一种小型圆极化介质谐振器天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，涉及一种圆极化天线，具体地说涉及一种具有小型圆极化介质谐振器天线。

背景技术

随着科技的高速发展，卫星通讯已被广泛商业应用，在卫星通讯系统中，天线作为用于接收或发送无线电信号关键部件，其性能的优劣会直接影响卫星通讯系统的性能。卫星通讯领域中，通常采用圆极化天线以避免极化失配和多径干扰效应的问题，在地面移动终端中，最大辐射方向要向边射辐射以实现高效通信。此外，卫星通信频段通常采用UHF(超高频)，该频段频率高、穿透性强、可增加通信传输距离。然而，过低的频段会导致天线尺寸过大的问题，难以满足移动通信的便捷性要求。因此，实现天线的小型化至关重要。

为实现天线的小型化，文献《Compact and Low-Profile OmnidirectionalCircularly Polarized Antenna With Four Coupling Arcs for UAV Applications》(IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,vol.16,pp.2919-2922,2017.,D.Wu,X.Chen,L.Yang,G.Fu and X.Shi)公开了一种通过加载短路钉和寄生圆环金属贴片的方法将天线尺寸降低至0.16λ

有鉴于此，有必要对现有技术中卫星通讯系统中的圆极化天线予以进一步改进。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于现有用于卫星通讯系统的圆极化天线尺寸较大，轴比相对带宽较窄，难以满足实际应用，从而提出一种小型圆极化介质谐振器天线。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

本发明提供一种小型圆极化介质谐振器天线，其包括：

馈电基板；

介质谐振器单元，连接于所述馈电基板表面，所述介质谐振器单元包括：

第一介质谐振器，所述第一介质谐振器远离所述馈电基板的一面设置有第一金属壁，所述第一介质谐振器的一侧壁设置有第二金属壁；

第二介质谐振器，与所述第一介质谐振器间隔设置，所述第二介质谐振器远离所述馈电基板的一面设置有第三金属壁，所述第二介质谐振器的一侧壁设置有第四金属壁，所述第二金属壁与所述第四金属壁垂直设置；

第三介质谐振器，与所述第一介质谐振器间隔设置，所述第三介质谐振器远离所述馈电基板的一面设置有第五金属壁，所述第三介质谐振器的一侧壁设置有第六金属壁，所述第二金属壁与所述第六金属壁垂直设置；

第四介质谐振器，与所述第二介质谐振器、第三介质谐振器间隔设置，所述第四介质谐振器远离所述馈电基板的一面设置有第七金属壁，所述第四介质谐振器的一侧壁设置有第八金属壁，所述第八金属壁与所述第四金属壁、第六金属壁垂直设置。

作为优选，所述天线的长度为0.08λ

作为优选，所述第一介质谐振器、第二介质谐振器、第三介质谐振器和第四介质谐振器均为长方体结构，所述第一介质谐振器、第二介质谐振器、第三介质谐振器和第四介质谐振器沿所述馈电基板的法相顺次旋转90°设置；所述第一介质谐振器上，所述第二金属壁相对一侧设置有第一微带线；所述第二介质谐振器上，所述第四金属壁相对一侧设置有第二微带线；所述第三介质谐振器上，所述第六金属壁相对一侧设置有第三微带线；所述第四介质谐振器上，所述第八金属壁相对一侧设置有第四微带线。

作为优选，所述第一介质谐振器、第二介质谐振器、第三介质谐振器、第四介质谐振器形成2行2列的结构，相邻两个介质谐振器的中心间距为0.045λ

作为优选，所述第一介质谐振器、第二介质谐振器、第三介质谐振器、第四介质谐振器的尺寸相同，长度为0.035λ

作为优选，所述第一微带线、第二微带线、第三微带线、第四微带线均为矩形结构且尺寸相同，长度为0.0475λ

作为优选，所述馈电基板包括层叠设置的第一介质基板和第二介质基板，所述第一介质基板顶面、所述第二介质基板底面各具有一金属层，所述介质谐振器单元连接于所述第一介质基板顶面的金属层，所述第二介质基板的顶面连接有馈电网络。

作为优选，所述第一介质基板、第二介质基板均为矩形板且尺寸相同，长度为0.08λ

作为优选，所述第一介质基板与所述第二介质基板通过一粘合层层叠连接，所述粘合层的介电常数为3.45-3.65，所述粘合层的厚度为0.0001λ

作为优选，所述馈电网络包括一180°耦合器和连接于所述180°耦合器两侧的第一90°耦合器、第二90°耦合器，所述180°耦合器输出180°相位差，所述第一90°耦合器、第二90°耦合器分别输出90°相位差。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

本发明提供的小型圆极化介质谐振器天线，包括馈电基板和连接于馈电基板的介质谐振器单元，介质谐振器单元包括均在顶壁和一侧壁设置金属壁的第一介质谐振器、第二介质谐振器、第三介质谐振器、第四介质谐振器，且通过使设置于介质谐振器侧壁的金属壁顺次垂直设置，使得第一介质谐振器、第二介质谐振器、第三介质谐振器、第四介质谐振器呈顺次旋转90度的方式设置，而通过在介质谐振器表面部分设置金属壁，可形成等效电壁，显著缩小了介质谐振器的尺寸和介质谐振器间的间距，进而大幅降低天线尺寸，该天线相对带宽可达29.4％，轴比相对带宽可达41.2％，最大增益可达-1.4dBic，空间轴比波束宽度极宽，而且天线结构简单，无需加载短路结构或采用特殊材料，与现有技术相比，还具有成本低廉的效果，适用于卫星通信系统的天线。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1是本发明实施例提供的小型圆极化介质谐振器天线的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的小型圆极化介质谐振器天线另一角度的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的小型圆极化介质谐振器天线的俯视图；

图4是本发明实施例提供的小型圆极化介质谐振器天线中馈电基板的分解示意图；

图5是本发明实施例提供的小型圆极化介质谐振器天线中馈电基板另一角度的分解示意图；

图6是本发明实施例提供的小型圆极化介质谐振器天线中馈电网络的结构示意图；

图7是本发明实施例提供的小型圆极化介质谐振器天线的仰视图；

图8是本发明实施例提供的小型圆极化介质谐振器天线的反射系数和轴比随频率变化的曲线图；

图9是本发明实施例提供的小型圆极化介质谐振器天线在工作频率下空间轴比随仰角变化的曲线图；

图10是本发明实施例提供的小型圆极化介质谐振器天线的右旋极化增益曲线图；

图11是本发明实施例提供的小型圆极化介质谐振器天线的馈电性能测试图；

图12是本发明实施例提供的小型圆极化介质谐振器天线的方向图。

图中附图标记表示为：1-馈电基板；11-第一介质基板；12-第二介质基板；13-第一金属层；14-第二金属层；15-馈电探针；16-粘合层；17-输入端口；2-第一介质谐振器；21-第一金属壁；22-第二金属壁；3-第二介质谐振器；31-第三金属壁；32-第四金属壁；4-第三介质谐振器；41-第五金属壁；42-第六金属壁；5-第四介质谐振器；51-第七金属壁；52-第八金属壁；6-第一微带线；7-第二微带线；8-第三微带线；9-第四微带线；10-馈电网络；101-180°耦合器；1011-第一馈线；1012-第二馈线；1013-第一贴片电阻；102-第一90°耦合器；1021-第三馈线；1022-第四馈线；1023-第二贴片电阻；103-第二90°耦合器；1031-第五馈线；1032-第六馈线；1033第三贴片电阻；104-输出端口。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是本发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明的“第一”、“第二”等，仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例

本实施例提供一种小型圆极化介质谐振器天线，请参阅图1-图7，该小型圆极化天线包括：馈电基板1，连接于馈电基板1表面的介质谐振器单元，介质谐振器单元由4个介质谐振器间隔排布组成，4个介质谐振器结构相同，具体包括：

第一介质谐振器2，第一介质谐振器2一端连接于馈电基板1、另一端表面设置有第一金属壁21，第一介质谐振器2的一侧壁设置有第二金属壁22。第一介质谐振器2的一侧间隔设置有第二介质谐振器3，第二介质谐振器3一端连接于馈电基板1、另一端表面设置有第三金属壁31，第二介质谐振器3的一侧壁设置有第四金属壁32，其中，第二金属壁22与第三金属壁32垂直设置。第一介质谐振器2的另一侧还间隔设置有第三介质谐振器4，本实施例中，第一介质谐振器2与第二介质谐振器3的连线相对于第一介质谐振器2与第三介质谐振器4的连线垂直设置，第三介质谐振器4一端连接于馈电基板1、另一端表面设置有第五金属壁41，第三介质谐振器4的一侧壁设置有第六金属壁42，其中，第二金属壁22与第六金属壁42垂直设置。第三介质谐振器4的一侧间隔设置有第四介质谐振器5，本实施例中，第三介质谐振器4与第四介质谐振器5的连线相对于第二介质谐振器3与第四介质谐振器5的连线垂直设置，第四介质谐振器5一端连接于馈电基板1、另一端表面设置有第七金属壁51，第四介质谐振器5的一侧壁设置有第八金属壁52，其中，第八金属壁52与第四金属壁32、第六金属壁42垂直设置。如此形成第一介质谐振器2、第二介质谐振器3、第四介质谐振器5、第三介质谐振器4沿馈电基板1的法相顺次顺时针旋转90°的排布方式，且各介质谐振器仅顶面和一侧面设置有金属壁，形成了部分具有金属壁的介质谐振器结构。

本实施例提供的小型圆极化介质谐振器天线，通过将第一介质谐振器2、第二介质谐振器3、第四介质谐振器5、第三介质谐振器4顺次旋转90度排布于馈电基板，在各介质谐振器顶面和其中一个侧壁设置金属壁，且相邻两个介质谐振器侧壁上的金属壁相互垂直设置，从而形成了等效电壁效应，可有效缩减介质谐振器的体积以及相邻介质谐振器间的间距，从而使得天线可实现小型化，与此同时，还保证了天线性能，该小型圆极化介质谐振器天线的相对带宽可达29.4％，轴比相对带宽可达41.2％，最大增益可达-1.4dBic，结构紧凑且空间轴比波束宽度极宽，而且天线结构简单，无需加载短路结构或采用特殊材料，与现有技术相比，还具有成本低廉的效果，适用于卫星通信系统的天线。

本实施例提供的小型圆极化介质谐振器天线的整体尺寸为：长度0.08λ

如图1-2所示，本实施例中，第一介质谐振器2、第二介质谐振器3、第三介质谐振器4、第四介质谐振器5均为长方体结构，长方体结构的长度方向沿馈电基板1的法向设置，其中，第一介质谐振器2上，第二金属壁22相对的一侧设置有第一微带线6，第二介质谐振器3上，第四金属壁32相对的一侧设置有第二微带线7，第三介质谐振器4上，第六金属壁42相对的一侧设置有第三微带线8，第四介质谐振器5上，第七金属壁43相对的一侧设置有第四微带线9，如此使得第一微带线6与第二金属壁22平行设置、第二微带线7与第四金属壁32平行设置、第三微带线8与第六金属壁42平行设置、第四微带线9与第八金属壁52平行设置。

本实施例中，如前所述，第一介质谐振器2、第二介质谐振器3、第三介质谐振器4、第四介质谐振器5结构相同，均为长方体结构，各介质谐振器的高度方向与馈电基板1的板面垂直设置，且第一介质谐振器2、第二介质谐振器3、第三介质谐振器4、第四介质谐振器5呈2行2列的阵列间隔排布，如图所示，第一介质谐振器1、第二介质谐振器2间隔排布于第一行，第三介质谐振器3、第四介质谐振器4间隔排布于第二行，相邻两个介质谐振器的中心间距为0.045λ

进一步地，第一介质谐振器2、第二介质谐振器3、第三介质谐振器4、第四介质谐振器5结构相同的基础上，尺寸也相同，各介质谐振器的长度均为0.035λ

各微带线一端连接于各介质谐振器底部、另一端沿介质谐振器高度方向延伸，使得微带线与馈电基板1的板面垂直设置，且本实施例中，各微带线均呈矩形结构且尺寸相同，长度方向均与馈电基板1的板面垂直设置，本实施例中，第一微带线6、第二微带线7、第三微带线8、第四微带线9的长度均为0.0475λ

请参阅图4-5，本实施例中，馈电基板1包括由上至下层叠设置的第一介质基板11和第二介质基板12，第一介质基板11顶面设置有第一金属层13，第二介质基板12底面设置有第二金属层14，第一金属层13、第二金属层14作为天线的金属地板，其中，介质谐振器单元连接于第一金属层13顶面，第二介质基板12顶面连接有馈电网络10，第一微带线6、第二微带线7、第三微带线8、第四微带线9通过馈电探针15连接于馈电网络10。

其中，第一介质基板11、第二介质基板12均为矩形板且尺寸相同，第一介质基板11、第二介质基板12的长度均为0.08λ

为实现天线的圆极化功能及小型化的效果，如图6所示，馈电网络10包括一180°耦合器101和连接于该180°耦合器101两侧的第一90°耦合器102、第二90°耦合器103，形成混合耦合器的结构，其中，180°耦合器101的输出端口提供180°相位差，第一90°耦合器102、第二90°耦合器103的输出端口分别提供90°相位差。180°耦合器101的两个输出端口分别级联第一90°耦合器102、第二90°耦合器103，实现了混合耦合器4个输出端口的幅度一致性，四个输出端口的相位依次为0°、90°、180°、270°，如此，通过采用一分四的功率分配网络，四个输出端口依次具有90°相位差，实现了天线的圆极化功能。

请参阅图6-7，180°耦合器101、第一90°耦合器102、第二90°耦合器103均由馈线弯折得到，弯折结构紧密，缩减了馈电网络的尺寸，实现了天线的小型化。本实施例中具体地，180°耦合器101由特性阻抗为50欧姆的第一馈线1011、特性阻抗为70.7欧姆的第二馈线1012和用于接地的50欧姆第一贴片电阻1013组成。第一90°耦合器102由特性阻抗为50欧姆的第三馈线1021、特性阻抗为35.35欧姆的第四馈线1022和用于接地的50欧姆第二贴片电阻1023组成。第二90°耦合器103由特性阻抗为50欧姆的第五馈线1031、特性阻抗为35.35欧姆的第六馈线1032和用于接地的50欧姆第三贴片电阻1033组成。第二金属层13设置有一输入端口17，为便于进行天线测试，输入端口17以共面波导方式通过馈电探针15和馈电网络10的馈线连接。

馈电网络10的各输出端口104通过各贯穿粘合层16、第一介质基板11、第一金属层13的馈电探针15分别与第一微带线6、第二微带线7、第三微带线8、第四微带线9连接。馈电网络10依次以顺序90°移相的方式为顺序旋转90°的第一介质谐振器2、第二介质谐振器3、第四介质谐振器5和第三介质谐振器4馈电，从而得到了圆极化介质谐振器天线，而通过采用具有部分金属壁的介质谐振器结构，实现了天线的小型化，小型圆极化介质谐振器天线的长、宽、高尺寸仅为0.08λ

实验例

1、测试实施例提供的小型圆极化介质谐振器天线的反射系数和轴比随频率变化的曲线图，测试结果如图8所示。

从图中可以看出，实施例提供的天线匹配的带宽从1.48GHz至1.99GHz，其相对带宽为29.4％。轴比带宽从1.33GHz到2.02GHz，轴比相对带宽为41.2％。

2、测试实施例提供的小型圆极化介质谐振器天线在1.5GHz工作频率下的空间轴比随仰角变化的曲线图，测试结果如图9所示。

从图中可以看出，天线的空间轴比波束宽度从-103.46°至100.3°，空间轴比波束宽度超过200°，具有超宽的空间轴比圆极化特性。

3、测试实施例提供的小型圆极化介质谐振器天线的右旋圆极化增益，测试结果如图10所示。

从图中可以看出，天线的最大增益可达-1.4dBic。

4、测试实施例提供的小型圆极化介质谐振器天线的馈电性能，测试结果如图11所示。

从图中可以看出，在S

5、测试实施例提供的小型圆极化介质谐振器天线的方向图，测试结果如图12所示。

从图中可以看出，该天线右旋圆极化为主极化，左旋圆极化较小为交叉极化，说明该天线具有右旋圆极化的辐射特性。

综上所示，实施例提供的小型圆极化介质谐振器天线尺寸小，为圆极化天线的小型化提供了一种新方案，且匹配带宽、轴比带宽和空间轴比波束宽度较大，在天线结构紧凑的同时，保证了空间轴比波束宽度。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。