新型宽带圆极化阶梯介质谐振器天线及其设计方法技术

本发明专利技术涉及一种新型宽带圆极化阶梯介质谐振器天线及其设计方法，属于介质谐振器天线技术领域。本发明专利技术自下而上依次分为馈电条带、介质基板、开槽地板和阶梯形DR，馈电条带沿纵向铺设介质基板的背面，开槽地板为去除RP部分后保留的地板，沿开槽地板右侧边缘横向加工有槽缝，切角阶梯形DR包括位于地板上方的一阶DR、以及横跨槽缝的二阶DR，一阶DR的右上角设置有切割角度θ＝45

【技术实现步骤摘要】
新型宽带圆极化阶梯介质谐振器天线及其设计方法


[0001]本专利技术涉及一种新型宽带圆极化阶梯介质谐振器天线及其设计方法，属于介质谐振器天线


技术介绍

[0002]由于圆极化(Circularly Polarized，简称CP)天线受天线失调和传播效应的影响较小，抗干扰能力强，在通信、雷达、电子对抗和电子侦查以及广播电视等方面有着重要的应用。相比于微带贴片天线，介质谐振器天线(Dielectric Resonator Antenna，简称DRA)具有体积小、损耗低、馈电方式简单，形状多样等优点，自long首次提出DRA以来，一直受到广泛关注。基于DRA的优点，研究人员设计了多款CP DRA天线。Hon San Ngan等人将二阶DRA切去对角，获得了双频CP特性，其带宽分别5.2％(低频)和1.4％(高频)。Manzoor Elahi等人在二阶DRA的对角引入环形通孔，获得了5.5％的CP带宽。近期，Fakhte等人提出的阶梯形DRA，其CP带宽为22％；Son Trinh
‑
Van等人提出了一种探针馈电的DRA，获得了44.73％的CP带宽；Liang Lu提出了一种具有微带
‑
槽耦合馈电和阶梯形DRA，获得了71.1％的阻抗带宽和46％的CP带宽。
[0003]随着无线通信和雷达等系统的快速发展，对CP DRA的带宽提出越来越高的要求。目前，在确保CP DRA结构简单且CP稳定性的条件下如何尽可能提高CP带宽一直是CP DRA领域的研究热点。
专利技术内容
[0004]针对现有技术存在的上述缺陷，本专利技术提出了一种新型宽带圆极化阶梯介质谐振器天线及其设计方法,具有二阶DR(Dielectric Resonator,简称：DR)结构并采用微带
‑
槽耦合馈电方式，通过优化微带线和切角的位置、尺寸等参数，可明显改善圆极化带宽。
[0005]本专利技术所述的新型宽带圆极化阶梯介质谐振器天线，自下而上依次分为馈电条带、介质基板、开槽地板和阶梯形DR，馈电条带沿纵向铺设介质基板的背面，开槽地板为去除RP部分后保留的地板，沿开槽地板右侧边缘横向加工有槽缝，切角阶梯形DR包括位于地板上方的一阶DR、以及横跨槽缝的二阶DR，一阶DR的右上角设置有切割角度θ＝45
°
、切割长度为t的切角。
[0006]优选地，所述馈电条带的尺寸为W
f
×
L，距离开槽地板一侧边缘为d4，特性阻抗为Z0＝50Ω。
[0007]优选地，所述介质基板的尺寸为W
×
L，厚度为h
s
；相对介电常数为ε
r1
＝2.65，损耗角正切值为δ＝0.003。
[0008]优选地，所述开槽地板的尺寸为W
×
l
g
，RP部分的尺寸为W
×
(L
‑
l
g
)，槽缝的尺寸为W
s
×
l
s
。
[0009]优选地，所述阶梯形DR分为两部分，即：
[0010]一阶DR，上底尺寸为l
d1
‑
t，下底尺寸为l
d1
，宽度尺寸为w
d1
；
[0011]二阶DR，长边尺寸为l
d1
,短边尺寸为w
d2
；
[0012]一阶DR距离介质基板左侧边缘为d1，自RP部分边侧延伸至部分开槽地板处，二阶DR位于开槽地板的槽缝正上方，二阶DR与一阶DR沿纵向错开距离为d2。
[0013]优选地，所述一阶DR与二阶DR均由同一方形DR加工而来，阶梯形DR的长宽尺寸均为a。
[0014]本专利技术所述的新型宽带圆极化阶梯介质谐振器天线的设计方法，包括如下步骤：
[0015]S1：方形DR边长的计算：预先地板上设置有方形DR，在电磁场主模式的谐振频率、相对介电常数给定的情况下，通过介质波导模型的设计公式计算得到方形DR的边长a；
[0016]S2：等效阶梯形DR的获得：利用电介质模块和空气的加权平均相对介电常数公式，将方形DR初步调整为阶梯形DR；
[0017]S3：开槽切角阶梯形DR的获得：包括如下小步：
[0018]S31：沿阶梯形DR下方去除地板尺寸为L
‑
l
g
的部分，即：
[0019]地板尺寸为L、保留的开槽地板尺寸l
g
，RP部分尺寸为L
‑
l
g
；
[0020]S32：沿RP部分下缘向下d3处横向引入一个深度为Ws、宽度为ls的槽缝，以激发另一新的谐振频率；
[0021]S33：阶梯形DR以θ＝45
°
方向切角，切角尺寸为t，以获得更好的AR带宽；
[0022]S34：与馈电条带的特性阻抗相匹配，确定馈电条带的位置参数d4和宽度参数W
f
；
[0023]S4：宽带圆极化DRA的设计：运用HFSS整体仿真优化，调节天线各个参数，使得天线的阻抗带宽、轴比带宽、方向图、天线增益都满足要求指标，完成宽带圆极化DRA的设计。
[0024]优选地，所述S1中，DR的设计公式如下：
[0025][0026][0027][0028][0029]其中，a、b和d分别为方形DR的横截面沿着x轴、y轴和z轴方向的长度；
[0030]k
x
、k
y
和k
z
分别为方形DR内部区域沿x、y和z方向的波数；
[0031]k0为真空中的波数；
[0032]ε
r
为方形DR的相对介电常数。
[0033]优选地，所述S2中，电介质模块和空气的加权平均相对介电常数公式为：
[0034][0035]其中，V
dr
,V
air
和ε0分别为在阶梯形DR的体积、空气的体积与空气的相对介电常数；则：
[0036]w
d1
+w
d2
＝a
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0037]l
d1
+l
d2
‑
d2＝a
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)。
[0038]本专利技术所述设计方法的有益效果是：仿真分析表明，该天线S
11
<
‑
10dB的阻抗相对带宽为69.7％(3.91
‑
8.10GHz)，AR<3dB的轴比相对带宽为51.4％(3.87
‑
6.55GHz)，综合阻抗带宽和轴比带宽后，其有效带宽为50.4％(3.91
‑
6.55GHz)本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种新型宽带圆极化阶梯介质谐振器天线，自下而上依次分为馈电条带(1)、介质基板(2)、开槽地板(32)和切角阶梯形DR(4)，馈电条带(1)沿纵向铺设介质基板(2)的背面，开槽地板(32)为地板(3)去除(RP)部分(31)后保留的地板，其特征在于，沿开槽地板(32)右侧边缘横向加工有槽缝(33)，切角阶梯形DR(4)包括位于地板(3)上方的一阶DR(41)、以及横跨槽缝(33)的二阶DR(42)，一阶DR(41)的右上角设置有切割角度θ＝45
°
、切割长度为t的切角。2.根据权利要求1所述的新型宽带圆极化阶梯介质谐振器天线，其特征在于，所述馈电条带(1)的尺寸为W
f
×
L，距离开槽地板(32)一侧边缘为d4，特性阻抗为Z0＝50Ω。3.根据权利要求1或2所述的新型宽带圆极化阶梯介质谐振器天线，其特征在于，所述介质基板(2)的尺寸为W
×
L，厚度为h
s
；相对介电常数为ε
r1
＝2.65，损耗角正切值为δ＝0.003。4.根据权利要求3所述的新型宽带圆极化阶梯介质谐振器天线，其特征在于，所述开槽地板(32)的尺寸为W
×
l
g
，RP部分(31)的尺寸为W
×
(L
‑
l
g
)，槽缝(33)的尺寸为w
s
×
l
s
。5.根据权利要求4所述的新型宽带圆极化阶梯介质谐振器天线，其特征在于，所述切角阶梯形DR(4)分为两部分，即：一阶DR(41)，上底尺寸为l
d1
‑
t，下底尺寸为l
d1
，宽度尺寸为w
d1
；二阶DR(42)，长边尺寸为l
d1
,短边尺寸为w
d2
；一阶DR(41)距离介质基板(2)左侧边缘为d1，自RP部分(31)边侧延伸至部分开槽地板(32)处，二阶DR(42)位于开槽地板(32)的槽缝(33)正上方，二阶DR与一阶DR沿纵向错开距离为d2。6.根据权利要求5所述的新型宽带圆极化阶梯介质谐振器天线，其特征在于，所述一阶DR(41)与二阶DR(42)均由同一方形DR加工而来，切角阶梯形DR(4)的长宽尺寸均为a。7.一种根据权利要求1至6任意一项所述的新型宽带圆极化阶梯介质谐振器天线的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：方形DR边长的...

【专利技术属性】
技术研发人员：张现军，邱恒远，孙绍华，覃庆良，秦浩华，冯宇平，王明甲，游娜，
申请(专利权)人：青岛科技大学，
类型：发明
国别省市：