一种工作在谐振TExδ01模式下的介质谐振天线

摘要

一种工作在谐振TExδ01模式下的介质谐振天线，属于天线技术领域，其特征在于含有：矩形介质单元1、金属地4以及都沿着所述矩形长度方向两侧间的底部和所述金属地4之间垂直布置的T型馈电电极2和两个末端短路金属片31、32，其中：T型馈电电极2位于偏离所述矩形长度方向的垂直中心线处，两个末端短路金属片分别固定在所述矩形长度方向的两侧，其中第一个末端金属短路片31呈矩形，位于偏离T型馈电电极2处；第二个末端金属片呈T形，位于靠近T型馈电电极2处。本发明便于生产和安装。谐振TExδ01模式的电场在整个辐射口面上均匀分布，具有较高口径辐射效率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种包含两个末端金属短路片和T型馈电电极的矩形介质谐振天线，该天线工作在谐振模式TE^x_δ01下，具有较高的口径辐射效率。

背景技术

在过去，由于介质被看作绝缘体，无法应用于天线设计。但最近的研究表明：只要它们被恰当地激励，就可以实现高效辐射。在许多无线通信和传感应用中，介质天线正逐步取代传统的金属天线。介质天线拥有很多的优点，例如尺寸小、辐射效率高以及便于调节匹配。同频段内，介质天线尺寸仅是导体天线的对于常用的材料，介电常数一般在35-100之间，这就意味着介质天线尺寸将仅是类似传统天线的1/10-1/6。同时，介质天线使用介质辐射，减小金属损耗，可以实现高效率辐射。这一点对毫米波频段天线设计至关重要。

介质天线常见的基本结构有矩形、圆柱和半球形。矩形介质谐振天线与其它形状相比有更多的优势。例如，长宽高三个尺寸提供两个自由度，比圆柱多一个，比半球多两个，使其成为变化最多样的基本结构。同时在实际操作中，矩形结构也最容易加工、组装。因此，我们选择矩形介质谐振天线作为研究对象。

在介质谐振天线中可以激励出许多不同模式，产生不同的天线特性和辐射方向图。根据金属波导、金属谐振腔的相关知识，分析矩形介质天线的谐振模式。由分析结果可知：置于地板上的矩形介质谐振天线可以支持TE^x，TE^y或TE^z模式，辐射方向图类似x-，y-和z-方向的磁偶极子。目前，矩形谐振天线的最低模式分别是TE^x_δ11，TE^y_δ11和TE^z_11δ。若同时激励两个或更多的模式，可以使工作频带进一步展宽。因此，如何激励并有效利用其它天线模式，使其具有更加优良的特性是介质谐振天线研究的重要问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种工作在谐振模式TE^x_δ01下的介质谐振天线的结构设计。该天线包括由陶瓷粉末烧结的矩形介质单元，两个末端金属短路片，T型馈电电极以及金属地。采用新型的介质谐振单元，激励起TE^x_δ01模式。这是该模式首次应用于天线设计。

本发明的特征在于，含有矩形介质单元1、金属地4以及都沿着所述矩形长度方向两侧间的底部和所述金属地4之间垂直固定布置的两个末端金属短路片31、32和T型馈电电极2，其中：

矩形介质单元1，是所述介质谐振天线的主辐射单元；

T型馈电电极2，位于偏离所述矩形长度方向的垂直中心线处；

两个末端金属短路片31、32，其中第一末端金属短路片31位于偏离所述T型馈电电极2处，第二末端金属短路片32位于靠近所述T型馈电电极2处。

所述的一种工作在谐振模式TE^x_δ01下的介质谐振天线，其特征在于：所述矩形介质单元1由陶瓷粉末烧结制成。

所述的一种工作在谐振模式TE^x_δ01下的介质谐振天线，其特征在于：所述第一个末端金属短路片31呈矩形，第二个末端金属短路片32呈T形，T型水平分支的厚度与所述矩形介质单元1的厚度相同。

根据本发明的一种工作在谐振模式TE^x_δ01下的在介质谐振天线，介质单元采用矩形结构，设计灵活且便于生产组装。同时，在所述介质谐振天线中有效激励起TE^x_δ01模式，该模式电场在整个辐射口面上均匀分布，使所述介质谐振天线具有较高口径辐射效率。

附图说明

图1为本发明提供的一种工作在谐振模式TE^x_δ01下的介质谐振天线三维图，矩形部分是介质单元，其它部分是金属。

图2为图1的A向视图。

图3为图1的B向视图。

图4为图1的C向视图。

图5为图1的D向视图。

图6为图1的A向视图结构的实施实例尺寸图，单位均为毫米(mm)。

图7为图1的B向视图结构的实施实例尺寸图，单位均为毫米(mm)。

图8为图1的C向视图结构的实施实例尺寸图，单位均为毫米(mm)。

图9为图1的D向视图结构的实施实例尺寸图，单位均为毫米(mm)。

图10为图6-图9的实施实例介质谐振天线的电场分布图，箭头表示电场方向，线条的粗细表示电场强度。

图11为图6-图9的实施实例介质谐振天线的回波损耗(S11)图线：仿真S11；实测S11

图12为图6-图9的实施实例的介质谐振天线工作在3.5GHz时的E面归一化方向图：共面极化仿真结果；共面极化实测结果；交叉极化仿真结果；交叉极化实测结果。

图13为图6-图9的实施实例的介质谐振天线工作在3.5GHz时的H面归一化方向图：共面极化仿真结果；共面极化实测结果；交叉极化仿真结果；交叉极化实测结果。

具体实施方式

本发明的目的是提供一种工作在谐振模式TE^x_δ01下的介质谐振天线，具体实施方案包括：

矩形介质单元1，由陶瓷粉末烧结制成，作为天线的主辐射单元；

T型馈电电极2偏离介质单元长度方向的垂直中心线处放置，以便提供合适的阻抗匹配；

两个末端金属短路片31、32，置于所述介质单元1的两个末端，连接介质单元1和金属地4作为介质单元的支撑结构，使介质单元与金属地之间保持一定的距离；

金属地4；

本发明的技术方案是这样实现的：采用偏离介质单元1长度方向垂直中心线放置的T型馈电电极2，向介质单元1馈电。同时，在介质单元1的两个末端端面分别添加金属短路片31、32与金属地4相连。金属短路片31、32的加入，使得矩形介质单元1可以工作在谐振TE^x_δ01模式。所述介质谐振天线的电场分布如图10所示：电场沿x轴似均匀分布；沿y轴均匀分布；在z轴方向随着高度的减小，电场强度减小，到达金属地4时水平电场消失。在满足边界约束条件的情况下，电场分布构成谐振TE^x_δ01模式。同时，所述介质谐振天线的工作频率仅由介质单元1的高度以及与金属地4的距离共同决定，与介质单元1的长度与宽度无关。

以图6-图9所示尺寸制作的介质谐振天线的回波损耗(S11)仿真与实测结果如图11所示。测量的阻抗带宽(S11≤-10dB)为3.465GHz到3.550GHz，中心频率3.505GHz；仿真结果的中心谐振频率为3.5GHz，带宽85MHz。仿真结果与实测结果吻合良好。

以图6-图9所示尺寸制作的介质谐振天线的归一化方向图如图12和13所示。E面归一化方向图如图12所示，测量的交叉极化隔离度大于20dB，验证了电场主要沿y轴分布；H面归一化方向图如图13所示，在主辐射方向上，测量的交叉极化隔离度约20dB。仿真与实测的方向图吻合良好，说明谐振TE^x_δ01模式已经在所设计的结构中实现。

电场在天线的主辐射口径xoy平面上均匀分布。因此，天线可以提供较高的口径辐射效率。仿真的增益最大值出现在θ＝0°点处为5.72dB。