CN103682674B - 一种宽带三维半鱼透镜天线系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽带三维半鱼透镜天线系统，包括分形人工渐变折射率透镜及用于充当馈源的印刷单极子天线，分形人工渐变折射率透镜由若干层高度相同的介质板累积而成，相邻两层介质板之间有空气间隙，每个介质板上均设有若干金属环；印刷单极子天线的端口处连接有用于与信号源电缆相连接的接头，通过调节印刷单极子天线与分形人工渐变折射率透镜之间的间距来调整宽带三维半鱼透镜天线系统的方向性及增益。本发明的人工电磁单元结构尺寸小，同时可以实现三维空间激励及辐射，且激励源与透镜易集成。

Description

一种宽带三维半鱼透镜天线系统

技术领域

本发明属于无线通信领域，具体涉及一种宽带三维半鱼透镜天线系统。

背景技术

透镜天线，作为天线家族的一员，它能纠正入射平面电磁波波前的相位，并将点源或线源发出的球面波或柱面波转换成平面波，极大地提高了天线的方向性和增益，因而在微波通信中受到广泛关注。半鱼眼透镜天线，也称半麦克斯韦鱼眼透镜天线，是一种具有对称渐变折射率分布的透镜，能将半球面上任意点发出的球面波或柱面波转换成平面波，达到了聚焦电磁波和定向辐射的目的。

虽然渐变折射率透镜天线具有上述优良的电磁特性，然而在实际商业应用中并不是十分流行，原因在于以可控的方式获得较大的折射率梯度在实际工程实现过程中存在很大的挑战。人工电磁材料(超材料)是一类由单元尺寸远小于工作波长的人工电磁结构周期或非周期延拓组成的人工复合结构或复合材料。它能在一个更宽材料属性范围下提供渐变的折射率梯度，这一特性使得鱼眼透镜在实际应用中变得更加可行。尽管如此，以往报道的绝大多数渐变折射率透镜仅局限于二维实验验证，均是基于二维场扫描设备测试二维空间下的横电波(TE)或者横磁波(TM)的近场分布来验证渐变折射率超材料透镜的相位纠正能力。其次，透镜的馈源均采用理想的同轴探针作为二维空间激励，这样设计的透镜天线系统离实际应用环境下的自由空间激励(三维空间)还有一段距离。最后，以往报道的人工电磁结构单元电尺寸较大，较大的单元尺寸增加了入射电磁波的衍射效应，使得出射电磁波波前不平整，信号起伏，不连续性较大，同时基于等效媒质理论设计的单元结构电磁特性与最终设计的人工媒质电磁特性有较大偏差。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种宽带三维半鱼透镜天线系统，该系统的单元结构电尺寸小，同时可以实现三维空间的激励及辐射。

为达到上述目的，本发明所述的宽带三维半鱼透镜天线系统包括宽带分形人工渐变折射率透镜及用于充当馈源的宽带印刷单极子天线，宽带分形人工渐变折射率透镜由若干层高度相同的介质板累积而成，相邻两层介质板之间有空气间隙，每层介质板上均设有若干包含Sierpinski分形金属环的人工电磁结构单元；宽带印刷单极子天线的端口处连接有用于与信号源电缆相连接的同轴SMA接头，宽带印刷单极子天线与宽带分形人工渐变折射率透镜之间的间距满足宽带三维半鱼透镜天线系统的高方向性及高增益要求。

所述宽带分形人工渐变折射率透镜的横截面为半圆形。

所述宽带分形人工渐变折射率透镜的横截面上的折射率分布满足)，同一介质板上Sierpinski分形金属环的尺寸根据折射率的变化由中间向两端逐渐变小，其中，n为横截面内任意一点处的折射率，n₀为横截面上圆心处的折射率，r为横截面内任意一点到圆心的距离，r₀为圆的半径。

所述介质板为F4B介质板。

所述宽带分形人工渐变折射率透镜由20层宽度不同且刻蚀有不同大小Sierpinski分形金属环的介质板累积而成。

所述宽带印刷单极子天线与宽带分形人工渐变折射率透镜最外层的介质板相接触。

所述宽带三维半鱼透镜天线系统的带宽范围为宽带分形人工渐变折射率透镜带宽范围与宽带印刷单极子天线带宽范围的交集。

所述宽带印刷单极子天线包括F4B介质板、以及印刷在F4B介质板上按梯形分布的金属贴片及金属接地板。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的宽带三维半鱼透镜天线系统包括宽带分形人工渐变折射率透镜及宽带印刷单极子天线，宽带分形人工渐变折射率透镜由若干高度相同的介质板累积而成，每个介质板上均设有包含若干Sierpinski分形金属环的人工电磁结构单元，从而有效降低天线系统中单元结构的电尺寸，易于集成，宽带分形渐变折射率透镜的损耗小，在很宽的带宽范围内实现了宽带三维半鱼透镜天线系统的高方向性和高增益，同时通过调节宽带分形人工渐变折射率透镜与宽带印刷机子天线之间的间距来保证天线系统高方向性及高增益。另外，通过采用宽带印刷单极子天线充当馈源，从而实现对宽带分形人工渐变折射率透镜的三维空间的激励及辐射，更贴近于实际应用，宽带分形渐变折射率透镜和宽带印刷单极子天线可以集成，易加固，天线一次性设计成功率高，可广泛应用于高定向性无线通信系统中。

附图说明

图1为本发明三维半鱼眼透镜天线系统的结构示意图；

图2为本发明中带宽分形人工渐变折射率透镜横截面内折射率的连续分布图和离散分布图；

图3为本发明中通过仿真得到的Sierpinski分形金属环4及基于Sierpinski分形金属环4的渐变折射率结构单元与CST仿真设置示意图；

图4为本发明中基于方环和分形环人工电磁结构单元的介电常数和磁导率曲线；

图5为本发明中当人工电磁结构单元的周期保持不变时人工渐变折射率结构的材料参数在5GHz时随分形环尺寸的变化关系；

图6为本发明中带宽分形人工渐变折射率透镜中第一层介质板1上印刷的Sierpinski分形金属环4的布局图；

图7为本发明宽带分形人工渐变折射率透镜与宽带印刷单极子天线2之间的距离D与辐射方向性的关系图；

图8为本发明宽带鱼眼透镜天线系统的方向性与介质板1高度的关系图；

图9为本发明宽带鱼眼透镜天线系统的辐射方向图与宽带印刷单极子天线2的辐射方向图的对比图；

图10为在整个观察频率范围内本发明透镜天线系统与印刷单极子天线2的回波损耗对比图。

其中，1为介质板、2为宽带印刷单极子天线、3为同轴SMA接头、4为Sierpinski分形金属环。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1，图1中(a)图为本发明的立体图，图1中(b)图为本发明中宽带印刷单极子天线2的示意图，图1中(c)图为本发明的侧视图。本发明所述的宽带三维半鱼透镜天线系统包括宽带分形人工渐变折射率透镜及用于充当馈源的宽带印刷单极子天线2，所述宽带分形人工渐变折射率透镜由20层宽度不同且刻蚀有不同大小Sierpinski分形金属环4的介质板1累积而成，宽带分形人工渐变折射率透镜高度为H，直径为P，且各介质板1高度相同，每层介质板1在xoy平面内渐变，相邻两层介质板1之间有空气间隙，每层介质板1上均设有若干包含Sierpinski分形金属环4的分形人工电磁结构单元，且同一介质板1上Sierpinski分形金属环4的尺寸根据折射率的变化在y轴半径方向上由中间向两端逐渐变小；

宽带印刷单极子天线2的端口处连接有用于与信号源电缆相连接的同轴SMA接头3，宽带印刷单极子天线2的结构参数可以通过天线的最大化工作带宽来确定，通过优化宽带印刷单极子天线2的结构参数，使得本发明的回波损耗优于-10dB，在本实施例中，宽带印刷单极子天线2的结构参数为L=30mm，w=2.6mm，h₀=16mm，h₁=17.5mm，h₂=12.5mm，a=26mm和b=16mm；其中L为宽带印刷单极子天线2上的金属接地板长度，w为微带馈线的宽度，h₀为梯形金属贴片的高度，a为梯形金属贴片的上底宽度，b为梯形金属贴片的下底宽度，h₂为宽带印刷单极子天线2的接地面金属的宽度，h₁为宽带印刷单极子天线2接地面腐蚀金属的宽带。

宽带印刷单极子天线2与宽带分形人工渐变折射率透镜之间的间距满足本发明所述的宽带三维半鱼透镜天线系统的高方向性及高增益要求，介质板1为F4B介质板，宽带分形人工渐变折射率透镜由20层宽度不同的介质板1累积而成，宽带三维半鱼透镜天线系统的带宽范围为宽带分形人工渐变折射率透镜带宽范围与宽带印刷单极子天线2带宽范围的交集，宽带印刷单极子天线2包括F4B介质板，印刷在F4B介质板上按梯形分布的金属贴片以及金属接地板，F4B介质板的介点常数为ε_r=2.65，厚度为h=0.3mm，电正切损耗为0.001；Sierpinski分形金属环4的厚度为0.018mm，需要说明的是，任意具有空间填充特性的分形曲线均可以实现紧凑型人工电磁结构单元，而Sierpinski分形曲线仅仅是本发明的一个实施例。工作过程中，由于分形曲线的空间填充特性，弯曲边界有效延长了有限区域感应电流所通过的路径，从而有效降低了单元的工作频率，实现了紧凑型人工电磁结构单元的电小尺寸。

本发明以宽带印刷单极子天线2充当馈源，用于实现对宽带分形人工渐变折射率透镜的三维空间的激励及辐射，宽带分形人工渐变折射率透镜与馈源的距离为D，宽带印刷单极子天线2的端口处焊接有同轴SMA接头3，工作时，通过将信号源电缆与同轴SMA接头3相连接来实现馈电。

图2给出了分形人工渐变折射率透镜横截面内的折射率分布图，其中(a)图为横截面内折射率的连续分布图，(b)图为横截面内折射率的离散分布图。不同颜色对应着不同的折射率的分布且不同尺寸的Sierpinski分形金属环4。参考图2，可以看出所述宽带分形人工渐变折射率透镜的横截面为半圆形，所述宽带分形人工渐变折射率透镜横截面上的折射率分布满足)，折射率在x和y方向上同时逐渐变小，其中，n为横截面内任意一点处的折射率，n₀为横截面上圆心处的折射率，r为横截面内任意一点到圆心的距离，r₀为圆的半径。在设计宽带分形人工渐变折射率透镜时，考虑材料的工程实现。选取n₀=2，从而可得半圆横截面内的折射率分布满足1<n<2。宽带分形人工渐变折射率透镜的折射率在圆心处为2，并由中间向两端逐渐递减，且对称分布，在介质板1边缘处接近于1。在离散情况下，根据能够实现预定折射率的实际单元周期确定离散网格大小，即每一个网格对应于一个周期结构单元，并根据离散的折射率分布与折射率扫描结果得到满足所需折射率的宽带分形人工渐变折射率透镜。

参考图3，图3中(a)图为通过仿真得到的Sierpinski分形金属环4，图3中(b)图为于Sierpinski分形金属环4的渐变折射率结构单元与CST仿真设置示意图。当入射电磁波垂直于介质板1照射到Sierpinski分形金属环4及方环上时，电场沿着左右方向而磁场沿着上下方向激励，则Sierpinski分形金属环4，介质板1，及前后两端(x方向)的空气间隙组成了一个分形环人工电磁结构单元，方环与上下两端的空气组成了一个环形人工电磁结构单元，设分形环人工电磁结构单元的周期与方环人工电磁结构单元的周期完全相同，且Sierpinski分形金属环4与方环的大小相同，参考图4，其中(a)图为提取得到的基于方环和分形环人工电磁结构单元的相对介电常数曲线与频率的关系图，(b)图为提取得到的相对磁导率曲线与频率的关系图。由该图可知，基于分形环人工电磁结构单元的介电常数在7.34GHz附近发生谐振，而基于方环人工电磁结构单元的介电常数在10.25GHz附近发生谐振，谐振频率有效降低了2.9GHz，相当于工作在同一频率时分形环人工电磁结构单元的电尺寸被有效地减小了，小型化比例达到了28％。分形技术与人工电磁结构单元结合有效降低了单元的工作频率，减小了单元的电尺寸。使得基于这些单元构建的三维透镜电磁特性能用等效材料的均一化介电常数和磁导率来表征。对其中一个单元电磁特性的有效仿真就能获得整块媒质的电磁特性，极大地提高了一次设计的成功率和设计效率。因此本发明的分形环人工电磁结构单元相对于传统方环人工电磁结构单元具有明显优势。同时，由磁导率曲线可以看出在电谐振频率处出现了反谐振。

图5给出了当分形环人工电磁结构单元的周期a_x=6mm和a=6mm保持不变时，Sierpinski分形金属环4的材料参数随Sierpinski分形金属环4尺寸的变化关系。其中scale为Sierpinski分形金属环4尺寸缩放比例，a_x为x方向的周期，a为y和z方向的周期。当缩放比例为scale=1时，分形环的结构参数为d₁=7.56mm，d₂=0.4mm和d₃=1.16mm。图5中(a)图为相对介电常数与放缩比例的关系图，图5中(b)图为相对磁导率与放缩比例的关系图；图5中(c)图为相对阻抗与放缩比例的关系图；图5中(d)图为折射率与放缩比例的关系图。当分形环人工电磁结构单元的周期固定时，改变Sierpinski分形金属环4的大小，即改变了相邻单元间的距离，则可改变各分形环人工电磁结构单元之间的电容耦合作用，从而实现对电磁参数的任意操控。本发明实施例所公布的结构参数根据工作频率确定，当频率变化时，可改变结构参数将人工电磁结构单元的工作频率调至预定频段即可。

由图5可以看出，Sierpinski分形金属环4的尺寸越大，分形环人工电磁结构单元之间的间距越小，电容耦合越强，分形环人工电磁结构单元的电响应频率越低，从而拉近了工作频率与电响应频率之间的距离，工作频率处的介电常数就会越大，而此时磁导率值会有微小的下降，反之则结果相反。当缩放比例的范围为0.3<scale<0.77，scale的变化步长为0.0025，则材料的有效介电常数变化范围为1.17<ε<4.8，磁导率变化范围为0.88<μ<0.99，相应地折射率变化范围为1.08<n<2.06，基本满足了半鱼眼透镜天线对折射率梯度的要求。同时我们还观察到，在整个缩放比例范围内，Sierpinski分形金属环4的介电常数和磁导率虚部值均接近于0，这说明材料的损耗非常小，小到可以与普通材料相同。这是因为Sierpinski分形金属环4的工作频率远远低于单元的电响应频率，处于非谐振区域。

基于所发明的分形人工电磁结构单元的一些优良特性，我们将其用于实现图2所示的折射率分布。基于图2折射率分布和图5材料参数扫描结果，图6给出了发明的三维鱼眼透镜中第一层介质板1上印刷的Sierpinski分形金属环4的布局图。参考图6，每一个基于Sierpinski分形金属环4的渐变折射率结构单元对应于图2所示的一个折射率值。同时越靠近中间的Sierpinski分形金属环4尺寸越大，并对应于高折射率区域；往两端Sierpinski分形金属环4的尺寸逐渐减小，并对应于低折射率区域，且沿y轴半径方向的Sierpinski分形金属环4关于中心轴对称，同时沿高度z方向的金属环4按周期a重复出现，剩余19层分形环布局分布类似，但在x轴半径方向上Sierpinski分形金属环4的尺寸由第一层介质板1向第20层介质板1逐渐减小。

以下将通过仿真的方法来确定宽带分形人工渐变折射率透镜与馈源的距离为D、介质板1的高度H以及印刷单极子天线的结构参数。这里透镜的直径P是根据衍射极限和制作成本权衡确定，P一般大于1.5倍的工作波长，但也不能无限大，需要考虑材料的加工和制作成本。

采用商业仿真软件CST对透镜系统进行建模仿真，得到了天线的辐射方向图和回波损耗。参考图7，经仿真得随着D的增加，宽带三维半鱼透镜天线系统的方向性急剧下降，所以为保证宽带三维半鱼透镜天线系统的高方向性和高增益，D值越小越好，因此优选宽带印刷单极子天线2与宽带分形人工渐变折射率透镜相接触。

参考图8，介质板1的高度为H，随着H在一定范围(H<120mm)内不断增加，宽带三维半鱼透镜天线系统的方向性在整个观察频率范围内呈现增加的趋势，但当其继续增加时，H>120mm，宽带三维半鱼透镜天线系统的方向性并没有得到提升，方向性达到一个极限值，因此宽带分形人工渐变折射率透镜的高度既不能太小，也不能过大。太小，衍射效应增强，天线性能恶化，过大天线性能不能得到提升但制作成本显著增加，因此在实际制作中，需要综合权衡衍射极限和制作成本，在本实施例中，选择H=120mm。

图9为处于xoy面内的宽带三维半鱼透镜天线系统的辐射方向图。根据图7和图8的分析，在本实施例中，选取D=0mm，H＝120mm，P=240mm。由图9可知，在很宽的频率范围内，本发明所述的宽带三维半鱼透镜天线系统的方向性由宽带印刷单极子天线2的传统全向辐射变成在x方向上具有高方向性的定向辐射。对比图9中的曲线可以看出，本发明所述的宽带三维半鱼透镜天线系统的定向性与传统未加透镜的单极子天线的定向性相比得到了显著提高，方向性增幅均大于6.5dB，最大增幅达到12.5dB。同时高频处天线定向性的恶化，一方面是由于材料属性的空间色散造成的，导致高频处折射率分布偏离理论设计值；另一方面是由于高频处宽带分形人工渐变折射率透镜与空气面的不匹配造成的，导致电磁波在宽带分形人工渐变折射率透镜里面来回反射。

参考图10，宽带分形人工渐变折射率透镜的引入对天线的匹配没有任何影响。从3.09GHz到7.78GHz，天线回波损耗优于-10dB，带宽达到了近两个倍频程，具有非常宽的工作带宽。

Claims (6)

1.一种宽带三维半鱼透镜天线系统，其特征在于，包括宽带分形人工渐变折射率透镜及用于充当馈源的宽带印刷单极子天线(2)，宽带分形人工渐变折射率透镜由若干层高度相同的介质板(1)累积而成，相邻两层介质板(1)之间有空气间隙，每层介质板(1)上均设有若干包含Sierpinski分形金属环(4)的人工电磁结构单元；宽带印刷单极子天线(2)的端口处连接有用于与信号源电缆相连接的同轴SMA接头(3)；

所述宽带三维半鱼透镜天线系统的带宽范围为宽带分形人工渐变折射率透镜的带宽范围与宽带印刷单极子天线(2)的带宽范围的交集；

所述宽带分形人工渐变折射率透镜由20层宽度不同且刻蚀有不同大小Sierpinski分形金属环(4)的介质板(1)累积而成；

所述宽带分形人工渐变折射率透镜横截面上的折射率分布满足同一介质板(1)上Sierpinski分形金属环(4)的尺寸根据折射率的变化由中间向两端逐渐变小，其中，n为横截面内任意一点处的折射率，n₀为横截面上圆心处的折射率，r为横截面内任意一点到圆心的距离，r₀为圆的半径。

2.根据权利要求1所述的宽带三维半鱼透镜天线系统，其特征在于，所述宽带分形人工渐变折射率透镜的横截面为半圆形。

3.根据权利要求1所述的宽带三维半鱼透镜天线系统，其特征在于，所述介质板(1)为F4B介质板。

4.根据权利要求1所述的宽带三维半鱼透镜天线系统，其特征在于，宽带印刷单极子天线(2)与宽带分形人工渐变折射率透镜之间的间距满足宽带三维半鱼透镜天线系统的高方向性及高增益要求。

5.根据权利要求1所述的宽带三维半鱼透镜天线系统，其特征在于，所述宽带印刷单极子天线(2)与宽带分形人工渐变折射率透镜最外层的介质板(1)相接触。

6.根据权利要求1所述的宽带三维半鱼透镜天线系统，其特征在于，所述宽带印刷单极子天线(2)包括F4B介质板、以及印刷在F4B介质板上按梯形分布的金属贴片及金属接地板。