專利名稱：一種微帶縫隙耦合饋電的三頻介質諧振天線的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及介質諧振天線，尤其涉及一種微帶縫隙耦合饋電的三頻介質諧振天 線。
背景技術：
隨著科學技術的發(fā)展，無線通信事業(yè)也得到大力普及，由此人們對無線通信系統(tǒng) 中必不可少的天線的各項性能的要求也日益提高，如體積更小、帶寬更大、損耗更低等。但 是天線的應用和發(fā)展卻受到在高頻段金屬歐姆損耗高和低頻段天線幾何尺寸大這兩個關 鍵技術的限制。因此，介質諧振天線由于其良好的性能得到了廣泛的關注和研究。介質諧振器是用高介電常數(shù)和低損耗的介質材料制成的，經常用于屏蔽微波電路 中。從上個世紀70年代起，介質諧振器就開始用于屏蔽微波電路中，其一般由低損耗(tan
δ =10_4以下)、高介電常數(shù)εΓ
(10-100)的材料做成。當介質諧振器放在自由空間中，并在一定的激勵條件下，就能制作成 高效率的介質諧振天線。介質諧振天線有許多吸引人的優(yōu)點因為沒有導體和表面波損耗，自身介質損耗 小，并具有較低的輻射Q因子高效的輻射效率。它與具有相同介電常數(shù)的微帶天線相比，介 質諧振天線的帶寬要寬的多。其設計具有靈活性，如介質諧振器的形狀可以多種多樣，如圓 柱形，矩形等；有多種饋電機制，通過改變饋電位置可控制輸入阻抗，易于匹配，且其它天線 技術可以很容易地應用到介質諧振天線。同時，介電常數(shù)的選擇范圍很大，允許設計者靈活 控制尺寸和帶寬(低介電常數(shù)對應大帶寬，高介電常數(shù)對應小尺寸)，通過選擇合適的諧振 參數(shù)可以得到很寬的工作帶寬，也可以同時具有多個頻帶。此外，相似天線之間的隔離度很 好，且對附近物體引起的失諧有較好的抵抗能力；體積小又易于集成，適用于在很小的空間 內設置多個天線的情況。而且，介質諧振天線對加工誤差不像微帶天線那樣敏感，特別是在 頻率很高的時候。從上世紀八十年代起，DRA開始逐漸被廣大研究者所發(fā)現(xiàn)和研究。到了九十年代， 隨著空間和軍事電子技術的發(fā)展，DRA逐漸成為天線技術研究的一個熱點，設計理論研究、 新結構設計實現(xiàn)、天線性能參數(shù)的數(shù)值計算等都受到越來越多人的關注。介質諧振天線的 極化方式和帶寬現(xiàn)在仍然是研究熱點。提高介質諧振天線的帶寬一直是DRA研究的一大熱 點。DRA設計中增加帶寬的方法有很多，例如堆疊結構、增加一個單元、空氣縫法、負載導體 帶片、使用特殊形狀的介質諧振器或者更好的饋電結構等。例如堆疊結構就是將兩個不同 的介質諧振器堆疊在一起，使每一個介質諧振器在不同的頻率，兩個諧振頻率互相接近，從 而展寬天線的帶寬。在天線設計中極化特性是一個非常重要的考慮因素。在很長的一段時 間內，介質諧振天線的研究主要集中在線極化介質諧振天線，但線極化天線對傳輸和接受 的方向很敏感，此時，圓極化天線就開始受到關注，尤其在衛(wèi)星通信中下面我們將簡要介紹 一種典型的介質諧振天線的結構及其性能指標，并以此提出本發(fā)明的內容。中國專利CN1331856公開了一種介質諧振天線，其介質諧振器安裝在由導電材料形成的介質地板上，饋源由相互分開而置第一和第二探針組成，將第一和第二探針電氣耦 合到諧振器，以將第一和第二信號分別提供給諧振器或從其接收所述信號，第一和第二探 針由導電帶形成，導電帶電氣連接到諧振器周圍，并基本上關于介質地板垂直，第一和第二 信號具有相同振幅，但是相位相差90度，以產生圓極化輻射圖案。在該方案中雙頻帶天線 可通過將兩個介質諧振器天線放置并連接在一起而形成。在雙頻帶配置中的每一個諧振器 以特定頻率諧振，由此提供雙頻帶工作。諧振器能夠并排放置，或相互垂直放置。這樣的結 構使得該介質諧振天線的體積較大。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是克服上述已有技術的不足，提供一種微帶縫隙耦合饋電的三頻介 質諧振天線。一種微帶縫隙耦合饋電的三頻介質諧振天線包括介質諧振腔、金屬貼片、空氣諧 振腔、介質地板、微帶耦合縫隙饋源；介質諧振腔是高介電常數(shù)材料構成的介質諧振腔，介 質諧振腔放置在介質地板上，介質諧振腔內部中央的上部嵌有一個空氣諧振腔，空氣諧振 腔的內部填充介質為空氣，介質諧振腔和空氣諧振腔上端中央放置金屬貼片，微帶耦合縫 隙饋源包括縫隙和微帶線，介質地板中開有縫隙，介質地板下表面設有微帶線并與縫隙垂 直相交。所述的介質諧振腔或空氣諧振腔為立方體或圓柱體；金屬貼片為長方形或圓形。 所述的諧振腔或空氣諧振腔為立方體時，微帶縫隙耦合饋源的縫隙位置在介質諧振腔下底 面并平行于介質諧振腔的邊長，此時實現(xiàn)線極化功能。另一種微帶縫隙耦合饋電的三頻介質諧振天線包括介質諧振腔、金屬貼片、空氣 諧振腔、介質地板、雙微帶耦合縫隙饋源；介質諧振腔是高介電常數(shù)材料構成的介質諧振 腔，介質諧振腔放置在介質地板上，介質諧振腔內部中央的上部嵌有一個空氣諧振腔，空氣 諧振腔的內部填充介質為空氣，介質諧振腔和空氣諧振腔上端中央放置金屬貼片，雙微帶 耦合縫隙饋源包括兩個縫隙和微帶線，介質地板中開有縫隙，介質地板下表面設有微帶線。所述的介質諧振腔或空氣諧振腔為立方體或圓柱體；金屬貼片為正方形或圓形。 所述的諧振腔或空氣諧振腔為立方體時，雙微帶縫隙耦合饋源的兩個縫隙分別平行于介質 諧振腔下底面邊長，兩個縫隙垂直相交，微帶線通過兩個縫隙的交點并與兩個縫隙都相交， 此時該介質諧振天線實現(xiàn)遠圓極化功能。跟現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是
(1)高效的輻射效率(95%)，因為沒有導體和表面波損耗，自身介質損耗小，并具有較低 的輻射Q因子；
(2)介電常數(shù)的選擇范圍很大，允許設計者靈活控制尺寸和帶寬(低介電常數(shù)對應大帶 寬，高介電常數(shù)對應小尺寸)，通過選擇合適的諧振參數(shù)可以得到很寬的工作帶寬，也可以 同時具有多個頻帶；
(3)相似天線之間的隔離度很好，且對附近物體引起的失諧有較好的抵抗能力；
(4)體積小又易于集成，適用于在很小的空間內設置多個天線的情況；
(5)對加工誤差不像微帶天線那樣敏感，特別是在頻率很高的時候；
(6)相對于同軸饋源適合低頻天線，微帶縫隙耦合的作用范圍更加廣泛。
圖1是微帶縫隙耦合饋電的三頻介質諧振天線的結構示意圖； 圖2是本發(fā)明線極化三頻介質諧振天線的截面示意圖3是本發(fā)明線極化結構具體實施方式
1的仰視圖； 圖4是本發(fā)明線極化結構具體實施方式
2的仰視圖； 圖5是本發(fā)明線極化結構具體實施方式
3的仰視圖； 圖6是本發(fā)明線極化結構具體實施方式
4的仰視圖； 圖7是本發(fā)明線極化結構具體實施方式
5的仰視圖； 圖8是本發(fā)明線極化結構具體實施方式
6的仰視圖； 圖9是本發(fā)明線極化結構具體實施方式
7的仰視圖； 圖10是本發(fā)明線極化結構具體實施方式
8的仰視圖； 圖11是本發(fā)明圓極化三頻介質諧振天線的仰視圖。
具體實施例方式凡能夠限定電磁能量在一定體積內振蕩的結構均可構成電磁諧振器。這種振蕩結 構一般是由任意形狀的電壁或磁壁所限定的體積，在外界的激勵下結構內部產生微波電磁 振蕩。介質諧振器是一種具有存儲能和選頻特性的微波諧振元件，起功過原理類似于電路 理論中的集總元件諧振器。由高介電常數(shù)介質與空氣界面的反射和折射情況可以得到結論高介電常數(shù)的界 面與導體壁有著類似的特性，能使電磁波發(fā)生完全的或近似完全的反射。導體壁被稱為電 壁，其電場的切向分量為零，磁場的法向分量為零，電磁波被完全反射，合成場的電力線垂 直與導體表面。而在高介電常數(shù)的介質界面上，磁場切向分量近似為零，入射波與反射波的 磁場切向分量近似相抵消，合成場的磁力線近似垂直介質界面，于是高介電常數(shù)的介質表
面可近似看成磁壁，只有當趨向于無窮時，才能成為真正的磁壁。用磁壁圍成一個封閉
的腔，當適當頻率的電磁波饋入時，波將在腔的磁壁上來回反射，形成諧振。因此高介電常 數(shù)的介質塊可以近似為微波諧振器，電磁能量在介質內振蕩，不會穿過磁壁泄漏到空氣中 去。然而，沒有介質的介電常數(shù)可以達到無窮大，這意味著介質振蕩的同時會向外輻射能 量，選擇適當?shù)慕殡姵?shù)的介質，可以使諧振器能輻射足夠的能量，這樣就形成了介質諧振 天線。饋電結構的設計主要需要考慮的是結構自身阻抗是否與輸入端口相匹配，和介質 諧振器之間是否有足夠的耦合度，以及結構本身是否便于電路連接和自身輻射情況等。當 饋源為微帶-槽耦合時，縫隙的寬度、長度以及微帶線長度都會影響天線性能，這種饋電方 式在設計上比較復雜，但是由于有較多的可調參數(shù)，因此也具有更多的靈活性，可以設計出 性能更加優(yōu)良的天線結構。通過調節(jié)這些參數(shù)最終獲得性能最優(yōu)的介質諧振天線。此外， 縫隙受微帶傳輸線中傳輸?shù)哪芰考?，微帶饋電線通過介質地板同縫隙相短接或是在終端 開路。在高頻的時候，由于介質諧振天線本身體積就比較小，如果用同軸饋源等其它饋源， 其尺寸過大可能會影響到天線本身的性能，微帶饋源由于起體積小可以避免這個問題。如圖1、2所示，一種微帶縫隙耦合饋電的三頻介質諧振天線包括介質諧振腔1、金屬貼片2、空氣諧振腔3、介質地板4、微帶耦合縫隙饋源5 ；介質諧振腔1是高介電常數(shù)材料 構成的介質諧振腔，介質諧振腔1放置在介質地板4上，介質諧振腔1內部中央的上部嵌有 一個空氣諧振腔3，空氣諧振腔3的內部填充介質為空氣，介質諧振腔1和空氣諧振腔3上 端中央放置金屬貼片2，微帶耦合縫隙饋源5包括縫隙51和微帶線52，介質地板4中開有 縫隙51，介質地板4下表面設有微帶線52并與縫隙51垂直相交。如圖11所示，另一種微帶縫隙耦合饋電的三頻介質諧振天線包括介質諧振腔1、 金屬貼片2、空氣諧振腔3、介質地板4、雙微帶耦合縫隙饋源6 ；介質諧振腔1是高介電常數(shù) 材料構成的介質諧振腔，介質諧振腔1放置在介質地板4上，介質諧振腔1內部中央的上部 嵌有一個空氣諧振腔3，空氣諧振腔3的內部填充介質為空氣，介質諧振腔1和空氣諧振腔 3上端中央放置金屬貼片2，雙微帶耦合縫隙饋源6包括兩個縫隙51和微帶線52，介質地板 4中開有縫隙51，介質地板4下表面設有微帶線52。介質諧振腔1提供三頻介質諧振天線的第一個頻點，通過改變介質諧振腔1的尺 寸參數(shù)，可以調節(jié)第一個天線諧振點的位置；金屬貼片2提供三頻介質諧振天線的第二個 頻點，通過改變金屬貼片2的尺寸參數(shù)可以調節(jié)第二個天線諧振點的位置；空氣諧振腔3提 供三頻介質諧振天線的第三個頻點，通過改變空氣諧振腔3的尺寸參數(shù)，可以調節(jié)第三個 天線諧振點的位置；由這三個結構可以實現(xiàn)本發(fā)明介質諧振天線的三頻點特征。如圖3 10所示，所述的介質諧振腔1或空氣諧振腔3為立方體或圓柱體 ’金屬 貼片2為長方形或圓形。本發(fā)明三頻介質諧振天線通過縫隙的寬度、長度和位置以及微帶線長度寬度和位 置來實現(xiàn)極化方式和調節(jié)阻抗匹配。圖3、11、分別給出了 2種不同的極化方式。圖3表示線極化三頻介質諧振天線，所述的諧振腔1或空氣諧振腔3為立方體時， 微帶縫隙耦合饋源5的縫隙51位置在介質諧振腔1下底面并平行于介質諧振腔1的邊長。圖11表示圓極化三頻介質諧振天線，所述的諧振腔1或空氣諧振腔3為立方體 時，雙微帶縫隙耦合饋源6的兩個縫隙51分別平行于介質諧振腔1下底面邊長，兩個縫隙 51垂直相交，微帶線52通過兩個縫隙51的交點并與兩個縫隙51都相交。本發(fā)明將結構的多樣性與饋源的多樣性結合，就能產生出更多種的具體實施方式
來。本發(fā)明所提到的8種結構和2種饋源，就可以產生16種不同的介質諧振天線。以上是本發(fā)明的幾種具體實施方式
，本領域的技術人員可以通過應用本發(fā)明公開 的方法以及發(fā)明中提到的一些替代方式制作出本介質諧振天線。本發(fā)明僅是一種特殊材料 的較佳實例，并非對本發(fā)明作任何形式上的限定，任何熟悉本專業(yè)的技術人員可能利用上 述揭示的技術內容加以變更或修飾為等同變化的等效實例，但是凡是未脫離本發(fā)明技術方 案內容，依據(jù)本發(fā)明的技術實質對以上實例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬 于本發(fā)明技術方案的范圍內。本發(fā)明通過介質諧振腔，空氣諧振腔和金屬貼片三個結構集 成在一起提供三個不同的頻點，具有體積小同時頻帶寬的特點，此外，還有結構簡單、成本 低、誤差容忍度高等優(yōu)點，由于微帶做陣元的一致性很好，因此該縫隙微帶耦合饋的介質諧 振天線可以在天線陣中得到很好的應用。該介質諧振天線在無線通信中的應用十分廣泛， 例如移動終端、無線接入點、基站等各種通信設備和系統(tǒng)，甚至在一些國防的戰(zhàn)術系統(tǒng)，比 如雷達中也有廣泛應用。
權利要求
1.一種微帶縫隙耦合饋電的三頻介質諧振天線，其特征在于包括介質諧振腔(1)、金 屬貼片(2)、空氣諧振腔(3)、介質地板(4)、微帶耦合縫隙饋源(5)；介質諧振腔(1)是高介 電常數(shù)材料構成的介質諧振腔，介質諧振腔(1)放置在介質地板(4)上，介質諧振腔(1)內 部中央的上部嵌有一個空氣諧振腔(3)，空氣諧振腔(3)的內部填充介質為空氣，介質諧振 腔(1)和空氣諧振腔(3)上端中央放置金屬貼片(2)，微帶耦合縫隙饋源(5)包括縫隙(51) 和微帶線(52)，介質地板(4)中開有縫隙(51)，介質地板(4)下表面設有微帶線(52)并與 縫隙(51)垂直相交。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種微帶縫隙耦合饋電的三頻介質諧振天線，其特征在于所 述的介質諧振腔(1)或空氣諧振腔(3)為立方體或圓柱體；金屬貼片(2)為長方形或圓形。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的一種微帶縫隙耦合饋電的三頻介質諧振天線，其特征在 于所述的諧振腔(1)或空氣諧振腔(3)為立方體時，微帶縫隙耦合饋源(5)的縫隙(51)位 置在介質諧振腔(1)下底面并平行于介質諧振腔(1)的邊長。
4.一種微帶縫隙耦合饋電的三頻介質諧振天線，其特征在于包括介質諧振腔(1)、金 屬貼片(2)、空氣諧振腔(3)、介質地板(4)、雙微帶耦合縫隙饋源(6)；介質諧振腔(1)是高 介電常數(shù)材料構成的介質諧振腔，介質諧振腔(1)放置在介質地板(4)上，介質諧振腔(1) 內部中央的上部嵌有一個空氣諧振腔(3)，空氣諧振腔(3)的內部填充介質為空氣，介質諧 振腔(1)和空氣諧振腔(3)上端中央放置金屬貼片(2)，雙微帶耦合縫隙饋源(6)包括兩個 縫隙(51)和微帶線(52)，介質地板(4)中開有縫隙(51)，介質地板(4)下表面設有微帶線 (52)。
5.根據(jù)權利要求4所述的一種微帶縫隙耦合饋電的三頻介質諧振天線，其特征在于所 述的介質諧振腔(1)或空氣諧振腔(3)為立方體或圓柱體；金屬貼片(2)為正方形或圓形。
6.根據(jù)權利要求4或5所述的一種微帶縫隙耦合饋電的三頻介質諧振天線，其特征在 于所述的諧振腔(1)或空氣諧振腔(3)為立方體時，雙微帶縫隙耦合饋源(6)的兩個縫隙 (51)分別平行于介質諧振腔(1)下底面邊長，兩個縫隙(51)垂直相交，微帶線(52)通過兩 個縫隙(51)的交點并與兩個縫隙(51)都相交。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種微帶縫隙耦合饋電的三頻介質諧振天線。介質諧振腔是高介電常數(shù)材料構成的介質諧振腔，介質諧振腔放置在介質地板上，介質諧振腔內部中央的上部嵌有一個空氣諧振腔，空氣諧振腔的內部填充介質為空氣，介質諧振腔和空氣諧振腔上端中央放置金屬貼片，微帶耦合縫隙饋源包括縫隙和微帶線，介質地板中開有縫隙，介質地板下表面設有微帶線并與縫隙垂直相交。本發(fā)明通過介質諧振腔，空氣諧振腔和金屬貼片三個結構集成在一起提供三個不同的頻點，具有體積小同時頻帶寬的特點，可以在天線陣中得到很好的應用，在其他方面，例如移動終端、無線接入點、基站等各種通信設備和系統(tǒng)，甚至在一些國防的戰(zhàn)術系統(tǒng)，比如雷達中也有廣泛應用。
文檔編號H01Q13/18GK102130376SQ20111002817
公開日2011年7月20日 申請日期2011年1月26日 優(yōu)先權日2011年1月26日
發(fā)明者吳慧嫻, 吳錫東, 周金芳, 李波, 楊楠 申請人:浙江大學