[发明专利]一种基于高次模的高增益差分双极化介质贴片天线

说明书

本发明涉及基于高次模的高增益差分双极化介质贴片天线，包括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两对微带馈线，上介质基板上表面设有四个金属贴片，金属贴片通过金属化通孔与金属反射地板连接。金属贴片和金属化通孔构成接地棒。天线工作于两对简并高次模TM₁₂₁和TM₃₂₁模式下，以实现高增益。四个接地棒不仅能上移TM₁₂₁模式的频率，进一步提高增益，还能降低TM₃₂₁模式的输入阻抗，使其得以被激励，从而拓展天线的带宽。通过两对正交的差分馈电结构来激励各自方向的TM₁₂₁和TM₃₂₁模式，设计出双极化介质贴片天线，具有高隔离、高增益和低交叉极化等优越性能。

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及基于高次模的高增益差分双极化介质贴片天线。

背景技术

微带贴片天线和介质谐振器天线作为现代无线通信系统中两种典型的天线，得到了广泛的研究和应用。介质谐振器天线较于微带贴片天线有几个优越的特性，例如较低的导体损耗，更大的设计自由度和能够使用更多的馈电方案。除此之外，受益于介质谐振器的多模特性，天线的性能可以显着改善。一方面，可以通过合并高次模来拓展介质谐振器天线的阻抗带宽。另一方面，由于在大多数情况下传统介质谐振器天线的增益比微带贴片天线低，将介质谐振器天线设计工作在高次模下是提高增益的有效方法。除此方法之外，提高介质谐振器天线增益的方法主要还可以分为两类。一类是将介质谐振器天线与喇叭集成在一起。另一类是通过使用各向异性材料或在介质谐振器的侧壁上刻槽来增加介质谐振器天线侧壁的辐射。然而，通过上述方法设计的介质谐振器天线结构复杂或剖面较高。随着通信系统的小型化，高剖面将成为介质谐振器天线在一些空间有限的应用中的障碍。

为了解决介质谐振器天线的这些问题，有学者提出了一种准平面的介质贴片天线。这种天线具有与传统微带贴片天线相似的性能，并且降低了传统介质谐振器天线的剖面。由于引入了类似腔模的辐射机制，介质贴片天线的辐射主要来自其侧壁，使得其增益比传统介质谐振器天线高。可以发现，介质贴片天线的剖面和增益均介于传统微带贴片天线和介质谐振器天线之间，是一个很好的折中。然而，现有的基于介质贴片天线的研究主要集中在主模TM₁₀₁模式，它们的带宽较窄。由于介质贴片谐振器继承了介质谐振器的多模特性，因此有学者通过扩展介质贴片谐振器的平面尺寸和高度之间的比率来合并高次模式和主模以扩展带宽。因此，介质贴片天线具有巨大的应用潜力，但到目前为止，基于介质贴片天线的设计仍然非常少见。

发明内容

本发明的目的在于：克服上述现有技术的缺陷，提出一种结构简单的基于高次模的高增益差分双极化介质贴片天线。受益于介质贴片谐振器的多模特性，将天线设计工作在两对正交的简并高次模下，从而获得较高的增益。此外，在天线中引入四个接地棒，不仅能进一步提升天线的增益，同时还能拓展天线的带宽。为了达到上述目的，本发明提出的基于高次模的高增益差分双极化介质贴片天线，包括自下而上依次层叠设置的正方形的下介质基板、金属反射地板、上介质基板和介质贴片，其特征在于：所述下介质基板的下表面设有两对相互正交的用于耦合馈电的微带馈线，金属反射地板开设有与微带馈线一一对应的耦合缝隙，微带馈线通过耦合缝隙对介质贴片进行激励，所述上介质基板上表面设有沿天线两条对角线方向对称布置的四个金属贴片，所述金属贴片通过设于上介质基板的金属化通孔与金属反射地板连接，所述金属贴片的上表面紧贴所述介质贴片的下表面。

其中，金属贴片与金属化通孔构成接地棒。这四个接地棒不仅可以上移简并高次模TM₁₂₁模式的频率，进一步提高天线增益，并且可以降低简并高次模TM₃₂₁的输入阻抗，使其得以被激励，从而拓展了天线的带宽。