CN109390701A - 一种基于相位梯度多层超表面结构的x波段高增益宽带透镜天线 - Google Patents

一种基于相位梯度多层超表面结构的x波段高增益宽带透镜天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于相位梯度多层超表面结构的X波段高增益宽带透镜天线，该天线由于使用基于H型缝隙耦合的微带天线作为馈源而呈现出宽频带的特性，此外，设计实现具有相位梯度变化特征的超表面结构单元并将这些单元结构按照抛物面聚焦方程进行排列，因此获得了良好的低剖面特性。组合好的超表面透射阵列可以将垂直入射的准球面波转化为平面波，进而得到高增益天线。此透镜天线工作在中心频率为10GHz的X波段且相对带宽达到了20.6%，天线增益可以从8.25dB提高到18.98dB，同时由于超表面的聚焦作用旁瓣电平要小于‑14.3dB。简单的立体结构以及紧凑的尺寸为实现高增益天线提供了一种新的方法，在远距离无线通信领域应用前景广泛。

Description

一种基于相位梯度多层超表面结构的X波段高增益宽带透镜 天线
技术领域
本发明涉及微波天线技术领域，具体涉及一种基于相位梯度多层超表面结构的X波段高增益宽带透镜天线。
背景技术
X波段高增益宽带透镜天线在无线通信系统领域占有重要地位，特别是卫星通信领域。对这种天线的各种设计方法，前人进行了广泛的研究。现有的例如，开发了使用基于超表面反射面的圆极化高增益天线，该天线通过控制超表面单元的旋转角度来获得梯度相位变化；还开发了一种具有八个离散相位状态的单层超表面结构的天线，该方法设计实现简便，但牺牲了一定的辐射效率；此外，还研发出使用基于矩形金属双环的透射型的超表面提高天线增益，透射型超表面可以通过改变金属环的宽度实现相位梯度变化同时又能实现传输幅度控制，保证透射效率。此外，研究人员还通过调节超表面单元的厚度来实现提督相位的天线。上述的前两种天线是使用反射型的超表面结构设计制造的，这样的设计会使得馈源天线成为反射波传输方向上的阻塞，不利于实现天线的高增益特性。同时，后两种的天线虽然采用了透射型的多层结构克服了在能量传输方向上存在阻塞的缺陷，天线增益得到一定程度改善，但是这些透射结构仍然是基于频率选择表面结构设计的，这种类型的结构在各层之间存在一定高度的空气缝隙，这就使得它难以实现低剖面的设计，而且十分不便于实际制造。而对于多层的频率选择表面结构，其厚度和面积仍然很大，甚至每一层的频率选择单元都具有不同的结构。而不同于频率选择性表面结构，超表面是另外一种可供选择的方法，而利用抛物线聚焦方程进行相位分布可以进一步实现低剖面，而且整个传输结构较小易于设计。但是这些结构的天线带宽较窄，低剖面的实现是以天线增益的降低为代价的。
发明内容
为了满足高增益宽带天线的需要，解决上述的技术问题，本发明提出一种基于相位梯度多层超表面结构的X波段高增益宽带透镜天线。
一种基于相位梯度多层超表面结构的X波段高增益宽带透镜天线，其特征在于：
所述透镜天线包括馈源天线和透镜；
所述馈源天线由上下两层结构构成，其上层由矩形辐射贴片和介质层组成，底层部分由H型缝隙、微带线和介质层组成，所述上下两部分之间为一定高度的空气缝隙，所述馈源天线通过H型缝隙使用微带线进行耦合方式馈电；
所述透镜由三层介质和四层金属层结构互相间隔叠加组成，排列好的金属层垂直方向等间隔放置四层，相邻金属层之间填充相同的介质，所述金属层由外层的矩形金属框和位于中心位置的圆形金属片构成，所述圆形金属片的半径可调，通过调节所述圆形金属片的半径大小可以控制垂直入射电磁波的相位和幅度的变化；
所述金属层采用超表面阵列单元结构，该阵列是将设计好的单元结构按照抛物面聚焦方程进行排列，以产生对入射波的聚焦效果；根据几何光学的相关知识，要求超表面在垂直于入射波方向上的相位分布满足如下方程：
其中f为焦距，φ1为原点处(x＝0,y＝0)单元的透射相位，这里令f＝λ＝30mm，并且在x与y方向利用8个单元实现2π的相位变化；
所述透镜天线的整体结构为，具有聚焦作用的超表面阵列的透镜设置于馈源微带天线的正上方，馈源与传输阵列之间的距离f与透射阵列边长D的比例设置为0.55。
进一步地，所述馈源天线中的介质层均使用相对介电常数为3.38、厚度为0.782mm的Rogers RO3003。
进一步地，所述透镜结构中，三层介质之间没有空气缝隙结构，使得金属层的超表面阵列具有超薄的低剖面特性。
进一步地，所述透镜结构中的金属层整体尺寸大小为150×150mm2。
本发明的有益效果是，本发明采用具有宽频带特性的微带天线作为馈源，微带贴片天线具有重量轻、薄型化、生产成本低等特点，同时宽带天线可以有效的减少因为馈源和透射阵列之间的耦合而造成的谐振点的偏移现象。同时，结合多层介质技术，将具有梯度相位变化特性的超表面转化为三维结构，有效的减小了超表面结构的尺寸，由于按照抛物面聚焦方程排布不同尺寸的单元结构实现了天线辐射的聚焦功能，最终获得了较高的天线增益。
附图说明
图1为本发明馈源微带天线结构示意图。
图2为本发明所述馈源天线的增益和反射系数曲线图。
图3为本发明超表面阵列单元结构透镜示意图。
图4为本发明超表面单元对入射波的幅度和相位调控曲线图。
图5为本发明超表面单元排列及相位分布示意图。
图6为本发明透镜天线的整体结构示意图。
图7为本发明透镜天线的仿真与测试回波损耗曲线示意图。
图8为本发明透镜天线与馈源天线回波损耗仿真结果及10GHz处E面天线增益对比示意图。
图9为本发明透镜天线仿真与测试增益曲线示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
一种基于相位梯度多层超表面结构的X波段透高增益宽带透镜天线，包括馈源天线和透镜。
所述馈源天线由上下两层结构构成，其上层由矩形辐射贴片和介质层组成，底层部分由H型缝隙、微带线和介质层组成，所述上下两部分之间为一定高度的空气缝隙，所述馈源天线通过H型缝隙使用微带线进行耦合方式馈电。
图1给出了作为馈源的基于H型缝隙耦合的微带天线的结构示意图。使用微带线通过H型缝隙耦合馈电的矩形贴片天线作为本发明的馈源天线，微带贴片天线具有重量轻、薄型化、生产成本低等优于其他天线的特点。而由于馈源天线和透射阵列之间的互耦而引起的谐振点偏移时必须考虑的问题，而本发明中使用H型缝隙进行对馈源天线馈电，可以该隔离馈电网络与辐射贴片，降低了馈电网络杂散波对辐射贴片的影响，克服了传统馈电方式带来的电感效应，进而改善天线阻抗特性，同时产生两个相近的谐振频率进而扩展天线的带宽，获得宽带辐射的准球面波。该馈源天线结构图由图1所示，天线由两部分组成，上层部分是由矩形辐射贴片和介质层组成，底层部分由开H型槽的地层、微带线和介质组成，在这两部分之间是一定高度的空气缝隙，介质层均使用相对介电常数为3.38厚度为0.782mm的Rogers RO3003。这样的设计可以在10GHz即X波段产生一个相对带宽为20.6％的宽带辐射的效果，相应的此馈源天线的增益和反射系数如图2所示。
所述透镜由三层介质和四层金属层结构互相间隔叠加组成，排列好的金属层垂直方向等间隔放置四层，相邻金属层之间填充相同的介质，所述金属层由外层的矩形金属框和位于中心位置的圆形金属片构成，所述圆形金属片的半径可调，通过调节所述圆形金属片的半径大小可以控制垂直入射电磁波的相位和幅度的变化。
所述金属层采用超表面阵列单元结构，该阵列是将设计好的单元结构按照抛物面聚焦方程进行排列，以产生对入射波的聚焦效果。
图3给出了本发明所设计的超表面阵列单元结构透镜示意图，该单元结构是由三层介质和四层金属结构组成。单元尺寸为10×10mm2，介质层厚度相同，均使用厚度为0.813mm的Rogers 4003C基板，相对介电常数为3.55。四层金属层结构均为相同的尺寸，在最外层是矩形的金属框，宽度固定为0.2mm，中心位置处的圆形金属片具有可变的半径，通过调节其半径大小可以控制垂直入射电磁波的相位和幅度的变化。在CST软件中设置单元结构进行仿真，设置入射波与结构之间的距离为90mm，可以得到如图4所示的超表面单元对入射波幅度和相位的调控关系曲线，本发明设计的多层结构通过调节圆形金属片半径在0.5mm至4mm的范围内变化可以实现入射波相位变化覆盖0-2π的范围，同时入射波的透射率维持在75％以上，保证了本发明所设计的超表面阵列的透射效率与对入射波的聚焦效果。
图5给出了本发明所设计的超表面阵列单元结构以及相应的相位分布示意图，该阵列是将设计好的单元结构按照抛物面聚焦方程进行排列，以产生对入射波的聚焦效果，整体尺寸大小为150×150mm2，三层介质之间没有空气缝隙结构因而使得超表面阵列单元结构具有超薄的低剖面特性。根据几何光学的相关知识，要求超表面在垂直于入射波方向上的相位分布满足如下方程：
其中f为焦距，φ1为原点处(x＝0,y＝0)单元的透射相位，这里令f＝λ＝30mm，并且在x与y方向利用8个单元实现2π的相位变化。在超表面阵列单元结构上，每个位置所要求的相位是不同的，如果把所有相位所对应的单元尺寸都仿出来，工作量很大，所以只仿真18个单元和相位和幅度的对应关系，然后进行曲线拟合找到其它想要的相位。得出的相位偏移曲线，有一部分斜率比较大，所以应该尽可能避开这一部分放在靠近传输阵中心的位置来减小相位误差，因为斜率大表示单元尺寸变化一个较小值还会对应比较大的相位偏移，会受到加工精度的影响更大。
本发明所设计的透镜天线的整体结构图如图6所示，具有聚焦作用的超表面传输阵列位于馈源微带天线的正上方，馈源与传输阵列之间的距离f与透射阵列边长D的比例设置为0.55。通过CST软件进行仿真可以得到天线辐射能量的传输示意，可以得出微带天线产生的球面波经过透射阵列之后转化为平面波，改善了天线的方向性和增益。
经过模型仿真和测试，得到本发明所设计的透镜天线的回波损耗曲线图如图7所示，可以看出仿真和测试结果的通带频段保持一致，而反射系数略有不同，这是因为在进行实物加工阶段误差是不可避免的，同时由于在实物测试阶段馈源天线与透射阵列之间需要加载金属柱固定，因而不可避免会产生一定的反射，影响测量结果。如图8所示，对比馈源天线的与透镜天线的回波损耗曲线，可以看出本发明设计的透镜天线并没有因为超表面传输阵列的加载产生的互耦产生谐振点的偏移，而且加载后的天线的通带得以展宽，带宽得到增强。从天线增益角度来看，天线的增益从8.25dB提高到18.98dB，因此天线的辐射效率可以计算得到为32％。同时天线的半功率点波束宽度从76.2°减小到了11.3°，证明了本发明的超表面阵列单元结构透镜的聚焦作用显著。对于天线的另一个重要参数即1dB增益带宽来讲，从图9可以看出，天线的1dB增益带宽为9％。这种具有超薄结构、宽频带带宽特性以及高增益使得该设计在远距离通信中具有广阔的应用前景。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于相位梯度多层超表面结构的X波段高增益宽带透镜天线，其特征在于：
所述透镜天线包括馈源天线和透镜；
所述馈源天线由上下两层结构构成，其上层由矩形辐射贴片和介质层组成，底层部分由H型缝隙、微带线和介质层组成，所述上下两部分之间为一定高度的空气缝隙，所述馈源天线通过H型缝隙使用微带线进行耦合方式馈电；
所述透镜由三层介质和四层金属层结构互相间隔叠加组成，排列好的金属层垂直方向等间隔放置四层，相邻金属层之间填充相同的介质，所述金属层由外层的矩形金属框和位于中心位置的圆形金属片构成，所述圆形金属片的半径可调，通过调节所述圆形金属片的半径大小可以控制垂直入射电磁波的相位和幅度的变化；
所述金属层采用超表面阵列单元结构，该阵列是将设计好的单元结构按照抛物面聚焦方程进行排列，以产生对入射波的聚焦效果；根据几何光学的相关知识，要求超表面在垂直于入射波方向上的相位分布满足如下方程：
其中f为焦距，φ1为原点处(x＝0,y＝0)单元的透射相位，这里令f＝λ＝30mm，并且在x与y方向利用8个单元实现2π的相位变化；
所述透镜天线的整体结构为，具有聚焦作用的超表面阵列的透镜设置于馈源微带天线的正上方，馈源与传输阵列之间的距离f与透射阵列边长D的比例设置为0.55。
2.根据权利要求1所述的一种基于相位梯度多层超表面结构的X波段高增益宽带透镜天线，其特征在于：所述馈源天线中的介质层均使用相对介电常数为3.38、厚度为0.782mm的Rogers RO3003。
3.根据权利要求1所述的一种基于相位梯度多层超表面结构的X波段高增益宽带透镜天线，其特征在于：所述透镜结构中，三层介质之间没有空气缝隙结构，使得金属层的超表面阵列具有超薄的低剖面特性。
4.根据权利要求1所述的一种基于相位梯度多层超表面结构的X波段高增益宽带透镜天线，其特征在于：所述透镜结构中的金属层整体尺寸大小为150×150mm2。
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