CN110148840A - 一种实现轴向定向波束和径向多波束辐射的混合介质天线 - Google Patents

一种实现轴向定向波束和径向多波束辐射的混合介质天线 Download PDF

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Abstract

本发明属于天线技术领域，提出了一种多功能混合介质天线，包括中心镂空混合介质板、金属平板、单极子天线和矩形波导，所述的中心镂空混合介质板是由中心圆柱形缺口和周期性圆柱形穿孔并加载金属丝线的各向异性正方形介质单元组成，其中圆柱形穿孔的直径在混合介质板上由中心向外递增；所述金属平板加载在混合介质板的下表面；所述单极子天线固定在混合介质板正中心；所述矩形波导通过支架固定在整体混合介质板的轴向焦点位置。本发明能够同时实现轴向高增益定向辐射和径向多波束辐射功能，可应用于卫星通信等领域。

Description

一种实现轴向定向波束和径向多波束辐射的混合介质天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，涉及一种混合介质天线，具体涉及一种基于混合 介质板的多功能天线，可应用于卫星通信和移动通信等领域。
技术背景
随着卫星通信和移动通信的迅猛发展，人们对多功能介质天线的集成设计需 求越发迫切。然而目前针对介质天线的设计和研究中，大多单一地采用同类型介 质特性来实现相应的电磁辐射功能，因而一般介质天线的功能较为单一，而混合 介质天线可以实现更多的功能，例如设计能够利用梯度渐变介质层实现定向波束 的混合介质，也适用于利用混合介质的零折射率特性实现波前整形。
例如申请公布号为CN108767424A，名称为“一种实现边射和端射功能的多 层介质天线”的专利申请，公开了一种实现边射和端射功能的多层介质天线，包 括由边射相位补偿介质板和端射相位校准介质板组成的同心圆多层介质板和馈 源；边射相位补偿介质板由圆形和多个圆环形介质板嵌套成；端射相位校准介质 板是嵌套在边射相位补偿介质板最外层的圆环形结构，其内嵌有由多个介质块组 成的端射增益校准模块，同心圆多层介质板的下表面印制有金属平板，馈源包括 1个矩形波导和3个微带天线；矩形波导在边射相位补偿介质板的轴向焦点处； 微带天线在边射相位补偿介质板的径向焦点处，该天线通过混合介质在不同方向 上的相位补偿，保证边射方向上定向波束的同时实现端射方向上定向波束，边射 方向的馈源为矩形波导，端射方向的馈源为微带天线，然而，圆环形介质嵌套板结构的加工难度高，馈源也较多，馈电网络复杂。
以上混合介质天线虽然可以同时实现多功能，但结构和馈电网络复杂，加工 困难，需要的材料种类多，结合不牢固，不利于投入实际使用，难以满足卫星通 信和移动通信对轴向定向波束和径向多波束辐射功能同时实现的使用要求。
发明内容
本发明目的在于针对上述现有技术存在的不足，提出了一种实现轴向定向波 束和径向多波束辐射的混合介质天线，旨在保证轴向定向辐射和径向多波束辐射 特性的同时，简化混合介质天线的结构。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案包括反射镜，所述反射镜由正方形 混合介质板1和粘贴在该正方形混合介质板1下表面的金属平板2组成；所述正 方形混合介质板1包括位于中心的介质板11和与该介质板11拼接的由多个混 合介质单元12组成的环状阵列，所述介质板11的中心位置设置有第一圆柱形过 孔111，所述正方形混合介质单元12由第二圆柱形过孔121和加载在其中的金 属丝线122组成，所述环状阵列由m×m个周期性排布的混合介质单元12组成 的面阵减去该面阵中心位置n×n个周期性排布的混合介质单元12构成， m-n≥2，n≥2；所述第一圆柱形过孔111的中心固定有单极子天线单元3；所 述正方形混合介质板1上表面一侧通过支架4固定有矩形波导5，且该矩形波导 5输出端口的几何中心位于反射镜的焦点位置；
所述第二圆柱形过孔121，其半径Ri通过该第二圆柱形过孔121在正方形混 合介质板1中所处的位置确定，具体计算公式为：
其中，f为反射镜的焦距，c为真空之中光速，f为工作频率，T为混合介 质板的厚度，d为的第二圆柱形过孔轴线到正方形混合介质板中心法线的距离， b为混合介质单元的边长，εr为混合介质单元使用介质的介电常数。
上述一种实现轴向定向波束和径向多波束辐射的混合介质天线，所述介质板 11的中心法线、矩形波导5腔体的轴线、所述第一圆柱形过孔111的轴线、以 及所述单极子天线单元3的轴线，均与正方形混合介质板1的中心法线重合。
上述一种实现轴向定向波束和径向多波束辐射的混合介质天线，其特征在于： 所述第二圆柱形过孔121，其轴线与第一圆柱形过孔111的轴线平行。
上述一种实现轴向定向波束和径向多波束辐射的混合介质天线，其特征在于： 所述金属丝线122，其横截面的半径为ri，该金属丝线122的轴线与其加载位置 的第二圆柱形过孔121的轴线重合，ri的计算公式为：
其中，εeff为混合介质单元径向的等效介电常数，其数值接近0，c为真空之 中光速，f为工作频率，εr为混合介质单元使用介质的介电常数，Ri为金属丝线 加载位置的第二圆柱形过孔的半径，b为混合介质单元的边长，且ri＜＜b。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
本发明以矩形波导和单极子天线单元分别作为反射镜轴向和径向的馈源，通 过混合介质单元上第二圆柱形过孔半径的变化构建反射镜的轴向折射率梯度渐 变，实现对矩形波导辐射反射波的相位补偿，得到轴向的定向波束辐射，通过对 混合介质单元第二圆柱形过孔半径和金属丝线半径的调整实现反射镜在径向的 近零折射率特性，经过近零折射率材料的波前整形效应使单极子天线单元辐射出 的球面波在径向得到四波束定向辐射，同时实现了轴向定向波束和径向多波束辐 射功能，与现有技术中的混合介质天线相比，正方形混合介质板使用整块介质和 金属丝线作为材料，比环形介质板结构简单可靠，加工方便，与单个馈源只能实 现单个方向的定向辐射相比，馈源更少，馈电网络更简单。
附图说明
图1是本发明实施例的整体结构示意图；
图2是本发明实施例正方形混合介质板的结构示意图；
图3是本发明实施例混合介质单元的结构示意图；
图4是本发明实现轴向定向波束辐射的设计原理图；
图5是本发明实现径向多波束辐射的设计原理图；
图6是本发明实施例中反射镜在16GHz沿其轴向辐射时加载和未加载金属 丝线结构的远场对比图；
图7是本发明实施例中反射镜在16GHz沿其轴向辐射时加载和未加载金属 丝线结构的归一化近场电场对比图；
图8是本发明实施例中对单极子天线单元激励时沿正方形混合介质板径向 辐射的远场示意图；
图9是本发明实施例中对单极子天线单元激励时沿正方形混合介质板径向 辐射的归一化近场电场对比图。
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，本发明包括由正方形混合介质板1和粘贴在该正方形混合介质 板1下表面的金属平板2组成的反射镜、单极子天线单元3、支架4、矩形波导 5。
在本实施例中，单极子天线单元3的工作频率为16GHz，工作长度为 4.6875mm，支架4使用四根刚性材料，矩形波导5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。
在本实施例中，单极子天线单元3的轴线、矩形波导5腔体的轴线，均与 正方形混合介质板1的中心法线重合，支架4的四根刚性材料的首尾分别连接 矩形波导5输出端口外框的四个顶点和正方形混合介质板1上表面的四个顶 点，金属平板2位于空间直角坐标系中的xOy平面，正方形混合介质板1的中 心法线平行于z轴。
参照图2，在本实施例中，正方形混合介质板1包括位于中心的介质板11和 与该介质板11拼接的由多个混合介质单元12组成的环状阵列，所述介质板11 的中心位置设置有第一圆柱形过孔111，所述环状阵列由m×m个周期性排布的 混合介质单元12组成的面阵减去该面阵中心位置n×n个周期性排布的混合介质 单元12构成，m-n≥2，n≥2。
本实施例中，介质单元使用的介质为Rogers RT/duroid 5880，相对介电常 数为2.2，损耗角正切为0.001，正方形本混合介质板1的外形尺寸为90×90×15 mm，即介质材料的厚度T＝15mm，m＝15，n＝5，中心的介质板11外形尺寸为 30×30×15mm，第一圆柱形过孔111的半径为12mm，其轴线与正方形混合介质 板1的中心法线重合。
参照图3，所述混合介质单元12由第二圆柱形过孔121和加载在其中的金 属丝线122组成，金属丝线122的横截面为圆形，每个混合介质单元12中，第 二圆柱形过孔121的轴线和加载在其中的金属丝线122的轴线重合，各个混合介 质单元12之间，圆柱形过孔121的轴线互相平行且都与第一圆柱形过孔111的 轴线重合，混合介质单元12在各个方向上的物理结构不同，则可以构建z方向 的相位梯度变化，并在x和y方向呈现近零折射率特性。
在本实施例中，考虑到实际中加工精度限制，从第一圆柱形过孔111的轴线 到正方形混合介质板1的边缘，每两到三圈环形分布的混合介质单元12的第二 圆柱形过孔121的半径设置相同，正方形混合介质四个角落上，每个角落3根金 属丝线122共12根金属丝线122的半径一致，减小加工精度的要求，混合介质 单元的外形尺寸为6×6×15mm，即边长b＝6mm，厚度T＝15mm，第二圆柱形过孔 121的半径Ri由中心向边缘共分为三组，分别为R1＝1mm，R2＝1.6mm，R3＝2.2mm， 金属丝线122的半径ri分为两组，其中正方形混合介质四个角落上12根金属丝 线122，其半径r1＝0.7mm，其他的金属丝线122的半径r2＝0.8mm。
参照图4，馈源在焦点发出的球面波，其等相位面为球面，经反射镜反射得 到定向波辐射，其等相位面为准平面。第二圆柱形过孔121，其半径Ri通过该第 二圆柱形过孔121在混合介质板11中所处的位置确定，不受金属丝线122的半 径ri数值变化所影响，具体计算公式为：
其中，f为反射镜的焦距，c为真空之中光速，f为工作频率，T为正方形 混合介质板的厚度，d为的第二圆柱形过孔轴线到正方形混合介质板中心法线的 距离，b为混合介质单元的边长，εr为混合介质单元使用介质的介电常数。
在本实施例中，反射镜的焦距f＝75mm，工作频率f＝16GHz。
金属丝线113的半径为ri的计算公式为：
其中，εeff为混合介质单元径向的等效介电常数，其数值接近0，其数值与 金属丝线的结构有关。c为真空之中光速，f为工作频率，εr为混合介质单元 使用介质的介电常数，Ri为金属丝线加载位置的第二圆柱形过孔的半径，b为 混合介质单元的边长，且ri＜＜b。
在本实施例中，工作频率f＝16GHz。
参照图5，正方形混合介质板1在径向呈现近零折射率特性，单极子天线 单元3在透射前辐射球面波，利用近零折射率材料的波前整形效应，经过透射 后，在正方形混合介质板1的四个边缘形成四个方向垂直于正方形混合介质板 1侧平面的定向波束，透射后的等相位面为准平面。
以下结合仿真实验，对本发明的技术效果作一步说明：
1、仿真条件和内容：
仿真条件：三维全波电磁场仿真软件CST Microwave Studio2017电磁仿真 软件。
仿真内容：1、一种实现轴向定向波束和径向多波束辐射的混合介质天线沿 轴向辐射时加载和未加载金属丝线的辐射远场和近场电场对比图，仿真结果如图 6和图7所示；
2、一种实现轴向定向波束和径向多波束辐射的混合介质天线沿径向辐射的 辐射远场和近场电场对比图，仿真结果如图8和图9所示。
3、仿真结果分析：
参照图6，图6为本发明实施例中沿轴向辐射时加载和未加载金属丝线的辐 射远场对比图，图6实线代表混合介质单元加载金属丝线的远场示意图，在笛卡 尔坐标系下的yOz平面内，增益随theta角度变化，天线最大辐射方向为0°， 增益为16.64dBi，半功率波束宽度为11.7°；图5虚线代表混合介质单元未加 载金属丝线的远场示意图，在笛卡尔坐标系下的yOz平面内，增益随theta角度 变化，最大辐射方向为0°，增益为16.56dBi，半功率波束宽度为12.2°。仿 真结果说明：本发明沿轴向辐时加载和未加载金属丝线对其轴向辐射远场没有太 大的影响。
参照图7，图7为本发明实施例中沿轴向辐射时加载和未加载金属丝线的辐 射的归一化近场电场示意图，图7(a)为本发明实施例中沿轴向辐射时加载金属 丝线的辐射的归一化近场电场示意图，图7(b)为本发明实施例中沿轴向辐射时 未加载金属丝线的辐射的归一化近场电场示意图，对比图7(a)和图7(b)轴 向辐射的电磁波，从馈源矩形波导辐射出的球面波，经过金属平板反射作用后在 轴向上两者都得到了平面波前，仿真结果说明：本发明沿轴向辐射时加载和未加 载金属丝线结构对其轴向辐射的近场电场几乎没有影响。
参照图8，图7为本实施例中单极子天线单元激励时径向辐射的远场示意图， 实线表示对单极子天线激励时径向辐射的远场示意图，在笛卡尔坐标系下的xOy 平面内，增益随phi角度变化，最大辐射方向有四个，分别为0°，90°，180°， 270°，增益为6.75dBi，半功率波束宽度为15.5°，仿真结果说明：本发明可 以产生径向的多波束定向辐射。
参照图9，图9为本实施例中单极子天线单元激励时径向辐射的归一化近场 电场图，图中从单极子天线单元辐射的入射波经过正方形混合介质板径向的波前 整形效应，且正方形混合介质板的外侧形状为正方形，因而经透射后，在四个传 播方向上得到了四个准平面波前。仿真结果说明：本发明可以产生径向的多波束 定向辐射。

Claims (4)

1.一种实现轴向定向波束和径向多波束辐射的混合介质天线，其特征在于：包括反射镜，所述反射镜由正方形混合介质板(1)和粘贴在该正方形混合介质板(1)下表面的金属平板(2)组成；所述正方形混合介质板(1)包括位于中心的介质板(11)和与该介质板(11)拼接的由多个混合介质单元(12)组成的环状阵列，所述介质板(11)的中心位置设置有第一圆柱形过孔(111)，所述正方形混合介质单元(12)由第二圆柱形过孔(121)和加载在其中的金属丝线(122)组成，所述环状阵列由m×m个周期性排布的混合介质单元(12)组成的面阵减去该面阵中心位置n×n个周期性排布的混合介质单元(12)构成，m-n≥2，n≥2；所述第一圆柱形过孔(111)的中心固定有单极子天线单元(3)；所述正方形混合介质板(1)上表面一侧通过支架(4)固定有矩形波导(5)，且该矩形波导(5)输出端口的几何中心位于反射镜的焦点位置；
所述第二圆柱形过孔(121)，其半径Ri通过该第二圆柱形过孔(121)在正方形混合介质板(1)中所处的位置确定，具体计算公式为：
其中，f为反射镜的焦距，c为真空之中光速，f为工作频率，T为混合介质板的厚度，d为的第二圆柱形过孔轴线到正方形混合介质板中心法线的距离，b为混合介质单元的边长，εr为混合介质单元使用介质的介电常数。
2.根据权利要求1所述的一种实现轴向定向波束和径向多波束辐射的混合介质天线，其特征在于：所述介质板(11)的中心法线、矩形波导(5)腔体的轴线、所述第一圆柱形过孔(111)的轴线、以及所述单极子天线单元(3)的轴线，均与正方形混合介质板(1)的中心法线重合。
3.根据权利要求1所述的一种实现轴向定向波束和径向多波束辐射的混合介质天线，其特征在于：所述第二圆柱形过孔(121)，其轴线与第一圆柱形过孔(111)的轴线平行。
4.根据权利要求1所述的一种实现轴向定向波束和径向多波束辐射的混合介质天线，其特征在于：所述金属丝线(122)，其横截面的半径为ri，该金属丝线(122)的轴线与其加载位置的第二圆柱形过孔(121)的轴线重合，ri的计算公式为：
其中，εeff为混合介质单元径向的等效介电常数，其数值接近0，c为真空之中光速，f为工作频率，εr为混合介质单元使用介质的介电常数，Ri为金属丝线加载位置的第二圆柱形过孔的半径，b为混合介质单元的边长，且ri＜＜b。
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