CN104134860A - 毫米波段共面波导馈电的单层介质板Fabry-Perot天线 - Google Patents

毫米波段共面波导馈电的单层介质板Fabry-Perot天线 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种毫米波段共面波导馈电的高增益单层介质板Fabry-Perot天线。它包括上层的频率选择性表面、中间层的介质基板和下层的馈电及辐射结构。本发明在35GHz中心频率上，具有16.3dBi的增益和9.5%的阻抗带宽，此外还在传统Fabry-Perot天线的基础上做了一定的改进，使得天线只需一层介质板，省去了空气层。馈电简单、低剖面和结构稳固的特点，将使本发明具有很大的工程应用前景。

Description

毫米波段共面波导馈电的单层介质板Fabry-Perot天线
技术领域
本发明涉及一种毫米波段共面波导馈电的单层介质板Fabry-Perot（法布里-珀罗，F-P）天线。属于毫米波段内无线通信、无线能量传输、无线传感器等领域中的天线范畴。
背景技术
当今无线技术飞速发展，无线通信、无线能量传输以及无线传感器所使用的频段已经达到了毫米波频段，以满足设备的小型化和数据高速传输的要求。毫米波天线作为毫米波系统中必不可少的射频前端，其指标直接影响系统整体的性能。如何在毫米波频段实现天线的高增益性能成为目前研究的一个热点。目前常用的在毫米波段实现天线高增益的方案有两种：一是采用大口径反射面天线；二是对天线单元进行组阵。反射面天线拥有高增益的特点，但其体积大、造价高并且是非平面结构，这都限制了它的使用。天线单元组阵需要设计复杂的馈电网络，带来的馈电网络损耗又限制了天线阵列的增益。Fabry-Perot天线具有简单的平面结构，造价低，馈电方式简便易行。传统Fabry-Perot天线由两层或两层以上的介质板构成，并且天线结构中存在一个空气层，这影响了天线的强度和制造精度。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足，提供一种毫米波段共面波导馈电的高增益单层介质板Fabry-Perot天线。该天线具有高增益的性能，采用简单的共面波导馈电。该天线只有一层介质板，频率选择性表面印刷在介质板上表面，馈电及辐射部分印刷在介质板的下层。该天线无空气层且具有平面结构。
为达到上述目的，本发明的构思是：
（1）      天线采用共面波导形式馈电，通过两个方形缝隙环辐射能量，方形缝隙环的周长主要决定了天线的谐振频率。
（2）      以六边形金属环作为单元形式，多个单元周期性地印刷在介质板上层构成频率选择性表面，部分反射方形缝隙环所辐射出的能量。
（3）      频率选择性表面印刷在介质板上层，共面波导地板印刷在介质板下层，这两部分构成Fabry-Perot谐振腔，对满足谐振条件的电磁波起到增强作用，与传统Fabry-Perot天线相比省去了空气层。
（4）      利用共面波导馈电天线的辐射体和接地平面共面的特点，使得Fabry-Perot天线仅需一层介质板，与传统F-P天线相比减少了一层介质板。
（5）      本发明采用如下的介质板材料：介质基板选用介电常数为                                               =2.2，厚度H=3.254mm。
（6）      天线共分三层，上层为频率选择性表面结构，中间层是介质板层，介质板层背面即下层为馈电及辐射结构。上层的频率选择性表面是由9??9个六边形金属环周期性排列构成。下层的馈电及辐射结构包括共面波导馈线、共面波导地板、两个方形辐射缝隙环，两个方形金属片以及从共面波导馈线延长而出的两个匹配调节缝隙。
根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：
一种毫米波段共面波导馈电的高增益单层介质板Fabry-Perot天线，包括上层的频率选择性表面、中间层的介质基板和下层的馈电及辐射结构，所述上层频率选择表面的单元形式为六边形金属环；所述下层馈电及辐射结构包括共面波导地板、共面波导馈线、两个匹配调节缝隙、两个方形环辐射缝隙以及两个方形金属片，所述共面波导馈线位于共面波导地板下边中央开口处，共面波导馈线两侧和地板之间的两个缝隙构成所述匹配调节缝隙，两个方形环辐射缝隙处于地板的中部而分别以尖角处连接两个匹配调节缝隙，两个方形环辐射缝隙之中构成所述两个方形金属片；共面波导地板和由六边形金属环组成的频率选择性表面构成Fabry-Perot谐振腔。
所述辐射缝隙为方形缝隙环，两个方形辐射缝隙环与共面波导馈线与地板之间的缝隙相连形成一个整体。
所述介质板层为介电常数=2.2的介质板，该介质板厚度H=3.254mm。
所述的上层频率选择性表面和下层馈电及辐射结构需要是导电性较好的金属材料，如金、银或铜。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
（1）      实现毫米波天线高增益性能的方法通常有两种：一种是采用大口径反射面天线，它具有高增益的性能，但其体积大、造价高且不具有非平面结构。另一种是对天线单元进行组阵，它需要设计复杂的馈电网络，带来的馈电网络损耗限制了天线阵列的增益。而本天线采用共面波导馈电，由分别印刷在单层介质板两边的频率选择性表面和共面波导地板构成Fabry-Perot谐振腔结构，在实现天线高增益的同时，又保证了天线的馈电网络简单且具有平面结构。 
（2）      传统Fabry-Perot天线由两层或两层以上的介质板构成，而此天线只有一层介质板，成本低且具有实用性。
（3）      传统Fabry-Perot天线包含一个空气层，而此天线无空气层，避免了空气层高度误差对天线性能的影响，天线制作更加简单，机械强度更高。
（4）      本天线采用共面波导馈电方式和两个方形缝隙环的辐射形式，结构简单紧凑。
（5）      本天线馈电及辐射结构中具有匹配调节缝隙，通过调节其长度可以方便地实现天线匹配。
附图说明
图1 是本发明毫米波段共面波导馈电的单层介质板Fabry-Perot天线结构的正视图。
     图2 是本发明毫米波段共面波导馈电的单层介质板Fabry-Perot天线结构的后视图。
图3 是本发明毫米波段共面波导馈电的单层介质板Fabry-Perot天线所用介质板层示意图。
     图4 是本发明毫米波段共面波导馈电的单层介质板Fabry-Perot天线的S参数图。
     图5 是本发明毫米波段共面波导馈电的单层介质板Fabry-Perot天线工作在35GHz中心频点时E面和H面辐射方向图。
图6 是本发明毫米波段共面波导馈电的单层介质板Fabry-Perot天线增益图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选实施例作详细说明：
实施例一：
参见图1和图2，本毫米波段共面波导馈电的高增益单层介质板Fabry-Perot天线，包括上层的频率选择性表面、中间层的介质基板（1）和下层的馈电及辐射结构，其特征在于：所述上层频率选择表面的单元形式为六边形金属环（2）；所述下层馈电及辐射结构包括共面波导地板（6）、共面波导馈线（7）、两个匹配调节缝隙（4）、两个方形环辐射缝隙（3）以及两个方形金属片（5），所述共面波导馈线（7）位于共面波导地板（6）下边中央开口处，共面波导馈线（7）两侧和地板（6）之间的两个缝隙构成所述匹配调节缝隙（4），两个方形环辐射缝隙（3）处于地板（6）的中部而分别以尖角处连接两个匹配调节缝隙（4），两个方形环辐射缝隙（3）之中构成所述两个方形金属片（5）；共面波导地板（6）和由六边形金属环（2）组成的频率选择性表面构成Fabry-Perot谐振腔。
实施例二：
参见图1和图2，本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：所述介质基板（1）尺寸25mm*25mm*3.254mm，上层和下层为金属涂层，材料为铜。
实施例三：
本毫米波段共面波导馈电的单层介质板Fabry-Perot天线共分上中下三层。上层如图1所示，由印刷在介质板（1）上的9??9个六边形金属环（2）构成频率选择性表面；下层如图2所示，为馈电及辐射结构，包括共面波导馈线（7）、共面波导地板（6）、两个方形辐射缝隙环（3），两个方形金属片（5）以及从共面波导馈线延长而出的两个匹配调节缝隙（4）；中间层如图3所示，为本实施例所使用的介质基板（2），厚度为H。
此天线是左右对称结构，共面波导地板（6）、共面波导馈线（7）和匹配调节缝隙（4）构成了共面波导的馈电结构。在工作频段上，改变匹配调节缝隙的长度能够使得天线获得较好的阻抗匹配。
两个方形辐射缝隙环（3）为本实施例的辐射结构，与共面波导馈线和地板之间的缝隙连为一体。方形辐射缝隙环的周长主要影响了天线的谐振频率。
印刷在介质板（1）上的多个六边形金属环（2）构成频率选择性表面，能够部分反射辐射缝隙辐射出的电磁波，与共面波导的地板构成Fabry-Perot谐振腔结构，当图3中介质板（1）的厚度H满足谐振条件时，对工作频段的电磁波起到增强作用，提高天线的增益。
图4显示了天线的S参数仿真结果，从图中可看出S11≤-10dB的阻抗带宽达到9.5%。
图5显示了天线工作在35GHz时的辐射方向图仿真结果。从图中可以看出在35GHz的中心频点上，天线具有16.3dBi的增益，旁瓣电平比为-12dB，前后比为13dB。
图6显示了天线增益随频率变化图，从图中可看出天线在35GHz时得到最大增益为16.3dBi。 

Claims (4)

1.一种毫米波段共面波导馈电的高增益单层介质板Fabry-Perot天线，包括上层的频率选择性表面、中间层的介质基板（1）和下层的馈电及辐射结构，其特征在于：所述上层频率选择表面的单元形式为六边形金属环（2）；所述下层馈电及辐射结构包括共面波导地板（6）、共面波导馈线（7）、两个匹配调节缝隙（4）、两个方形环辐射缝隙（3）以及两个方形金属片（5），所述共面波导馈线（7）位于共面波导地板（6）下边中央开口处，共面波导馈线（7）两侧和地板（6）之间的两个缝隙构成所述匹配调节缝隙（4），两个方形环辐射缝隙（3）处于地板（6）的中部而分别以尖角处连接两个匹配调节缝隙（4），两个方形环辐射缝隙（3）之中构成所述两个方形金属片（5）；共面波导地板（6）和由六边形金属环（2）组成的频率选择性表面构成Fabry-Perot谐振腔。
2.根据权利1所述的毫米波段共面波导馈电的高增益单层介质板Fabry-Perot天线，其特征在于：所述方形环辐射缝隙（3）为方形环缝隙，其周长主要影响天线谐振频率。
3.根据权利1所述的毫米波段共面波导馈电的高增益单层介质板Fabry-Perot天线，其特征在于：所述六边形金属环（2）作为单元形式，多个单元周期性地印刷在介质基板（1）上层构成频率选择性表面，部分反射方形环辐射缝隙（3）所辐射出的能量。
4.根据权利1所述的毫米波段共面波导馈电的高增益单层介质板Fabry-Perot天线，其特征在于：所述频率选择性表面印刷在介质基板（1）上层，共面波导地板（6）印刷在介质基板（1）下层，这两部分构成Fabry-Perot谐振腔，没有空气层结构。
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