一种X波段宽频带圆极化金属加载介质谐振器天线的制作方法

一种x波段宽频带圆极化金属加载介质谐振器天线
技术领域
1.本发明涉及天线设备技术领域，特别是指一种x波段宽频带圆极化金属加载介质谐振器天线。


背景技术：

2.近年来，圆极化天线在电子侦察、干扰、通信、雷达等领域得到广泛应用。对于介质谐振器天线来说，圆极化已成为现阶段的研究热点之一。介质谐振器天线产生圆极化辐射波的关键是产生极化方向正交、幅度相等、相位相差90
°
的两个线极化波。基于圆极化的产生机理，目前传统单馈电圆极化的优点是馈电方式灵活、结构简单、无需复杂的馈电网络，缺点是轴比带宽较窄(通常在10％以内)、方向图对称性较差；然而随着集成电路的高速发展，圆极化天线也需要向小型化、地剖面、宽频带方向发展，因此，迫切需要研究一种宽频带圆极化介质谐振器天线。


技术实现要素：

3.本发明提出一种x波段宽频带圆极化金属加载介质谐振器天线，解决了现有技术中传统单馈电圆极化轴比带宽较窄、方向图对称性差的问题。
4.本发明的技术方案是这样实现的：
5.一种x波段宽频带圆极化金属加载介质谐振器天线，包括：第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板、介质谐振器和加载金属片，所述第一介质基板的上方覆盖有金属层并在中心部位开设有十字缝隙，所述第一介质基板的下方设有螺旋微带线；所述第二介质基板为中空结构，其上方设有第一环形金属覆层；所述第三介质基板为方形结构，其上方设有第二环形金属覆层；所述第三介质基板镶嵌于所述第二介质基板的中心部位；所述介质谐振器为矩形结构，其与所述第三介质基板粘接；所述加载金属片嵌套于所述介质谐振器的外侧。
6.作为优选，所述第一介质基板的外部尺寸为30*30mm，所述第二介质基板的外部尺寸为30*30mm、内部尺寸为7*7mm，所述第三介质基板的外部尺寸为7*7mm，所述介质谐振器的尺寸为7*7*6.5mm，所述加载金属片的外形尺寸为14.7*14.7mm；所述螺旋微带线的宽度为1.57mm，长度为8.5mm；所述十字缝隙的长度为12mm、宽度为0.5mm；所述第一环形金属覆层的外部尺寸为10*10mm、内部尺寸为7*7mm；所述第二环形金属覆层的外部尺寸为7*7mm、内部尺寸为6*6mm。
7.作为优选，所述第一介质基板的相对介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009；所述第二介质基板的材质为rogers rt/duroid 5880，所述第三介质基板的材质为rogers tmm 10i；所述介质谐振器的材质为rogers tmm 10i、工作于te
1δ1
模上；所述金属层、所述第一环形金属覆层、所述第二环形金属覆层的材质均为铁，所述加载金属片的材质也为铁。
8.本发明的工作原理如下：
9.第二介质基板2和第三介质基板3共同组成金属覆层混合介质基板，加载金属片5
嵌套于介质谐振器4外侧，与上述金属覆层混合介质基板之间采用空气层隔离，具有一定的引向作用，对天线波束的宽度调节有明显效果，且不影响天线的阻抗匹配效果，能够提高天线增益指标，同时对轴比带宽影响较小；另外，采用方形螺旋微带线加十字缝隙耦合馈电结构，利用传输线的相位延迟特性，在螺旋微带线6与十字缝隙7枝节交汇处得到幅度近似相等、相位顺次差90
°
的激励信号，再通过十字缝隙7将能量耦合到介质块中，在不同的输入相位情况下激励起两个极化正交的模式，进而实现圆极化特性。
10.上述金属覆层混合介质基板设置于介质谐振器4与第一介质基板1之间，能够增加电磁波的束缚能力，更加集中地反馈至介质谐振器4，有效拓宽天线的3db轴比带宽。介质谐振器4设于混合介质基板上方几何中心处，四边均与十字缝隙7垂直，介质谐振器4在激励信号相位输入相差90
°
时，分别工作在te
1δ1
模或te
δ11
模(介质块顶端为正方形，两种模式谐振频率相同)。
11.本发明的有益效果为：
12.通过十字缝隙耦合馈电方式能够获得较好的阻抗带宽，通过加载金属片可显著拓宽轴比带宽，同时提高天线增益。将无加载时的约14％轴比带宽提高至约23％，效果极为明显，具有很高的工程实际意义。另外，该天线具有低剖面、高阻抗带宽、高轴比带宽、较高的天线增益，工作频段内圆极化方向具有良好的稳定性和对称性。
附图说明
13.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
14.图1为本发明所述x波段宽频带圆极化金属加载介质谐振器天线的整体结构示意图；
15.图2为图1的俯视图；
16.图3为图1中微带馈电介质基板的结构示意图；
17.图4为图1中单面金属覆层中空介质基板和单面金属覆层介质基板的组合结构示意图；
18.图5为图1中矩形介质谐振器和加载金属片的组合结构示意图；
19.图6为本发明的反射系数图；
20.图7为本发明的增益图；
21.图8为本发明的轴比图；
22.图9为本发明不同输入相位时螺旋微带线表面的电流分布图；
23.图10为本发明不同输入相位时介质谐振器表面的电场分布图；
24.图11为本发明在8.5ghz的增益方向图；
25.图12为本发明在9.0ghz的增益方向图；
26.图13为本发明在9.5ghz的增益方向图；
27.图14为本发明在10.0ghz的增益方向图；
28.图15为本发明在10.4ghz的增益方向图；
29.图中：
30.1、第一介质基板，2、第二介质基板，3、第三介质基板，4、介质谐振器，5、加载金属片，6、螺旋微带线，7、十字缝隙，8、第一环形金属覆层，9、第二环形金属覆层。
具体实施方式
31.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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
32.实施例
33.如图1
‑
图5所示的实施例可知，本发明所述的一种x波段宽频带圆极化金属加载介质谐振器天线，包括：第一介质基板1、第二介质基板2、第三介质基板3、介质谐振器4和加载金属片5，第一介质基板1的上方覆盖有金属层并在中心部位开设有十字缝隙7，第一介质基板1的下方设有螺旋微带线6；第二介质基板2为中空结构，其上方设有第一环形金属覆层8；第三介质基板3为方形结构，其上方设有第二环形金属覆层9；第三介质基板3镶嵌于第二介质基板2的中心部位；介质谐振器4为矩形结构，其与第三介质基板3粘接；加载金属片5嵌套于介质谐振器4的外侧。
34.上述第一介质基板1的外部尺寸为30*30mm，第二介质基板2的外部尺寸为30*30mm、内部尺寸为7*7mm，第三介质基板3的外部尺寸为7*7mm，介质谐振器4的尺寸为7*7*6.5mm，加载金属片5的外形尺寸为14.7*14.7mm；螺旋微带线6的宽度为1.57mm，长度为8.5mm；十字缝隙7的长度为12mm、宽度为0.5mm；第一环形金属覆层8的外部尺寸为10*10mm、内部尺寸为7*7mm；第二环形金属覆层9的外部尺寸为7*7mm、内部尺寸为6*6mm。
35.上述第一介质基板1的相对介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009；第二介质基板2的材质为rogers rt/duroid 5880，第三介质基板3的材质为rogers tmm10i；介质谐振器4的材质为rogers tmm 10i、工作于te
1δ1
模上；所述金属层、第一环形金属覆层、第二环形金属覆层的材质均为铁，加载金属片5的材质也为铁。
36.下面结合仿真试验结果对本发明的性能做详细描述：
37.如图6所示，为本实施例的反射系数仿真结果，天线阻抗带宽(反射系数s11<
‑
10db)范围为8.1
‑
12ghz，相对带宽优于40％，天线具有较宽的阻抗带宽。此外，该图给出了无加载金属片或无第一环形金属覆层和第二环形金属覆层的对比结果，可知第一环形金属覆层和第二环形金属覆层对阻抗带宽影响较大，尤其是低频，而加载金属片对阻抗带宽影响较小。
38.图7为本实施例的增益仿真结果，由图可知，天线右旋圆极化(rhcp)增益在7.0dbi
‑
8.3dbi之间，属于高增益天线范畴。此外，该图给出了无加载金属片或无第一环形金属覆层和第二环形金属覆层的对比结果，可知加载金属片和两个环形金属覆层对天线增益的改善均有效果，尤其是加载金属片对天线增益的提高作用较大，8.5ghz
‑
10ghz范围内增益提高1.5dbi—2.0dbi。
39.图8为本实施例的轴比仿真结果，由图可知，天线圆极化轴比带宽(ar<3db)范围为8.15
‑
10.4ghz，相对带宽约为23.5％，天线具有较宽的轴比带宽。此外，该图给出了无加载
金属片或无第一环形金属覆层和第二环形金属覆层的对比结果，可知加载金属片和两个环形金属覆层对轴比带宽的改善均有一定影响，两个环形金属覆层可拓宽天线的轴比带宽，而加载金属片可在带宽内普降天线轴比，进而优化3db轴比带宽。
40.图9为本实施例的螺旋微带线6表面电流分布仿真结果，由图可知，沿螺旋微带线6的电流分布近似为一个周期，在十字缝隙7与螺旋微带线6的耦合点处所得的场相位顺次差近似为90
°
，且又因圆极化对幅度敏感度小于对相位的敏感度，因此该种馈电方法能够获得较好的圆极化辐射条件，也验证了前述采用传输线理论设计螺旋微带线的正确性。
41.图10为本实施例在9ghz、10ghz时介质谐振器xoz面和yoz面表面电场分布结果，由图可知，在天线输入相位为0
°
(参考相位)时介质谐振器谐振于te
δ11
模，90
°
(相对于参考相位)时谐振于te
1δ1
模，进而获得圆极化辐射特性，并与前述介质谐振器主导模式频率较吻合。
42.图11
‑
图15分别为本实施例天线在8.5ghz、9.0ghz、9.5ghz、10.0ghz、10.4ghz的增益方向图仿真结果，由图可知，天线主极化为右旋圆极化，在整个轴比带宽内，天线辐射方向图具有良好的稳定性和对称性，随着频率升高，天线增益增大，波速宽度有所收窄。
43.从上述结果可以看出，该天线具有宽阻抗、宽轴比、方向图稳定及对称等特性，符合宽带圆极化天线的特征，具有很强的实用性。
44.本发明提出的宽带圆极化介质谐振器天线的设计方法，不仅适用于x波段，仍可通过各细部尺寸优化延展至其他频段，进而实现工程所需频段宽带圆极化介质谐振器天线的快速设计。
45.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。