CN108767424B - 基于多孔蜂窝板结构的宽带双向辐射天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种基于多孔蜂窝板结构的宽带双向辐射天线，包括介质板、金属地板、支架和馈源，所述介质板中设置有多个通孔和相位校准通孔，所述每个通孔，从介质板的中心沿径向分布，且每个通孔的半径沿介质板径向线性排布，所述每个相位校准通孔，位于介质板的边缘处，且每个相位校准通孔的半径呈线性排布，所述金属地板位于介质板的下表面，所示馈源包括第一馈源和第二馈源，所述的第一馈源通过支架固定在介质板的上半空，所述的第二馈源设置在介质板边缘的侧面。本发明实现了天线在宽频带内和双方向上对入射波相位调控，提高了水平和垂直方向上的增益和定向性，可用于卫星通信技术领域。

Description

基于多孔蜂窝板结构的宽带双向辐射天线
技术领域
本发明属于通信技术领域，涉及一种高定向性双向辐射的多孔蜂窝板天线，具体涉及一种能够实现同时垂直辐射和水平辐射的多孔蜂窝板天线，可应用于卫星通信技术领域。
技术背景
传统的双向辐射是通过两个单向辐射天线背对背设置，分别指向两个相反的方向实现双方向的电磁波辐射。随着无线通信系统的发展，市场对于双向辐射天下的需求不仅限于两个相反的方向上辐射，而是地面三个固定点或空中的三个点同时进行通信。
卫星通信中利用双向辐射天线能够在保障无线通信的可靠性前提下，大幅提高双向辐射的增益和定向性，并降低天线和系统整体的成本。双向辐射天线是利用多个天线单元组合设计实现的双方向上的辐射，多个天线不能对单个方向上有效的辐射，所以传统的双向辐射天线整体增益低，波束宽度大，定向性差和工作频段窄，而传统的高增益天线为单个方向上有高增益和高定性的特点。
例如申请人航天信息股份有限公司,提出了一种名称为：“双向辐射微带天线”申请日：2013年05月14日，申请号：CN201310419191.0，公告号：CN104466366A的申请专利，包括：导电顶层贴片，设置在所述双向辐射微带天线中的第一非导电顶层介质的上面；馈电层，设置在所述双向辐射微带天线中的第二非导电顶层介质的下面；导电底层贴片，设置在所述双向辐射微带天线中的第一非导电底层介质的下面，并且设置带缝隙导电顶层地和带缝隙导电底层地。一路激励信号进入馈电层，激励导电顶层贴片和导电底层贴片，使单个微带天线实现双向辐射的功能。虽然天线能够实现双向辐射，但是整体各个方向增益较低。
例如申请人韩国栋等人,提出了一种名称为：“一种龙伯透镜天线”申请日：2017年8月2日，申请号：CN201710649649.X，公告号：CN107369876A的申请专利，包括天线支架以及设置在天线支架上的天线本体，天线本体包括反射底板和半球形的透镜，透镜设置在反射底板的反射面上，反射底板的背面设有位于透镜中心位置处的万向节，天线支架上设有支撑体以及位置固定且指向透镜球心的馈源，天线本体通过万向节与支撑体连接，天线支架上还设有用于推动天线本体而使天线本体以万向节为中心发生转动的机械结构，但是只能实现单个方向上的高增益辐射。
以上结构是利用微带天线双向辐射或透镜天线单方向辐射，当微带天线在双向辐射时，在各个方向上的增益低，定向性差，虽然透镜天线在单个方向上辐射时高增益、高定向性，但不能满足天线双方向辐射要求。
发明内容
本发明目的在于针对上述现有技术存在的不足，提出了一种基于多孔蜂窝板结构的宽带双向辐射天线，旨在同一天线结构上实现高定向双向辐射的设计，克服了天线在各个方向上低增益、定向性差的问题。
本发明的技术思路是：利用多孔蜂窝介质板中圆柱通孔能够对其水平方向和垂直方向的入射波进行相位调控，通过调整蜂窝板的多个圆柱通孔和相位校准圆柱通孔的半径大小，实现校准电磁波相位及高定向高增益双向辐射的功能。
一种基于多孔蜂窝板结构的宽带双向辐射天线，包括介质板1、金属地板2、支架3和馈源，所述介质板1中设置有多个通孔4和相位校准通孔5，其中：
所述每个通孔4，从介质板1的中心沿径向分布，且每个通孔4的半径沿介质板1径向线性排布，所述每个相位校准通孔5，位于介质板1的边缘处，且每个相位校准通孔5的半径呈线性排布；相邻两个通孔4的中心间距和相邻两个相位校准通孔5的中心间距均小于馈源工作范围内最小波长的四分之一；
所述金属地板2位于介质板1的下表面；所示馈源包括第一馈源6和第二馈源7，所述的第一馈源6通过支架3固定在介质板1的上半空，以提供宽带双向辐射天线的轴向辐射能量；所述的第二馈源7设置在介质板1边缘的侧面，以提供宽带双向辐射天线的径向辐射能量。
所述第一馈源6通过支架3固定在介质板1的轴线焦点上。
所述介质板1的轴向焦距和每个通孔4半径，按下列公式计算：
Figure BDA0001681023440000021
其中，L表示介质板1轴向焦距，D表示介质板1的厚度，Qi表示各个通孔4到介质板1圆心的径向距离，r1为介质板1中心处的通孔4的半径，ri是介质板1中第i个通孔4的半径，a为各个通孔4之间的间距，εr为介质板1的相对介电常数。
所述相位校准通孔5半径，按下列公式计算：
Figure BDA0001681023440000031
其中，R1表示介质板1的圆心到最外组通孔4半径，R表示介质板1的半径，q为R1和R之间的差值，a为各个通孔4之间的间距，εr为介质板1的相对介电常数，h为相位校准通孔5到介质板1水平辐射方向的垂直距离，ri是第i个相位校准通孔5的半径，r2是最外的通孔4的半径，r3是次外的通孔4的半径。
所述第一馈源6，其最大辐射方向位于介质板1中心轴线。
所述第二馈源7几何中心和多个相位校准通孔5的中心位置，位于介质板1中心的两侧，且通过介质板1同一条直径。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
本发明技术方案是采用了介质板1中设置有多个通孔4和相位校准通孔5，其中：所述每个通孔4，从介质板1的中心沿径向分布，且每个通孔4的半径沿介质板1径向线性排布，所述每个相位校准通孔5，位于介质板1的边缘处，且每个相位校准通孔5的半径呈线性排布，通过调整通孔4和相位校准通孔5的半径大小，改变介质板1的轴线焦点位置，克服了现有技术中天线仅在单个方向上辐射时高增益、高定向性，不能满足双方向辐射不足之处，从而实现天线在宽频带内和双方向上对入射波相位调控，提高了水平和垂直方向上的增益和定向性。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明的垂直方向和水平方向天线的反射系数S11仿真结果图；
图3是本发明多孔蜂窝板天线轴向辐射时归一化的近场电场图；
图4是本发明多孔蜂窝板天线径向辐射时归一化的近场电场图；
图5是本发明多孔蜂窝板天线轴向辐射时中心频率15GHz的远场结果图；
图6是本发明多孔蜂窝板天线径向辐射时中心频率15GHz的远场结果图；
图7是本发明多孔蜂窝板天线轴向辐射最大增益随频率的变化结果图；
图8是本发明多孔蜂窝板天线径向辐射最大增益随频率的变化结果图；
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述。
参照图1
一种基于多孔蜂窝板结构的宽带双向辐射天线，包括介质板1、金属地板2、支架3和馈源，所述介质板1中设置有多个通孔4和相位校准通孔5，其中：
所述每个通孔4，从介质板1的中心沿径向分布，且每个通孔4的半径沿介质板1径向线性排布，所述每个相位校准通孔5，位于介质板1的边缘处，且每个相位校准通孔5的半径呈线性排布；相邻两个通孔4的中心间距和相邻两个相位校准通孔5的中心间距均小于馈源工作范围内最小波长的四分之一，当两者的间距小于馈源波长时，单个的圆柱通孔6和相位校准圆柱通孔7相对于工作波长而言，可以等效为单一的结构单元，而当两者的间距大于馈源波长时，单个的圆柱通孔6和相位校准圆柱通孔7相对于工作波长而言，不能等效为单一的结构单元，多孔蜂窝板1电磁场的分布改变，不能正常的工作。
所述金属地板2位于介质板1的下表面，所示馈源包括第一馈源6和第二馈源7，所述的第一馈源6通过支架3固定在介质板1的上半空，以提供宽带双向辐射天线的轴向辐射能量，所述的第二馈源7设置在介质板1边缘的侧面，以提供宽带双向辐射天线的径向辐射能量。
所述第一馈源6通过支架3固定在介质板1的轴线焦点上。
所述介质板1的轴向焦距和每个通孔4半径，按下列公式计算：
Figure BDA0001681023440000041
其中，L表示介质板1轴向焦距，D表示介质板1的厚度，Qi表示各个通孔4到介质板1圆心的径向距离，r1为介质板1中心处的通孔4的半径，ri是介质板1中第i个通孔4的半径，a为各个通孔4之间的间距，εr为介质板1的相对介电常数。
在实际中考虑到加工精度限制，在本实施例中从介质板1中心到边缘设置的多个通孔4中，每四个通孔的半径设置相同，减小加工精度的要求。
所述相位校准通孔5半径，按下列公式计算：
Figure BDA0001681023440000051
其中，R1表示介质板1的圆心到最外组通孔4半径，R表示介质板1的半径，q为R1和R之间的差值，a为各个通孔4之间的间距，εr为介质板1的相对介电常数，h为相位校准通孔5到介质板1水平辐射方向的垂直距离，ri是第i个相位校准通孔5的半径，r2是最外的通孔4的半径，r3是次外的通孔4的半径。
在实际中考虑到加工精度限制，在本实施例中，从多个相位校准通孔5中心对称到介质板1边缘，每三个相位校准通孔5的半径设置相同，减小加工精度的要求。
所述第一馈源6，其最大辐射方向位于介质板1中心轴线。
所述第二馈源7几何中心和多个相位校准通孔5的中心位置，位于介质板1中心的两侧，且通过介质板1同一条直径。
实施例1
本发明的实施例的选择环状蜂窝板结构中的圆柱通孔和相位校准圆柱通孔等尺寸参数如下：
在本实施例1中，第一馈源6采用工作在12-18GHz的喇叭天线，其安装于多孔蜂窝天线的轴向焦距位置上，多孔蜂窝板天线轴向焦距：L＝140mm，多孔板蜂窝板是由1个半径为72mm，厚度15mm，介电常数为4.4的圆形介质板，在每隔8mm内，设置两个相距a＝4mm半径为r的圆柱通孔，其半径从圆心到沿径向依次为：0.5mm、1mm、1.6mm，通过依次变化的圆柱通孔，调整入射波的相位，提高天线在垂直方向上的增益和定向性；第二馈源7采用矩形波导，矩形波导采用内截面宽度为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，径向焦距为：L＝2mm，相位校准圆柱通孔5的半径依次为，1.6mm，1.5mm，1mm，利用对称分布的相位校准圆柱通孔5，通过调整了水平方向辐射的电磁波相位，实现水平方向上天线的高增益和高定向性。
以下结合仿真实验，对本发明的技术效果作一步说明：
1)仿真条件和结果：
参照图2至图7
仿真条件：利用三维全波电磁场仿真软件CST Microwave Studio2017电磁仿真软件，对多孔蜂窝板天线的轴向和径向的反射系数S11、电场结果和远场辐射特性仿真分析。
仿真结果分析：
参照图2，本发明附图中表示的是，多孔蜂窝板的轴向和径向天线的反射系数S11随频率变化曲线，多孔蜂窝板天线在径向和轴向辐射时，在13.5GHz到16.5GHz频段内的反射系数S11低于-10dB标准值，仿真结果说明：天线在宽带内能够实现轴向和径向的辐射。
参照图3，本发明附图中表示的是，多孔蜂窝板的轴向辐射的归一化近场电场图，从第一馈源辐射的入射波经过多孔蜂窝板和金属地板相位调整后，在传播方向上电磁波有着明显的准平行电磁波波前，仿真结果说明：多孔蜂窝板有对轴向入射的球面电磁波通过反射校准为准平面波的功能。
参照图4，本发明附图中表示的是，多孔蜂窝板的径向辐射的归一化近场电场图，从第二馈源辐射的入射波经过多孔蜂窝板相位调整后，在传播方向上电磁波得到准平面波前，仿真结果说明：多孔蜂窝板对径向入射的球面电磁波校准为准平面波的功能。
参照图5，本发明附图中表示的是，多孔蜂窝板在15GHz下轴向辐射的远场增益图，在笛卡尔坐标系下的xoz平面内，增益随theta角度变化曲线图，天线在theta为0°，最大增益为19.6dB，半功率波束宽度为7.2°，仿真结果说明：从第一馈源射入多孔蜂窝板的电磁波，经多孔蜂窝板相位校准之后，在沿其轴向辐射时具有高增益和高定向性。
参照图6，本发明附图中表示的是，多孔蜂窝板在15GHz下径向辐射的远场增益图，在笛卡尔坐标系下的xoy平面内，增益随phi角度变化曲线图，天线在phi角度为180°，最大增益为14.9dB，半功率波束宽度为15.2°，仿真结果说明：从第二馈源射入多孔蜂窝板的电磁波，经多孔蜂窝板相位校准之后，在沿其径向辐射时具有高增益和高定向性。
参照图7，本发明附图中表示的是，多孔蜂窝板的轴向辐射的最大增益随频率变化曲线图，在笛卡尔坐标系下的yoz平面内，天线在12GHz到18GHz频段内工作时，最大增益在18.3dB到21.2dB内变化，仿真结果说明：从第一馈源射入多孔蜂窝板的电磁波，经多孔蜂窝板相位校准后沿轴向反射后的波束，在宽带内能具有高增益的特点。
参照图8，本发明附图中表示的是，多孔蜂窝板的径向辐射最大增益随频率的变化曲线图，在笛卡尔坐标系下的xoy平面内，最大增益随频率变化曲线图，天线在12GHz到18GHz频段内工作时，最大增益从12.3dB到15dB，仿真结果说明：从第二馈源射入多孔蜂窝板的电磁波，经多孔蜂窝板相位校准后沿径向辐射的波束，在宽带内能具有高增益的特点。

Claims (5)

1.一种基于多孔蜂窝板结构的宽带双向辐射天线，其特征在于：包括反射镜、馈源和支架，所述反射镜由介质板(1)和金属地板(2)组成，所述介质板(1)为圆盘形，设置有多个轴向相位校准通孔(3)和多个径向附加相位校准通孔(4)，所述馈源包括第一馈源(5)和第二馈源(6)，其中：
所述每个轴向相位校准通孔(3)，从介质板(1)的中心沿径向分布，且每个通孔(3)的半径从介质板(1)中心沿径向向边缘逐渐变大，所述每个径向附加相位校准通孔(4)，位于介质板(1)的边缘处，以介质板(1)上第二馈源(6)与介质板(1)中心连线在另一端的延长线为对称轴，且每个径向附加相位校准通孔(4)的半径由对称轴两侧向外逐渐变小；相邻两个轴向相位校准通孔(3)的中心间距和相邻两个径向附加相位校准通孔(4)的中心间距均小于馈源工作范围内最小波长的四分之一；
所述金属地板(2)位于介质板(1)的下表面；所述的第一馈源(5)通过支架固定在介质板(1)的上半空，以提供宽带双向辐射天线的轴向辐射能量；所述的第二馈源(6)设置在介质板(1)边缘的侧面，以提供宽带双向辐射天线的径向辐射能量。
2.根据权利要求1所述的一种基于多孔蜂窝板结构的宽带双向辐射天线，其特征在于：所述第一馈源(5)通过支架固定在反射镜的轴线焦点上。
3.根据权利要求1所述的一种基于多孔蜂窝板结构的宽带双向辐射天线，其特征在于:所述第二馈源(6)几何中心和多个径向附加相位校准通孔(4)的对称轴与介质板(1)的圆心在同一条直线上，该第二馈源(6)位于介质板(1)上径向附加相位校准通孔(4)相对的另一侧面上。
4.根据权利要求1所述的一种基于多孔蜂窝板结构的宽带双向辐射天线，其特征在于：所述反射镜的轴向焦距和每个轴向相位校准通孔(3)半径，按下列公式计算：
Figure FDA0002328646710000011
其中，轴向相位校准通孔(3)沿径向由中心向边缘分成n组，第i组的相关尺寸下标为i，各组通孔(3)的半径相同，L表示反射镜的轴向焦距，D表示介质板(1)的厚度，Qi表示各个轴向相位校准通孔(3)中心到介质板(1)圆心的径向距离，r1为介质板(1)中心处的轴向相位校准通孔(3)的半径，ri是介质板(1)中第i组轴向相位校准通孔(3)的半径，a为各个轴向相位校准通孔(3)之间的间距，εr为介质板(1)的相对介电常数。
5.根据权利要求1所述的一种基于多孔蜂窝板结构的宽带双向辐射天线，其特征在于:所述径向附加相位校准通孔(4)半径，按下列公式计算：
Figure FDA0002328646710000021
其中，R1表示第n组所有轴向相位校准通孔(3)圆心到介质板(1)圆心的距离的平均值，R表示介质板(1)的半径，q为R1和R之间的差值，a为各个轴向相位校准通孔(3)之间的间距，εr为介质板(1)的相对介电常数，hi为径向附加相位校准通孔(4)到介质板(1)上附加径向相位校准通孔(5)的对称轴的垂直距离，ri′是第i组附加径向相位校准通孔(4)的半径，rn是第n组的轴向相位校准通孔(3)的半径，rn-1是第n-1组的轴向相位校准通孔(3)的半径。
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