CN105789843B - 基于左手材料的小型化定向天线 - Google Patents

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Abstract

基于左手材料的小型化定向天线，该天线采用左手结构作为基底填充材料实现天线的小型化，基于阵列与介质透镜的方式实现天线辐射方向的定向性，其主要模块：单元阵子模块，左手结构模块，阵列模块和透镜模块四个部分组成；本发明使用一种左手结构使单个的天线阵子尺寸减小并且辐射特性加强，使用了微带天线并联馈电阵列与天线辐射方向上添加透镜的方式使波束宽度小于10°，在保证了平面阵列天线小型化的同时满足了其定向性与高增益的要求。

Description

基于左手材料的小型化定向天线
技术领域
本发明涉及射频天线领域，以左手结构为研究对象，在此基础上设计了一种小型化、定向性的阵列天线。
背景技术
空间通信中，信号的保密性与高效性十分重要，这就要求在移动空间中使用的天线也具备较高定向性与较大的灵敏度。并且目前通信需求要求对设备的移动性，便携性需求越来越高，所要求的天线尽可能的向小型化发展，并且为了降低对天线发射系统的要求，必须要求天线的高增益。目前普遍定向平面阵的天线面积体积较大，无法满足更高的任务需求。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种基于左手结构的小型化定向平面天线阵，该系统使用一种变形的DSRR左手结构实现了相同性能下平面阵辐射性能增强20％，使用平面阵列以及透镜的方法缩小辐射波束宽度到10°之内，在保证了天线尺寸较小的基础上尽可能多的提高天线增益，缩小波束宽度。
本发明所采用的技术方案是：采用加载左手结构的微带天线作为阵子单元，通过并馈的方式将单元组合成阵列，并在阵列辐射方向上添加合适的透镜。该天线采用微带天线作为单元阵子，使用左手材料填充，并联馈电的方式组合天线单元形成阵列，使用透镜方式降低波束宽度。该系统包括透镜模块1、馈线部分2、单元阵子模块3、基底部分4、左手结构模块5，各模块的具体实现如下所述。
各单元阵子模块3通过馈线部分2依次连接并对称布置，进而组成阵列模块，阵列模块填充在基底部分4中，左手结构模块5均匀对称布置在基底部分4上；馈线部分2、单元阵子模块3、基底部分4、左手结构模块5组成的底部模块层，透镜模块1设置在底部模块层的顶部。
本发明的有益效果是：(1)该天线仅采用平面阵的形式就完成了整个设计，并充分利用了左手架构的材料特性，增强了天线阵的辐射特性，节约了大量的空间。(2)阵列模型采用了并联馈电的馈电方式，通过特殊的阵子排列方式使天线辐射特性受频率影响因素较小，频带较宽，利用切比雪夫分析法通过实现了阵子间高度互耦，缩小的波束宽度，提高了整个天线的效率。(3)采用了在辐射方向上添加毫米波透镜的方法，极大约束了天线波束，满足了不同环境下整体天线的体积小、易操作、灵活性高等优点。
附图说明
图1：天线结构总体框图。
图2：圆极化微带天线模块结构框图。
图3：左手架构模块结构框图。
图4：阵列模块结构框图。
图5：透镜模块结构框图。
图中：1、透镜模块，2、馈线部分，3、单元阵子模块，4、基底部分，5、左手结构模块，6、辐射贴片，7、阵子基底，8、铜片，9、填充的左手结构模块基底，10、介质透镜镜片，11、支柱，12、支撑平面。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
本发明基于左手材料的小型化定向天线的总体结构框图如图1所示，系统采用微带天线作为单元阵子，使用左手材料填充，并联馈电的方式组合天线单元形成阵列，使用透镜方式降低波束宽度。该天线包括透镜模块1、馈线部分2、单元阵子模块3、基底部分4、左手结构模块5，各模块的具体实现如下所述。
各单元阵子模块3通过馈线部分2依次连接并对称布置，进而组成阵列模块，阵列模块填充在基底部分4中，左手结构模块5均匀对称布置在基底部分4上；馈线部分2、单元阵子模块3、基底部分4、左手结构模块5组成的底部模块层，透镜模块1设置在底部模块层的顶部。
单元阵子模块如图2所示，单元阵子模块3的主要作用是形成椭圆极化的辐射波；该模块由阵子基底7、辐射贴片6、微带馈线构成，首先通过微带馈线与辐射贴片6相连馈电，辐射贴片6填充在阵子基底7中，辐射贴片6通过侧馈的方式与地相连；通过辐射贴片6两边辐射的电磁波，从而实现基础的单元天线辐射模式。单元阵子模块3主要具有两个功能：1)单元微带天线向空间辐射电磁波。2)调整单个阵子的辐射特性，匹配阻抗。
左手结构模块5如图3所示，谐振环由两个半开口的铜制正方形铜片8组成，铜片8的环向缺口方向相对，并填充在左手结构模块基底9中。左手结构模块5均匀对称布置在基底部分4上，辐射时谐振结构间耦合，左手结构模块5的主要作用是实现单元阵子的辐射特性增强；在一定频率区间内，当入射电磁波穿过谐振环时，谐振环上会产生感应电流，感应电流产生感应磁场，此时金属环结构能够产生负磁导率，产生带通的特性，抑制旁瓣增益，加强频带内能量反射；通过在微带天线基底介质中填充阵列形式的左手结构，并且调整左手结构间距与左手结构材料，可以大幅度缩小天线尺寸，增强辐射特性。
阵列模块结构如图4所示，该模块由各个单元阵子模块3和并联馈电网络组成，馈电网络利用若干个功率分配器，将输入功率分配到独立单元阵子模块3的阵元，所有阵元处于一个平面，采用平面阵并联馈电即可。这样虽然整体馈电网络比较复杂，但是整体阵列波束不会随着馈线长度发生变化。设计平面阵时，要利用切比雪夫加权方式分析单元之间耦合情况，整个平面阵列辐射特性中主瓣宽度与负瓣电平指标相矛盾，只有最佳设计(主瓣宽度小，负瓣电平低)的天线阵才能满足设计需要。采取阵列结构的主要原因是相比于抛物面天线平面阵天线体积较小，方向性与增益都能得到保证。
透镜模块如图5所示，透镜模块1由介质透镜镜片10与支柱11以及支撑平面12构成，介质透镜镜片10安装在支撑平面12上，支撑平面12通过支柱11与基底部分4连接。
采取在辐射方向上增加透镜主要是因为一方面可以继续缩小主瓣宽度，另一方面也加大辐射增益。
本发明采用左手结构配合透镜微带天线阵列完成基于左手材料的小型化定向天线，保证了天线的定向性，并通过左手结构使整个平面阵列尺寸大大减小，提高了系统的灵活性和便携性。
所述基底部分4、阵子基底7、左手结构模块基底9均采用聚四氟乙烯合成树脂。
所述介质透镜镜片10采用双曲面型介质的点聚焦透镜介质透镜，介质透镜镜片10采用聚四氟乙烯玻璃布板材料，依据双曲面型内表面方程式以及焦距方程和色散理论，辐射波穿过透镜汇聚于焦点，该模块的主要作用是增强天线的方向性。波长越大，折射率越小，这三点可得找到透镜的最佳半径，焦距以及厚度。

Claims (6)

1.基于左手材料的小型化定向天线，其特征在于：该天线包括透镜模块(1)、馈线部分(2)、单元阵子模块(3)、基底部分(4)、左手结构模块(5)；
各单元阵子模块(3)通过馈线部分(2)依次连接并对称布置，进而组成阵列模块，阵列模块填充在基底部分(4)中，左手结构模块(5)均匀对称布置在基底部分(4)上；馈线部分(2)、单元阵子模块(3)、基底部分(4)、左手结构模块(5)组成的底部模块层，透镜模块(1)设置在底部模块层的顶部，
单元阵子模块(3)的作用是形成椭圆极化的辐射波；该模块由阵子基底(7)、辐射贴片(6)、微带馈线构成，首先通过微带馈线与辐射贴片(6)相连馈电，辐射贴片(6)放置在阵子基底(7)上，辐射贴片(6)通过侧馈的方式与地相连；通过辐射贴片(6)两边辐射的电磁波，从而实现基础的单元天线辐射模式。
2.根据权利要求1所述的基于左手材料的小型化定向天线，其特征在于：左手结构模块(5)的谐振环由两个半开口的铜制正方形铜片(8)组成，铜片(8)的环向缺口方向相对，并填充在天线基底(9)中，辐射时谐振结构间耦合，左手结构模块(5)的主要作用是实现单元阵子的辐射特性增强；在一定频率区间内，当入射电磁波穿过谐振环时，谐振环上会产生感应电流，感应电流产生感应磁场，此时金属环结构能够产生负磁导率，产生带通的特性，抑制旁瓣增益，加强频带内能量反射；通过在微带天线基底介质中填充阵列形式的左手结构，并且调整左手结构间距与左手结构材料，可以大幅度缩小天线尺寸，增强辐射特性。
3.根据权利要求1所述的基于左手材料的小型化定向天线，其特征在于：阵列模块结构，该模块结构由各个单元阵子模块(3)和并联馈电网络组成，馈电网络利用若干个功率分配器，将输入功率分配到独立单元阵子模块(3)的阵元，所有阵元处于一个平面，采用平面阵并联馈电即可。
4.根据权利要求1所述的基于左手材料的小型化定向天线，其特征在于：透镜模块(1)由介质透镜镜片(10)与支柱(11)以及支撑平面(12)构成，介质透镜镜片(10)安装在支撑平面(12)上，支撑平面(12)通过支柱(11)与基底部分(4)连接。
5.根据权利要求4所述的基于左手材料的小型化定向天线，其特征在于：所述介质透镜镜片(10)采用双曲面型介质的点聚焦透镜介质透镜，介质透镜镜片(10)采用聚四氟乙烯玻璃布板材料。
6.根据权利要求1或2所述的基于左手材料的小型化定向天线，其特征在于：所述基底部分(4)、阵子基底(7)、左手结构模块基底(9)均采用聚四氟乙烯合成树脂。
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