介质谐振器天线

技术领域

本发明实施例涉及天线技术领域，特别涉及一种介质谐振器天线。

背景技术

天线作为无线通信系统中辐射和接收电磁波的装置，在无线通信中扮演着重要的角色。随着无线通信系统的迅速发展，对天线的小型化、宽频带、低损耗等性能提出了更高的要求。在本领域中，微带天线因剖面低、易集成、成本低等优点，已经得到了广泛的研究和应用。但是，由于微带天线在高频段时，金属导体欧姆损耗较大，并且，当工作频段在低频段时，需要将天线尺寸设计的较大，这些因素均限制了微带天线的进一步发展和应用。

介质谐振器天线具有辐射效率高、馈电方式多样、高频段可小型化、加工简单、形状多样及便于集成等优点，因此，如何利用介质谐振器天线实现稳定的宽带工作模式，是本领域的重要的研究课题。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种介质谐振器天线，可以实现介质谐振器天线的宽带设计。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种介质谐振器天线，包括：第一辐射块，所述第一辐射块的侧壁设置有第一通槽；接地层，所述接地层包括朝向所述第一辐射块的第一面和背离所述第一辐射块的第二面，以及位于所述第一面和所述第二面之间、并连接所述第一面和所述第二面的多个侧面；所述第一辐射块设于所述第一面，所述接地层设有贯穿所述第一面和所述第二面的第二通槽；微带线，位于所述接地层背离所述第一辐射块的一侧，所述微带线用于馈电。

可选的，所述第一辐射块的侧壁还设有第三通槽，所述第三通槽的深度方向和所述第一通槽的深度方向成角度设置。

可选的，所述第三通槽的深度方向和所述第一通槽的深度方向相互垂直。

可选的，还包括和所述第一辐射块堆叠设置的第二辐射块，所述第二辐射块设于所述第一辐射块朝向所述接地层的一侧，所述第一辐射块经由所述第二辐射块设于所述第一面；所述第一辐射块设有开口朝向所述第二辐射块的第一凹槽，所述第二辐射块封盖所述第一凹槽。

可选的，所述第二辐射块设有开口朝向所述第一辐射块的第二凹槽，所述第二辐射块贴合所述第一辐射块以使所述第一凹槽和所述第二凹槽组成一中空区域。

可选的，还包括和所述第一辐射块堆叠设置的第二辐射块，所述第二辐射块设于所述第一辐射块朝向所述接地层的一侧，所述第一辐射块经由所述第二辐射块设于所述第一面；所述第二辐射块的相对介电常数与所述第一辐射块的相对介电常数不同。

可选的，所述第二辐射块的相对介电常数小于所述第一辐射块的相对介电常数。

可选的，还包括与所述第二辐射块堆叠设置的第三辐射块，所述第三辐射块设于所述第二辐射块朝向所述接地层的一侧，所述第二辐射块经由所述第三辐射块设于所述第一面；所述第三辐射块的相对介电常数与所述第一辐射块及所述第二辐射块的相对介电常数均不同，或者，所述第三辐射块的相对介电常数与所述第一辐射块及所述第二辐射块中一者的相对介电常数相同。

可选的，所述第一辐射块至少部分遮盖所述通槽，所述第一辐射块在所述接地层的正投影和所述微带线在所述接地层的正投影至少部分重合。

可选的，还包括介质基板，所述介质基板贴合于所述第二面，所述微带线设于所述介质基板背离所述接地层的一侧，所述微带线通过耦合馈电的方式进行馈电。

本发明实施例提供的介质谐振器天线相对于相关技术而言，通过在第一辐射块设置第一通槽，使介质谐振器天线Q值降低，利用微带线对第一辐射块进行激励，从而使介质谐振器天线产生宽带辐射，实现介质谐振器的宽带设计。

附图说明

一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1是本发明第一实施例的介质谐振器天线的立体结构示意图；

图2是本发明第一实施例的介质谐振器天线的剖面示意图；

图3是本发明第一实施例中改进前后的介质谐振器天线的信号反射系数曲线图；

图4是本发明第一实施例中改进前的介质谐振器天线的仿真增益曲线；

图5是本发明第一实施例中改进后的介质谐振器天线的仿真增益曲线；

图6是本发明第一实施例中改进前后的介质谐振器天线在7.28GHz处的E面辐射方向图；

图7是本发明第一实施例中改进前后的介质谐振器天线在9.9GHz处的H面辐射方向图；

图8是本发明第二实施例的一种介质谐振器天线的剖面示意图；

图9是本发明第二实施例的另一种介质谐振器天线的剖面示意图；

图10是本发明第三实施例的介质谐振器天线的立体结构示意图；

图11是本发明第三实施例中改进后的介质谐振器天线的信号反射系数曲线图；

图12是本发明第三实施例中改进后的介质谐振器天线在6.65GHz谐振频点处的E面和H面方面的辐射方向图；

图13是本发明第三实施例中改进后的介质谐振器天线在9.15GHz谐振频点处的E面和H面方面的辐射方向图；

图14是本发明第三实施例中改进后的介质谐振器天线在10.8GHz谐振频点处的E面和H面方面的辐射方向图。

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，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。

在本发明实施方式中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本发明及其实施方式，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本发明中的具体含义。

此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“开设”、“连接”、“相连”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，术语“第一”、“第二”等主要是用于区分不同的装置、元件或组成部分(具体的种类和构造可能相同也可能不同)，并非用于表明或暗示所指示装置、元件或组成部分的相对重要性和数量。除非另有说明，“多个”的含义为两个或两个以上。

下面对本发明一个实施例的介质谐振器天线的实现细节进行具体的说明，以下内容仅为方便理解提供的实现细节，并非实施本方案的必须。

参见图1至图2，本实施例中的介质谐振器天线100包括：第一辐射块101，所述第一辐射块101的侧壁设置有第一通槽1011。接地层102，所述接地层102包括朝向所述第一辐射块101的第一面1021和背离所述第一辐射块101的第二面1022，以及位于所述第一面1021和所述第二面1022之间、并连接所述第一面1021和所述第二面1022的多个侧面1023。所述第一辐射块101设于所述第一面1021，所述接地层102设有贯穿所述第一面1021和所述第二面1022的第二通槽1024。微带线103，位于所述接地层102背离所述第一辐射块101的一侧，所述微带线103用于馈电。

本实施例通过在所述第一辐射块101设置所述第一通槽1011，使所述介质谐振器天线100的Q值降低，利用所述微带线103对所述第一辐射块101进行激励，从而使所述介质谐振器天线100产生宽带辐射，实现所述介质谐振器天线100的宽带设计。

在一些可行的实施方式中，所述第一辐射块101为四棱柱，所述第一通槽1011自背离所述接地层102的顶壁1012朝向所述接地层102延伸，并且同时贯穿与所述顶壁1012连接的两个相对的侧壁1013。

可选的，所述第一通槽1011的界面可以是U形、V形、方形或其他形状，所述第一通槽1011的个数可以是一个、两个或者更多个。

在一些可行的实施方式中，所述第一辐射块101的侧壁还设有第三通槽1014，所述第三通槽1014的深度方向和所述第一通槽1011的深度方向成角度设置。优选，所述第三通槽1014的深度方向和所述第一通槽1011的深度方向相互垂直。比如，所述第三通槽1014可以设置在侧壁1013，并朝向与该侧壁1013相对设置的另一个侧壁1013。同理，所述第三通槽1014的截面可以是U形、V形、方形或其他形状。在其他可行的实施方式中，所述第三通槽1014可以直接贯穿所述第一辐射块101的两个相对的侧壁。通过设置所述第三通槽1014，相当于所述第三通槽1014内部设置有相对介电常数为1的“空气介质”，可以降低所述介质谐振器天线100的有效介电常数，进一步增加所述介质谐振器天线100的带宽。

需要说明的是，所述第三通槽1014的大小、形状和位置(高低)，以及是否贯穿所述第一辐射块101，均可以根据实际情况进行具体设置，并不会影响所述介质谐振器天线100实现宽带设计。

在一些可行的实施方式中，所述第一辐射块101至少部分遮盖所述第二通槽1024，所述第一辐射块101在所述接地层102的正投影和所述微带线103在所述接地层102的正投影至少部分重合。也就是说，所述第一辐射块101和所述微带线103至少部分相对设置，所述微带线103通过耦合馈电的方式对所述第一辐射块101进行馈电。通过使所述第一辐射块101和所述微带线103至少部分相对，可以确保所述介质谐振器天线100具有足够的馈电效率，保障所述介质谐振器天线100能够稳定运行。

在一些可行的实施方式中，还包括介质基板104，所述介质基板104贴合于所述第二面1022，所述微带线103设于所述介质基板104背离所述接地层102的一侧，所述微带线103通过耦合馈电的方式进行馈电。具体而言，所述介质基板104为绝缘材质做成，主要用于承载并支撑所述第一辐射块101，同时提供所述微带线103的布置空间。在一个优选的实施方式中，可以将所述介质基板104设置为电路板，所述接地层102则为设置于所述电路板上的导电层，换言之，可以是用单面电路板替换所述接地层102和所述介质基板104，降低所述介质谐振器天线100的制造成本和制造难度。

可以理解的是，所述介质基板104也可以设置一个通槽，和所述第二通槽1024连通，优选为二者的轮廓相同。所述接地层102和所述介质基板104的通槽，可以通过激光切割或机械切割等方式形成，进一步，所述接地层102的第二通槽1024还可以使通过刻蚀的方式形成，例如采用掩模板刻蚀、光刻胶刻蚀或等离子刻蚀等方式。

在本实施例中，所述第一辐射块101可以是相对介电常数为9.9的陶瓷材料制成，所述介质基板104可以是相对介电常数为2.2的绝缘材质制成。需要说明的是，所述第一辐射块101和所述介质基板104的制造材料(相对介电常数)，可以根据实际需求进行其他选择。

参见图3至图7，图3为进行形状改良前后的介质谐振器天线的反射系数曲线图，可以发现，在所述第一辐射块101上设置所述第一通槽1011和所述第三通槽1014后，所述介质谐振器天线100的辐射Q值降低，使得所述介质谐振器天线100的阻抗带宽大幅度提高其反射系数S＜-10dB的范围为5.87GHz至11.35GHz，相对带宽为63.6％，说明所述介质谐振器天线100能够实现宽带效果，可以满足实际应用中的需求。频带内出现三个谐振模式分别为TE

图4为进行形状改良前的介质谐振器天线的仿真增益曲线。可以发现，当所述第一辐射块101不设置所述第一通槽1011和所述第三通槽1014时，介质谐振器天线的增益波动较大，在7.28GHz处存在第一个增益零点，仅有3.2dBi，在9.9GHz处存在第二个增益零点，仅有4.5dBi.并且，在5.5GHz至10.5GHz的频带内，是新DRA的边射增益波动高达4.5dB。

图5为进行形状改良后的介质谐振器天线的仿真增益曲线。可以发现，相对于图4，图5的增益曲线趋于平缓，消除了第一个和第二个增益零点，在5.87GHz至11.35GHz的工作带宽内，增益均大于6.14dBi，最高增益为7.74dBi，增益波动形仅有1.6dB，实现了带内增益平稳的效果，所述介质谐振器天线100在实现较宽的宽带性能的同时，改善不同模式相重叠导致的方向图形变，其方向性稳定得到了极大的提升。

图6为进行形状改良前后，介质谐振器天线在7.28GHz处的E面辐射方向图。可以发现，在形状改良前，介质谐振器天线的E面辐射方向图具有非常宽的波束宽度，其半功率波束宽度接近200°，E面方向图的波束宽度过宽导致边射增益低，仅有3.2dBi，从而带内出现第一个增益零点。在进行形状改良后，所述介质谐振器天线100的E面辐射方向图的波束宽度比改良之前天线的E面方向图波束宽度要窄，边射增益高，从而消除了带内第一个增益零点。

图7为进行形状改良前后，介质谐振器天线在9.9GHz处的H面辐射方向图。可以发现，在形状改良前，介质谐振器天线的H面辐射方向图出现了较大的副瓣，导致主瓣增益偏低，因而袋内出现第二个增益零点。在进行形状改良后，所述介质谐振器天线100的H面辐射方向图没有出现副瓣，边射增益高，从而消除了带内第二个增益零点。

参见图8，本发明的第二实施例提供一种介质谐振器天线100，与第一实施例的所述介质谐振器天线100大致相同，主要区别在于，本实施例的介质谐振器天线100还包括和所述第一辐射块101堆叠设置的第二辐射块105，所述第二辐射块105设于所述第一辐射块101朝向所述接地层102的一侧，所述第一辐射块101经由所述第二辐射块105设于所述第一面1021。所述第一辐射块101设有开口朝向所述第二辐射块105的第一凹槽1015，所述第二辐射块105封盖所述第一凹槽1015。

也就是说，所述第二辐射块105和所述第一辐射块101配合，形成一个具有中空腔的介质体。在其他可行的实施例中，所述第一凹槽1015可以贯穿所述第一辐射块101的一个侧壁，此时，所述第一凹槽1015形成类似所述第三通槽1014的构造。

可以理解的是，本实施例中所述第一辐射块101可以不设置所述第三通槽1014，也可以保留第一实施例中所述的第三通槽1014。所述微带线103对所述第一辐射块101和所述第二辐射块105进行耦合馈电。

在一些可行的实施方式中，所述第二辐射块105的相对介电常数小于所述第一辐射块101的相对介电常数。例如，所述第二辐射块105的相对介电常数小于所述第一辐射块101。将所述第二辐射块105的相对介电常数设置为小于所述第一辐射块101的相对介电常数，可以降低所述介质谐振器天线100的有效介电常数，进一步增加所述介质谐振器天线100的带宽。

需要说明的是，在设置所述第二辐射块105时，可以通过减小所述第一辐射块101的高度，从而使本实施例的介质谐振器天线的高度与第一实施例的介质谐振器天线的高度保持一致，即在不增加所述介质谐振器天线100的体积的情况下进一步增大所述介质谐振器天线100的工作带宽。

参见图9，在其他可行的实施方式中，所述第二辐射块105设有开口朝向所述第一辐射块101的第二凹槽1051，所述第二辐射块105贴合所述第一辐射块101以使所述第一凹槽1015和所述第二凹槽1051组成一中空区域。同样的，通过将所述介质体的内部挖空，可以理解为所述介质体内部嵌设有一空气介质块，可以降低所述介质谐振器天线100的有效介电常数，以提高所述介质谐振器天线100的带宽。

可以理解的是，在另外一些可行的实施方式中，也可以仅在所述第二辐射块105上开设一个开口朝向所述第一辐射块101的所述第二凹槽1051，而不在所述第一辐射块101上开设所述第一凹槽1015；或者，所述第一辐射块101保留所述第三通槽1014，且不设置所述第一凹槽1015，所述第二辐射块105设置所述第二凹槽1051；或者，所述第一辐射块101保留所述第三通槽1014和所述第一凹槽1015，同时所述第二辐射块105设置所述第二凹槽1051。

在本实施例中，所述第一辐射块101和所述第二辐射块105可以设计为棱柱、圆柱等形状结构，也可以是不同形状结构的组合，例如所述第一辐射块101可以是棱柱，所述第二辐射块105可以是圆柱。

参见图10，本发明第三实施例提供一种介质谐振器天线100，与第二实施例的所述介质谐振器天线100大致相同，主要区别在于，本实施例的介质谐振器天线100还包括和所述第二辐射块105堆叠设置的第三辐射块106，所述第三辐射块106设于所述第二辐射块105朝向所述接地层102的一侧，所述第二辐射块105经由所述第三辐射块106设于所述第一面1021。所述第三辐射块106的相对介电常数与所述第一辐射块101及所述第二辐射块105的相对介电常数均不同，或者，所述第三辐射块106的相对介电常数与所述第一辐射块101及所述第二辐射块105中一者的相对介电常数相同。

也就是说，可以将所述第三辐射块106的相对介电常数设置为小于所述第一辐射块101和所述第二辐射块105的相对介电常数，或者，可以使所述第三辐射块106的相对介电常数介乎所述第一辐射块101和所述第二辐射块105的相对介电常数之间，或者，可以将所述第三辐射块106的相对介电常数设置为大于所述第一辐射块101和所述第二辐射块105的相对介电常数。更具体的说，可以根据实际的性能需求设置所述第三辐射块106的相对介电常数，此处不做具体限定。

可以理解的是，所述第三辐射块106也可以设置第二实施例中所述的凹槽，或者，设置第一实施例中所述的通槽。此外，所述第三辐射块106也可以是棱柱状或圆柱状等形状结构。优选地，所述第一辐射块101、第二辐射块105和第三辐射块106均设置为相同尺寸的棱柱形状，并且同轴堆叠设置。

可选的，本发明中任一实施例的介质谐振器天线100，可以应用于智能手表、智能手机、平板电脑、笔记本电报或其他智能终端，本发明对此不作具体限定。

另外，本实施例中所述第一辐射块101可以不设置所述第三通槽1014，也可以保留第一实施例中所述的第三通槽1014。所述微带线103对所述第一辐射块101、所述第二辐射块105和所述第三辐射块106进行耦合馈电。同样的，在设置所述第三辐射块106时，同样可以通过减小所述第一辐射块101和/或第二辐射块105的高度，使所述介质谐振器天线100的高度保持不变。

参见图11至图14，图11为设置了低介电常数的第二辐射块105和第三辐射块106，以及所述第一通槽1011时的介质谐振器天线的反射曲线图。可以看出，在设置所述第二辐射块105、第三辐射块106和所述第一通槽1011后，所述介质谐振器天线100小于-10dB的阻抗范围大幅增大，跨度大约为5GHz，即说明该天线设计能实现宽带的效果，可以满足实际应用中的需求。其中，改进后的所述介质谐振器天线100的谐振频点为6.65GHz、9.15GHz和10.8GHz。

图12为进行形状改进后的所述介质谐振器天线100在6.65GHz谐振频点处的E面和H面方面的辐射方向图，图13是改进后的所述介质谐振器天线100在9.15GHz谐振频点处的E面和H面方面的辐射方向图，图14是改进后的所述介质谐振器天线100在10.8GHz谐振频点处的E面和H面方面的辐射方向图。可以看到，在天线工作带宽内，以上谐振频点的增益均大于4dBi，最高增益为8.3dBi，且在工作频带内均保持边射的方向图。

以上对本发明实施方式提供的介质谐振器天线进行了详细地介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施方式的说明只是用于帮助理解本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书的内容不应理解为对本发明的限制。