CN108767493A - 二维波束偏转法布里-珀罗谐振腔天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种二维波束偏转法布里‑珀罗谐振腔天线，包括反射覆层、介质基板、超表面结构、介质基板、反射结构、介质基板、馈电结构以及支撑柱。反射覆层由二维方向上渐变排布的反射单元组成。超表面结构由多个矩形贴片组成。反射结构为一个蚀刻有缝隙的金属地板。馈电结构为微带馈电结构。支撑柱由四个尼龙柱组成。本发明利用近300°相位梯度变化的反射单元，并通过单元结构的二维排布，在工作频段内实现了大角度二维波束偏转。使得该天线在天线安装空间受到限制时，天线主波束方向无法调节导致的波束指向性情况。

Description

二维波束偏转法布里-珀罗谐振腔天线
技术领域
本发明属于通信技术领域，更进一步涉及电磁场与微波技术领域中的一种二维波束偏转法布里-珀罗F-P，Fabry-Perot谐振腔天线。本发明实现了一种大角度二维波束偏转的法布里-珀罗(F-P)谐振腔天线，该天线可用于在天线安装空间受到限制时，天线主波束方向无法调节导致的波束指向性情况。
背景技术
随着无线通讯技术的发展，天线的性能要求不仅局限于小型化、高增益、宽频带还需要满足天线在共形情况下的波束指向性问题。传统高增益波束控制天线通常体积较大、馈电网络复杂，而法布里-珀罗(F-P)谐振腔天线结构可以通过较为简单的结构实现高增益波束控制。所以法布里-珀罗(F-P)谐振腔天线是对于现有高增益波束控制天线弊端一个较好的解决方案。通常，法布里-珀罗(F-P)谐振腔天线实现大角度波束偏转主要有以下方法：
Andre de Lustrac在其发表的论文“High Beam Steering in Fabry-PerotLeaky-Wave Antennas”(IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,2013)中提出一种波束偏转法布里-珀罗(F-P)谐振腔天线。该法布里-珀罗(F-P)谐振腔天线是利用简单贴片天线进行馈电且利用上下表面印刷金属覆层的单层介质基板作为部分反射表面PRS(Partially Reflective Surface)。介质基板下表面金属覆层为沿y方向蚀刻缝隙的金属表面，可以等效看作为电容。介质基板上表面金属覆层为沿x方向印刷的大小渐变金属条带，可以等效看作为电感。该天线通过金属条带大小渐变情况进行规划实现反射相位变化，使得天线波束在一维方向偏转。而通过在电尺寸大小为5.7λ×5.7λ的介质基板进行相位调节使得相位可以获得更大的变换空间，所以可以得到更大角度的波束偏转。该天线通过对反射覆层相位的合理规划并利用仿真软件CST Studio Suite 进行仿真，发现天线波束偏转情况呈现以下变化：1.相位变化为84°时，实现频率在 9.5GHz存在36°的偏转角度。2.部分恒定相位后进行相位变化84°时，实现频率在 9.55GHz存在56°的偏转角度。3.首尾两段恒定相位且相位变化先为+84°后变化 -84°时，实现频率在9.7GHz存在59°的偏转角度。但是，该天线结构仍然存在的不足之处有两点，第一，该天线为了得到更大角度的波束偏转，所选取电尺寸较大，不仅增加了天线自身的重量，并且较大的电尺寸使得天线安装后自身存在不稳定性。第二，从该论文中所描述的仿真结果显示，该天线只在单个频点实现大角度的波束偏转，带宽较窄从而影响工作频带。第三，该天线反射覆层结构无法实现其他方式的排布，对于波束偏转方向有所限制。
Hisamatsu Nakano在其发表的论文“Tilted Beam Formation Using ParasiticLoop-Based Plates”(IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2014)中提出一种波束偏转法布里-珀罗(F-P)谐振腔天线。该法布里-珀罗(F-P)谐振腔天线是利用简单贴片天线进行馈电且通过在两层介质基板下表面印刷相同形状的矩形环状贴片的部分反射表面(PRS)进行反射板设计。该天线通过按照0.5mm大小改变矩形环状贴片的内径实现单元反射相位变化，部分反射表面(PRS)单元按照9×9的规律进行排布使得反射相位变化从而控制天线的波束偏转角度。该天线利用双层介质基板的结构，在工作频带内实现了最大波束偏转为54°且最大增益为17.3dBi。但是，该天线结构仍然存在的不足之处有两点，第一，该天线利用单层介质基板上反射覆层实现的反射相位变化范围小，天线主波束偏转角度小。第二，该天线利用双层介质基板使得天线剖面较高，同时增加了天线自身的重量。
目前法布里-珀罗(F-P)谐振腔天线在共形情况下的波束指向问题主要面临着两个问题，1.如何合理规划法布里-珀罗(F-P)谐振腔天线中部分反射表面单元的反射相位使得法布里-珀罗(F-P)谐振腔天线获得大角度波束偏转。2.如何对法布里-珀罗 (F-P)谐振腔天线中部分反射表面单元的反射相位进行二维排布，使其实现二维波束偏转。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供了一种高增益、大角度、二维波束偏转法布里-珀罗(F-P)谐振腔天线，利用一种具有宽频带特性的超表面结构，并根据法布里-珀罗(F-P)谐振腔天线反射覆层的特点，在反射覆层上设计具有近 300°相位梯度变化的单元结构，并通过对单元结构进行二维方式排布。在工作频段内实现了大角度二维波束偏转特性。
实现本发明的具体思路是：采用超表面结构做为辐射体，根据该法布里-珀罗(F-P) 谐振腔天线的反射相位，对反射单元大小进行调节，通过不同大小单元调节后所产生不同反射相位进行二维排布，实现法布里-珀罗(F-P)谐振腔天线在共形情况下的二维波束偏转。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下。
本发明包括反射覆层1、介质基板2、超表面结构3、介质基板4、反射结构5、介质基板6、馈电结构7以及支撑柱8；反射覆层1由二维方向上渐变排布的反射单元组成，反射单元分别由位于介质基板2上表面的矩形金属环贴片和介质基板2下表面的矩形金属贴片组成；超表面结构3由大小相同且二维周期排布的多个矩形贴片组成，超表面结构3位于介质基板4的上表面；反射结构5为一个蚀刻有缝隙的金属地板，该金属地板分别与介质基板6的上表面与介质基板4的下表面相连；馈电结构7为微带馈电结构，位于介质基板6的下表面；支撑柱8由四个尼龙柱组成，用于支撑和连接天线的介质基板2 和介质基板6。
发明与现有技术相比具有以下优点：
第一，由于本发明采用位于介质基板上表面的矩形金属环贴片和介质基板下表面的矩形金属贴片组成的反射单元，克服了现有技术上利用单层介质基板上反射覆层实现的反射相位变化范围小，使天线主波束偏转角度小的问题，使得本发明在单层介质基板上反射覆层中不同尺寸单元的共同作用下实现反射相位近300°的变化范围，具有天线大角度波束偏转的优点。
第二，由于本发明通过反射单元在二维方向上的渐变排布，克服了现有技术上反射覆层结构无法实现其他方式的排布，使波束偏转方向受到限制的问题，使得本发明具有在天线共形情况下二维波束偏转的能力。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明位于介质基板2上表面的反射覆层结构示意图；
图3是本发明位于介质基板2下表面的反射覆层结构示意图；
图4是本发明超材料结构和馈电结构示意图；
图5是本发明对反射系数特性的仿真实验结果图；
图6是本发明辐射方向仿真示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。
参照附图1，对本发明的结构作进一步详细的说明。
参照图1，包括反射覆层1、介质基板2、超材料结构3、介质基板4、反射结构5、介质基板6以及支撑柱7。
超材料结构3由四个贴片为一组共四组的16个大小相同的矩形金属贴片所组成，每组的四个矩形金属贴片均沿介质基板4的x轴中心对称设置，四组矩形金属贴片均沿介质基板4的y轴中心对称设置。
超材料结构3位于相对介电常数介于2～6之间的介质基板4上表面，介质基板4的长、宽均小于介质基板6的二分之一。
介质基板2的介电常数介于5～8之间，介质基板6的介电常数介于2～6之间，两个介质基板大小相同且间隔为5.5GHz对应波长的二分之一。
支撑柱7由四个尼龙柱组成，每个尼龙柱的上端与介质基板2连接，每个尼龙柱的下部与介质基板6连接，每个尼龙柱高度为28～33mm。采用不同高度的尼龙柱可以更好的实现阻抗匹配。
参照图2，对本发明的反射覆层1位于介质基板2上表面的矩形金属环贴片的排布方式做进一步描述。
参照图2中矩形金属环贴片拥有相同排布周期且外径相同。矩形金属环贴片根据内径大小不同共分为9个贴片，其中贴片10为内径最大的矩形金属环贴片，之后内径大小依次递减，贴片18为内径最小的矩形金属环贴片。矩形金属环贴片由二维方向上渐变的方式进行排布，即位于介质基板2下方第一行的单元从左到右排列顺序为10、11、12、 13、14、15、16、17、18，第二行则为11、12、13、14、15、16、17、18、10，如上述依次沿正x轴由大到小、负y轴由大到小的顺序进行循环排列。
参照图3，对本发明的反射覆层1位于介质基板2下表面的矩形金属贴片的排布方式做进一步描述。
参照图3中矩形金属贴片拥有相同排布周期。矩形金属贴片根据周长大小不同共分为9个贴片，其中贴片10为周长最大的矩形金属贴片，之后周长大小依次递减，贴片18 为周长最小的矩形金属贴片。矩形金属贴片由二维方向上渐变的方式进行排布，即位于介质基板2下方第一行的单元从左到右排列顺序为10、11、12、13、14、15、16、17、 18，第二行则为11、12、13、14、15、16、17、18、10，如上述依次沿正x轴由大到小、负y轴由大到小的顺序进行循环排列。
参照图4，对本发明的超材料结构和馈电结构进行进一步描述。
图4中包括超材料结构3、介质基板4、反射结构6、馈电结构8。超材料结构3位于介质基板4的上表面，反射结构5为一个蚀刻有缝隙的金属地板，分别与介质基板6的上表面和介质基板4的下表面相连接。馈电结构8为微带馈电结构，微带馈电结构位于质基板6的下表面。
下面结合仿真实验对本发明的效果作进一步的描述。
1.仿真条件：
本发明仿真实验中的结构尺寸如下。
本发明中介质基板2的介电常数为6.15，本基板厚度为2.5mm，口径尺寸为185mm。介质基板2附着的上表面反射覆层和下表面反射覆层单元周期均为20mm，反射覆层1 中位于介质基板2上表面的矩形金属环贴片外径为18mm，内径最小取值为6mm，最大取值为17.2mm。反射覆层1中位于介质基板2下表面的矩形金属贴片周长最小尺寸为 2mm，最大尺寸为10mm。介质基板4和介质基板6的介电常数均为4.4，介质基板4厚度为3mm，介质基板6厚度为0.8mm。超材料结构3中单个矩形贴片间隔为0.3mm。反射结构5蚀刻缝隙长度为21mm，宽度为0.3mm。介质基板6与介质基板2通过支撑柱7连接，距离为28mm。
2、仿真内容与仿真结果分析：
本发明的仿真实验是利用商业仿真软件ANSYS HFSS对参考图1中所述的法布里-珀罗(F-P)谐振腔天线进行建模仿真。如图5本发明在5～6GHz反射系数仿真曲线图；如图6(a)是本发明在5.3GHz的垂直面仿真方向图；图6(b)是本发明在5.3GHz的水平面仿真方向图；图6(c)是本发明在5.5GHz的垂直面仿真方向图；图6(d)是本发明在5.5GHz的水平面仿真方向图；图6(e)是本发明在5.7GHz的垂直面仿真方向图；图6(f)是本发明在5.7GHz的水平面仿真方向图。
图5为本发明在5～6GHz反射系数仿真曲线图。可以看出在5.3～5.7GHz范围内反射系数均小于-10dBi，可以得到相对阻抗带宽为7.3％。
图6为本发明在5.3GHz、5.5GHz和5.7GHz的水平面仿真方向图与垂直面仿真方向图。可以看出本发明在整个5.3～5.7GHz范围内，主波束在垂直面的角度为50°左右，在水平面的角度为220°左右，可以得到天线主波束在二维方向的大角度偏转。

Claims (7)

1.一种二维波束偏转Fabry-Perot谐振腔天线，包括反射覆层(1)、介质基板(2)、超表面结构(3)、介质基板(4)、反射结构(5)、介质基板(6)、支撑柱(7)以及馈电结构(8)；其特征在于，所述反射覆层(1)由二维方向上渐变排布的反射单元组成，反射单元分别由位于介质基板(2)上表面的矩形金属环贴片和介质基板(2)下表面的矩形金属贴片组成；所述超表面结构(3)由大小相同且二维周期排布的多个矩形贴片组成，超表面结构(3)位于介质基板(4)的上表面；所述反射结构(5)为一个蚀刻有缝隙的金属地板，该金属地板分别与介质基板(6)的上表面与介质基板(4)的下表面相连；所述馈电结构(8)为微带馈电结构，位于介质基板(6)的下表面；所述支撑柱(7)由四个尼龙柱组成，用于支撑和连接天线的介质基板(2)和介质基板(6)。
2.根据权利要求1所述的二维波束偏转Fabry-Perot谐振腔天线，其特征在于，所述的二维方向上渐变排布是指，反射覆层(1)中位于介质基板(2)上表面的矩形金属环贴片按照内径大小顺序，沿正x轴由大到小、负y轴由大到小的顺序进行循环排布；反射覆层(1)中位于介质基板(2)下表面的矩形金属贴片按照周长大小顺序，沿正x轴由大到小、负y轴由大到小的顺序进行循环排布。
3.根据权利要求1所述的二维波束偏转Fabry-Perot谐振腔天线，其特征在于，所述的二维周期排布是指，超表面结构(3)由四个贴片为一组共四组的16个大小相同的矩形金属贴片组成，每组的四个矩形金属贴片均沿介质基板(4)的x轴中心对称设置，四组矩形金属贴片均沿介质基板(4)的y轴中心对称设置。
4.根据权利要求1所述的二维波束偏转Fabry-Perot谐振腔天线，其特征在于，所述的介质基板(4)由相对介电常数介于2～6之间的介质基板所构成，介质基板(4)的长、宽均小于介质基板(6)的二分之一。
5.根据权利要求1所述的二维波束偏转Fabry-Perot谐振腔天线，其特征在于，所述蚀刻有缝隙金属地板的缝隙长度为19～22mm，宽度为0.2mm～0.5mm。
6.根据权利要求1所述的二维波束偏转Fabry-Perot谐振腔天线，其特征在于，所述介质基板(2)的介电常数介于5～8之间，介质基板(6)中的介电常数介于2～6之间，两个介质基板大小相同且间隔为5.5GHz对应波长的二分之一。
7.根据权利要求1所述的二维波束偏转Fabry-Perot谐振腔天线，其特征在于，所述支撑柱(7)中的四个尼龙柱分别位于天线整体结构的四个角，每个尼龙柱的上端与介质基板(2)连接，每个尼龙柱的下端与介质基板(6)连接，每个尼龙柱高度为28～33mm。
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