第五介质谐振单元只要满足上述介电常数的差异化规律，即可实现上述工作原理，从而实现宽波束多介质复合谐振器天线的设计，而上述实施例中的具体尺寸可以根据实际天线参数进行仿真调节，即实施例中的具体尺寸并不能限定本发明；同理，所述介质基板、馈线及馈缝的具体尺寸同样可以根据实际天线参数进行仿真调节。

如图8所示为本实施例中宽波束多介质复合谐振器天线的S11参数的仿真结果图，由图可见，反射系数的dB值在3.56GHz～3.92GHz低于-10；如图9所示为本实施例中宽波束多介质复合谐振器天线的E面和H面方向图，由图可见，E面和H面的波束形状基本一致。如图10所示为本实施例中宽波束多介质复合谐振器天线的俯仰角0～90°的方向图，由图可见，在θ＝0～90°方向图在上半空间有优异的增益平坦度，在θ＝0～80°的各水平面中增益不圆度低于2.4dB；如图11所示为本实施例中宽波束多介质复合谐振器天线的水平角0～150°方向图，由图可见，

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。