CN103545607B - 一种宽频带高增益Fabry‑Perot谐振天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种宽频带高增益Fabry‑Perot谐振天线，包括金属反射板、馈电波导及悬置于金属反射板正上方的一层第一介质板、一层第二介质板和一层第三介质板；该金属反射板上设有馈电缝隙口，馈电波导的波导口露出馈电缝隙口。通过采用不同介电常数的第一介质板、第二介质板和第三介质板，由金属反射板和各介质板构成Fabry‑Perot谐振器，由馈电波导和馈电缝隙口构成一个小天线；当位于谐振器内金属地面上的馈电小天线馈电时，在谐振器的谐振频率处在天线的法线方向产生高增益，本发明实现了S11<‑10dB情况下大于34%（28.4GHz‑40GHz以上）的毫米波工作带宽，带内增益为16‑18dBi，本发明具有高增益、宽频带、小尺寸、结构简单和成本低的优点，并且具有很高的使用价值和推广价值。

Description

一种宽频带高增益Fabry-Perot谐振天线

技术领域

本发明涉及属于天线工程技术领域，尤其是指一种新颖的宽频带高增益Fabry-Perot谐振天线（Fabry-Perot resonator antenna），可用于移动通信、卫星等微波/毫米波段通信设备。

背景技术

随着无线电通信技术的快速发展，使通信系统变得越来越小型化、集成化和高性能化。宽频带、高增益、小型化和易于集成是现代高增益天线设计的特点。传统的高增益天线主要有反射面天线和阵列天线。前者天线体积较大，而后者设计复杂且需要复杂的馈电网络，两类天线均造价较高。近年来随着材料技术的发展和分析手段的提高，涌现出很多新型高增益天线，可以在某些场合替代上述两种天线，以降低通信系统的复杂性和造价。Fabry-Perot谐振天线就是这样一个新型高增益天线。

Fabry-Perot谐振器早期一直应用于光通信领域。早在1956年就有人应用Fabry-Perot谐振器原理来提高天线增益。后来有学者应用传输线法分析了一维Fabry-Perot谐振天线的性能。但限于当时的技术条件和分析方法，当时的Fabry-Perot谐振天线频带窄且尺寸大，相对反射面天线和阵列天线并无优势。近十几年来，随着对电磁带隙（EBG-electromagnetic bandgap）结构在微波领域应用的广泛深入的研究以及研究方法的提高，宽带、双波段或多波段、小型化的高增益Fabry-Perot谐振天线成为了可能。Fabry-Perot谐振天线也叫EBG谐振天线（EBG resonator antenna）或PRS（Partially reflectivesurface）谐振天线（PRS resonator antenna）。相对于传统的定向高增益天线，如反射面天线和阵列天线，Fabry-Perot谐振天线具有结构简单、造价低、易于加工和集成等特点。在需要中等增益天线的通信系统中，可以用来替代反射面天线和阵列天线，以降低系统的复杂性和造价。

目前Fabry-Perot谐振天线还处于研究阶段，市场上未见该类型的天线产品，也未见基于Fabry-Perot谐振器原理的天线专利出现。本发明基于Fabry-Perot谐振器原理，设计一类可应用于微波和毫米波波段的高增益天线，天线带宽范围为20-40%，带内增益15-20dBi。该天线结构简单、易实现、造价低，相信在日后的通信市场能够被广泛应用。

发明内容

鉴于上述技术背景,本发明对现有的高增益天线和Fabry-Perot谐振天线带宽不足问题加以解决，提出了一种新颖的宽带Fabry-Perot谐振天线。

为实现上述目的，本发明采用如下之技术方案：

一种宽频带高增益Fabry-Perot谐振天线，包括有金属反射板、馈电波导以及悬置于金属反射板正上方的一层第一介质板和一层第二介质板；该第二介质板无间距堆叠放置于第一介质板的表面，第二介质板的介电常数与第一介质板的介电常数不同；该金属反射板上设置有馈电缝隙口，该馈电缝隙口位于第一介质板的正下方，该馈电波导设置于金属反射板的底面上，馈电波导的波导口露出馈电缝隙口。

作为一种优选方案，所述第二介质板的正上方进一步悬置有一层第三介质板，该第二介质板的介电常数不同于第一介质板的介电常数以及第三介质板的介电常数。

作为一种优选方案，第三介质板的下表面与第二介质板的上表面之间的间距小于低频工作波长的四分之一。

作为一种优选方案，所述第三介质板的下表面与第二介质板的上表面之间为空气或泡沫材料。

作为一种优选方案，金属反射板的上表面与第一介质板的下表面之间的间距小于低频工作波长的二分之一。

作为一种优选方案，所述金属反射板的上表面与第一介质板的下表面之间为空气或泡沫材料。

作为一种优选方案，所述金属反射板尺寸大于介质板尺寸。

作为一种优选方案，所述第一介质板、第二介质板和第三介质板均为正方形结构，其边长为1.3个低频工作波长，各介质板沿对角线延伸出来，在延伸出部分的终端打孔，同时在金属反射板相应位置上打孔，各介质板和金属反射板通过塑料螺栓固定。

作为一种优选方案，所述馈电缝隙口处的上方加设有用于进行馈电阻抗匹配的金属膜片。

作为一种优选方案，所述馈电波导可置换为微带贴片小天线或L型单极天线。

本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果，具体而言，由上述技术方案可知：

一、通过采用不同介电常数的第一介质板和第二介质板以及第三介质板，，以形成三层介质板结构的Fabry-Perot谐振天线，配合第二介质板的介电常数不同于第一介质板的介电常数以及第三介质板的介电常数，以使得本发明的反射相位能在设计频段随频率增加，导致构成的Fabry-Perot谐振器能在较宽的频段内谐振，可以构成宽带Fabry-Perot谐振天线。

二、理论上介质板的平面尺寸为无限大，而实际设计时通常将介质板截断，边长取为4-6个工作波长。本发明中悬置的各介质平板为正方形，边长取为1.3个低频工作波长左右，可以进一步拓展高增益Fabry-Perot谐振天线的工作带宽。

三、由金属反射板和各介质板构成Fabry-Perot谐振器，由馈电波导和馈电缝隙口构成一个小天线；当位于谐振器内金属地面上的馈电小天线馈电时，在谐振器的谐振频率处在天线的法线方向产生高增益，本发明实现了S11<-10dB情况下大于34%（28.4GHz-40GHz以上）的毫米波工作带宽，带内增益为16-18dBi，本发明具有高增益、宽频带、小尺寸、结构简单和成本低的优点，并且具有很高的使用价值和推广价值。

为更清楚地阐述本发明的结构特征和功效，下面结合附图与具体实施例来对本发明进行详细说明：

附图说明

图1是本发明之三层介质板结构Fabry-Perot谐振天线的整体结构示意图；

图2是本发明之三层介质板结构Fabry-Perot谐振天线的侧视图；

图3是本发明之天线底端的金属反射板和馈电波导结构示意图；

图4是本发明Fabry-Perot谐振天线的金属反射板正视图；

图5是本发明Fabry-Perot谐振天线的介质板结构正视图；

图6是本发明之三层介质板结构Fabry-Perot谐振天线实施实例反射系数测量值；

图7是本发明之三层介质板结构Fabry-Perot谐振天线实施实例的增益测量值；

图8是本本发明之三层介质板结构Fabry-Perot谐振天线实施实例的30GHz和34GHz测试方向图；

图9是本发明之双层介质板结构Fabry-Perot谐振天线的结构示意图；

图10是本发明之双层介质板结构Fabry-Perot谐振天线的理论输入反射系数；

图11是本发明之双层介质板结构Fabry-Perot谐振天线的理论增益；

图12是本发明之双层介质板结构Fabry-Perot谐振天线的11GHz、12GHz、13GHz和14.3GHz理论方向图。

附图标识说明：

1、金属反射板 2、馈电波导

3、第一介质板 4、第二介质板

5、第三介质板 6、孔

7、塑料螺栓 8、馈电缝隙口

具体实施方式

请参照图1至图8所示，其显示出了本发明之第一较佳实施例的具体结构，本实施例的Fabry-Perot谐振天线为三层介质板结构的Fabry-Perot谐振天线，其包括有金属反射板1、馈电波导2以及悬置于金属反射板1正上方的一层第一介质板3、一层第二介质板4和一层第三介质板5。

该金属反射板1为正方形，其边长为低频工作波长的三倍长度。

该第一介质板3、第二介质板4和第三介质板5均为正方形结构，各介质板沿对角线延伸出来，如图5所示，在延伸出部分的终端打孔6，同时在金属反射板1相应位置上打孔6，各介质板和金属反射板1通过塑料螺栓7固定（如图1和图2）。该第二介质板4无间距堆叠放置于第一介质板3的表面，第二介质板4的介电常数与第一介质板3的介电常数不同，该第三介质板5悬置于第二介质板4的正上方，且该第二介质板4的介电常数不同于第一介质板3的介电常数以及第三介质板5的介电常数，第一介质板3的介电常数与第三介质板5的介电常数可以相同亦可以不同，不予局限。

以及，该第三介质板5的下表面与第二介质板4的上表面之间的间距小于低频工作波长的四分之一，且该第三介质板5的下表面与第二介质板4的上表面之间为空气或泡沫材料（图中未示），泡沫材料的介电常数接近1。另外，该金属反射板1的上表面与第一介质板3的下表面之间的间距小于低频工作波长的二分之一，且该金属反射板1的上表面与第一介质板3的下表面之间为空气或泡沫材料（图中未示），泡沫材料的介电常数接近1。

该馈电波导2设置于金属反射板1的底面上，该金属反射板1上设置有馈电缝隙口8，该馈电缝隙口8位于第一介质板3的正下方，该馈电波导2的波导口露出馈电缝隙口8，该馈电波导2可置换为微带贴片小天线或L型单极天线，不以为限。在本实施例中，该馈电波导2选用WR28矩形波导，馈电波导的内径为7.112mm×3.556mm，馈电缝隙口8的馈电尺寸为L2×W2=5mm×2mm。图4和图5中的其它尺寸为L1=W1=23mm，L3=W3=27mm，L5=W5=4mm，R0=2.5mm，α=45°。以及，该馈电缝隙口8处的上方加设有金属膜片（图中未示）。以进行馈电阻抗匹配。

此外，进一步地，在本实施例中，第二介质板4和第一介质板3分别为ARLONAD1000L02511和ARLON CLTE-XT04011，其介电常数分别为2.94和10.5，厚度分别为T2=1.04mm和T1=0.635mm。第三介质板5选为ARLONAD1000L02511，介电常数为10.5，厚度T3=1.27mm。第三介质板5和第二介质板4的间距为H2=2.6mm。第一介质板3与金属反射板1的间距为H1=4.6mm。第三介质板5、第二介质板4和第一介质板3的外形轮廓均为如图5所示的正方形，第三介质板5中心的正方形介质板尺寸与第二介质板4、第一介质板3大小不同，第三介质板5的中心正方形边长L4=W4=18mm；第二介质板4和第一介质板3除厚度不一致，其他外形尺寸相同，其中心正方形为L4=W4=13mm。金属反射板1选用T0=2mm厚的铝板，形状为正方形，边长为L0=W0=40mm。

理论上介质板的平面尺寸为无限大，而实际设计时通常将介质板截断，边长取为4-6个工作波长。本发明通过将悬置的各介质板边长取为1.3个波长左右，这样选取可以进一步拓展高增益Fabry-Perot谐振天线的工作带宽。本发明给出两个设计实例。其中毫米波Fabry-Perot谐振天线的S11<-10dB的工作带宽为28-42GHz，相对带宽达34%。

工作时，该第一介质板3、第二介质板4和第三介质板5与金属反射板1构成Fabry-Perot谐振器，馈电波导2和金属反射板1上馈电缝隙口8构成一个小天线，信号通过置于下方的馈电天线（本实例中由馈电波导2馈电，通过馈电缝隙口8）进入Fabry-Perot谐振腔，电磁波在谐振腔内经多次反射和传输，剩余的能量再由腔体外侧开口向空间辐射。工作频带内的介质板表面传输的漏波信号在天线的法线方向同相，可以形成高增益。传统的Fabry-Perot谐振天线在工作波段上限频率工作时，由于腔体内反射波相位的叠加，使天线上表面的漏波相位在天线法线方向反相或部分反相，使天线增益降低、副瓣电平抬高、主波束上端变平或凹陷。本发明中由于构成Fabry-Perot谐振腔的悬置介质板结构尺寸减小到只有1.3个工作波长左右，改善了在传统工作波段上限频率工作时出现的天线上表面漏波的反相现象，大大减弱了或消除了其产生，使天线在高于传统工作波段上限频率的一段频率范围内也能产生高增益、低副瓣和笔形状的尖端波束，并且很大程度上拓展了天线的工作带宽。

如图6所示，是本实施例的反射系数结果测量值，本发明实现了S11<-10dB情况下大于34%（28.4GHz-40GHz以上）的毫米波工作带宽。

如图7所示，是本实施例中28GHz-40GHz天线的实测频率-增益变化曲线图，天线在整个频率范围内的增益为16-18dBi。

如图8所示，是本实施例的30GHz和34GHz实测E面主极化方向图。

请参照图9至图12所示，其显示出了本发明之第二较佳实施例的具体结构，本实施例的Fabry-Perot谐振天线为双层介质板结构的Fabry-Perot谐振天线，其由金属反射板1、馈电波导2、第一介质板3和第二介质板4构成。

该第二介质板4和第一介质板3的尺寸相同、介电常数和厚度均不同，具体而言，在本实施例中，第二介质板4和第一介质板3的介电常数分别为4.4和25，其厚度分别为T2=2.6mm和T1=1.8mm。第一介质板3与金属反射板1的间距为H1=15mm。第二介质板4和第一介质板3均为正方形，边长L3=W3=34mm。金属反射板1形状为正方形，边长L0=W0=60mm。

在本实施例中，该馈电波导2选用内径为19mm×9.5mm的WR75矩形波导，馈电波导口加金属膜片，馈电缝隙口8的尺寸为L2×W2=12mm×5mm。

如图10所示，是本实施例的结构在小尺寸介质板（约1.3工作波长，实例中为34mm）下的理论输入反射系数结果。可以看出在天线在10.1GHz-16GHz频率范围内实现了较好的输入阻抗匹配。

如图11所示，是本实施例的结构在小尺寸介质板（约1.3工作波长，实例中34mm）下的仿真频率-增益变化曲线图。可以看出，在小尺寸介质板下天线的3-dB增益工作带宽范围为10.2GHz-14.5GHz，相对带宽约为34.8%。

如图12所示，是本实施例的结构在小尺寸介质板下在11GHz、12GHz、13GHz和14.3GHz的仿真E面主极化方向图。

本发明的设计重点在于：首先，通过采用不同介电常数的第一介质板和第二介质板以及第三介质板，由金属反射板和各介质板构成Fabry-Perot谐振器，由馈电波导和馈电缝隙口构成一个小天线；当位于谐振器内金属地面上的馈电小天线馈电时，在谐振器的谐振频率处在天线的法线方向产生高增益。通过将正方形介质板的边长尺寸限制在1.3个低频工作波长左右，本发明实现了S11<-10dB情况下大于34%（28.4GHz-40GHz以上）的毫米波工作带宽，带内增益为16-18dBi，本发明具有高增益、宽频带、小尺寸、结构简单和成本低的优点，并且具有很高的使用价值和推广价值。其次，通过仅由第一和第二介质板与金属板构成的双层介质板结构的Fabry-Perot谐振天线，当将正方形介质板的边长尺寸限制在1.3个低频工作波长左右时，在微波波段实现了34.8%的工作带宽。但带内增益略低于三层介质板结构的Fabry-Perot谐振天线。

以上是向熟悉本发明领域的工程技术人员提供的对本发明天线的实例的描述，需要申明的是这些描述应该被视为说明性，而非限定性，不构成对本发明的任何限制，显然在本发明的构思下，工程技术人员可以根据此发明权利要求书中对本发明的结构和参数进行具体的调整操作进而得到本发明天线的其他的实施方案的变更，这些都应被视为本发明的涉及范围之内，均在本发明的保护之列。

Claims (8)

1.一种宽频带高增益Fabry-Perot谐振天线，其特征在于：包括有金属反射板、馈电波导以及悬置于金属反射板正上方的一层第一介质板和一层第二介质板；该第二介质板无间距堆叠放置于第一介质板的表面，第二介质板的介电常数与第一介质板的介电常数不同；该金属反射板上设置有馈电缝隙口，该馈电缝隙口位于第一介质板的正下方，该馈电波导设置于金属反射板的底面上，馈电波导的波导口露出馈电缝隙口；

所述第二介质板的正上方进一步悬置有一层第三介质板，该第二介质板的介电常数不同于第一介质板的介电常数以及第三介质板的介电常数；

所述第一介质板、第二介质板和第三介质板均为正方形结构，其边长为1.3个工作波长，各介质板沿对角线延伸出来，在延伸出部分的终端打孔，同时在金属反射板相应位置上打孔，各介质板和金属反射板通过塑料螺栓固定。

2.根据权利要求1所述的一种宽频带高增益Fabry-Perot谐振天线，其特征在于：第三介质板的下表面与第二介质板的上表面之间的间距小于低频工作波长的四分之一。

3.根据权利要求2所述的一种宽频带高增益Fabry-Perot谐振天线，其特征在于：所述第三介质板的下表面与第二介质板的上表面之间为空气或泡沫材料。

4.根据权利要求1所述的一种宽频带高增益Fabry-Perot谐振天线，其特征在于：金属反射板的上表面与第一介质板的下表面之间的间距小于低频工作波长的二分之一。

5.根据权利要求4所述的一种宽频带高增益Fabry-Perot谐振天线，其特征在于：所述金属反射板的上表面与第一介质板的下表面之间为空气或泡沫材料。

6.根据权利要求1所述的一种宽频带高增益Fabry-Perot谐振天线，其特征在于：所述金属反射板尺寸大于介质板尺寸。

7.根据权利要求1所述的一种宽频带高增益Fabry-Perot谐振天线，其特征在于：所述馈电缝隙口处的上方加设有用于进行馈电阻抗匹配的金属膜片。

8.根据权利要求1所述的一种宽频带高增益Fabry-Perot谐振天线，其特征在于：所述馈电波导可置换为微带贴片小天线或L型单极天线。