CN107623184B - 一种实现边射和端射功能的多层介质天线 - Google Patents
一种实现边射和端射功能的多层介质天线 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提出一种实现边射和端射功能的多层介质天线，旨在保证边射方向上增益的同时，实现端射方向上电磁波校准。包括由边射相位补偿介质板和端射相位校准介质板组成的同心圆多层介质板和馈源；边射相位补偿介质板由圆形和多个圆环形介质板嵌套成；端射相位校准介质板是嵌套在边射相位补偿介质板最外层的圆环形结构，其内嵌有由多个介质块组成的端射增益校准模块，同心圆多层介质板的下表面印制有金属平板，馈源包括矩形波导和微带天线；矩形波导在边射相位补偿介质板的轴向焦点处；微带天线在边射相位补偿介质板的径向焦点处。在保证边射方向上增益的同时，实现端射方向上电磁波校准，有多波束、结构小等特点，可用于卫星通信等无线通信领域。
Description
技术领域
本发明属于天线技术领域，涉及一种实现边射和端射功能的多层介质天线，具体涉及一种实现端射透镜天线和边射反射面天线功能的多层介质天线，可应用于卫星通信等领域。
技术背景
端射天线是天线的能量从馈源处发射，沿着天线轴向方向朝向空间辐射的天线形式。而天线的能量从馈源处发射，垂直于天线轴向方向朝向空间辐射的天线形式称之为边射天线。所以两者的最大辐射方向相互垂直，边射天线和端射天线一般是作为独立的系统存在。常见高增益端射天线和边射天线为端射透镜天线和边射反射面天线，边射反射面天线是通过将由馈源发出的宽角域波束聚集反射形成窄波束实现高增益的；例如申请公布号为CN103985969A，名称为：“一种介质反射面天线的设计方法”的专利申请，公开了一种介质边射反射面天线的设计方法，由一个馈源和多层平面介质板组成；阵面通过相位调制，将馈源发出的宽角域波束聚集反射形成高增益窄波束，有着体积小，重量轻，易加工，高增益的特点；端射透镜天线是通过快捷地调节馈源发出的电磁波相位实现高增益的，例如授权公告号为CN201515017U，名称为：“一种透镜天线”的发明专利，提出了一种端射式的喇叭透镜天线，利用喇叭辐射面上安装平面透镜，克服了原来弧面透镜的弧度准确度难以实现的缺点，提高了天线的增益。
但是随着卫星通信，移动通信的迅猛发展，人们对多功能天线的集成设计需求更加迫切。如果能将端射透镜天线与边射反射天线的反射面利用同一电磁设备替代，能够很好地将两个天线集成化，但是利用同一电磁设备实现边射反射面天线和端射透镜天线的统一设计难度在于不同方向上电磁波的校准，简单的利用光线追迹难以得到适合于工程应用的统一解析设计。
发明内容
本发明目的在于针对上述技术存在的不足，提出了一种实现边射和端射功能的多层介质天线，旨在保证边射方向上增益的同时，实现端射方向上电磁波的校准。
本发明的技术思路是：利用介质板对入射波有相位补偿校准功能，通过由圆形和多个圆环介质板嵌套成的边射相位补偿介质板，实现对反射波相位补偿，得到边射方向上高增益波束，在保证边射方向上高增益的同时，通过在边射相位补偿介质板外嵌套端射相位校准介质板，实现在端射方向上对入射波波前校准，得到端射方向高增益波束，构建一种实现边射和端射功能的多层介质天线。
根据上述技术思路，实现本发明目的采取的技术方案为：
一种实现边射和端射功能的多层介质天线，包括同心圆多层介质板和馈源；所述同心圆多层介质板，由边射相位补偿介质板1和端射相位校准介质板2组成，其中边射相位补偿介质板1由位于圆心的圆形介质板和与该圆形介质板同心的多个圆环形介质板嵌套而成，且该边射相位补偿介质板1中各介质板的相对介电常数从圆心沿径向方向依次递减；所述端射相位校准介质板2采用圆环形结构，嵌套在边射相位补偿介质板1最外层，该端射相位校准介质板2含有至少一个缺口，缺口中嵌有由多个线性排布介质块组成的端射增益校准模块4；所述同心圆多层介质板的下表面印制有金属平板3；所述馈源包括矩形波导6和至少一个微带天线单元5，其中微带天线单元5固定在同心圆多层介质板的径向焦点位置，且其最大辐射方向对准端射增益校准模块4中心，矩形波导6通过支架7固定在边射相位补偿介质板1的轴向焦点位置。
上述的实现边射和端射功能的多层介质天线，所述同心圆多层介质板，其多个圆环形介质板的数量大于等于3，且各介质板高度和宽度均相同。
上述的实现边射和端射功能的多层介质天线，所述边射相位补偿介质板1，其各介质板的相对介电常数通过如下公式确定：
其中，L表示边射相位补偿介质板轴向焦距，D表示边射相位补偿介质板的厚度，Qi表示从圆心沿径向方向的第i层圆环形介质板到同心圆多层介质板圆心的径向距离，λ0表示空气中电磁波波长，λ1表示圆形介质板内电磁波波长，λri表示边射相位补偿介质板中从圆心沿径向方向的第i层圆环形介质板中电磁波波长。
上述的实现边射和端射功能的多层介质天线，所述的端射增益校准模块4，其包含的多个线性排布介质块的相对介电常数通过如下公式确定：
其中，r1表示边射相位补偿介质板内环半径，r表示边射相位补偿介质板外环半径，q为端射相位校准介质板的半径，λri′表示端射增益校准模块中从中间到两侧的第i个介质块中电磁波波长，λ2表示端射增益校准模块中间介质块中电磁波波长,λ3表示所取等相位线中心位于圆环形介质板位置处电磁波波长，e表示所取等相位线在端射相位校准介质板中的点到圆心的径向距离，h表示所取等相位线在端射相位校准介质板中的点到边射相位补偿介质板圆心与端射增益校准模块中心连线的距离。
上述的实现边射和端射功能的多层介质天线，所述微带天线单元5，其固定在端射增益校准模块4中心和边射相位补偿介质板圆心的连接线的延长线上。
上述的实现边射和端射功能的多层介质天线，所述矩形波导6，其最大辐射方向对准边射相位补偿介质板圆心。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
本发明通过边射相位补偿介质板对反射波相位补偿得到边射向的高增益波束，在保证边射方向上高增益的同时，在边射相位补偿介质板外嵌套端射相位校准板，对端射向入射电磁波相位校准，得到端射向的高增益波束，与现有技术中独立存在的端射透镜天线和边射反射面天线相比，实现了边射反射面天线和端射透镜天线的一体化融合设计。
附图说明
图1是本发明实施例的整体结构示意图；
图2是本发明边射相位补偿介质板的设计原理图；
图3是本发明端射相位校准介质板的设计原理图；
图4是本发明实施例中边射相位补偿介质板在15GHz沿其轴向辐射时加载和未加载端射相位校准介质板的远场对比图；
图5是本发明实施例中边射相位补偿介质板在15GHz沿其轴向辐射时加载和未加载端射相位校准介质板的归一化近场电场对比图；
图6是本发明实施例中边射相位补偿介质板在15GHz沿其径向辐射时加载和未加载端射相位校准介质板的远场对比图；
图7是本发明实施例中边射相位补偿介质板在15GHz沿其径向辐射时加载和未加载端射相位校准介质板的归一化近场电场对比图；
图8是本发明实施例中对3组微带天线单元激励时沿径向辐射多波束的远场示意图；
图9是本发明实施例中矩形波导在不同角度下沿轴向波束扫描的远场示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步描述。
参照图1，一种实现边射和端射功能的多层介质天线，包括同心圆多层介质板和馈源；所述同心圆多层介质板，由边射相位补偿介质板1和端射相位校准介质板2组成，其中边射相位补偿介质板1由位于圆心的圆形介质板和与该圆形介质板同心的多个圆环形介质板嵌套而成，且该边射相位补偿介质板1中各介质板的相对介电常数从圆心沿径向方向依次递减，其相对介电常数确定公式为：
上式中电磁波在边射相位补偿介质板1中的路径近似为2倍的边射相位补偿介质板的厚度，且在边射相位补偿介质板和空气的交界面上路径不会发生偏折。如图2所示，参考面1为边射相位补偿介质板圆心和其轴向焦点的连线，其中L表示边射相位补偿介质板的轴向焦距，D表示边射相位补偿介质板的厚度，Qi表示从圆心沿径向方向的第i层圆环形介质板到参考面1径向距离，λ0表示空气中电磁波波长，λ1表示圆形介质板内电磁波波长，λri表示边射相位补偿介质板中从圆心沿径向方向的第i层圆环形介质板中电磁波波长。
电磁波波长和介质的相对介电常数之间的计算公式：
其中λ0表示空气中电磁波波长，εi表示介质的相对介电常数常数，λi表示介质中的电磁波波长。
在本实施例中，边射相位补偿介质板1轴向焦距：L＝320mm，边射相位补偿介质板1是由1个半径为15mm厚度10mm圆形介质板和6个宽度15mm厚度10mm圆环形介质板构成。参考实际中介质板的相对介电常数，设置圆形介质板的相对介电常数：εr1＝3.00，通过计算得从中心沿径向的圆环形介质板相对介电常数分别为：εr2＝2.91，εr3＝2.68，εr4＝2.35，εr5＝1.95，εr6＝1.55。
所述端射相位校准介质板2采用圆环形结构，嵌套在边射相位补偿介质板1最外层，该端射相位校准介质板2含有至少一个缺口，缺口中嵌有由多个线性排布介质块组成的端射增益校准模块4，介质块的相对介电常数计算公式为：
上式中电磁波在端射增益校准模块的路径近似为平行于传播方向的直线，并在端射增益校准模块4和空气的交界面上路径不会发生偏折。如图3所示，曲线1表示在同心圆多层介质板所取等相位线，参考面2表示同心圆多层介质板圆心与端射增益校准模块中心连线，其中r1表示边射相位补偿介质板内环半径，r表示边射相位补偿介质板外环半径，q表示端射相位校准介质板的半径，λri′表示端射增益校准模块中从中间到两侧第i个介质块中电磁波波长，λ2表示端射增益校准模块中间介质块中电磁波波长,λ3表示曲线1和参考面2的交点所在圆环形介质板位置处的电磁波波长，e表示曲线1在端射相位校准介质板中的点到圆心的径向距离，h表示曲线1落在端射相位校准介质板中的点到参考面2的距离。
在本实施例中，同心圆多层介质板径向焦距：fL＝108mm，端射相位校准介质板2厚度和宽度分别为：10mm和15mm，除缺口外其余位置的相对介电常数：εrp＝εr6，构成端射增益校准模块4的矩形的介质块个数的奇偶没有具体要求，在本实施例中选取介质块个数为9。参考边射相位补偿介质板1最外层圆环形介质板的相对介电常数，设置端射增益校准模块4中间介质块的相对介电常数：εb1＝1.55，计算得相对介电常数沿端射增益校准模块4的中心对称分布，其从中间到两侧依次递增分别为：εb1＝1.55，εb2＝2.12，εb3＝2.30，εb4＝2.84，εb5＝3.00。
为实现沿径向方向多波束的功能，且考虑到端射增益校准模块4实际大小和馈源之间的耦合，设置沿径向的波束个数为3，且各波束之间的角度为120°，在端射相位校准介质板2上以同心圆多层介质板圆心为原点每隔120°设置1个缺口，其中嵌有端射增益校准模块4。
所述同心圆多层介质板的下表面印制有金属平板3；所述馈源包括矩形波导6和至少一个微带天线单元5，在本实施例中，微带天线单元5工作在15GHz下，焦点到同心圆多层介质板的圆心距离为105mm，微带天线单元5固定在同心圆多层介质板径向焦点处，且在端射增益校准模块4中心与边射相位补偿介质板圆心的连线的延长线上，其最大辐射方向对准上述任一端射增益校准模块4中心，微带天线单元5以同心圆多层介质板圆心为原点每隔120°旋转安放3个，旋转后的三个微带天线单元分别命名为第一微带天线单元5，第二微带天线单元5，第三微带天线单元5，对所有微带天线单元激励时，入射波经同心圆多层介质板的校准后，在传播方向上实现平面波前，从而实现径向多波束功能。
所述矩形波导6通过支架7固定在边射相位补偿介质板1的轴向焦点位置，其最大辐射方向对准同心圆多层介质板圆心。在本实施例中，矩形波导6采用内截面宽度为15.8mm，高度为7.9mm，单模传输频率范围为11.9GHz～18.0GHz的标准WR62波导。
为实现沿同心圆多层介质板轴向波束扫描的功能，以同心圆多层介质板圆心为原点不同角度旋转矩形波导6，入射波经同心圆多层介质板反射后，反射波主瓣方向发生偏移，从而实现轴向波束扫描。
以下结合仿真实验，对本发明的技术效果作一步说明：
1、仿真条件和内容：
仿真条件：三维全波电磁场仿真软件CST Microwave Studio2016电磁仿真软件。
仿真内容：1一种实现边射和端射功能的多层介质天线沿轴向辐射时加载和未加载端射相位校准介质板的辐射远场和近场电场对比图，仿真结果如图4和图5所示；
2一种实现边射和端射功能的多层介质天线沿径向辐射时加载和未加载端射相位校准介质板的辐射远场和近场电场对比图，仿真结果如图6和图7所示；
3一种实现边射和端射功能的多层介质天线的多波束和波束扫描功能的远场示意图，仿真结果如图8和图9所示。
2、仿真结果分析：
参照图4，本发明实施例中加载和未加载端射相位校准介质板沿边射相位补偿介质板轴向辐射的远场对比图，图4实线代表加载端射相位校准介质板的远场示意图，在笛卡尔坐标系下的yoz平面内，增益随theta角度变化，天线最大辐射方向为0°，增益为18.9dBi，半功率波束宽度为5.6°；图4虚线代表未加载端射相位校准介质板时的远场示意图，在笛卡尔坐标系下的yoz平面内，增益随theta角度变化，最大辐射方向为0°，增益为19.4dBi，半功率波束宽度为5.6°。仿真结果说明：本发明中在沿边射相位补偿介质板轴向辐射时加载端射相位校准介质板对其辐射远场没有太大的影响。
参照图5，图5a为未加载端射相位校准介质板沿边射相位补偿介质板轴向辐射的归一化近场电场示意图，图5b为加载端射相位校准介质板沿边射相位补偿介质板轴向辐射的归一化近场电场示意图，对比图5a和图5b轴向辐射的电磁波，从馈源辐射后的球面波，经过金属平板反射作用后在传播方向上两者都得到了平面波前，仿真结果说明：加载和未加载端射相位校准介质板对沿边射相位补偿介质板轴向辐射的近场电场几乎没有影响。
参照图6，本发明实施例中加载和未加载端射相位校准介质板沿边射相位补偿介质板径向辐射的远场对比图，图6实线代表加载端射相位校准介质板沿边射相位补偿介质板径向辐射的远场示意图，增益随phi角度变化，最大辐射方向为0°，增益为14.9dBi，半功率波束宽度为9°；图6虚线代表未加载端射相位校准介质板沿边射相位补偿介质板径向辐射的远场示意图，增益随phi角度变化，最大辐射方向为0°，增益为10.5dBi，半功率波束宽度为7.5°。仿真结果说明：从馈源射入同心圆多层介质板的电磁波，经端射相位校准介质板后径向辐射的增益，相比没有经端射相位校准介质板的提高了4.4dBi，端射相位校准介质板对径向辐射增益有明显的提高作用。
参照图7，图7a为未加载端射相位校准介质板沿边射相位补偿介质板径向辐射的归一化近场电场图，图7b为加载端射相位校准介质板沿边射相位补偿介质板径向辐射的归一化近场电场图，图7a中从馈源辐射的入射波经过边射相位补偿介质板的作用后，在传播方向上电磁波没有得到平面波前，电磁波有着明显的汇聚趋势，图7b中从馈源辐射的入射波经过边射相位补偿介质板和端射相位校准介质板的作用之后，在传播方向上得到了平面波前。仿真结果说明：加载端射相位校准介质板对沿边射相位补偿介质板径向辐射电磁波相位有明显的相位校准作用。
参照图8，本实施例中对3组的微带天线单元激励沿径向辐射远场示意图，图8实线表示对第一微带天线单元5激励时远场示意图，增益随phi角度变化，最大辐射方向为0°，增益为14dBi，半功率波束宽度为10.3°；图8虚线表示对第二微带天线单元5激励时远场示意图，增益随phi角度变化，最大辐射方向为-120°，增益为14dBi，半功率波束宽度为10.3°；图8短划线表示对第三微带天线单元5激励时远场示意图，增益随phi角度变化，最大辐射方向为120°，增益为14dBi，半功率波束宽度为10.3°。仿真结果说明：对3个微带天线单元激励能够实现边射和端射功能的多层介质天线的多波束功能。
参照图9，本实施例中在不同角度下矩形波导6沿边射相位补偿介质板的轴向辐射的远场示意图，图9虚线代表矩形波导6旋转0°时远场示意图，增益随phi角度变化，天线最大辐射方向为0°，增益为18.9dBi，半功率波束宽度为5.6°；图9实线代表矩形波导6旋转5度时远场示意图，最大辐射方向为4°，增益为18.9dBi，半功率波速宽度为6.5°；图9短划线代表矩形波导6旋转30°时远场示意图，最大辐射方向为29°，增益为17.9dBi，半功率波速宽度为7.4°。仿真结果说明：通过旋转矩形波导6使得沿边射相位补偿介质板的轴向辐射的电磁波的主瓣发生偏移，从而实现边射和端射功能的多层介质天线波束扫描的功能。
Claims (6)
1.一种实现边射和端射功能的多层介质天线，其特征在于：包括同心圆多层介质板和馈源；所述同心圆多层介质板，由边射相位补偿介质板(1)和端射相位校准介质板(2)组成，其中边射相位补偿介质板(1)由位于圆心的圆形介质板和与该圆形介质板同心的多个圆环形介质板嵌套而成，且该边射相位补偿介质板(1)中各介质板的相对介电常数从圆心沿径向方向依次递减；所述端射相位校准介质板(2)采用圆环形结构，嵌套在边射相位补偿介质板(1)最外层，该端射相位校准介质板(2)含有至少一个缺口，缺口中嵌有由多个线性排布介质块组成的端射增益校准模块(4)；所述同心圆多层介质板的下表面印制有金属平板(3)；所述馈源包括矩形波导(6)和至少一个微带天线单元(5)，其中微带天线单元(5)固定在同心圆多层介质板的径向焦点位置，且其最大辐射方向对准端射增益校准模块(4)中心，矩形波导(6)通过支架(7)固定在边射相位补偿介质板(1)的轴向焦点位置。
2.根据权利要求1所述的实现边射和端射功能的多层介质天线，其特征在于：所述同心圆多层介质板，其多个圆环形介质板的数量大于等于3，且多个圆环形介质板和端射相位校准介质板(2)高度和宽度均相同。
3.根据权利要求1所述的实现边射和端射功能的多层介质天线，其特征在于：所述边射相位补偿介质板(1)，其圆形介质板和与该圆形介质板同心的多个圆环形介质板的相对介电常数通过如下公式确定：
其中，L表示边射相位补偿介质板轴向焦距，D表示边射相位补偿介质板的厚度，Qi表示从圆心沿径向方向的第i层圆环形介质板到同心圆多层介质板圆心的径向距离，λ0表示空气中电磁波波长，λ1表示圆形介质板内电磁波波长，λri表示边射相位补偿介质板中从圆心沿径向方向的第i层圆环形介质板中电磁波波长。
4.根据权利要求1所述的实现边射和端射功能的多层介质天线，其特征在于：所述的端射增益校准模块(4)，其包含的多个线性排布介质块的相对介电常数通过如下公式确定：
其中，r1表示边射相位补偿介质板内环半径，r表示边射相位补偿介质板外环半径，q为端射相位校准介质板的半径，λri′表示端射增益校准模块从中间到两侧第i个介质块中电磁波波长，λ2表示端射增益校准模块中间介质块中电磁波波长,λ3表示所取等相位线中心所在圆环形介质板位置处电磁波波长，e表示所取等相位线在端射相位校准介质板中的点到圆心的径向距离，h表示所取等相位线在端射相位校准介质板中的点到边射相位补偿介质板圆心与端射增益校准模块中心连线的距离。
5.根据权利要求1所述的实现边射和端射功能的多层介质天线，其特征在于：所述微带天线单元(5)，其固定在端射增益校准模块(4)中心和边射相位补偿介质板圆心的连接线的延长线上。
6.根据权利要求1所述的实现边射和端射功能的多层介质天线，其特征在于：所述矩形波导(6)，其最大辐射方向对准边射相位补偿介质板圆心。
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