CN108539393B - 一种高口径效率笔形波束的水平极化全息天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高口径效率笔形波束的水平极化全息天线,属于天线技术领域。该天线包括负责漏波辐射的超表面部分和馈电部分,所述超表面部分由主模为TE模式和主模为TM模式的两部分超表面结构组成,包含有通过正弦调制的、单元周期相同的贴片形和环槽形单元组成;所述50欧姆集总端口对环槽形部分直接进行馈电。本发明具有双向的笔锥形辐射方向图、高增益、高口径效率,并且天线结构的剖面高度低。

Description

一种高口径效率笔形波束的水平极化全息天线
技术领域
本发明属于天线技术领域,涉及一种高口径效率笔形波束的水平极化全息天线。
背景技术
随着全息技术在光学领域地迅速发展,全息技术从光学频段扩展到了微波频段。全息天线是一种通过全息结构改变天线辐射的口径天线。与传统天线相比,其在天线的辐射方向上无馈源遮挡问题;而对于微带天线阵,全息天线无需复杂的馈电结构,避免了微带天线阵列馈电网络的高损耗,具有结构简单的优势;全息天线利用印刷电路板技术加工,其馈源和全息板放置在同一平面上,具有低剖面、易于共形、隐蔽性的特点;全息天线在实现高增益的同时,还具有低交叉极化的优良特性。目前,全息天线以其剖面高度低、易于共形、隐蔽性强、空气阻力小、馈电结构简单、增益高等特点受到了广泛的关注。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的在于克服上述传统天线不足,提供一种高口径效率笔形波束的水平极化全息天线,将主模为TE模式的超表面和主模为TM模式的超表面结合起来构建水平极化的高口径效率超表面天线,它是基于周期性漏波天线的设计,具有剖面高度低、易于共形、隐蔽性强、空气阻力小、馈电结构简单、增益高等特点。
为达到上述目的,本发明提供如下技术方案:
一种高口径效率笔形波束的水平极化全息天线,该天线包含介质基板,超表面部分和馈电部分,所述超表面部分用于漏波辐射;
所述超表面部分由主模为TE模式的贴片形超表面和主模为TM模式的环槽形超表面两部分结构组成,分别为贴片形单元区和环槽形单元区,所述贴片形单元区和环槽形单元区均通过正弦调制且单元周期相同,所述贴片形单元区包含多个贴片形单元,所述环槽形单元区包含多个环槽形单元;
所述贴片形单元区与环槽形单元区相互间隔,任一贴片形单元区紧邻两个环槽形单元区,且每个所述贴片形单元和环槽形单元均贴合在所述介质基板的上表面;
在所述贴片形单元区与环槽形单元区交汇的中心还设置有50欧姆集总端口,所述50欧姆集总端口用于对环槽形单元直接进行馈电。
进一步,所述介质基板表面呈正方形,长度为85mm~90mm,宽度为85mm~90mm,其厚度为0.1mm~0.2mm。
进一步,所述贴片形单元的边长为1mm~3mm。
进一步,所述环槽形单元槽的边长为1mm~3mm,槽的宽度为0.1mm~0.3mm。
进一步,所述正弦调制满足:
n=X+M cos(Xk0ρ)
其中,n表示等效折射率,X表示平均折射率,M表示调制深度,k0表示空间波数,ρ表示圆柱形坐标系中中心点的径向距离。
本发明的有益效果在于:本发明通过对单元周期相同的贴片形和环槽形单元进行正弦调制,从而实现了具有笔锥形的方向图,在阻抗匹配带宽范围内具有高增益、高辐射效率、高口径效率的优势。除上述优点外,本发明还具有馈电结构简单、易于制造、剖面高度低、易于共形、隐蔽性强、空气阻力小等优势,具有广泛的应用价值。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚,本发明提供如下附图进行说明:
图1是本发明天线的整体示意图;
图2是本发明天线的俯视图;
图3为本发明的贴片形单元的等效折射率与贴片间尺寸的对应关系;
图4为本发明的环槽形单元的等效折射率与贴片间尺寸的对应关系;
图5为本发明的反射系数(|S11|)随频率变化的曲线图;
图6为本发明在13.5GHz频点的E面和H面的辐射方向图;
其中:1-50欧姆集总端口、2-贴片形单元、3-环槽形单元、4-介质基板。
具体实施方式
下面将结合附图,对本发明的优选实施例进行详细的描述。
图1为本发明天线的整体示意图,如图1所示,本发明所述的一种高口径效率、笔形波束的水平极化全息天线,包括超表面部分和馈电部分。
其中,超表面部分由主模为TE模式的贴片形超表面和主模为TM模式的环槽形超表面两部分结构组成,包含贴片形单元区和环槽形单元区,每个贴片形单元区和环槽形单元区分别包含多个通过正弦调制的、单元周期相同的贴片形单元2和环槽形单元3,使得在水平极化的激励下,天线能具有笔锥形方向图。
介质基板4的上表面的贴片形超表面和环槽形单元通过正弦调制,能使得表面波经周期调制转化为辐射的漏波,将全息的重建平面波原理与漏波的单向连续泄露性辐射结合起来,可以建立全息结构为准周期结构,使得水平极化全息天线的方向图为笔锥形辐射方向图。我们发现利用这一方案,通过选择合适的全息结构周期,可以产生连续辐射的高定向性笔锥形波束辐射。
介质基板表面呈正方形,其长度l为87mm,宽度w为87mm,厚度h为0.127mm,材料型号选用了Rogers RT/duroid 6010/6010LM(tm),相对介电常数为10.2,相对磁导率为1.0,损耗角正切为0.0023。
下面通过具体实施例来对本发明的具体方案进行说明。
参见图1,图2。其中,1-50欧姆集总端口馈电、2-贴片形单元、3-环槽形单元、4-介质基板。所述的介质基板4上表面紧贴贴片形单元2和环槽形单元3,50欧姆集总端口1对正弦调制的单元周期相同的环槽形单元进行馈电。介质基板4为薄正方体,其长为l,宽为w,厚度为h,采用型号为Rogers RT/duroid 6010/6010LM(tm)的制作材料,其相对介电常数为10.2,相对磁导率为1.0,损耗角正切为0.0023。
参见图3,图4。本实施例中,贴片形单元2和环槽形单元3的周期单元均为u=3mm,其中贴片形单元2的尺寸随折射率的变化曲线为:
n=-7.462+12.539×p-6.184×p2+1.035×p3
环槽形单元3的尺寸随折射率的变化曲线为:
n=-175.030+219.460×s-91.264×s2+12.667×s3
贴片单元与环槽形单元的正弦调制公式均利用:
n=X+M cos(Xk0ρ)
其中,n表示等效折射率,X表示平均折射率,M表示调制深度,k0表示空间波数,ρ表示圆柱形坐标系中中心点的径向距离。对于贴片形单元2而言,其利用的正弦调制公式中的X1为1.5,M1为0.5。对于环槽形单元3而言,其利用的正弦调制公式中的X2为1.4,M2为0.4。
完成上述的初始设计之后,使用高频电磁仿真软件HFSS16.0进行仿真分析,经过仿真优化之后得到各项参数尺寸如表1所示:
表1本发明各参数最佳尺寸表
Figure BDA0001622898370000041
依照上述参数,使用HFSS16.0对所设计的一种笔形波束的水平极化全息天线的S参数,辐射方向等特性参数进行仿真分析,其分析结果如下:
图5为本发明的反射系数(|S11|)随频率变化的曲线图,当天线|S11|<-10dB时,本天线的阻抗带宽为范围13.35-13.95GHz。
图6为本发明在13.5GHz频点的E面和H面的辐射方向图,天线在13.5GHz时呈现良好的双方向性的笔锥形方向图,且峰值增益达15.2dBi,其口径效率达34.3%,辐射效率能达到90%。
综上所述,本发明天线具有笔锥形方向图、除此之外还具有高增益、高辐射效率、高口径效率,并且其剖面高度低。本发明天线凭借易于共形、隐蔽性强、空气阻力小、馈电结构简单、增益高等特点能够广泛的应用到现代无线通信系统中。
最后说明的是,以上优选实施例仅用以说明发明的技术方案而非限制,尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述,但本领域技术人员应当理解,可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变,而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (5)

1.一种高口径效率笔形波束的水平极化全息天线,其特征在于:该天线包含介质基板,超表面部分和馈电部分,所述超表面部分用于漏波辐射;
所述超表面部分由主模为TE模式的贴片形超表面和主模为TM模式的环槽形超表面两部分结构组成,分别为贴片形单元区和环槽形单元区,所述贴片形单元区和环槽形单元区均通过正弦调制且单元周期相同,所述贴片形单元区包含多个贴片形单元,所述环槽形单元区包含多个环槽形单元;
所述贴片形单元区与环槽形单元区相互间隔,任一贴片形单元区紧邻两个环槽形单元区,且每个所述贴片形单元和环槽形单元均贴合在所述介质基板的上表面;
在所述贴片形单元区与环槽形单元区交汇的中心还设置有50欧姆集总端口,所述50欧姆集总端口用于对环槽形单元直接进行馈电。
2.根据权利要求1所述的一种高口径效率笔形波束的水平极化全息天线,其特征在于:所述介质基板表面呈正方形,长度为85mm~90mm,宽度为85mm~90mm,其厚度为0.1mm~0.2mm。
3.根据权利要求1所述的一种高口径效率笔形波束的水平极化全息天线,其特征在于:所述贴片形单元的边长为1mm~3mm。
4.根据权利要求1所述的一种高口径效率笔形波束的水平极化全息天线,其特征在于:所述环槽形单元的边长为1mm~3mm,槽的宽度为0.1mm~0.3mm。
5.根据权利要求1所述的一种高口径效率笔形波束的水平极化全息天线,其特征在于:所述正弦调制满足:
n=X+M cos(Xk0ρ)
其中,n表示等效折射率,X表示平均折射率,M表示调制深度,k0表示空间波数,ρ表示圆柱形坐标系中中心点的径向距离。
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