CN107317102A - 一种一体化高增益带罩天线耦合系统及其设计方法 - Google Patents

Abstract

一种一体化高增益带罩天线耦合系统，包含：天线本体，为带有寄生贴片的微带天线，由外形尺寸完全相同的寄生贴片层、第一基板、辐射贴片层、第二基板和金属底板依次叠加而成；天线罩，天线罩呈帽状，外形尺寸与所述天线本体相同，并固定在所述天线本体上。本发明合理设计天线罩厚度、超材料层结构、微带天线的尺寸、金属超材料与微带天线间距，使得天线罩与天线之间构成谐振腔，从而提高天线的增益。

Description

一种一体化高增益带罩天线耦合系统及其设计方法

技术领域

本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种一体化高增益带罩天线耦合系统及其设计方法。

背景技术

传统的高增益天线主要有反射面天线（包括卡塞哥伦天线、抛物面天线、反射阵列等）、介质透镜天线、波导喇叭天线，这些天线虽然可以达到较高的增益，但是体积庞大，非平面化，不利于安装与机动；而且这类天线结构复杂，极大的增加加工、维护难度与成本；阵列形式的高增益天线如微带天线阵列，虽然没有体积大、结构复杂等缺点，但是由于其需要复杂的功分馈电网络，增加了能量损耗，大大降低天线的工作效率。近些年，基于超材料的谐振腔天线为高增益天线的设计提供了一个新的思路。

超材料是2000年出现的一种人造媒质，通过金属微结构单元的微电路设计，在不改变原基板材料成分、力学等本征性能的同时，可以实现特殊的电磁特性。基于超材料的谐振腔天线，是将超材料与天线罩相结合，与天线一体化设计，通过合理设计超材料结构形式，可以控制天线罩的反射强度与反射相位，从而与天线地板形成谐振腔，提高天线前向增益，锐化天线波束宽度。

专利CN103296410A中，涉及高增益超材料天线罩和天线系统，工作在L波段S波段，采用口字型结构超材料单元附着在树脂类介质板上，并进行多层叠加。通过每一层微结构形状、尺寸来改变材料相对介电常数、折射率和阻抗，提高天线增益。专利CN102709692A和专利CN103296400A，同样工作原理，设计了不同形式的超材料单元，分别为同心圆环和雪花状拓扑结构。以上发明侧重超材料结构的设计，未涉及具体天线形式。

专利CN104916918A中，涉及加载超材料层提高天线增益。该发明包括超材料平板和标准喇叭天线，超材料平板通过四个螺丝钉固定在喇叭天线口面。所述超材料由四种超材料单元组成，通过对单元结构尺寸改变对喇叭口面电磁分布，该结构使得喇叭天线增益大大提高。该发明采用的是标准天线且超材料平板并不算天线罩，未涉及天线罩、天线一体化设计。

发明内容

本发明的目的在于提供一种一体化高增益带罩天线耦合系统，通过对天线的机械尺寸设计和超材料结构单元的设计，使得天线罩罩体、超材料层和天线本体之间满足谐振条件，提高天线增益。

一种一体化高增益带罩天线耦合系统，包含：

天线本体，为带有寄生贴片的微带天线，由外形尺寸完全相同的寄生贴片层、第一基板、辐射贴片层、第二基板和金属底板依次叠加而成；

天线罩，天线罩呈帽状，外形尺寸与所述天线本体相同，并固定在所述天线本体上。

上述的一种一体化高增益带罩天线耦合系统，其中，所述天线罩包含：

罩体，呈帽状，材料为石英陶瓷、氮化物或纤维增强型复合材料的一种或多种的组合；

超材料层，贴敷于罩体内表面，材料为银或铜的一种或两种的结合。

上述的一种一体化高增益带罩天线耦合系统，其中，所述超材料层由超材料结构单元周期性排列构成。

上述的一种一体化高增益带罩天线耦合系统，其中，所述超材料结构单元为S贴片型、方形缝隙型、方形贴片型、圆形贴片型或缝隙型的一种或多种的组合。

上述的一种一体化高增益带罩天线耦合系统，其中，所述寄生贴片层和辐射贴片层的贴片为矩形或梯形或两者的结合。

一种设计一体化高增益带罩天线耦合系统的方法，步骤如下：

S1、合理设计罩体厚度与超材料层结构，使得其对电磁波产生特定的反射，形成上部反射层；

S2、寄生贴片层的金属形成下部反射层；

S3、合理设计超材料层到天线本体上表面之间的距离，即上部反射层到下部反射层的距离，使得电磁波同相位辐射，从而锐化天线波束，提高天线增益。

本发明合理设计天线罩罩体厚度、超材料层结构、微带天线的尺寸、超材料层与天线本体间距，使得三者之间构成谐振腔，从而提高天线的增益。

附图说明

图1是本发明的俯视图。

图2是本发明的侧视图。

图3是本发明的剖面A-A图。

图4是本发明的局部放大图B。

图5是本发明的局部放大图C。

图6是本发明实施例中超材料层阵列示意图。

图7是本发明实施例中超材料结构单元示意图。

图8是本发明实施例中寄生贴片结构示意图。

图9是本发明实施例中辐射贴片结构示意图。

图10是本发明中的天线E面增益图。

图11是本发明中的天线H面增益图。

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。

如图1~图3所示，本发明提出的一种一体化高增益带罩天线耦合系统，包含天线本体与天线罩，通过12颗螺桩固定为一体。

天线本体为带有寄生贴片的微带天线，由外形尺寸完全相同的寄生贴片层1、第一基板2、辐射贴片层3、第二基板4和金属底板7由上而下依次叠加而成。如图4所示，本实施例中的寄生贴片层1、第一基板2、辐射贴片层3、第二基板4和金属底板7外形均为114mm×114mm的正方形。第一基板2和第二基板4的厚度均为2mm，均采用型号为Arlon DiClad 880，相对介电常数为2.2的介质板。

具体地，所述寄生贴片层1和辐射贴片层3的贴片为矩形或梯形或两者的结合。本实施例中，寄生贴片层1如图8所示，黑色区域为金属材料，正方形金属边长114mm，在中心刻出长为40mm、宽26mm的长方形，放置外形为等腰梯形的寄生贴片，梯形上边长28.5mm，下边长23.5mm，高19.2mm。所述的正方形、长方形、梯形的中心重合。本实施例中，辐射贴片层3如图9所示，黑色区域为金属材料，正方形边长114mm，在中心放置外形为等腰梯形的辐射贴片，梯形上边长28.5mm，下边长23.5mm，高19.2mm。所述的正方形和梯形的中心重合。

天线罩呈帽状，由罩体5和超材料层6构成。如图5所示，超材料层6贴敷于罩体5内表面。外形尺寸与所述天线本体的外形尺寸相同，并固定在所述天线本体上。本实施例中，鉴于超材料层6的厚度远小于罩体5的厚度，天线罩的机械尺寸近似为罩体5的机械尺寸。天线罩厚度为2mm，总高度为5.5mm，即天线罩内表面距寄生贴片层1的距离为3.5mm，天线罩的帽顶内表面长宽均为100mm，帽檐宽度为5mm，即天线罩外轮廓尺寸为114mm×114mm×5.5mm。

具体地，罩体5呈帽状，材料为石英陶瓷、氮化物或纤维增强型复合材料的一种或多种的组合。本实施例中，罩体5的材料为石英纤维增强石英复合材料，相对介电常数3.2，损耗角正切0.008。

具体地，超材料结构单元为S贴片型、方形缝隙型、方形贴片型、圆形贴片型或缝隙型的一种或多种的组合。如图7所示，本实施例中的超材料结构单元为弯折方形缝隙，是方形缝隙型和缝隙型的的组合使用。单个超材料结构单元长宽各为10mm，黑色区域为金属材料，白色为缝隙，缝隙宽度均为0.1mm。其中四周缝隙距离单元边缘0.1mm。缝隙形状为正方形缝隙，四条边长中间长度为P的部分向中心凹进去深度为S，边长剩余两条长度为W。几何参数具体为：P=3.6mm，S=2.3mm，W=3.1mm。

具体地，超材料层6由超材料结构单元周期性排列构成，贴敷于罩体5内表面，材料为银或铜的一种或两种的结合。如图6所示，黑色区域为金属材料，白色为缝隙。超材料结构单元按矩形阵列排布，10行10列，则总长、宽为100mm。

一种设计一体化高增益带罩天线耦合系统的方法，步骤如下：

S1、合理设计罩体5厚度与超材料层6结构。采用第一强度等强度理论对罩体5厚度进行设计，基于电磁理论采用数值仿真手段对罩体5厚度和超材料层6进行优化设计，使得其对电磁波产生特定的反射，形成上部反射层。

S2、寄生贴片层1的金属形成下部反射层；

S3、合理设计超材料层6到天线本体上表面之间的距离，即上部反射层到下部反射层的距离。在确定天线罩与超材料层6的反射相位后，根据Fabry-Perot谐振腔谐振公式可以确定超材料层6与天线本体上表面之间的距离，使得电磁波同相位辐射，从而锐化天线波束，提高天线增益。

本发明合理设计超材料层6到天线本体表面的距离，同时进行天线罩和天线本体的结构参数联调，使得天线辐射的电磁波在两个反射层之间来回反射产生相位变化，叠加不同传输路径带来的相位差，使得最后从天线罩透射过的电磁波同相位辐射，最终锐化天线波束，以此提高天线系统增益。

图10是本发明和未加载超材料的相同天线结构的E面方向图的对比图。图11是本发明和未加载超材料的相同天线结构的H面方向图的对比图。在工作频率4.15GHz上，本发明最大增益为8.5dB，而未加载超材料的天线最大增益为7.2dB，增益提高1.3dB。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (6)

1.一种一体化高增益带罩天线耦合系统，其特征在于，包含：

天线本体，为带有寄生贴片的微带天线，由外形尺寸完全相同的寄生贴片层（1）、第一基板（2）、辐射贴片层（3）、第二基板（4）和金属底板（7）依次叠加而成；

天线罩，天线罩呈帽状，外形尺寸与所述天线本体相同，并固定在所述天线本体上。

2.如权利要求1所述的一种一体化高增益带罩天线耦合系统，其特征在于，所述天线罩包含：

罩体（5），呈帽状，材料为石英陶瓷、氮化物或纤维增强型复合材料的一种或多种的组合；

超材料层（6），材料为银或铜的一种或两种的结合，贴敷于罩体（5）内表面。

3.如权利要求2所述的一种一体化高增益带罩天线耦合系统，其特征在于，所述超材料层（6）由超材料结构单元周期性排列构成。

4.如权利要求3所述的一种一体化高增益带罩天线耦合系统，其特征在于，所述超材料结构单元为S贴片型、方形缝隙型、方形贴片型、圆形贴片型或缝隙型的一种或多种的组合。

5.如权利要求1所述的一种一体化高增益带罩天线耦合系统，其特征在于，所述寄生贴片层（1）和辐射贴片层（3）的贴片为矩形或梯形或两者的结合。

6.一种设计一体化高增益带罩天线耦合系统的方法，其特征在于，步骤如下：

S1、合理设计罩体（5）厚度与超材料层（6）结构，使得其对电磁波产生特定的反射，形成上部反射层；

S2、寄生贴片层（1）的金属形成下部反射层；

S3、合理设计超材料层（6）到天线本体上表面之间的距离，即上部反射层到下部反射层的距离，使得电磁波同相位辐射，从而锐化天线波束，提高天线增益。