CN107039758B - 双极化宽频带Fabry-Pérot天线 - Google Patents

双极化宽频带Fabry-Pérot天线 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种双极化宽频带Fabry‑Pérot天线，其包括圆柱形介质柱天线、介质柱天线的馈电网络、第一层反射面、第二层反射面。该圆柱形介质柱天线由微带线进行耦合馈电，该第一层反射面、第二层反射面设置在圆柱形介质柱天线上方。本发明实现了双极化小型化谐振腔天线，实现天线的双极化工作，对于每一种极化的工作模式，天线可以实现15dB的阻抗带宽和3dB增益带宽均高于12％，且在频带内增益大于13dB。本发明双极化宽频带Fabry‑Pérot天线增益宽带高、双极化小型化，并且能够满足阻抗带宽15dB的工业标准。

Description

双极化宽频带Fabry-Pérot天线
【技术领域】
本发明涉及通信的谐振腔天线技术领域，尤其是涉及一种双极化宽频带Fabry-Pérot天线。
【背景技术】
近年来，高增益、低剖面的平面天线被广泛应用到厘米波、甚至毫米波通讯上，比如高速无线局域网、卫星收发系统和点对点的无线通信。但由于单个天线的增益较小、带宽较窄，无法满足现今通信系统需求。阵列排布天线通过耦合可以提高增益与带宽，但天线馈电系统会很复杂。相对而言，Fabry-Pérot谐振腔天线为我们提供了一种简单的提高天线增益却不增大馈电系统复杂性的新方法。传统的Fabry-Pérot谐振腔天线是由部分反射板PRS加载于平面天线之上构成，其谐振腔高度为工作波长的一半。
2005年，Feresidis等人将AMC(artificialmagneticconductor，人工磁导体)覆于平面馈源天线周围，成功将谐振腔高度降到工作波长的四分之一；2014年，Debogovic将部分反射板PRS置于两个平面天线形成的阵列之上，实现了独立的波速扫描和波瓣大小控制；2013年出现了可共形的Fabry-Pérot谐振腔天线；2014年，Fabry-Pérot谐振腔天线实现了将馈源线极化方式转化为天线整体圆极化的功能。经过这些年的发展，Fabry-Pérot谐振腔天线实现了很多功能，但是，通过查阅相关Fabry-Pérot谐振腔天线资料后，我们发现，传统的Fabry-Pérot谐振腔天线的3dB增益带宽很低，上述文献中所描述的Fabry-Pérot谐振腔天线3dB增益带宽不超过2％。
为了解决现有Fabry-Pérot谐振腔天线增益带宽低的问题，专利申请CN201510446373.6提供了一种改进型Fabry-Pérot谐振腔天线，该天线包括馈源110和一个单层部分反射板120，如图1-3所示。馈源110为矩形贴片天线，部分反射板120平行置于馈源上方，馈源与部分反射板之间形成的谐振腔腔体高度为h；部分反射板为双面覆层结构，其上表面为周期排布的敷铜阵列(如图2所示)，下表面为周期排布的镂空十字型敷铜方阵列(如图3所示)；
虽然该发明在一定程度上提高了增益带宽，但该技术方案仍存在缺点，该发明只能实现单一极化方向图的辐射，并不能实现双极化的辐射，并且该发明的阻抗带宽是以10dB为标准，不能满足工业界15dB的标准。
因此，提供一种增益宽带高、双极化小型化谐振腔天线实为必要。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种增益宽带高、双极化小型化的、满足工业标准的双极化宽频带Fabry-Pérot天线。
为实现本发明目的，提供以下技术方案：
本发明提供一种双极化宽频带Fabry-Pérot天线，其包括圆柱形介质柱天线、介质柱天线的馈电网络、第一层反射面、第二层反射面，该圆柱形介质柱天线由微带线进行耦合馈电，该第一层反射面、第二层反射面设置在圆柱形介质柱天线上方。
优选的，其包括两个互相垂直的所述微带线，通过地板上的两个互相垂直的过孔对该圆柱形介质柱天线馈电。
优选的，该微带线的末端采用阶梯阻抗变换器匹配电路。
优选的，该第一层反射面、第二层反射面均为双面覆层结构的介质基板，介质基板有上下两个平面，每一平面均为周期排布的矩形环状敷铜结构。
优选的，该第一层反射面距离地板的距离为h1，该第二层反射面与第一层的间距为h2，h1大于h2。
优选的，间距h2为真空中波长的0.035～0.4倍，更优选的，间距h2为真空中波长的0.037倍，h1为真空中波长的0.5倍。
优选的，该第一层反射面和第二层反射面的两面的单元周期均小于真空中波长的一半，每一面矩形环的尺寸要小于单元周期的长度。
优选的，该第一层反射面的下平面和上平面为周期排布的正方形环状敷铜结构。下平面的正方形环的外边长为11.5mm，内边长为7.1mm，上平面的正方形环外边长是11.8mm，内边长是10mm。
优选的，该第二层反射面的下平面和上平面为周期排布的正方形环状敷铜结构，下平面的正方形环的外边长为10.9mm，内边长为6.5mm，上平面的正方形环外边长是10.3mm，内边长是4mm。
优选的，所用的介质基板的介电常数为4.4，单元周期为12.8mm。
优选的，该圆柱形介质柱天线位于双极化宽频带Fabry-Pérot天线的中央。
优选的，该第一层反射面和第二层反射面的介质基板的四周设有为尼龙介质支撑柱预留的定位孔。通过尼龙介质支柱，可以将两层反射面连接，其间距为h2。同样，用尼龙介质柱，将这两层反射面置于地板上h1处。
在其他实施方式中，介质基板若为其他类型电路板，根据上述设计理论，单元的周期和每一层面距形环的尺寸会有所不同，其变化与所采用的介质基板的介电常数有关。
对比现有技术，本发明具有以下优点：
本发明实现了双极化小型化谐振腔天线，实现天线的双极化工作，对于每一种极化的工作模式，天线可以实现15dB的阻抗带宽和3dB增益带宽均高于12％，且在频带内增益大于13dB。同时，天线的口面尺寸仅为真空中波长的2倍左右。本发明双极化宽频带Fabry-Pérot天线增益宽带高、双极化小型化，并且能够满足阻抗带宽15dB的工业标准。
【附图说明】
图1是现有技术Fabry-Pérot谐振腔天线示意图；
图2是现有技术部分反射板上表面的示意图；
图3是现有技术部分反射板下表面的示意图；
图4是本发明双极化宽频带Fabry-Pérot天线的示意图；
图5是本发明圆柱型介质天线的馈电网络示意图；
图6是本发明天线第一层反射面介质基板下平面的示意图；
图7是本发明天线第一层反射面介质基板上平面的示意图；
图8是本发明天线第二层反射面介质基板下平面的示意图；
图9是本发明天线第二层反射面介质基板上平面的示意图。
【具体实施方式】
下面结合附图4至附图9说明本发明实施方式。
请参阅图4和图5，本发明双极化宽频带Fabry-Pérot天线包括圆柱形介质柱天线25、馈电网络基板10、第一层反射面27、第二层反射面28，该圆柱形介质柱天线25位于双极化宽频带Fabry-Pérot天线的中央。该第一层反射面27、第二层反射面28设置在圆柱形介质柱天线25上方。
馈电网络基板10上设有介质柱天线的馈电网络，馈电网络基板的地板24上设置两个相互垂直的过孔26，馈电网络两个互相垂直的微带线22通过所述地板上的两个过孔26对该圆柱形介质柱天线25进行耦合馈电，可实现双极化辐射。
该微带线22的末端采用阶梯阻抗变换器匹配电路，如图5所示，可实现宽频带15dB良好的阻抗匹配。
该第一层反射面27距离地板的距离为h1，该第二层反射面28与第一层的间距为h2，h1大于h2。在本实施例中，间距h2为真空中波长的0.037倍，h1为真空中波长的0.5倍。通过尼龙介质支柱，可以将两层反射面连接，以及将这两层反射面置于地板上h1处。
请结合参阅图6～9，该第一层反射面27、第二层反射面28均为双面覆层结构的介质基板，介质基板有上下两个平面，每一平面均为周期排布的矩形环状敷铜结构。该第一层反射面和第二层反射面的两面的单元周期均小于真空中波长的一半，每一面矩形环的尺寸要小于单元周期的长度。
在本实施例中，所用的介质基板的介电常数为4.4，单元周期为12.8mm。
该第一层反射面27的下平面和上平面为周期排布的正方形环状敷铜结构，下平面正方形环的外边长为11.5mm，内边长为7.1mm，上平面的正方形环外边长是11.8mm，内边长是10mm。
该第二层反射面28的下平面和上平面为周期排布的正方形环状敷铜结构，下平面的正方形环的外边长为10.9mm，内边长为6.5mm，上平面的正方形环外边长是10.3mm，内边长是4mm。
在其他实施方式中，基板若为其他类型电路板，根据上述设计理论，单元的周期和每一层面距形环的尺寸会有所不同。
如图6～9所示，该第一层反射面和第二层反射面的介质基板的四周设有定位孔30。
本发明双极化宽频带Fabry-Pérot腔体天线用一个双极化圆柱介质天线做为激励源，并采用两层双面敷铜的介质基板作为天线的部分反射板，这两层介质基板的距离相对于真空中波长非常小。本发明可以实现天线的双极化工作，对于每一种极化的工作模式，天线的可以实现15dB的阻抗带宽和3dB增益带宽均高于12％，且在频带内增益大于13dB。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，本发明的保护范围并不局限于此，任何基于本发明技术方案上的等效变换均属于本发明保护范围之内。

Claims (9)

1.一种双极化宽频带Fabry-Pérot天线，其特征在于，其包括圆柱形介质柱天线、介质柱天线的馈电网络、第一层反射面、第二层反射面，该圆柱形介质柱天线由微带线进行耦合馈电，该第一层反射面、第二层反射面设置在圆柱形介质柱天线上方，该第一层反射面、第二层反射面均为双面覆层结构的介质基板，介质基板有上下两个平面，每一平面均为周期排布的矩形环状敷铜结构。
2.如权利要求1所述的双极化宽频带Fabry-Pérot天线，其特征在于，其包括两个互相垂直的所述微带线，通过地板上的两个互相垂直的过孔对该圆柱形介质柱天线馈电。
3.如权利要求1或2所述的双极化宽频带Fabry-Pérot天线，其特征在于，该微带线的末端采用阶梯阻抗变换器匹配电路。
4.如权利要求1所述的双极化宽频带Fabry-Pérot天线，其特征在于，该第一层反射面距离地板的距离为h1，该第二层反射面与第一层的间距为h2，h1大于h2。
5.如权利要求4所述的双极化宽频带Fabry-Pérot天线，其特征在于，间距h2为真空中波长的0.035～0.4倍，h1为真空中波长的0.5倍。
6.如权利要求4所述的双极化宽频带Fabry-Pérot天线，其特征在于，该第一层反射面和第二层反射面的两面的单元周期均小于真空中波长的一半，每一面矩形环的尺寸要小于单元周期的长度。
7.如权利要求6所述的双极化宽频带Fabry-Pérot天线，其特征在于，所用的介质基板的介电常数为4.4，单元周期为12.8mm。
8.如权利要求4所述的双极化宽频带Fabry-Pérot天线，其特征在于，该第一层反射面的下平面和上平面为周期排布的正方形环状敷铜结构，下平面正方形环的外边长为11.5mm，内边长为7.1mm，上平面的正方形环外边长是11.8mm，内边长是10mm；该第二层反射面的下平面和上平面为周期排布的正方形环状敷铜结构，下平面的正方形环的外边长为10.9mm，内边长为6.5mm，上平面的正方形环外边长是10.3mm，内边长是4mm。
9.如权利要求1或2所述的双极化宽频带Fabry-Pérot天线，其特征在于，该圆柱形介质柱天线位于双极化宽频带Fabry-Pérot天线的中央。
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