CN108565549A - 一种介质集成高增益低剖面Fabry－Perot谐振天线 - Google Patents

一种介质集成高增益低剖面Fabry－Perot谐振天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于超表面设计的介质集成高增益低剖面Fabry‑Perot谐振天线，属于天线领域。包括上层基材(1)、中间基材(2)及下层基材(3)无缝层叠放置，所述上层基材正反表面周期排布谐振单元(4)，所述下层基材表面蚀刻微带贴片天线结构(5)；所述上层基材正反表面周期排布谐振结构由开方形缝的方形金属贴片结构(6)和金属谐振环结构(7)组成。本发明对所述蚀刻于上层基材的方形金属贴片在内部开有顶点在边缘中心的方形缝隙(8)，增加了结构的谐振强度，提高了Fabry‑Perot谐振天线的增益。本发明通过下层基材蚀刻的微带贴片天线的金属地与上层基材蚀刻的开有缝隙周期排布的金属贴片形成Fabry‑Perot谐振腔，并在腔体内集成介质基板，实现了一种具有高增益低剖面特性的Fabry‑Perot谐振天线设计。

Description

一种介质集成高增益低剖面Fabry-Perot谐振天线
技术领域
本发明涉及一种Fabry-Perot谐振天线，具体讲是一种基于超表面设计的介质集成高增益低剖面Fabry-Perot谐振天线，属于天线领域。
背景技术
Fabry-Perot谐振天线是一种方向性强增益高的天线，其主要由部分反射覆层(上反射面)、金属地板(下反射面)和辐射源三部分组成。辐射源位于金属地板和部分反射覆层之间，中间由空气填充，金属地板的反射相位为-π。部分反射覆层由周期性金属结构单元组成，其反射相位约为-π。因此，传统的Fabry-Perot谐振天线的腔体厚度约为λ0/2，该剖面厚度限制了Fabry-Perot谐振腔天线的应用领域。
现有的Fabry-Perot谐振天线通常通过调节腔体厚度和部分反射覆层的反射相位以满足Fabry-Perot谐振天线设计理论或者在Fabry-Perot谐振腔内填充介质，以降低Fabry-Perot谐振腔天线的纵向剖面厚度。为了降低Fabry-Perot谐振天线的纵向剖面厚度，同时提高Fabry-Perot谐振天线的稳固性，本发明基于超表面反射覆层结构提出了一种新颖的介质集成低剖面Fabry-Perot谐振天线的设计。
随着无线电子设备集成度的不断提高，许多高性能电子设备需集成具有高辐射特性和低剖面的天线以实现对设备信号的发射和接收。基于超表面反射覆层结构的介质集成Fabry-Perot谐振天线的腔体厚度可大为缩减，而超表面反射覆层的反射幅值却略有下降，导致Fabry-Perot谐振天线的增益下降。本发明超表面反射覆层结构顶点在贴片边缘中心的方形缝隙有效地提高了覆层结构的谐振强度，增加了部分反射覆层的反射幅值，从而设计出具有更高增益特性的Fabry-Perot谐振天线。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有介质集成Fabry-Perot谐振天线增益降低缺陷，提供一种基于超表面设计的介质集成高增益低剖面Fabry-Perot谐振天线。
为了解决上述技术问题，本发明基于超表面设计的介质集成高增益低剖面Fabry-Perot谐振天线，包括两层超材料结构层和一层超材料光板，超材料结构层包括上层基材蚀刻的周期排布的超表面结构和下层基材蚀刻微带贴片天线结构，超材料光板为Fabry-Perot谐振腔腔体填充介质。
本发明通过对所述Fabry-Perot谐振天线采用介质填充腔体及超表面反射相位调控，即实现了Fabry-Perot谐振天线的高增益低剖面设计，又提高了Fabry-Perot谐振天线的稳固性。
本发明通过超表面反射覆层结构顶点在贴片边缘中心的方形缝隙提高了覆层结构的谐振强度，增加了部分反射覆层的反射幅值，从而实现了Fabry-Perot谐振天线的增益增强特性。
本发明的有益效果在于：(1)、本发明所述上层基材超表面结构由Rogers 5880基板和蚀刻在基板两面的开有方形缝隙的金属贴片和金属方环结构组成，上层基材超表面结构的开有方形缝隙的金属贴片作为Fabry-Perot谐振腔的部分反射面，通过调节金属方环结构的尺寸大小，调节部分反射面的反射相位和介质填充腔体，设计出具有高增益和低剖面特性的Fabry-Perot谐振天线；(2)、本发明通过超表面反射覆层结构顶点在贴片边缘中心的方形缝隙增强了电磁波在超表面结构的谐振强度，提高了部分反射覆层的反射幅值，进一步提高了介质集成Fabry-Perot谐振天线的增益。
附图说明
图1是本发明基于超表面设计的介质集成高增益低剖面Fabry-Perot谐振天线三维示意图；
图2是本发明Fabry-Perot谐振天线的辐射天线与部分反射覆层结构图；
图3是本发明高增益低剖面Fabry-Perot谐振天线上、中、下三层无缝层叠示意图。
图4是本发明高增益低剖面Fabry-Perot谐振天线回波损耗曲线图。
图5是本发明高增益低剖面Fabry-Perot谐振天线在辐射方向上的最大增益和垂直径向增益曲线的对比图。
图6是本发明高增益低剖面Fabry-Perot谐振天线在E面和H面的辐射方向图
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1，2，3所示三层基材的边长均为80mm，上层基材(1)和下层基材(2)的厚度均为0.787mm，中层基材(2)厚度为1.570mm，三层基材层叠放置。所述上层基材表面周期排布14×14个部分反射覆层谐振结构单元(4)，所述下层基材(3)表面蚀刻微带贴片天线的馈线和辐射贴片及金属地(5)；所述部分反射覆层结构单元由开有方形缝隙的金属贴片和金属方环结构组成，部分反射覆层结构单元中心对称排布于四个方向。部分反射覆层结构单元大小为p＝4.8mm，介质基板及填充介质均为Rogers 5880，相对介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，介质集成Fabry-Perot谐振腔天线的整体厚度为3.144mm，，Fabry-Perot谐振腔厚度为d＝2.357mm。传统Fabry-Perot谐振腔内由空气填充，部分反射覆面的反射相位为-π，本发明设计的的Fabry-Perot谐振腔采用介质填充，其部分反射覆面的反射相位为-116.8°。位于底层中心侧馈微带贴片天线的矩形贴片大小为8.0×9.0mm2，50-Ω微带线宽度为2.2mm，1/4波长阻抗转换器的尺寸为0.9×5.6mm2。如图4所示，这种介质集成Fabry-Perot谐振天线的工作频点为9.35GHz，增益可达14.2dBi，其谐振腔厚度约为λ0/14，天线整体厚度约为λ0/10，λ0为天线工作波长。
本发明中超材料部分反射覆层结构并不仅限定于此，同时部分反射面的开缝结构也不仅限于方形缝隙，也可以设计成栅格、三角形、多边形等图形，部分反射覆层结构中金属方环结构也可以是多边环、圆环等几何结构。腔体填充介质可以用低损耗的F4B或高相对介电常数基材等。上层基材和下层基材的选择也非必须采用Rogers 5880，只要材料电磁损耗较小，相对介电常数和厚度满足谐振要求即可。
上述对实例的描述是为了便于该领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易的对这些做出各种修改，并在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必进行创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于超表面设计的高增益低剖面Fabry-Perot谐振天线，其特征在于：包括上层基材(1)、中间基材(2)及下层基材(3)层叠放置，所述上层基材正反表面周期排布谐振单元(4)，作为Fabry-Perot谐振腔的上反射面；所述下层基材表面蚀刻微带贴片天线结构(5)，微带贴片天线的金属地作为Fabry-Perot谐振腔的下反射面；所述上层基材正反表面周期排布谐振结构单元由方形金属贴片结构(6)和金属谐振方环结构(7)组成；所述上层基材的方形金属贴片在内部开有顶点在边缘中心的方形缝隙(8)，增加了结构的谐振强度，提高了Fabry-Perot谐振天线的增益。
2.根据权利要求1所述的基于超表面设计的高增益低剖面Fabry-Perot谐振天线，其特征在于：上层基材(1)中充当Fabry-Perot谐振腔上反射面结构单元(4)的周期数为14×14，单元长宽均为4.8mm；金属谐振方环结构(7)中谐振单元边缘的长为4.8mm宽为0.5mm，其作用是调节Fabry-Perot谐振腔上反射面的响应频点及反射相位和反射幅值。
3.根据权利要求1所述的基于超表面设计的介质集成高增益低剖面Fabry-Perot谐振天线，其特征在于：所述上层基材(1)中方形金属贴片结构单元(6)的长宽均为4.6mm，考虑到提高介质集成Fabry-Perot谐振天线的增益，在方形金属贴片结构单元(6)开顶点在边缘中心的方形缝隙(8)，方形缝隙宽为0.1mm，其增加了电磁波的谐振强度，提高了Fabry-Perot谐振天线上反射面的反射幅值。
4.根据权利要求1所述的基于超表面设计的高增益低剖面Fabry-Perot天线，其特征在于：Fabry-Perot谐振腔的厚度为2.357mm，介质基板均为介电常数为2.2损耗角正切为0.0009的Rogers 5880材料。基板(1)和基板(3)的厚度均为0.787mm，基板(2)厚度为1.570mm，长宽均为80mm，天线的纵向剖面厚度为3.144mm等等。
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