CN107171065B - 一种新型的宽带低剖面介质透镜天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型的宽带低剖面介质透镜天线，属于微波技术领域。在本发明中天线馈源部分由两层介质板所构成，馈源底层介质板金属接地面上的矩形缝隙与其上层介质板上的方形贴片通过空气层来耦合产生线极化波。新型的无腔部分反射表面由两层带介质的频率选择表面所构成，其反射相位随频率呈正斜率变化，与馈源天线配合最终可使得天线的3dB增益带宽大大提高。无腔的部分反射表面降低了谐振腔天线的剖面高度，使得天线实现了低剖面特性。另外，该新型部分反射表面的反射系数也优于同等类型的表面，使得天线在工作频段的增益也更加平稳。综述所述，该设计具备一定的应用前景。

Description

一种新型的宽带低剖面介质透镜天线
技术领域
本发明涉及一种新型的宽带低剖面介质透镜天线，属于微波技术领域。
背景技术
随着现代无线通信技术的快速发展，对小型化平面化天线的要求越来越高，而且对其增益要求也越来越高。毫米波时代的到来，天线的频段资源变得越来越丰富，对于宽频带天线的需求也愈加紧迫。于是提出了通过在天线辐射方向添加部分辐射表面来以提高天线的增益的方法。
传统的介质透镜天线在设计时存在下述两个问题：
1、传统的介质透镜天线，阻抗带宽，增益带宽相对较窄，只能在很小的频段上工作。
2、传统的宽带介质透镜天线的部分反射表面都是带腔体的结构，即两层介质板之间包含空气层，这就使得天线剖面高度较高，而小型化又是今后天线发展的一个必然趋势。
发明内容
为了提高天线的带宽，降低天线的剖面高度，本发明提出了一种新型的口径耦合宽带低剖面介质透镜天线，有效地提高了天线的阻抗带宽、3dB增益带宽，且降低了剖面的高度。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
本发明提供一种新型的宽带低剖面介质透镜天线，包括自上而下同轴放置的均为正方形的第一至第四介质板，其中，第一、第二和第四介质板的边长相等，第三介质板的边长小于第一介质板；第一介质板堆叠在第二介质板的上表面，构成部分反射表面；第三介质板为辐射介质板，其与第二介质板之间有一层空气层；第四介质板为底层馈电板，其与第三介质板之间也有一层空气层；底层馈电板的下表面设置有一条沿其一边的中点向中心延伸的用于馈电的微带线；上表面布满金属层作为接地板，该接地板的中心位置开有一个矩形缝隙，以耦合微带线传递的能量；辐射介质板的下表面的中心处设置有第一方形金属贴片；部分反射表面的上表面设置有周期性的第一周期单元，第一周期单元包括四个矩形金属贴片和第二方形金属贴片，矩形金属贴片围成一个正方形，第二方形金属贴片设置在该正方形的中心处；部分反射表面的下表面设置有周期性的第二周期单元，第二周期单元为方环形金属贴片；第一周期单元和第二周期单元的周期相同。
作为本发明的进一步优化方案，部分反射表面的上下表面的周期单元未布满介质板表面，在介质板的四周预留一圈介质条带。
作为本发明的进一步优化方案，第一介质板和第二介质板的厚度及材质均不相同。
作为本发明的进一步优化方案，矩形缝隙与用于馈电的微带线垂直。
作为本发明的进一步优化方案，第一周期单元与第二周期单元的中心重合。
作为本发明的进一步优化方案，第一方形金属贴片关于辐射介质板的中心线对称。
作为本发明的进一步优化方案，微带线的长度大于底层馈电板边长的一半。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、本发明中，辐射介质板与底层馈电板之间有一层空气层，即辐射板与馈电板之间没有直接相接触，通过空气层，将从微带线所馈得的能量耦合到辐射介质板上的方形金属贴片上，形成天线辐射，这种方式大大提高了天线的阻抗带宽，提高了天线的辐射效率；
2、本发明中，通过新型部分反射表面的周期性结构的设计，部分反射表面在馈源工作频段的反射相位随频率呈正斜率，满足了透镜天线谐振条件，大大提高了天线的增益带宽；无腔结构的设计也实现天线的低剖面特性。
附图说明
图1是本发明的三维结构图。
图2是本发明的俯视图和侧视图，其中，（a）是俯视图，（b）是侧视图。
图3是部分反射表面上层板俯视图。
图4是部分反射表面上层板仰视图。
图5是部分反射表面上的周期单元结构示意图。
图6是辐射介质板仰视图。
图7是馈电介质板俯视图。
图8是馈电介质板仰视图。
图9是天线的S参数仿真与实测图。
图10是天线的增益随频率仿真与实测图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明提供一种由四层介质板构成的新型口径耦合宽带低剖面介质透镜天线，如图1和图2中（a）、（b）所示。四层介质板为自上而下同轴放置的均为正方形的第一至第四介质板，其中，第一、第二和第四介质板的边长相等，第三介质板的边长小于第一介质板；第一介质板堆叠在第二介质板的上表面，构成部分反射表面；第三介质板为辐射介质板，其与第二介质板之间有一层空气层；第四介质板为底层馈电板，其与第三介质板之间也有一层空气层。
如图3和图4所示，部分反射表面的上、下表面（即第一介质板的上表面和第二介质板的下表面）均设置有周期性的周期单元。如图5中的右部分所示，部分反射表面的上表面设置的周期单元包括四个矩形金属贴片和第二方形金属贴片，矩形金属贴片围成一个正方形，第二方形金属贴片设置在该正方形的中心处；如图5中的左部分所示，部分反射表面的下表面的周期单元为方环形金属贴片；且，部分反射表面的上、下表面设置的周期单元的周期相同。部分反射表面的上、下表面设置的周期单元并未敷满整个介质板，在介质板的四周留有部分介质，用于后期打孔固定。部分反射面上下表面的金属的形状和大小都会影响其反射系数的幅度和相位，从而影响天线的性能。
如图6所示，辐射介质板的下表面的中心处设置有一个方形金属贴片，该金属贴片的边长决定了天线的工作频段。之所以选择方贴片主要是为了产生单一的线极化波，且能够降低设计复杂度。
如图8所示，底层馈电板的下表面设置有一条沿其一边的中点向中心延伸的用于馈电的微带线，微带线的长度和宽度影响天线的输入阻抗以及辐射方向。如图7所示，底层馈电板的上表面布满金属层作为接地板，该接地板的中心位置开有一个矩形缝隙，矩形缝隙的宽度和长度也会对天线辐射性能产生影响。缝隙的作用主要是耦合微带线传递的能量，再通过辐射介质板和底层馈电板之间的空气层耦合到辐射介质板上的方形金属贴片产生辐射。
本发明中，底层馈电板由下表面的微带线馈电到上表面的金属接地板（GND），在金属接地板上开有矩形缝隙，使得微带线传输的能量能够继续向上层传递。由下往上第二层的辐射介质板上印刷有用于辐射的方形金属贴片，通过底层馈电板与辐射介质板之间的空气层耦合矩形缝隙所辐射的能量到达此辐射贴片，实现贴片的辐射。最上面的两层厚度不同且材料也不同的介质板叠加在一起形成一种新型的部分反射表面(PRS)，该部分反射面的上下两个面都印刷有周期性的周期单元。利用该周期表面结构在不同频段下反射幅度和相位的不同，再结合谐振腔理论确定腔体高度，可大大提高天线的增益。周期结构的尺寸决定了天线能够提高增益的工作频段，以及决定了天线顶层板与底层板之间的距离，即天线的剖面高度。金属层各项尺寸以及形状的选择也关系到，该部分反射表面能否满足宽频带天线对于部分反射表面反射相位的要求。
本发明中，天线的馈源部分由底层馈电板和辐射介质板所构成，底层馈电板上表面的金属接地板上的矩形缝隙与其上层的辐射介质板上的方形贴片通过空气层来耦合产生线极化波。新型的无腔部分反射表面由两层带介质的频率选择表面所构成，其反射相位随频率呈正斜率变化，与馈源天线配合最终可使得天线的3dB增益带宽大大提高。无腔的部分反射表面降低了谐振腔天线的剖面高度，使得天线实现了低剖面特性。另外，该新型部分反射表面的反射系数也优于同等类型的表面，使得天线在工作频段的增益也更加平稳。
本发明通过口径耦合的馈源天线与新型的部分反射表面(PRS)相结合，天线的增益得到了显著提高，且介质透镜天线的阻抗带宽与增益带宽也大大提高了，实现了宽频带特性。另外，与传统的同类型宽带天线相比新型部分反射表面是一种无腔结构，天线的高度得到了降低，实现了低剖面特性。最后，对比同类发现，部分反射表面的反射幅度也有所提高，使得天线在其工作频段内的增益也更加趋于稳定。
本发明的实施例中，新型的口径耦合宽带低剖面介质透镜天线的底层馈电板和辐射介质板的厚度均为0.508mm，相对介电常数为2.2。部分反射表面上下层介质板的厚度分别为1.524mm和0.787，其相对介电常数分别为3.66和2.2。
部分反射表面的周期单元的周期为8mm，下表面的方环形金属贴片的边长为5mm，上表面的方形金属贴片的边长为4.4mm，上表面的方形金属贴片四周的四个矩形金属贴片的长为6mm、宽为0.5mm；辐射介质板下表面的方形辐射贴片的边长为7.2mm；底层馈电板上表面的矩形缝隙的长、宽分别为6mm、1mm，下表面的微带馈线的宽度为2.6mm、长度为52.6mm。
利用三维电磁仿真软件仿真的该天线（工作频率13-15GHz），如图9所示。天线的回波损耗在工作频段内达到了-10dB以下，且相对带宽得到了大大提高。天线在工作频段3dB增益带宽如图10所示，通过该设计得到了明显提高。说明了此设计具有良好的宽带性能。从图10中还可以看出，天线的增益在其工作频段比较稳定，没有太大的起伏，天线的稳定性得到了提高。
本发明是将口径耦合线极化天线技术与透镜天线技术相结合，利用新型部分反射表面的设计拓宽了天线的带宽，提高了增益的稳定性。虽然有四层层板，但天线整体结构并不复杂，易于加工实现，具有一定的应用前景。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种新型的宽带低剖面介质透镜天线，其特征在于，包括自上而下同轴放置的均为正方形的第一至第四介质板，其中，第一、第二和第四介质板的边长相等，第三介质板的边长小于第一介质板；第一介质板堆叠在第二介质板的上表面，构成部分反射表面；第三介质板为辐射介质板，其与第二介质板之间有一层空气层；第四介质板为底层馈电板，其与第三介质板之间也有一层空气层；第一介质板和第二介质板的厚度及材质均不相同
底层馈电板的下表面设置有一条沿其一边的中点向中心延伸的用于馈电的微带线；上表面布满金属层作为接地板，该接地板的中心位置开有一个矩形缝隙，以耦合微带线传递的能量；
辐射介质板的下表面的中心处设置有第一方形金属贴片；
部分反射表面的上表面设置有周期性的第一周期单元，第一周期单元包括四个矩形金属贴片和第二方形金属贴片，矩形金属贴片围成一个正方形，第二方形金属贴片设置在该正方形的中心处；
部分反射表面的下表面设置有周期性的第二周期单元，第二周期单元为方环形金属贴片；第一周期单元和第二周期单元的周期相同。
2.根据权利要求1所述的一种新型的宽带低剖面介质透镜天线，其特征在于，部分反射表面的上下表面的周期单元未布满介质板表面，在介质板的四周预留一圈介质条带。
3.根据权利要求1所述的一种新型的宽带低剖面介质透镜天线，其特征在于，矩形缝隙与用于馈电的微带线垂直。
4.根据权利要求1所述的一种新型的宽带低剖面介质透镜天线，其特征在于，第一周期单元与第二周期单元的中心重合。
5.根据权利要求1所述的一种新型的宽带低剖面介质透镜天线，其特征在于，第一方形金属贴片关于辐射介质板的中心线对称。
6.根据权利要求1所述的一种新型的宽带低剖面介质透镜天线，其特征在于，微带线的长度大于底层馈电板边长的一半。
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