[发明专利]具有各向异性特性的宽带低剖面介质贴片天线

说明书

本发明具有各向异性特性的宽带低剖面介质贴片天线，包括自下而上依次层叠设置的下介质基板、金属反射地板、上介质基板和介质贴片，下介质基板的下表面设有用于耦合馈电的微带馈线，金属反射地板的垂直中分面上具有一缝隙，微带馈线在金属反射地板上的投影与该缝隙垂直相交，介质贴片的具有两对相对于介质贴片的中心线对称布置的内壁印刷金属的槽，槽的开口方向与微带馈线垂直。本发明首先利用介质贴片谐振器的各向异性特性提高天线的增益，并且介质贴片和上介质基板的介电常数的差值越大，天线的增益越高。接着充分利用介质贴片的多模特性，通过引入敷银槽来使高次模TM₁₂₁模式接近TM₁₀₁模式，由此拓展天线的带宽。

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及具有各向异性特性的宽带低剖面介质贴片天线。

背景技术

金属贴片天线和介质谐振器天线是两种著名的被广泛运用在现代无线通信中的天线。金属贴片天线有许多比介质谐振器天线好的优点，例如低剖面和高增益，并且已经发展了许多拓展工作带宽的技术来克服它带宽窄的重要缺点，因为宽带天线能够覆盖更多的通信频段，来代替多个窄带天线。这不仅可以提高无线通信系统的效率，而且也减少了天线数量、加工成本和天线之间较严重的耦合效应。但是，由于低频逐渐拥挤，射频前端的频率持续上升，甚至到达了毫米波频段。贴片天线的导体损耗变得严重，导致辐射效率的降低。这时，介质谐振器天线接近零的导体损耗变得很受欢迎。

为了满足宽带通信的需求，在过去提出了很多方法来设计宽带介质谐振器天线。一个方法是，通过特殊形状的介质谐振器来合并多个模式，例如阶梯型、E型和高长高比型。另一种方法是使用各种类型的混合馈电结构来增加耦合或者引入新的谐振，例如L型微带线、环型槽和CPW馈电结构。但是，值得注意的是，上述设计都是高剖面设计。为了解决这个问题，提出了一个准平面圆形介质贴片天线。它有着类似金属贴片天线的特性。由于类似腔模的模式存在，它的增益比传统介质谐振器天线的增益高了0.5-1dBi。随后，这个设计概念被用来设计一款为未来5G通信服务的工作在28GHz的天线和阵列上，展现了比传统金属贴片天线更宽的带宽和更高的辐射效率。但是，到目前为止，还没有针对介质贴片天线的理论分析。此外，在微波频段工作的介质贴片天线的带宽大约只有1％，这将成为大规模应用的阻碍。

发明内容

本发明的目的在于：克服上述现有技术的缺陷，提出一种具有各向异性特性的宽带低剖面介质贴片天线，一是利用介质贴片谐振器的各向异性特性提高天线的增益，并且介质贴片和上介质基板的介电常数的差值越大，天线的增益越高；二是充分利用介质贴片的多模特性，通过引入敷银槽来使高次模TM₁₂₁模式接近TM₁₀₁模式，由此拓展天线的带宽。

为了达到上述目的，本发明提出的具有各向异性特性的宽带低剖面介质贴片天线，包括自下而上依次层叠设置的下介质基板、金属反射地板、上介质基板和介质贴片，所述下介质基板的下表面设有用于耦合馈电的微带馈线，金属反射地板的垂直中分面上具有一耦合缝隙，所述微带馈线在金属反射地板上的投影与该耦合缝隙垂直相交，所述介质贴片和上介质基板堆叠构成天线的谐振器，所述介质贴片的具有两对相对于介质贴片的中心线对称布置的内壁印刷金属的槽，所述槽的开口方向与微带馈线垂直。

进一步的，本发明还具有如下特征：

介质贴片的介电常数高于上介质基板的介电常数；介质贴片和上介质基板的厚度均小于一个自由空间的波长；堆叠的介质贴片谐振器近似为一个各向异性的媒质，等效的介电常数中沿x轴方向的上表面的介电常数等于沿y轴方向的上表面的介电常数，沿x轴或y轴方向的上表面的介电常数大于沿z轴方向的侧壁的介电常数；在计算具有各向异性的介质贴片谐振器的谐振模式的频率时，介质贴片谐振器被转化为一个传统介质谐振器，有效介电常数为沿x轴或y轴方向的上表面的介电常数和沿z轴方向的侧壁的介电常数的和的一半，有效厚度为介质贴片的厚度和上介质基板的厚度的和的两倍。