介质谐振天线的制作方法

1.本实用新型涉及通信技术领域，更具体地，涉及一种介质谐振天线。


背景技术：

2.随着无线通信技术的快速发展，个人通信、无线局域网等系统对无线终端设备的便携性提出了更高的要求。天线作为系统终端必不可少的组成部分，被赋予了多频带、多功能的性能重任。当各种多媒体业务进入无线通信系统时，移动终端设备上可以容纳天线的空间将越来越有限。这也对天线的小型化、宽频带、效率高、低损耗等性能提出了更高的要求，虽然各种各样的微带天线因其低剖面、轻质量、加工方便等优点，已经得到了深入的研究和广泛的应用，但由于在高频段金属欧姆损耗高和在低频段天线几何尺寸大、小型化难度大、天线效率低，功率容量小，这两个关键性技术瓶颈的存在，其发展和应用受到了一定的限制。
3.介质谐振器天线由于其有小体积、有较宽的带宽、作为立体结构有更多的设计自由度等优点成为研究热点被广泛研究。目前，传统垂直极化的介质谐振全向天线主要通过采用圆柱形或球形高介电常数介质，在其底部中心的同轴探针激励起其tm01模式，介质为其辐射主体，但是这种方式的仅能满足较窄的带宽(约15％)辐射性能。而且现有的馈电结构式和堆叠结构式介质谐振器天线获得的中心频点的相对带宽依然最高只能达到30％左右，其应用性不高。


技术实现要素：

4.为了解决上述现有技术存在的问题，本实用新型提供一种介质谐振天线，旨在解决现有技术中，介质谐振天线获得的中心频点的相对带宽过低，导致应用性不高的问题。
5.本实用新型提供了一种介质谐振天线，包括：
6.基板，具有相对的第一表面和第二表面，所述第一表面上贴设有金属层；
7.介质谐振单元，位于所述基板的所述第二表面上，所述介质谐振单元内开设有第一容纳槽，所述第一容纳槽的开口朝向所述第二表面；
8.探针，所述探针依次穿过所述基板和所述第一容纳槽，并与所述介质谐振单元抵接，以向所述介质谐振单元馈电；
9.环带贴片，印制于所述基板的所述第二表面上，增加谐振频段；以及
10.寄生金属环，位于所述第二表面上方，并与所述介质谐振单元贴合，控制所述介质谐振单元内的电场分布。
11.可选地，所述介质谐振单元包括依次堆叠在所述基板上的第一介质柱、第二介质柱和第三介质柱，所述探针通过探针孔抵接在所述第一介质柱的内部。
12.可选地，所述介质谐振单元内还开设有第二容纳槽，所述第一容纳槽位于所述第一介质柱上，所述第二容纳槽位于所述第三介质柱上，且所述第二容纳槽的开口背离所述第二表面。
13.可选地，所述第一介质柱、所述第二介质柱和所述第三介质柱均为圆柱，且所述第一介质柱、所述第二介质柱和所述第三介质柱的各自高度均不完全相同，所述第一介质柱、所述第二介质柱和所述第三介质柱的各自直径均不完全相同。
14.可选地，所述寄生金属环为环形，位于所述第三介质柱朝向所述基板的一侧的表面上。
15.可选地，所述寄生金属环的外圆直径不大于所述第三介质柱的直径，所述寄生金属环的内圆直径大于所述第二介质柱的直径。
16.可选地，所述环带贴片包括依次从所述基板的中心向边缘扩散的等间隙排列的第一环带、第二环带和第三环带。
17.可选地，所述第三环带内沿圆周方向分布有多个接地金属化通孔。
18.可选地，所述探针外围套设有凸起，所述凸起呈倒圆台状，所述凸起位于所述第一容纳槽内。
19.可选地，所述基板为圆形结构，所述基板、所述金属环、所述环带贴片、所述介质谐振单元、所述凸起以及所述探针同轴设置，所述探针依次穿过所述基板、所述环带贴片、所述第一容纳槽、所述凸起和所述第一介质柱的中心。
20.本实用新型的有益效果是：
21.本实用新型所提供的介质谐振天线在基板的表面上印制环带贴片，并将介质谐振单元装设在基板上，且在介质谐振单元外部设置了寄生金属环，再使探针穿过基板并与介质谐振单元抵接，以向介质谐振单元馈电。从而通过介质谐振单元底部的探针激励起较宽的谐振模式，实现两种谐振模式的全向垂直极化波辐射；同时引入寄生金属环改变介质谐振的电场分布，从而增加天线的谐振公作带宽；而且，在基板表面上印制环带贴片，增加额外的谐振频段；使得天线的工作带宽达到67％左右，实现较宽频带的辐射性能，实现了使介质谐振天线同时皆备小体积和宽频带、高增益的技术效果。
附图说明
22.通过以下参照附图对本实用新型实施例的描述，本实用新型的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。
23.图1示出了根据本实用新型实施例的介质谐振天线的截面视图；
24.图2示出了根据本实用新型实施例的介质谐振天线的斜视图；
25.图3示出了根据本实用新型实施例的介质谐振天线中环带贴片的结构示意图；
26.图4示出了根据本实用新型实施例的介质谐振天线中探针的结构示意图；
27.图5示出了根据本实用新型实施例的介质谐振天线的仿真回波损耗图；
28.图6示出了根据本实用新型实施例的介质谐振天线在2ghz时的e面的辐射方向图；
29.图7示出了根据本实用新型实施例的介质谐振天线在3ghz时的e面的辐射方向图；
30.图8示出了根据本实用新型实施例的介质谐振天线在4ghz时的e面的辐射方向图。
具体实施方式
31.以下将参照附图更详细地描述本实用新型。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，在图中可能
未示出某些公知的部分。
32.在下文中描述了本实用新型的许多特定的细节，例如器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本实用新型。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本实用新型。下面通过附图具体描述本实用新型的实施例。
33.为解决现有技术的问题，实现天线的小型化和宽频带，本实用新型提供了一种介质谐振天线(dielectric resonator antenna，dra)，它是在金属接地板上放置介质谐振器构成的，谐振器的形状多样，可以设计组合成各种形状。在相同频率下，相对介电常数越大，介质尺寸越小，因而可以灵活调整天线尺寸，实现天线的小型化设计。同时，多元化的馈电方式和可变的介质外形使其较容易通过优化改进实现宽频带的辐射特性。以下结合附图具体介绍本实用新型的介质谐振天线。
34.图1示出了根据本实用新型实施例的介质谐振天线的截面视图；图2示出了根据本实用新型实施例的介质谐振天线的斜视图。
35.如图1和图2所示，本实用新型实施例的介质谐振天线100包括：基板10、介质谐振单元20、探针30、环带贴片40和寄生金属环50。基板10具有相对的第一表面101和第二表面102，第一表面101上贴设有金属层(图中未示出)，金属层例如为铜，金属层作为接地板；介质谐振单元20位于基板10的第二表面102上，且介质谐振单元20内开设有第一容纳槽2011，第一容纳槽2011的开口朝向基板10的第二表面102；探针30依次穿过基板10和第一容纳槽2011，并与介质谐振单元20抵接，以向介质谐振单元20馈电；环带贴片50印制于基板10的第二表面102上，用于增加谐振频段；寄生金属环40位于第二表面102上方，与介质谐振单元20贴合，用于控制介质谐振单元20内的电场分布。本实施例中，介质谐振天线100的基板10为底部覆铜印制板，例如pcb板，第一表面101上的接地板用于实现介质谐振天线100的接地，在一可选实施例中，接地板完全覆盖第一表面101。介质谐振单元20为多层介质圆柱，探针30为同轴探针，即探针30的中心轴线与多层介质圆柱的中心轴线相同。其中，介质谐振单元20分为上、中、下三段，三段的直径互不相同。
36.介质谐振单元20包括依次堆叠在基板10上的第一介质柱201、第二介质柱202和第三介质柱203，探针30通过探针孔抵接在介质谐振单元20的第一介质柱302的内部。探针孔是在第一介质柱201的内部中心处开设的孔洞，用于和探针30匹配，图中并未标记。第一介质柱201、第二介质柱202和第三介质柱203均为圆柱，且第一介质柱201、第二介质柱202和第三介质柱203的各自高度均不完全相同，第一介质柱201、第二介质柱202和第三介质柱203的各自直径均不完全相同。介质谐振单元20内还开设有第二容纳槽2031，第一容纳槽2011位于第一介质柱201上，第二容纳槽2031位于第三介质柱203上，且第二容纳槽2031的开口背离基板10的第二表面102，即位于上端的介质圆柱顶部被局部挖空，位于下端的介质圆柱底部被局部挖空。
37.同轴探针30底部有一倒圆台状的凸起301，用于阻抗匹配；环带贴片50也称环带微带贴片，环带贴片50印制于基板10的第二表面102上，包含三个等间隙同心圆环，外环内部四周分布四个接地金属化通孔504。
38.寄生金属环40放置于上端介质圆柱的下表面，即，寄生金属环40为环形，位于第三介质柱203朝向基板10的一侧的表面上。且寄生金属环40的外圆直径不大于第三介质柱203
的直径，寄生金属环40的内圆直径大于第二介质柱202的直径。寄生金属环40例如为铜或铝，以金属环的方式嵌入到介质谐振单元20周围，且金属环为闭环结构并与介质谐振单元20同轴设置。该寄生金属环40的存在用于改变天线的电场分布，从而增加带宽。基板10对寄生金属环40和第一表面101上的接地板起到隔离作用，避免接地板对寄生金属环40的阻抗匹配产生影响。图2中为示出寄生金属环40和环带贴片50的结构，所以没有完全示出介质谐振单元20的完整结构。
39.本实施例中，信号从探针30处传入，由介质谐振天线100进行辐射，介质谐振天线100产生谐振，向外辐射无线信号。介质谐振单元20本身产生的无线信号分为低次模以及高次模，低次模的频率较低，高次模的频率较高。寄生金属环40为频率变化提供了边界条件，使得整个介质谐振器天线具有较宽的工作带宽。寄生金属环40位于介质谐振单元20与基板10之间，不会增加介质谐振天线100的体积，在拓宽了介质谐振天线100的工作频带的同时能够在存留原来的小体积优势，结构简单，可以应用于多种场合。
40.本实用新型的介质谐振天线100主要通过介质谐振单元20底部中心的同轴探针30激励起较宽的谐振模式，同时调整同轴探针30的长度使其谐振辐射频段靠近介质谐振频段，从而拓宽整个天线工作频段；寄生金属环40的存在用于改变介质谐振的电场分布，从而增加天线的谐振带宽；环带贴片50印制于基板10上，通过同轴探针30辐射场的激励，可增加额外的谐振频段；上述措施的引入，使得该介质谐振天线的工作频段达到67％左右，实现的较宽频带的辐射性能。
41.图3示出了根据本实用新型实施例的介质谐振天线中环带贴片的结构示意图；图4示出了根据本实用新型实施例的介质谐振天线中探针的结构示意图。
42.结合图2和图3，环带贴片50包括依次从基板10的中心向边缘扩散的等间隙排列的第一环带501、第二环带502和第三环带503。第三环带503内沿圆周方向分布有多个接地金属化通孔504。第一环带501、第二环带502和第三环带503例如为相同材质和厚度的金属环。接地金属化通孔504用于使天线接地，例如分布在第三环带503靠近外围处，其个数不做限定，图3中给出4个为举例。环带贴片50的存在为天线增加了额外的谐振频段，从而进一步拓宽天线的工作带宽。
43.如图4所示，探针30外围套设有凸起301，凸起301呈倒圆台状，凸起301位于第一容纳槽2011内。凸起301用于阻抗匹配，使得各频率段的阻抗变化小，具有良好的阻抗匹配，进而能够合频使得整个介质谐振器天线具有较宽的工作带宽。基板10例如为圆形结构，中心开设有通孔，供探针30穿过。进一步地，基板10、寄生金属环40、环带贴片50、介质谐振单元20、凸起301以及探针30同轴设置，探针30依次穿过基板10、环带贴片50、第一容纳槽2011、凸起301和第一介质柱201的中心。探针30的一端与介质谐振单元20抵接，向介质谐振单元20馈电，为介质谐振单元20提供激励，探针30的另一端暴露在基板10外部，用于连接信号源。同轴设置使得探针30和介质谐振单元20以及寄生金属环40和环带贴片50的频率相互配合，从而使整个天线具有较宽的频带。
44.本实用新型的介质谐振天线100可用于无线通信系统等领域，作为其高效率、宽频带、小型化天线辐射器。通过多层结构的介质谐振单元20、环带贴片50、寄生金属环40共同作用，该介质谐振天线100能够在足够宽(约67％)的频带工作，工作频带相较于传统dra天线有了较大提升，同时实现小型化和宽频带。
45.图5示出了根据本实用新型实施例的介质谐振天线的仿真回波损耗图；图6示出了根据本实用新型实施例的介质谐振天线在2ghz时的e面的辐射方向图；图7示出了根据本实用新型实施例的介质谐振天线在3ghz时的e面的辐射方向图；图8示出了根据本实用新型实施例的介质谐振天线在4ghz时的e面的辐射方向图。
46.实用新型人选择本实用新型实施例所提供的上述介质谐振天线进行了性能测试，图6到图8所示依次为天线在2ghz、3ghz和4ghz三个不同频点处的e面方向图。并且，图6到图8中，实线所标示的封闭曲线表示交叉极化曲线。从图5中的结果可以看出，该天线具有较宽的阻抗匹配阻抗带宽，并且，天线整个频段范围内(例如从2.02hz
‑
3.99hz)回波损耗小于
‑
10db，满足工程使用要求。从图6
‑
图8中的结果可以看出，工作波段天线增益最高为2.51dbi，天线方位面方向图增益波动低于0.3db，该天线在整个工作频带具内有极好的全向辐射特性，且交叉极化水平很低。
47.因而，本实用新型实施例的介质谐振天线在传统dra天线尺寸布局情况下，将传统的单模辐射的介质谐振天线改为宽带介质谐振模式、同轴探针谐振模式和环带微带贴片谐振模式。与此同时，通过调节各参数使得天线的各个模式谐振频段靠近从而实现宽频带的工作。使得介质谐振天线在尺寸较小的情况下就可以具备宽频带和高增益的特点，节省安装空间，在用于地面通信和飞行器通信时可与载体平台共形。
48.在一实施例中，介质谐振天线100还包括壳体(图中未标示)，基板10、探针30、介质谐振单元20、环带贴片50以及寄生金属环40均装设在壳体内，壳体对装设在其空腔内的各个装置具有保护作用，如，防灰尘或虫蚁。
49.传统介质谐振天线理论设计中，提升天线的工作带宽主要通过改变介质形状和增加介质层数来实现，但其工作带宽的提升仍不能达到某些特殊场景的要求。但本实用新型实施例的介质谐振天线利用同轴探针激励多层介质圆柱，实现两种谐振模式的全向垂直极化波辐射；同时，寄生金属环的增加引入理想导体边界条件，使得介质内的电场分布发生变化，从而拓展的天线的谐振工作带宽；最后，在底部印制板上层印制环带微带贴片，从而激发新的辐射模式使得发明天线能够在足够宽(约67％)的频带工作，相较于传统dra天线有了较大提升。
50.应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
51.此外，在以上描述中，诸如中心、前部、背部、后部、左边、右边、顶部、底部、上部、下部、横向、纵向等方位用词和诸如厚度、高度、长度等丈量用词是相对于各附图中所示的构造进行定义的，它们是相对的概念，因此有可能会根据其所处位置和使用状态进行相应变化，所以，不应当将这些用语解释为限制性用语。而涉及连接的术语是指这些结构通过中间结构彼此直接或间接固定或附接的关系、以及可动或刚性附接或关系，除非以其他方式进行明确说明。
52.依照本实用新型的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该实用新型仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本实用新型的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本实用新型以及在本实用新型基础上的修改使用。本实用新型仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。