CN109167184A - 基于人工磁导体的圆极化宽扫描角微带相控阵天线 - Google Patents

基于人工磁导体的圆极化宽扫描角微带相控阵天线 Download PDF

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韩剑桥
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Abstract

基于人工磁导体的圆极化宽扫描角微带相控阵天线,涉及圆极化宽扫描角微带相控阵天线。为了解决现有方法只能在低频段实现天线的宽角扫描的问题。上层介质板的上表面沿y轴方向等距分布多个矩形微带贴片，下层介质板的上表面沿x轴和y轴等距阵列式排布多个周期结构单元，金属地板位于下层介质板的下表面，上层介质板位于下层介质板之上、且两层介质板之间存在空气层；每个矩形微带贴片均有4个为其馈电的金属探针，不同矩形微带贴片的4个金属探针的分布相同，金属探针依次穿过金属地板、下层介质板、周期结构单元、上层介质板与矩形微带贴片相连；周期结构单元的材料为人工磁导体。本发明适用于通信。

Description

基于人工磁导体的圆极化宽扫描角微带相控阵天线
技术领域
本发明涉及圆极化宽扫描角微带相控阵天线。
背景技术
微带天线阵列作为一种传统阵列形式具有体积小、设计简单、便于共形等特点。在微波毫米波段，微带天线阵列均具有良好的性能。但由于传统的微带天线单元的波束宽度有限，使得微带天线阵列的扫描范围有限，从而限制了微带天线阵列的应用范围。
在未来的5G通信系统中，相控阵天线具有重大应用价值，它的方向图扫描能力可以简化天线系统构成和提高天线通信能力，因此天线的扫描能力对于一款相控阵天线来说至关重要。因此，近年来，人们对平面相控阵天线的宽角度扫描问题展开研究。目前可以通过增大天线波束宽度实现天线的宽角扫描。
一类方法是在天线上加载电控元件(比如PIN二极管)对天线的方向图进行重构，来实现天线的宽角扫描。但是，由于PIN二极管的电气特性该种方法只能应用在低频段。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有方法只能在低频段实现天线的宽角扫描的问题，从而提供基于人工磁导体的圆极化宽扫描角微带相控阵天线。
本发明所述的基于人工磁导体的圆极化宽扫描角微带相控阵天线，包括多个矩形微带贴片1、上层介质板2、多个周期结构单元3、下层介质板5、金属地板6和金属探针7；
以上层介质板2的长度方向为y轴方向，宽度方向为x轴方向，厚度方向为z轴方向；
上层介质板2的上表面沿y轴方向等距分布多个矩形微带贴片1，下层介质板5的上表面沿x轴和y轴等距阵列式排布多个周期结构单元3，金属地板6位于下层介质板5的下表面，上层介质板2位于下层介质板5之上、且两层介质板之间存在空气层4；
每个矩形微带贴片1均有4个为其馈电的金属探针7，不同矩形微带贴片1的4个金属探针7的分布相同，金属探针7依次穿过金属地板6、下层介质板5、周期结构单元3、上层介质板2与矩形微带贴片1相连；
周期结构单元3的材料为人工磁导体。
优选的是，周期结构单元3为矩形金属贴片且具有8条旋转对称的孔隙。
优选的是，同一个矩形微带贴片1的4个金属探针7的馈电相位沿顺时针方向依次递增90°，相邻矩形微带贴片1处于相同方位的金属探针7的馈电相位依次递增或递减
优选的是，同一个矩形微带贴片1的4个金属探针7的馈电相位沿顺时针方向依次递减90°，相邻矩形微带贴片1处于相同方位的金属探针7的馈电相位依次递增或递减
优选的是，还包括多个支撑杆8，支撑杆8的一端与上层介质板2固定，支撑杆8的另一端与下层介质板5固定。
本发明的有益效果：本发明的基于人工磁导体的圆极化宽扫描角微带相控阵天线，实现原理简单，无需复杂的减耦网络和馈电网络，并且该天线在低频段和高频段均具有优秀的圆极化宽角扫描能力。
附图说明
图1是具体实施方式一所述的基于人工磁导体的圆极化宽扫描角微带相控阵天线横向剖开后的结构示意图；
图2是具体实施方式一所述的基于人工磁导体的圆极化宽扫描角微带相控阵天线的俯视图；
图3是具体实施方式一所述的基于人工磁导体的圆极化宽扫描角微带相控阵天线的下层介质板的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1至图3具体说明本实施方式，本实施方式所述的基于人工磁导体的圆极化宽扫描角微带相控阵天线，包括多个矩形微带贴片1、上层介质板2、多个周期结构单元3、下层介质板5、金属地板6和金属探针7；
以上层介质板2的长度方向为y轴方向，宽度方向为x轴方向，厚度方向为z轴方向；
上层介质板2的上表面沿y轴方向等距分布多个矩形微带贴片1，下层介质板5的上表面沿x轴和y轴等距阵列式排布M×N个周期结构单元3，金属地板6位于下层介质板5的下表面，上层介质板2位于下层介质板5之上、且两层介质板之间存在空气层4；其中M是沿x轴的周期结构单元3的数目，N是沿y轴的周期结构单元3的数目；
每个矩形微带贴片1均有4个为其馈电的金属探针7，不同矩形微带贴片1的4个金属探针7的分布相同，金属探针7依次穿过金属地板6、下层介质板5、周期结构单元3、上层介质板2与矩形微带贴片1相连；
周期结构单元3的材料为人工磁导体。本实施方式中，周期结构单元3并未通过金属过孔与金属地板6相连。
人工磁导体是一种可以近似实现理想磁导体性能的人工电磁材料，其具有对水平电流的同相镜像特性。这一特性可以用于实现提高天线增益、降低天线剖面、增大天线工作带宽等作用，增大天线的波束宽度。因此，利用人工磁导体可以实现天线的宽角扫描。
具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于人工磁导体的圆极化宽扫描角微带相控阵天线作进一步说明，本实施方式中，周期结构单元3为矩形金属贴片且具有8条旋转对称的孔隙。
通过大量的理论及实验研究表明，周期结构单元3采用8条旋转对称的孔隙天线能够实现更大范围的宽角扫描。
具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式二所述的基于人工磁导体的圆极化宽扫描角微带相控阵天线作进一步说明，本实施方式中，同一个矩形微带贴片1的4个金属探针7的馈电相位由0°开始沿顺时针方向依次递增90°，相邻矩形微带贴片1处于相同方位的金属探针7的馈电相位依次递增或递减
本实施方式中，馈电相位沿顺时针方向依次递增90°，波束能够实现左旋圆极化。当取不同值时波束指向角度不同，天线方向图可以产生不同角度的偏转。
具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式二所述的基于人工磁导体的圆极化宽扫描角微带相控阵天线作进一步说明，本实施方式中，同一个矩形微带贴片1的4个金属探针7的馈电相位由270°开始沿顺时针方向依次递减90°，相邻矩形微带贴片1处于相同方位的金属探针7的馈电相位依次递增或递减
本实施方式中，馈电相位沿顺时针方向依次递减90°，波束能够实现右旋圆极化。当取不同值时波束指向角度不同，天线方向图可以产生不同角度的偏转。
具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式三或四所述的基于人工磁导体的圆极化宽扫描角微带相控阵天线作进一步说明，本实施方式中，还包括多个支撑杆8，支撑杆8的一端与上层介质板2固定，支撑杆8的另一端与下层介质板5固定。
支撑杆用于提供上层介质板2和下层介质板5之间稳固的支撑。
具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式三所述的基于人工磁导体的圆极化宽扫描角微带相控阵天线作进一步说明，本实施方式中，矩形微带贴片1的数目为11个，M的取值为6，N的取值为30，相邻矩形微带贴片1处于相同方位的金属探针7的馈电相位依次递增从第1个矩形微带贴片1开始，每个矩形微带贴片1的4个金属探针7的馈电相位沿顺时针方向依次为
从第1个至第11个矩形微带贴片1，n取值依次为1,2,3，…,11。
采用本实施方式的结构，可以实现天线波束在yoz平面上的扫描，在C波段实现±83°的扫描，其极化方式为左旋圆极化。表1为得到的天线方向图扫描结果，其中θ1为波束指向角度，Gain为波束增益，AR为轴比，SLL为副瓣电平，3dB beam coverage为半功率波束范围。
表1天线方向图扫描结果
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

Claims (5)

1.基于人工磁导体的圆极化宽扫描角微带相控阵天线，其特征在于，包括多个矩形微带贴片(1)、上层介质板(2)、多个周期结构单元(3)、下层介质板(5)、金属地板(6)和金属探针(7)；
以上层介质板(2)的长度方向为y轴方向，宽度方向为x轴方向，厚度方向为z轴方向；
上层介质板(2)的上表面沿y轴方向等距分布多个矩形微带贴片(1)，下层介质板(5)的上表面沿x轴和y轴等距阵列式排布多个周期结构单元(3)，金属地板(6)位于下层介质板(5)的下表面，上层介质板(2)位于下层介质板(5)之上、且两层介质板之间存在空气层(4)；
每个矩形微带贴片(1)均有4个为其馈电的金属探针(7)，不同矩形微带贴片(1)的4个金属探针(7)的分布相同，金属探针(7)依次穿过金属地板(6)、下层介质板(5)、周期结构单元(3)、上层介质板(2)与矩形微带贴片(1)相连；
周期结构单元(3)的材料为人工磁导体。
2.根据权利要求1所述的基于人工磁导体的圆极化宽扫描角微带相控阵天线，其特征在于，周期结构单元(3)为矩形金属贴片且具有8条旋转对称的孔隙。
3.根据权利要求1或2所述的基于人工磁导体的圆极化宽扫描角微带相控阵天线，其特征在于，同一个矩形微带贴片(1)的4个金属探针(7)的馈电相位沿顺时针方向依次递增90°，相邻矩形微带贴片(1)处于相同方位的金属探针(7)的馈电相位依次递增或递减
4.根据权利要求1或2所述的基于人工磁导体的圆极化宽扫描角微带相控阵天线，其特征在于，同一个矩形微带贴片(1)的4个金属探针(7)的馈电相位沿顺时针方向依次递减90°，相邻矩形微带贴片(1)处于相同方位的金属探针(7)的馈电相位依次递增或递减
5.根据权利要求1或2所述的基于人工磁导体的圆极化宽扫描角微带相控阵天线，其特征在于，还包括多个支撑杆(8)，支撑杆(8)的一端与上层介质板(2)固定，支撑杆(8)的另一端与下层介质板(5)固定。
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