CN103094677B - 一种采用介质透镜、异形辐射器的高增益高效率平板天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用介质透镜、异形辐射器的高增益高效率平板天线，包括按照电磁波传播方向依次设置的馈电层、耦合层、谐振腔层和辐射层；所述的辐射层包括多个辐射单元，每个辐射单元中包括异形辐射器和与异形辐射器相对的辐射缝；在所述的辐射层上还设置有介质透镜层。本发明打破现有平板天线设计结构的思维模式，经过大量的实验仿真设计出本发明独特结构的卫星平板天线，使整个平板天线的结构紧凑、剖面低、增益高，实现了现有卫星平板天线高效率、带宽大、小尺寸的技术要求，其平板天线的效率提高达85%以上。

Description

一种采用介质透镜、异形辐射器的高增益高效率平板天线

技术领域

本发明涉及一种采用介质透镜、异形辐射器的高增益高效率平板天线，属于卫星通信平板天线的技术领域。

背景技术

平板天线具有重量轻、体积小、占用空间少、风阻小、效率高等优势，平板天线相对于抛物面天线等其它形式的天线来说具有较高的效率，增益较高，体积小，但目前平板天线的效率在75%～80%之间，从技术层面较难突破效率80%，以实现更高的效率。

现有的平板天线结构多样，但多数仅满足近距离通信的技术条件：

例如，中国专利申请CN 101752655A公开了一种平板天线，包括一基板、多个天线本体以及一金属层。所述多个天线本体设置在基板的一表面,且金属层设置在基板的另一表面。金属层具有多个凹槽,分别穿插在所述多个天线本体之间。所述多个天线本体局部地对应于金属层,并用以配合具有两个以上的多路径传输的一通信系统来同时发射并接收电磁信号。但是该专利申请的工作频率较低：2.4GHz，虽然体积较小，但是整个平板天线的增益不高，实际应用中仅仅满足近距离信号传输的要求，应用领域受限。

例如，中国专利申请CN 101005156公开了一种高增益宽频带的平板天线，用以解决传统天线结构上无法运用于高增益宽频带的问题,本发明的平板天线包括微波基板,具有第一表面及第二表面;第一对称型辐射单元,配置于该第一表面上,且该第一对称型辐射单元具有第一辐射部与第二辐射部;第二对称型辐射单元,配置于该第二表面上，且该第二对称型辐射单元具有第三辐射部与第四辐射部;及至少一个连接单元,连接该微波基板及反射板。其中该第一辐射部、该第二辐射部、第三辐射部及第四辐射部的末端采用步阶结构的设计方法。通过本发明的平板天线结构设计,能实现高增益宽频带的目的。该专利所述的平板天线体积小、带宽大，但是其自身增益仅满足近距离的通信需求，对于远距离通信增益还是不够；而且该专利也不利于组阵以实现更高的增益。

例如，中国专利CN 101483271公开了一种平板天线,包含:一介质层、一辐射金属层及一接地金属层。该介质层由绝缘材料制成,具有一上表面、一下表面及一贯孔。该辐射金属层被覆于该介质层的上表面,具有一第一片体、一与该贯孔对应的第一穿孔,以及一由该第一片体的第一穿孔周缘往该贯孔内延伸的第一凸伸部。该接地金属层被覆于该介质层的下表面,具有一第二片体、一与该贯孔对应的第二穿孔,以及一由该第二片体的第二穿孔周缘往该贯孔内延伸的第二凸伸部,并且该第一凸伸部与该第二凸伸部在该贯孔内相接触,使该辐射金属层与该接地金属层形成电连接。该专利中所述的平板天线虽然增益较高，加工设计简单，但是带宽较窄，使用微波介质板效率低。

例如，中国专利CN101640309公开了一种平板天线结构，包括第一金属片、中间层、金属环及第二金属片。其中中间层包括第一孔洞,中间层设置在第一金属片之上并与第一金属片连结;金属环穿过第一孔洞与第一金属片连结;且第二金属片包括第二孔洞,第二金属片与金属环连结,第二金属片与第一金属片连结，且中间层与金属环被第一金属片及第二金属片包覆。借此,第二金属片可借由金属环与第一金属片电性导通,第一金属片及第二金属片间形成谐振腔,且借由改变第一孔洞及金属环的直径可调整天线的特性。该专利所述的平板天线设计调试较为简单，但其结构复杂，难以加工，增益较低，使用了介质板效率低。

例如，中国专利CN101719596A公开了本发明提供了一种单馈源周期沟槽缝隙平板天线。该天线由接地板和缝隙馈源两侧加载的若干周期排布沟槽结构组成，且缝隙与邻近沟槽间的距离小于沟槽周期。与传统的周期沟槽结构辐射机理不同,沟槽处的电场与缝隙处的电场相位相反,不能再把沟槽处看作为二次辐射源。此时,天线表面产生了另一种新颖的电磁振荡模式-两个相邻沟槽整体作为一个次级辐射源,向空间辐射能量。该新型天线不仅具有结构更加紧凑,设计更灵活的特点,与沟槽数相同的传统沟槽缝隙天线相比,本发明的H面压缩角更小,天线增益也有一定提高。该专利所述的平板天线较普通天线尺寸小，增益高，但是设计调试复杂。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种采用介质透镜、异形辐射器的高增益高效率平板天线。

本发明的技术方案如下：

一种采用介质透镜、异形辐射器的高增益高效率平板天线，包括按照电磁波传播方向依次设置的馈电层、耦合层、谐振腔层和辐射层；所述的辐射层包括多个辐射单元，每个辐射单元中包括异形辐射器和与异形辐射器相对的辐射缝；所述异形辐射器包括双曲面结构部分和圆锥桶结构部分，所述双曲面的函数是：x(t)=0,y(t)=t,t∈(-22mm,22mm),a=18,b=10；所述圆锥桶结构部分包括侧壁和底面，所述侧壁与底面之间的夹角α=19.7°；所述双曲面的顶点与所述圆锥桶的底面相切，所述双曲面的顶点集合成的直线与所述圆锥桶的底面的直径重合；所述双曲面与圆锥桶相交形成异形边缘，所述异形边缘以上部分为所述双曲面结构部分，所述异形边缘以下为圆锥桶结构部分；

在所述的辐射层上还设置有介质透镜层，所述介质透镜层包括多个介质透镜单元，所述每个介质透镜单元包括2个曲面相对设置的介质透镜，所述每个介质透镜单元与辐射层上的1个辐射单元对齐设置。

根据本发明优选的，所述每个介质透镜的介电常数为2.6，所述介质透镜的曲面呈以下函数：x(t)=0,y(t)=t,z(t)=A_msin(B_mt),t∈（0,21mm），Am为正弦函数的振幅，Am越大曲面越厚；Bm为正弦函数的角频率，Bm越大曲面弯曲度越大。

根据本发明优选的，所述每个辐射单元包括16个异形辐射器，所述16个异形辐射器按照4行×4列的排列方式设置在所述辐射层上。

根据本发明优选的，所述谐振腔层包括多个谐振腔单元，所述每个谐振腔单元包括4个谐振腔，所述4个谐振腔按照2行×2列的排列方式设置在所述谐振腔层上；所述每个谐振腔与所述辐射层上4个异形辐射器对齐。

根据本发明优选的，所述耦合层包括多个耦合单元，所述每个耦合单元包括4个耦合孔，所述4个耦合孔按照2行×2行的排列方式设置在所述耦合层上；所述每个耦合孔与所述谐振腔层上的1个谐振腔对齐。

根据本发明优选的，所述馈电层包括多个馈电单元，每个馈电单元包括1个馈电网络，所述馈电网络与所述耦合层上的1个耦合单元对齐。

根据本发明优选的，所述每个馈电单元中的馈电网络包括3个相互级联的T形波导，在其中所述2个T形波导上设置有4个耦合缝，在另一个T形波导上设置有馈电口，所述4个耦合缝分别与所述耦合单元上的4个耦合孔对齐。

本发明的优势在于：

本发明所述的平板天线采用纯金属结构组成，辐射层包括结构新颖的异形辐射器：通过半波长的辐射缝将谐振腔和异形辐射器耦合在一起，电磁波由异形辐射器向空间辐射，异形辐射器是由双曲面切割圆锥桶形成，使电磁波沿异形辐射器的双曲面结构部分等幅同相的辐射出去，并且所述异形辐射器的双曲面结构部分也能减弱相邻异形辐射器的相互电磁干扰。同时在本发明所述辐射层上设置有介质透镜层，使电磁波最终经介质透镜层辐射出去，通过介质透镜增加了辐射的效率和增益。本发明打破现有平板天线设计结构的思维模式，经过大量的实验仿真设计出本发明独特结构的卫星平板天线，使整个平板天线的结构紧凑、剖面低、增益高，实现了现有卫星平板天线高效率、带宽大、小尺寸的技术要求，其平板天线的效率提高达85%以上。

附图说明

图1是本发明的发散结构示意图；

图2是本发明所述介质透镜的结构示意图；

图3是本发明的辐射层的结构示意图；

图4是本发明中单个异形辐射器的立体结构示意图；

图5是本发明的谐振腔层；

图6是本发明的耦合层；

图7是本发明的馈电层；

图8利用HFSS对本发明所述平板天线所作出的仿真结果；

在图1-7所示，1、介质透镜层；2、辐射层；3、谐振腔层；4、耦合层；5、馈电层；6、介质透镜；7、异形辐射器；8、辐射缝；9、谐振腔；10、耦合孔；11、T形波导；12、台阶；13、T形波导；14、馈电口；15、异形辐射器的双曲面结构部分；16、异形辐射器的圆锥桶结构部分；17、所述双曲面与圆锥桶相交形成异形边缘；18、圆锥桶的底面；19、双曲面的顶点集合成的直线；其中α为所述圆锥桶的侧壁与底面之间的夹角。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明做详细的说明，但不限于此。

实施例

一种采用介质透镜、异形辐射器的高增益高效率平板天线，包括按照电磁波传播方向依次设置的馈电层5、耦合层4、谐振腔层3和辐射层2；所述的辐射层2包括多个辐射单元，每个辐射单元中包括异形辐射器7和与异形辐射器7相对的辐射缝8；所述异形辐射器7包括双曲面结构部分15和圆锥桶结构部分16，所述双曲面的函数是：x(t)=0,y(t)=t,t∈(-22mm,22mm),a=18,b=10；所述圆锥桶结构部分16包括侧壁和底面18，所述侧壁与底面之间的夹角α=19.7°；所述双曲面的顶点与所述圆锥桶的底面18相切，所述双曲面的顶点集合成的直线与所述圆锥桶的底面18的直径重合；所述双曲面与圆锥桶相交形成异形边缘17，所述异形边缘17以上部分为所述双曲面结构部分15，所述异形边缘17以下为圆锥桶结构部分16；

在所述的辐射层2上还设置有介质透镜层1，所述介质透镜层包括多个介质透镜单元，所述每个介质透镜单元包括2个曲面相对设置的介质透镜6，所述每个介质透镜单元与辐射层上的1个辐射单元对齐设置。

所述每个介质透镜6的介电常数为2.6，所述介质透镜6的曲面呈以下函数：x(t)=0,y(t)=t,z(t)=A_msin(B_mt),t ∈（0,21mm），Am为正弦函数的振幅，Am越大曲面越厚；Bm为正弦函数的角频率，Bm越大曲面弯曲度越大。

所述每个辐射单元包括16个异形辐射器7，所述16个异形辐射器7按照4行×4列的排列方式设置在所述辐射层2上。

所述谐振腔层3包括多个谐振腔单元，所述每个谐振腔单元包括4个谐振腔9，所述4个谐振腔9按照2行×2列的排列方式设置在所述谐振腔层3上；所述每个谐振腔9与所述辐射层2上4个异形辐射器7对齐。

所述耦合层4包括多个耦合单元，所述每个耦合单元包括4个耦合孔10，所述4个耦合孔10按照2行×2行的排列方式设置在所述耦合层4上；所述每个耦合孔10与所述谐振腔层3上的1个谐振腔9对齐。

所述馈电层5包括多个馈电单元，每个馈电单元包括1个馈电网络，所述馈电网络与所述耦合层上的1个耦合单元对齐。

所述每个馈电单元中的馈电网络包括3个相互级联的T形波导，在其中所述2个T形波导11上设置有4个耦合缝，在另一个T形波导13上设置有馈电口14，所述4个耦合缝分别与所述耦合单元上的4个耦合孔10对齐。

经测试，如图8所示，HFSS对本发明所述平板天线所作出的仿真结果，与理想的辐射片很相近，完全适合卫星通信的技术要求。

Claims (5)

1.一种采用介质透镜、异形辐射器的高增益高效率平板天线，包括按照电磁波传播方向依次设置的馈电层、耦合层、谐振腔层和辐射层；所述的辐射层包括多个辐射单元，其特征在于，所述每个辐射单元中包括异形辐射器和与异形辐射器相对的辐射缝；所述异形辐射器包括双曲面结构部分和圆锥桶结构部分，所述双曲面的函数是：x(t)＝0,y(t)＝t,t∈(-22mm,22mm),a＝18,b＝10；所述圆锥桶结构部分包括侧壁和底面，所述侧壁与底面之间的夹角α＝19.7°；所述双曲面的顶点与所述圆锥桶的底面相切，所述双曲面的顶点集合成的直线与所述圆锥桶的底面的直径重合；所述双曲面与圆锥桶相交形成异形边缘，所述异形边缘以上部分为所述双曲面结构部分，所述异形边缘以下为圆锥桶结构部分；

在所述的辐射层上还设置有介质透镜层，所述介质透镜层包括多个介质透镜单元，所述每个介质透镜单元包括2个曲面相对设置的介质透镜，所述每个介质透镜单元与辐射层上的1个辐射单元对齐设置；所述每个介质透镜的介电常数为2.6，所述介质透镜的曲面呈以下函数：x(t)＝0,y(t)＝t,z(t)＝A_m sin(B_mt),t∈(0,21mm)，Am为正弦函数的振幅，Am越大曲面越厚；Bm为正弦函数的角频率，Bm越大曲面弯曲度越大；

所述每个辐射单元包括16个异形辐射器，所述16个异形辐射器按照4行×4列的排列方式设置在所述辐射层上。

2.根据权利要求1所述的一种采用介质透镜、异形辐射器的高增益高效率平板天线，其特征在于，所述谐振腔层包括多个谐振腔单元，所述每个谐振腔单元包括4个谐振腔，所述4个谐振腔按照2行×2列的排列方式设置在所述谐振腔层上；所述每个谐振腔与所述辐射层上4个异形辐射器对齐。

3.根据权利要求2所述的一种采用介质透镜、异形辐射器的高增益高效率平板天线，其特征在于，所述耦合层包括多个耦合单元，所述每个耦合单元包括4个耦合孔，所述4个耦合孔按照2行×2列的排列方式设置在所述耦合层上；所述每个耦合孔与所述谐振腔层上的1个谐振腔对齐。

4.根据权利要求3所述的一种采用介质透镜、异形辐射器的高增益高效率平板天线，其特征在于，所述馈电层包括多个馈电单元，每个馈电单元包括1个馈电网络，所述馈电网络与所述耦合层上的1个耦合单元对齐。

5.根据权利要求4所述的一种采用介质透镜、异形辐射器的高增益高效率平板天线，其特征在于，所述每个馈电单元中的馈电网络包括3个相互级联的T形波导，在其中2个T形波导上设置有4个耦合缝，在另一个T形波导上设置有馈电口，所述4个耦合缝分别与所述耦合单元上的4个耦合孔对齐。