一种宽带和高增益的方向图可重构介质谐振器天线

1.本发明属于无线通信和天线技术领域，涉及一种宽带和高增益的方向图可重构介质谐振器天线。


背景技术：

2.在复杂多变的5g通信场景中，相比于单一辐射模式的天线，具有多种辐射模式的可重构天线可以缓解多径衰落现象，提高复杂通信系统的信道容量和效率，更加适用于蜂窝通信、无线局域网(wlan)以及车辆通信等通信场景中。传统相控阵通过相位控制实现波束方向变化，其需要复杂和高成本的馈电网络，而多端口馈电系统也被用来实现波束切换，但通常尺寸较大，这些因素均限制了其在通信系统中的应用。方向图可重构天线可以动态地重新配置辐射模式，通过切换波束，形成指向预期方向的辐射方向图，实现空间分集。
3.在方向图可重构天线中，采用pin二极管或变容二极管改变天线电流路径而进行切换方向图的设计是比较常见的，但插入损耗是不可避免的。利用石墨烯可调电阻设计的方向图可重构天线需要额外的偏置电压。上述工作已经在可重构天线设计方面取得了良好进展，但仍然存在一些不足之处，如结构复杂、成本高、增益和效率低等。另外，现有的方向图可重构天线的不同辐射模式的覆盖区间有大面积重叠，这会大大削弱方向图可重构天线的优势。而在那些具有不同辐射方向的方向图可重构天线中，通常宽边辐射模式较多，通过转变其辐射角度形成不同的辐射方向图，也有全向模式和端辐射模式，但很少有介于全向和宽边或者端辐射和宽边之间的倾斜模式，导致所提出的可重构天线总存在两个模式之间的低增益区域，很难在半空间内实现高增益的覆盖。因此，设计具有多种辐射方向图的可重构天线是十分必要的。考虑到5g通信设备日益小型化与紧凑，设计结构简单、剖面低、宽带宽且具有高增益的方向图可重构天线，实现空间分集覆盖是未来5g通信需要解决的一项关键技术问题，具有很好的市场应用前景。
4.考虑到介质谐振器天线具有结构紧凑、效率高、带宽较宽、设计灵活、辐射模式多样化等优点，而利用介质谐振器实现方向图可重构天线的工作是较少的。仅有的几个设计，不仅辐射方向图种类少，而且通常具有非常高的剖面高度，不利用其实际应用。因此，本发明将充分利用介质谐振器天线优势，设计多辐射方向图、低剖面、宽带宽、且高增益的方向图可重构介质谐振器天线，从而实现半空间范围的高增益波束覆盖。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于实现一种宽带和高增益的方向图可重构天线，提出一种方向图可重构介质谐振器天线，可以获得四种互补的辐射方向图，适用于复杂多变的5g通信场景。天线特点如下：通过以不同相位激励天线的两个端口，可以获得四种互补的辐射方向图，分别是一个全向模式，一个宽边模式和两个倾斜模式。天线结构简单、成本低，剖面低，使用方便。天线端口隔离良好，具有宽的阻抗带宽。此外，良好的方向图效果可以在宽频带内保持稳定。天线设计在中心频率为3.6ghz，结果表明，天线的阻抗带宽可覆盖3.37-3.9ghz(～
14.7％)，s12《-15的带宽为3.15-3.82ghz(～18.6％)，良好的方向图效果可以在3.4-3.8ghz(～11.1％)的宽频带内保持稳定，全向模式、宽边模式和倾斜模式的增益分别为～5.41dbi、～7.68dbi和～8.04dbi，此外，天线的剖面高度～0.1λ0(λ0表示中心频率对应的波长)。
6.为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
7.一种宽带和高增益的方向图可重构介质谐振器天线，两侧带有凹槽的介质谐振器放置在介质基板上，两个sma连接器8由介质基板插入到介质谐振器中作为天线的两个激励端口。凹槽可以改善匹配效果，提高隔离度，还可以提高增益。凹槽的两侧各放置一个金属板6，它可以扩展带宽，提高隔离度。当天线的两个端口分别以0
°
和0
°
、0
°
和90
°
、0
°
和-90
°
、0
°
和180
°
同时激励时，能够形成辐射良好且高增益的四种辐射模式，分别为一个全向、两个倾斜和一个宽边辐射方向图。所述的介质谐振器为高介电常数的介质块1，所述的介质基板为低介电常数的介质板3。具体的：
8.所述的宽带和高增益的方向图可重构介质谐振器天线包括介质块1、介质基板3、金属地板4、金属板6、sma连接器8。
9.所述的介质块1长边的两侧带有凹槽，使dr成为“工”字形结构。在所述介质块1的宽边中线上，长边方向分别靠近两侧凹槽的介质内设有两个和介质块1等高的介质块的空气通孔2。
10.所述的介质板3的下表面设有金属地板4。所述介质块1放置在介质板3之上，二者中心重合，边平行。在介质板3上与介质块的空气通孔2圆心对应的位置设有两个介质板的空气通孔5。所述的介质板3上设有两个空气腔7，空气腔7与介质块1宽边方向平行且与介质块1宽边留有间隙。
11.所述的介质块1设有凹槽的两侧各放置一块l型金属板6，所述金属板6下端插入到介质板3留出的空气腔7中，上端在与介质块1等高处向介质块1的一侧弯折90
°
，形成倒置的“l”型结构，弯折处与介质块1距离很近但不接触。将金属板弯折可以降低天线的剖面高度。所述的金属板6弯折的距离为1-5mm；所述的金属板6弯折后与介质块1之间的距离不大于3mm。
12.所述的两个sma连接器8插入到介质板的空气通孔5和介质块的空气通孔2中。在所述金属地板4上，与介质板的空气通孔5圆心对应的位置设有比sma连接器8内芯直径略大的圆孔，避免短路。
13.进一步的，所述的介质谐振器两侧的空气凹槽可以换成低介电常数的介质。
14.进一步的，所述的下表面设有金属地板4的介质板3可以替换为有一定厚度的铜板，铜板厚度根据需要进行调整。
15.进一步的，所述的金属板可以改善匹配，提高隔离度。而将金属板弯折可以降低剖面高度，如果不需要降低剖面高度，金属板可以不弯折。
16.进一步的，所述的金属板可以替换为金属柱。
17.进一步的，所述的介质块1选用介电常数不小于5。
18.进一步的，所述的介质板3选用介电常数不大于15。
19.进一步的，所述介质块1的介电常数应该大于所述介质板3的介电常数。
20.本发明提供的宽带和高增益的方向图可重构介质谐振器天线具有四种互补的辐
射模式，且具有比较宽的阻抗带宽3.37-3.9ghz(14.7％)，其中，具有良好辐射方向图的带宽为3.4-3.8ghz(～11.1％)，能够覆盖中国电信(3.4ghz-3.5ghz)和中国联通(3.5ghz-3.6ghz)的5g试验频段且还有充足的余量，s12《-15的带宽为3.15-3.82ghz(～18.6％)。值得一提的是，本发明用介质谐振器实现方向图可重构，这是一个比较新颖的方案，以前的方向图可重构天线的研究中，采用介质谐振器的方式是很少见的。此外，天线具有非常低的剖面(0.1λ0)，和以往为数不多的方向图可重构介质谐振器天线相比，本发明的剖面要低得多，这是非常有意义的，方便实际应用。
21.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
22.本发明提出了宽带和高增益方向图可重构介质谐振器天线。天线具有非常宽的阻抗带宽，并且在工作频带内两个端口很好地隔离。天线具有四种互补的辐射模式，分别为一个全向、两个倾斜和一个宽边辐射方向图，不同模式辐射效果很好，具有非常高的增益，3.6ghz不同模式的增益分别为5.41dbi、8.04dbi和7.68dbi，倾斜模式和宽边模式还具有非常高的前后比。难得的是，良好的辐射方向图也可以在宽频带范围内得到保持，这是以前的大多数方向图可重构天线所不具备的，而本发明真正实现了宽频带，更加具有使用价值和意义。总体来说，本发明所提出的宽带和高增益方向图可重构介质谐振器天线可以在3.4-3.8ghz频带内具有四种良好的辐射方向图，增加了覆盖范围和分集增益，并且具有低剖面，适合应用于wlan和车辆通信等复杂的5g通信场景。
附图说明
23.图1(a)是本发明提出的宽带和高增益方向图可重构介质谐振器天线的整体结构的剖视示意图；
24.图1(b)是本发明提出的宽带和高增益方向图可重构介质谐振器天线的整体结构的侧视示意图；
25.图2(a)是本发明中介质块的剖视示意图；
26.图2(b)是本发明中介质板的剖视示意图；
27.图2(c)是本发明中介质板底层结构的仰视示意图；
28.图3是本发明仿真的s参数曲线图；
29.图4(a)是本发明中两个端口同相激励时频率分别为3.4ghz、3.6ghz和3.8ghz时xz-平面的辐射方向图；
30.图4(b)是本发明中两个端口以90
°
相位差激励时频率分别为3.4ghz、3.6ghz和3.8ghz时xz-平面的辐射方向图；
31.图4(c)是本发明中两个端口以180
°
相位差激励时频率分别为3.4ghz、3.6ghz和3.8ghz时xz-平面的辐射方向图；
32.图中：1介质块；2介质块的空气通孔；3介质板；4金属地板；5介质板的空气通孔；6金属板；7空气腔；8sma连接器。
具体实施方式
33.下面结合说明书附图和技术方案，对本发明的具体实施方案作详细说明。
34.参见图1(a)宽带和高增益的方向图可重构介质谐振器天线的整体结构剖视图和
图1(b)侧视图，两侧带有凹槽的介质谐振器放置在介质基板上，两个sma连接器8由基板插入到介质谐振器中作为天线的两个激励端口。凹槽可以改善匹配效果，提高隔离度，还可以提高增益。凹槽的两侧各放置一个金属板6，它可以扩展带宽，提高隔离度。
35.参见图2(a)介质块的剖视示意图，介质谐振器为高介电常数的介质块1，介质块1长边的两侧带有凹槽，使介质块1成为“工”字形。介质块1的宽边中线上，长边方向分别靠近两侧凹槽的介质内设有两个和介质块1等高的介质块的空气通孔2。本实施例中，介质块1的介电常数为16.9，长为48mm，宽为35mm，凹槽沿长边方向深度为16mm，“工”字形由上到下三部分的高度分别为1mm、5.6mm和1.2mm。空气通孔2直径为1.2mm，两个空气通孔关于介质块的中心对称，他们圆心相距12.8mm。
36.参见图2(b)介质板的剖视示意图，介质基板为低介电常数的介质板3，介质板3的底层设有金属地板4。结合图1，介质块1放置在介质板3之上，他们中心重合，边平行。在介质板3上与介质块的空气通孔2圆心对应的位置设有两个介质板的空气通孔5。本实施例中，介质板3的介电常数为3.55，介质板的长边和介质块的宽边同侧，介质板长为94mm，宽为88mm，厚度为0.813mm。空气通孔直径1mm。
37.结合图1(a)、图1(b)和图2(b)，在介质块1有凹槽的两侧各放置一块金属板6，金属板6下端插入到介质板3留出的空气腔7中，上端在与介质块1等高处向介质块1的一侧弯折90
°
，并继续延伸一小段距离，最终与介质块1距离很近但不接触。本实施例中，金属板6长为36mm，厚度为1mm，弯折后延伸的长度为2.5mm，两个金属板垂直处外壁的距离是58mm。
38.结合图1(a)、图1(b)和图2(c)，两个sma连接器8插入到介质板的空气通孔5和介质块的空气通孔2中。在金属地板4上，与介质板的空气通孔5圆心对应的位置设有比sma连接器8内芯直径略大的圆孔，避免短路。本实施例中，sma连接器8的内芯直径为1mm，插入到介质块1中的高度为7.4mm。
39.参考图3为本发明提出的方向图可重构介质谐振器天线仿真的s参数曲线图，从图可看出此天线具有宽的阻抗带宽，为3.37-3.9ghz(14.7％)。同时，s12《-15的带宽为3.15-3.82ghz(～18.6％)。
40.参考图4(a)为天线两个端口同时激励时3.4ghz、3.6ghz和3.8ghz处的辐射方向图。由于大地板的作用，辐射方向图为蝴蝶形。3.6ghz时，最大增益方向在φ＝0
°
，θ＝
±
44
°
，增益为5.41dbi，θ＝
±
90
°
的增益为1.46dbi，仍然大于全向天线的增益。不仅是在中心频率，良好的方向图效果可以在宽频率范围内保持稳定。
41.参考图4(b)为天线两个端口以90
°
相位差激励时3.4ghz、3.6ghz和3.8ghz处的辐射方向图。3.6ghz时，最大增益方向在φ＝0
°
，θ＝31
°
，增益为8.04dbi，由图可见，天线具有非常低的后瓣。不仅是在中心频率，良好的方向图效果可以在宽频率范围内保持稳定。此外，由于两个端口以相位差为
±
90
°
激励的辐射图是关于z轴对称的，故只给出相位差为90
°
的仿真结果。
42.参考图4(c)为天线两个端口以180
°
相位差激励时3.4ghz、3.6ghz和3.8ghz处的辐射方向图。辐射朝z轴正方向，3.6ghz时，最大增益为7.68dbi，前后比为15.79db。不仅是在中心频率，良好的方向图效果可以在宽频率范围内保持稳定。
43.需要注意的是，本发明采用了大的地板，当两个端口同时同相激励时，得到的辐射方向图为全向的，类似于电偶极子的辐射模式，而大的地板可以将上述辐射模式向上反射，
从而变成准全向的，蝴蝶形的辐射模式。由于地板下方的辐射能量是浪费的，而总的能量是有限的，通过大的地板将向下辐射的能量反射到上半空间，可以提高能量的利用率。此外，由于金属板的存在，当地板变大时，最大增益的方向不会简单地向θ为小角度的方向增加，而是会受到金属板和介质谐振器所形成的电流的限制，将最大增益方向拉向θ为更大的角度，这避免了全向模式和倾斜模式的高增益覆盖范围大面积重叠的问题，使两种辐射模式的最大增益方向有所区别，实现更加有效的空间分集，同时，也保证了θ＝90
°
的增益依然大于全向天线的增益。
44.本发明的创新点分析如下：本发明的关键点在于实现了宽带和高增益的方向图可重构介质谐振器天线。天线具有非常低的剖面(0.1λ0)，阻抗带宽比较宽，具有四种互补的辐射方向图，并且方向图辐射良好具有高增益，良好的方向图效果可以在宽频率范围内保持稳定。保护点：
45.(1)介质谐振器两侧带有凹槽，但不限于空气凹槽，空气凹槽可以换成低介电常数的介质，也不限于凹槽形状，可以是其他不规则形状。
46.(2)金属板可以改善匹配，提高隔离度。而将金属板弯折可以降低剖面高度，如果不需要降低剖面高度，那么金属板可以不弯折。不限于金属板，也可以使用金属柱。
47.(3)本发明将地板尺寸变大可以使全向辐射模式变成蝴蝶形，而实际上，小的地板也可以实现方向图可重构。
48.(4)所发明的天线不限于使用底面覆铜的介质基板，也可以直接使用铜板。
49.(5)天线设计以3.4-3.8ghz频段为例，但不仅限于该频段，该设计技术可拓展到任意频段。
50.以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。