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
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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
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。
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