CN104916918A - 一种基于超材料加载的高增益喇叭天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于超材料加载的高增益喇叭天线，包括标准喇叭天线、超材料平板以及用于超材料平板定位固定的四个螺丝钉，超材料平板由多个具有不同内部金属结构尺寸的四种超材料结构单元平行紧贴排列而成，将其加载到标准喇叭天线的输出端口面上，可以调整喇叭天线的电磁波幅度与相位分布，进而实现其高增益辐射。本发明可用于微波毫米波通信以及雷达天馈系统中，其优点是适用于天馈系统的小型化、轻量化、集成化、低成本化，而且其加工周期短，多种辐射性能可以通过更换不同结构单元排布的超材料平板来轻松实现。

Description

一种基于超材料加载的高增益喇叭天线
技术领域
本发明属于微波毫米波天线技术领域，涉及一种高增益喇叭天线。
背景技术
喇叭天线是现代通信以及雷达系统中常用的一种天线形式，因其具有高功率容量以及低损耗等特点，特别适用于大功率以及极高频系统中。只是，随着现代通信以及雷达系统的快速发展，微波毫米波天线的电性能要求越来越高，同时还向着小型化、轻量化、集成化、低成本化的方向发展，因此，喇叭天线的改进设计仍是科学界以及工业界的一大热点。
为提高喇叭天线的辐射增益进而实现系统的远距离工作，杨锐等人公开了一种介质透镜加载的高增益超宽带波纹双脊喇叭天线(杨锐、孔祥辉、王慧、雷振亚，透镜加载的高增益超宽带波纹双脊喇叭天线，中国发明专利，申请号201410740432.6，申请日2014.12.08)，通过加载特定曲面的介质材料，实现了喇叭天线输出端口面的电磁波相位调整进而提高了天线的辐射增益。只是该喇叭天线存在结构复杂、加工成本高、重量重等缺点。Abdelrahman等人公开了一种通过三层透射表面加载的高增益天线(A.H.Abdelrahman,A.Z.Elsherbeni,and Y.Fan,"High-Gain and Broadband Transmitarray Antenna Using Triple-Layer Spiral Dipole Elements,"Antennas and Wireless Propagation Letters,IEEE,vol.13,pp.1288-1291,2014)，通过调整三层透射结构的不同尺寸单元排布，实现天线输出端口面的电磁波相位调整进而提升天线的辐射增益。只是三层透射表面的加工误差大、成本高，各层结构之间耦合特性分析困难导致设计周期长。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足，提供一种基于超材料加载的高增益喇叭天线，在实现天线高增益辐射的前提下，同时实现其结构的集成化、轻量化和低成本化。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：一种基于超材料加载的高增益喇叭天线，包括标准喇叭天线、超材料平板以及用于超材料平板定位固定的四个螺丝钉；所述超材料平板由印制在单层介质基片上的多个第一超材料结构单元、第二超材料结构单元、第三超材料结构单元以及第四超材料结构单元平行紧贴排列而成，四种超材料结构单元的具体个数与排列顺序由标准喇叭天线输出端口面的尺寸以及电磁波幅度相位分布情况而定，在超材料平板的四角钻有四个定位固定用的通孔；所述标准喇叭天线的输出端面四角钻有四个定位固定用的螺丝孔；所述四个螺丝钉的螺纹直径与标准喇叭天线上的四个螺丝孔直径以及超材料平板上的四个通孔直径相同，通过四个螺丝钉将超材料平板固定在标准喇叭天线的输出端面上。
进一步的，所述第一超材料结构单元由印制在介质基片正面的单层直金属条构成；所述第二超材料结构单元由印制在介质基片正面的单层工字型金属条构成；所述第三超材料结构单元由印制在介质基片正反面的双层直金属条构成；所述第四超材料结构单元由印制在介质基片正反面的双层直金属缝隙构成；所述第一超材料结构单元、第二超材料结构单元、第三超材料结构单元以及第四超材料结构单元其整个单元外边框均成正方形，且具有相同边长。
进一步的，所述超材料平板的外边框尺寸不超过标准喇叭天线1的输出端面外边框尺寸。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：
(1)本发明所采用的超材料平板由单层平面介质基板印制四种不同超 材料结构单元并按照一定规律平行紧贴排列而成，具有设计简单、成本低、制备周期短、重量轻等优点；同时，因为采用了四种不同超材料结构单元的组合排列，可以实现喇叭天线输出端口面电磁波幅度相位的大范围调整，进而提高喇叭天线的辐射增益。
(2)本发明是在已经批量化生产使用的标准喇叭天线输出端口面上通过四个螺丝钉将超材料平板加载上去，来提升其辐射增益，应用推广便捷、成本低，且整体结构具有高集成化优点。
(3)本发明可以通过更换不同结构尺寸的超材料平板来轻松实现不同辐射特性的高增益喇叭天线，而且超材料平板还能起到保护喇叭天线免遭粉尘、沙粒填充的危险，因此其适用场合广泛。
附图说明
图1是本发明的总体结构展开示意图。
图2是本发明所采用的超材料平板正视图。
图3是本发明在110GHz极高频远场E面方向图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、解决的技术问题以及技术方案更加清晰，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的描述。
图1为本发明的一个具体实施例总体结构展开示意图，包括标准喇叭天线1、超材料平板2以及用于超材料平板定位固定的四个螺丝钉3。所述超材料平板2由印制在厚度为0.127mm的低损耗Rogers 5880介质基片20两面的22个第一超材料结构单元21、22个第二超材料结构单元22、73个第三超材料结构单元23以及46个第四超材料结构单元24平行紧贴排列而成，在超材料平板的四角钻有四个定位固定用的通孔25；所述标准喇叭天线1选择工作于75～110GHz的W波段标准角锥喇叭天线，在其输出端面四角钻有四个定位固定用的螺丝孔11；所述四个螺丝钉3的螺纹直径与标准 喇叭天线1上的四个螺丝孔11直径以及超材料平板上的四个通孔25直径相同，均为2mm；通过四个螺丝钉3将超材料平板2集成固定在标准喇叭天线1的输出端面上。
进一步的，如图2的超材料平板正视图所示，所述22个第一超材料结构单元21由印制在介质基片20正面的单层直金属条构成，每个结构单元的金属条尺寸根据位置不同略有调整；所述22个第二超材料结构单元22由印制在介质基片20正面的单层工字型金属条构成，每个结构单元的工字型金属条尺寸根据位置不同也略有调整；所述73个第三超材料结构单元23由印制在介质基片20正反面的双层直金属条构成，每个结构单元的双层金属条结构尺寸根据位置不同也略有调整；所述46个第四超材料结构单元24由印制在介质基片20正反面的双层直金属缝隙构成，每个结构单元的双层直金属缝隙尺寸同样根据位置不同略做调整；所述第一超材料结构单元21、第二超材料结构单元22、第三超材料结构单元23以及第四超材料结构单元24虽然其内部金属部分结构尺寸各不相同，但是其整个单元边界尺寸均成正方形，且具有相同的1.5mm边长。
进一步的，所述超材料平板2的外边框尺寸与标准喇叭天线1的输出端面外边框尺寸相同，均为40mm*36mm。
本发明的技术方案的原理是：第一超材料结构单元21、第二超材料结构单元22、第三超材料结构单元23以及第四超材料结构单元24受电磁波照射后，可宏观等效为具有不同介电常数以及磁导率的超材料，改变上述四种超材料结构中的金属部分结构尺寸，可以对其所等效的介电常数以及磁导率参数值进行调整。将多种具有不同内部结构尺寸的第一超材料结构单元21、第二超材料结构单元22、第三超材料结构单元23以及第四超材料结构单元24平行紧贴排列在一起后，就形成了具有各向异性的超材料平板。利用该超材料平板可以实现空间电磁波的幅度、相位调整。而对于传 统的标准喇叭天线，因为其辐射口径面是从一个标准矩形波导通过线性渐变方式逐步扩展而成的，在其最终的输出端口面上，电磁波的幅度和相位分布均不相同，这就导致了其辐射增益受限。本发明正是通过将具有空间电磁波幅度、相位调整能力的超材料平板加载到标准喇叭天线输出端口面上，在不增加口径面积的前提下，实现喇叭天线输出端口面上的电磁波幅度和相位均匀化，进而提升其辐射增益。
图3给出了本具体实施中喇叭天线在110GHz的E面方向图，其最大增益达到26.3dB，比未加载超材料平板之前的标准角锥喇叭天线增益增加了2.7dB；相应的反射系数小于-10dB。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于超材料加载的高增益喇叭天线，包括标准喇叭天线(1)、超材料平板(2)以及用于超材料平板定位固定的四个螺丝钉(3)，其特征在于：所述超材料平板(2)由印制在单层介质基片(20)上的多个第一超材料结构单元(21)、第二超材料结构单元(22)、第三超材料结构单元(23)以及第四超材料结构单元(24)平行紧贴排列而成，四种超材料结构单元的具体个数与排列循序由标准喇叭天线输出端口面的尺寸以及电磁波幅度相位分布情况而定，在超材料平板的四角钻有四个定位固定用的通孔(25)；所述标准喇叭天线(1)的输出端面四角钻有四个定位固定用的螺丝孔(11)；所述四个螺丝钉(3)的螺纹直径与标准喇叭天线(1)上的四个螺丝孔(11)直径以及超材料平板上的四个通孔(25)直径相同，通过四个螺丝钉(3)将超材料平板(2)固定在标准喇叭天线(1)的输出端面上。
2.根据权利要求1所述的基于超材料加载的高增益喇叭天线，其特征在于：所述第一超材料结构单元(21)由印制在介质基片(20)正面的单层直金属条构成；所述第二超材料结构单元(22)由印制在介质基片(20)正面的单层工字型金属条构成；所述第三超材料结构单元(23)由印制在介质基片(20)正反面的双层直金属条构成；所述第四超材料结构单元(24)由印制在介质基片(20)正反面的双层直金属缝隙构成；所述第一超材料结构单元(21)、第二超材料结构单元(22)、第三超材料结构单元(23)以及第四超材料结构单元(24)其整个单元边界均成正方形，且具有相同边长。
3.根据权利要求1所述的基于超材料加载的高增益喇叭天线，其特征在于：所述超材料平板(2)的外边框尺寸不超过标准喇叭天线(1)的输出端面外边框尺寸。
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