CN106961012B - 基于超表面的低剖面双波束频扫谐振腔天线 - Google Patents

基于超表面的低剖面双波束频扫谐振腔天线 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种基于超表面的低剖面双波束频扫谐振腔天线，用于解决现有技术加载有源器件和馈电网络后结构复杂的问题，其包括馈源天线和部分反射盖板；馈源天线(1)采用缝隙耦合微带天线，其自上而下包括金属贴片(11)，第一介质基板(12)，金属接地板(13)，第二介质基板(14)和馈电线(15)；部分反射盖板(2)由数个反射单元(3)周期排列而成，该反射单元为双层覆铜结构，其上表面印制有方形缝隙贴片(31)，下表面印制有方形金属贴片(33)，该方形缝隙贴片(31)上蚀刻有上下非对称的双开口缝隙，用于用于实现在无源条件下的双波束扫描。本发明结构简单，加工方便的优点，可用于基站、微波远程传输系统中。

Description

基于超表面的低剖面双波束频扫谐振腔天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体涉及一种低剖面双波束频扫谐振腔天线，可用于基站、微波远程传输系统中。
技术背景
谐振腔天线的出现为我们提供了一种实现天线高增益且不需要增加复杂馈电系统的新方法，广泛应用于天线基站、微波远程传输等无线系统中。谐振腔天线的设计通常是在微带天线上方添加一块具有部分反射特性的盖板，这个结构可以使满足谐振条件的电磁波穿过部分反射盖板时实现同相叠加，从而实现天线的高增益。传统的谐振腔天线具有增益高、设计简单等优点，但也存在一定的缺陷，主要体现在以下方面：1.纵向剖面通常较高，其谐振腔的腔体高度一般为半个波长。当天线工作在低频情况时，将会导致天线体积较大；2.增益带宽较窄，通常传统的谐振腔天线的3dB增益带宽仅为2％；3.通常无源设计中仅简单的做为高增益天线使用，波束重构和波束扫描类的谐振腔天线实现较为复杂，通常需要加载有源器件。
为了降低谐振腔天线的纵向剖面，2013年，韩雷在名为“低剖面高增益Fabry-Perot谐振腔天线研究”的硕士论文中，提出了一种基于人工电磁材料覆层的低剖面谐振腔天线，该人工覆层结构在谐振频点处的反射相位为2°，与传统的谐振腔天线相比，反射相位极大的降低，其腔体高度比传统的Fabry-Perot谐振腔天线相降低了7.6mm。
为了克服增益带宽较窄的缺陷，2014年，王乃志在名为“宽带高增益Fabry-Perot谐振腔天线研究”的博士论文中，提出了基于频率选择表面的宽带谐振腔天线，其馈源使用具有较宽的宽带的缝隙耦合微带天线，相对增益带宽为28％，与传统的谐振腔天线的2％相比，有了极大的提高。
为了实现谐振腔天线的波束重构和波束扫描，2014年，朱玲玲在名为“波束可重构的Fabry-Perot谐振腔天线的设计”的硕士论文中，提出了一种波束可重构的Fabry-Perot谐振腔天线，设计变容二极管电容分别为0.31pF和0.45pF时形成两种可控的波束，当C＝0.31pF时，FP谐腔振天线工作在谐振方式下，形成高增益的笔状波束；当C＝0.45pF时，笔状波束分裂，形成与法向成20度左右夹角的双向波束。同时还提出了一种Fabry-Perot波束扫描的谐振腔天线，通过对电容二极管的电容值进行有序的调节，使阵子单元的透射相位依次改变，实现了-20°～20°范围内谐振腔天线的波束扫描。
上述现有技术的缺陷在于，为实现波束重构和波束扫描，引入了有源器件和馈电网络，结构复杂，波束扫描角度有限。
发明内容
本发明的目的在于针对目前已有技术的不足，提出一种基于超表面的低剖面双波束频扫谐振腔天线，以免除有源器件和馈电网络，简化具有波束控制特性的谐振腔天线的结构。
实现发明目的的技术关键是：在谐振腔天线上加盖一种具有频率控制波束扫描特性的新型反射盖板，通过调节谐振频率实现谐振腔天线的波束调控，其结构如下：
一种基于超表面的低剖面双波束频扫谐振腔天线，包括馈源天线和部分反射盖板，部分反射盖板由多个反射单元周期排列而成，且平行置于馈源天线的上方，其特征在于：每个反射单元包括方形缝隙贴片、介质基板和方形金属贴片，该方形缝隙贴片印制在介质基板的上表面，方形金属贴片印制在介质基板的下表面，用于实现双波束扫描。
作为优选，所述方形缝隙贴片上蚀刻有上下非对称的双开口缝隙，且上开口宽度为下开口宽度的0.02～0.5倍。
作为优选，所述馈源天线，采用缝隙耦合微带天线，其自上而下包括金属贴片、第一介质基板、金属接地板、第二介质基板和馈电线；金属接地板的中心位置开有长方形小孔，用于实现金属贴片与馈电线之间的缝隙耦合。
作为优选，所述部分反射盖板，其与馈源天线之间的距离h为：
其中λ为工作波长，为部分反射盖板的反射系数相位值，为金属接地板的反射系数相位值，n为电磁波在谐振腔内的反射次数。
本发明由于在部分反射板上加载上下非对称的双开口方形缝隙，与现有技术相比，具有以下优点：
1.实现了双波束扫描，使得波束角度随着谐振频率的变化而变化，与现有的有源技术相比，避免了采用有源反射盖板所需的复杂馈电网络，而且波束扫描范围大，结构简单，容易加工。
2.实现了波束重构，随着谐振频率的变化，天线能从笔状波束重构为两个具有一定夹角的波束，与现有的有源技术相比，避免了有源技术需要调节馈电网络偏置电压的问题。
3.降低了谐振腔天线的腔体高度，与传统的谐振腔天线半个波长的腔体高度相比，本发明的腔体高度h仅为波长的四分之一。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明中的馈源天线结构示意图，图2(a)是馈源天线的仰视图，图2(b)是馈源天线的主视图；
图3是本发明中的反射单元结构示意图；
图4是本发明中反射单元的反射系数的相位曲线图；
图5是本发明中谐振腔高度随谐振频率变化的曲线图；
图6是本发明的电压驻波比的曲线图；
图7是本发明的增益曲线图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1和图2，本发明基于超表面的频扫多波束谐振腔天线结构给出如下三种实施。
实施例一，天线边长为106mm，反射单元反射单元的介电常数为3.3，其双开口方形缝隙上开口为0.2mm，下开口为0.8mm的双波束频扫谐振腔天线。
本实例天线包括馈源天线1和部分反射盖板2，该部分反射盖板2平行置于馈源天线1的上方，馈源天线1与部分反射盖板2形成高度为h的谐振腔腔体，其中且馈源天线1与部分反射盖板2的边长w均为106mm，其中λ为工作波长，为部分反射盖板的反射系数相位值，为金属接地板的反射系数相位值，n为电磁波在谐振腔内的反射次数。
所述馈源天线1采用缝隙耦合微带天线，其自上而下包括金属贴片11，第一介质基板12、金属接地板13、第二介质基板14和馈电线15五部分；第一介质基板12采用介电常数为2.2～4.4的单面方形覆铜基板，金属贴片11印制在第一介质基板12上；第二介质基板14采用介电常数为2.2～4.4的双面方形覆铜基板，金属接地板13和馈电线15分别印制在第二介质基板14的上表面和下表面，该第二介质基板14的边长大于第一介质基板12的边长。
本实施例设馈源天线1的参数如下，但不限于如下参数：
第一介质基板12的边长wl为10mm，厚度h1为3.175mm，介电常数εr1为3.3，金属贴片11的边长wp为6.5mm；
第二介质基板14的边长w为106mm，厚度h2为0.508mm，介电常数εr2为3.3；馈电线15的宽度w1为1.57mm，其伸出中心位置的长度l1为1.5mm；金属接地板13的边长w为106mm，其中心位置有长la为6.3mm，宽wa为1mm的长方形小孔131，用于实现金属贴片11与馈电线15之间的缝隙耦合；
参照图3，本发明部分反射盖板2由多个反射单元3组成，反射单元3的个数根据波束扫描角度的个数确定，扫描角度越多，要求反射单元3组成的阵列个数越多。本实施例取17×17个反射单元按周期排列组成部分反射盖板2，每个反射单元3采用介电常数为2.2～4.4的双面方形覆铜基板，其上表面印制有方形缝隙贴片31，下表面印制有方形金属贴片33，用于实现双波束扫描。该方形缝隙贴片31上蚀刻有上下非对称的双开口缝隙，且上开口宽度为下开口宽度的0.02～0.5倍。
本实施例设反射单元3的参数如下，但不限于如下参数：
反射单元3的边长a为6mm，厚度h3为0.5mm，介电常数εr3为3.3；方形缝隙贴片31的边长与反射单元3的边长相同，方形缝隙的外边长度a1为5.8mm，方形缝隙的外边宽度b1为5.6mm，方形缝隙的内边长度a2为4.8mm，方形缝隙的内边宽度b2为4.6mm，方形缝隙的上开口d1为0.2mm，方形缝隙的下开口d2为0.8mm；方形金属贴片33的边长c1为5.8mm。
实施例二，天线边长为140mm，反射单元的介电常数为2.65，其双开口方形缝隙上开口为0.4mm，下开口为3.8mm的双波束频扫谐振腔天线。
本实施例的结构与实施例一相同，具体参数调整如下：馈源天线1与部分反射盖板2的边长w均设为140mm，其第一介质基板12和第二介质基板14的介电常数均为2.2；部分反射盖板2由23×23个反射单元3周期排列组成，每个反射单元3的介电常数为2.65，其上表面的方形缝隙贴片31的上开口d1为0.4mm，下开口d2为3.8mm。
实施例三，天线边长为200mm，反射单元的介电常数为4.4，其双开口方形缝隙上开口为1.2mm，下开口为4mm的双波束频扫谐振腔天线。
本实施例的结构与实施例一的结构相同，具体参数调整如下：馈源天线1与部分反射盖板2的边长w均设为200mm，其第一介质基板12和第二介质基板14的介电常数均为4.4；部分反射盖板2由33×33个反射单元3周期排列组成，每个反射单元3的介电常数为4.4，其上表面的方形缝隙贴片31的上开口d1为1.2mm，下开口d2为4mm。
本发明的技术效果可通过以下仿真进一步说明。
1.仿真软件：采用CST Microwave Studio电磁仿真软件，
2.仿真内容
仿真1，对本发明实施例二中反射单元3的反射系数相位值进行仿真，结果如图4。
从图4可见，当入射电磁波的角度θ从0°～50°变化时，反射单元3反射系数的相位值为0度的谐振频率分别为：f0°＝10.95GHz，f10°＝10.99GHz，f20°＝11.09GHz，f30°＝11.25GHz，f40°＝11.45GHz，f50°＝11.64GHz。
仿真2，取图4所示反射系数的相位值为0度的谐振频率，通过公式对不同谐振频率所对应的腔体高度进行计算，计算结果如图5，从图5可见：
当f0°＝10.95GHz时，h＝6.85mm；
当f10°＝10.99GHz时，h＝6.83mm；
当f20°＝11.09GHz时，h＝6.76mm；
当f30°＝11.25GHz时，h＝6.67mm；
当f40°＝11.45GHz时，h＝6.55mm；
当f50°＝11.64GHz时，h＝6.41mm；
可以看出，随着入射电磁波角度的变化，谐振腔高度h的变化范围为6.41mm～6.85mm，因此这里选取仿真结果最优的谐振腔高度h为6.8mm。
仿真3，对本发明实施例二的电压驻波比进行仿真，结果如图6。
从图6可以看出，谐振腔天线在谐振频率为10.73～12GHz时的电压驻波比小于2，说明天线工作在这个频带内，其输入端匹配良好。
仿真4，对本发明实施例二的增益进行仿真，结果如图7，从图7可以看出：
当天线工作在f＝10.74GHz时，其天线方向图的最大指向为0°方向，增益为20.3dBi，实现了笔状波束；
当天线工作在f＝10.87GHz时，其天线方向图的最大指向为15°和-15°方向，增益为17.7dBi，实现了双波束；
当天线工作在f＝11.12GHz时，其天线方向图的最大指向为26°和-26°方向，增益为17dBi，实现了双波束；
当天线工作在f＝11.47GHz时，其天线方向图的最大指向为40°和-40°方向，增益为14dBi，实现了双波束；
当天线工作在f＝12.00GHz时，其天线方向图的最大指向为50°和-50°方向，增益为15.3dBi，实现了双波束。
综上所述，当谐振频率变化时，谐振腔天线在0°～±50°内本发明能实现波束重构和双波束扫描。
以上描述仅是本发明的一个具体实施例，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于超表面的低剖面双波束频扫谐振腔天线，包括馈源天线(1)和部分反射盖板(2)，部分反射盖板(2)由多个反射单元(3)周期排列而成，且平行置于馈源天线(1)的上方，该馈源天线(1)采用缝隙耦合微带天线，其自上而下包括金属贴片(11)、第一介质基板(12)、金属接地板(13)、第二介质基板(14)和馈电线(15)；金属接地板(13)的中心位置开有长方形小孔(131)，用于实现金属贴片(11)与馈电线(15)之间的缝隙耦合，金属贴片(11)印制在第一介质基板(12)上，金属接地板(13)和馈电线(15)分别印制在第二介质基板(14)的上表面和下表面，该第二介质基板(14)的边长大于第一介质基板(12)的边长，其特征在于：
每个反射单元(3)包括方形缝隙贴片(31)、介质基板(32)和方形金属贴片(33)，该方形金属贴片(33)印制在介质基板(32)的下表面，该方形缝隙贴片(31)印制在介质基板(32)的上表面，且蚀刻有上下非对称的双开口缝隙，用于实现双波束扫描；
部分反射盖板(2)与馈源天线(1)之间的距离h为：
其中，λ为工作波长，为部分反射盖板(2)的反射系数相位值，为金属接地板(13)的反射系数相位值。
2.根据权利要求书1所述的天线，其特征在于：方形缝隙贴片(31)的上开口宽度为下开口宽度的0.02～0.5倍。
3.根据权利要求书1所述的天线，其特征在于：反射单元(3)的个数根据波束扫描角度的个数确定，扫描角度越多，要求反射单元(3)组成的阵列个数越多。
4.根据权利要求书1所述的天线，其特征在于：第一介质基板(12)采用介电常数为2.2～4.4的单面方形覆铜基板。
5.根据权利要求书1所述的天线，其特征在于：第二介质基板(14)采用介电常数为2.2～4.4的双面方形覆铜基板，该第二介质基板(14)的边长大于第一介质基板(12)的边长。
6.根据权利要求书1所述的天线，其特征在于：反射单元(3)采用介电常数为2.2～4.4的双面方形覆铜基板，该反射单元(3)所组成的部分反射盖板(2)的边长与馈源天线(1)中第二介质基板(14)的边长相同。
7.根据权利要求书1所述的天线，其特征在于：第二介质基板(14)的边长w为106mm～200mm。
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