CN110911830A - 无源频率扫描Fabry-Perot谐振腔天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了无源频率扫描Fabry‑Perot(FP)谐振腔天线，包括部分反射表面和同轴馈电的层叠贴片天线；部分反射表面由9x9个单元组成，每个单元都由上层金属层、介质基板和下层金属层构成，其中上层金属层开有尺寸相同的菱形槽，下层金属层为尺寸渐变的正方形贴片；层叠贴片天线由上层正方形贴片、中层正方形贴片、下层金属地板、金属探针、上层介质板和下层介质板构成。在层叠天线中，探针给中层贴片直接馈电，中层贴片通过耦合给上层贴片馈电，来展宽辐射源的带宽。在FP谐振腔天线中，由层叠天线辐射的电磁波在部分反射表面和地板之间来回反射，通过部分反射表面调节幅度和相位，使等相位面倾斜，进而使从部分反射表面辐射而出的波束倾斜。

Description

无源频率扫描Fabry-Perot谐振腔天线
技术领域
本发明涉及一种FP谐振腔天线，尤其涉及一种无源频率扫描Fabry-Pérot(FP)谐振腔天线，属于微波技术领域。
背景技术
作为波束扫描天线的一种，频率扫描天线广泛应用于雷达及其他通信领域。因为波导缝隙天线和漏波天线可作为行波天线，因此它们都是典型的频率扫描天线。随着周期结构和3D打印技术的出现，频率选择表面作为空间调制器，能够控制次级辐射源的幅度和相位，在频率扫描反射阵天线和透镜天线中扮演着重要的角色。
作为另一款特殊的频率选择表面，部分反射表面是FP谐振腔天线的重要组成部分。在FP谐振腔天线中，通过调节部分反射表面的反射相位以及其与地板之间的距离，能够实现具有高定向性的波束。在过去的几十年中，大量的工作涌现而出为提高FP谐振腔天线的性能作出了积极贡献：用反射相位随频率线性增加的部分反射表面来展宽带宽；用人工磁导体代替金属地板来降低天线剖面；用装有变容二极管或MEMS的有源器件来电调扫描波束；使用可移动式初级辐射源或可控相移超材料来机械调节扫描波束。
然而，无论是电调节还是机械调节可重构FP谐振腔天线，都需要复杂的操作来实现。相比而言，频率扫描能够使操作简单化。根据部分反射表面的特性，FP谐振腔天线能够很自然地实现频率扫描。然而，因为常规部分反射表面的对称性，这些FP谐振腔天线形成的是锥形波束而不是笔形波束。因此，多块不同尺寸的相位梯度超表面被选用作为部分反射表面，从而实现频率扫描。然而在这种方式中，每块部分反射表面只确定一个扫描方向，需要切换部分反射表面来操控波束，无疑加大了设计和操作的复杂度。同时，上述部分反射表面的单元只是一维渐变，并不能准确地改变二维的反射相位。
综上所述，无需电调节或机械调节，以及无需改变部分反射表面的尺寸，无源频率扫描FP谐振腔天线是该领域研究人员值得研究的课题。
发明内容
本发明设计了一款无源频率扫描FP谐振腔天线，根据部分反射表面的反射相位随频率变化的特性，将整个部分反射表面分为前向和后向区域，其中前向区域对于波束操控占主要作用，后向区域占次要作用。同时，选用具有较宽频带的层叠贴片天线作为初级馈源，以此来验证天线的频率扫描特性。
本发明的技术解决方案是：无源频率扫描Fabry-Perot(FP)谐振腔天线，包括依次层叠的部分反射表面和同轴馈电的层叠贴片天线；所述部分反射表面置于FP谐振腔天线的上层，由9x9个单元组成，包括依次层叠的上层金属层、中间介质板和下层金属层；每个单元的上层金属层均开有尺寸相同的菱形槽，下层金属层为尺寸随方位角渐变的方形贴片，所述上、下层金属层具有相同的长宽，所述中间介质板的尺寸大于上、下层金属层的尺寸；所述同轴馈电的层叠天线置于FP谐振腔天线的下层，包括上下两层介质板；上层介质板的上表面印刷有上层金属贴片；下层介质板上表面印刷有下层金属贴片，所述下层介质板的下表面全部用金属覆盖用作地板，介质板中打空气通孔并插入金属探针来对上表面金属板进行馈电。
进一步的，所述上下层介质板的上表面印刷的金属贴片均呈方形，且上层金属贴片的边长比下层金属贴片小1.4mm。
进一步的，所述上层金属贴片的尺寸决定了天线的高频谐振点，下层金属贴片的尺寸决定了天线的低频谐振点，馈电位置由金属探针确定，根据微带天线理论和三维电磁仿真软件仿真，调节两块贴片的尺寸以及探针位置，来展宽馈源天线的工作带宽。
进一步的，所述下层金属层的尺寸随方位角的增大而递减。
进一步的，所述中间介质板的长宽均大于金属层30mm，用于打孔固定。
进一步的，单元的周期、菱形尺寸、贴片尺寸和部分反射表面与层叠贴片天线之间的距离，共同决定反射的幅度和相位；控制单元周期、菱形尺寸和距离一定，让贴片尺寸随方位角增大而减小，使等相位面倾斜。
进一步的，由三维电磁仿真软件对单元进行仿真，设置单元四周为周期边界，上下距离7.5mm为Floquet边界，并设置参考面距离Floquet边界为-7.5mm。通过改变单元的周期、菱形尺寸和贴片尺寸，对下Floquet端口的S11的幅度和相位在5GHz-15GHz的频率范围内进行仿真分析；由此可知单元的周期、菱形尺寸、贴片尺寸会影响单元的反射幅度和相位；根据射线模型理论，单元的反射相位以及部分反射表面与层叠贴片天线之间的距离会影响部分反射表面的相位分布。
进一步的，方形贴片和地板选用17um厚的铜，探针为直径1.27mm的铜柱，地板上在探针中心位置开有直径4.4mm的圆孔用以馈电。上层介质板选用1.524mm厚的Taconic TLY-5，下层介质板选用0.787mm的Rogers 5880。
进一步的，上下层金属层都选用17um厚的铜，介质板选用1.524mm厚的TaconicTLY-5。
使用双层金属周期结构的单元构筑部分反射表面，单元尺寸随方位角而变化，使其反射相位能够满足波束倾斜所需要的二维相位分布，通过所需倾斜角确定部分反射表面和层叠贴片天线之间的距离。略微调节后向区域的尺寸，使前向区域对于辐射影响的比重远大于后向区域，从而部分反射表面的特性实现频率扫描。
层叠贴片天线的上层金属贴片控制高频谐振点，中层金属贴片控制低频谐振点，通过调节金属贴片的尺寸使两个谐振点靠近，以此展宽天线带宽。
以下便结合实施例附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详述，以使本发明技术方案更易于理解、掌握。
附图说明
图1是本发明中的部分反射表面，即频率扫描FP谐振腔天线的上层结构；
图2是本发明中部分反射表面的三维剖分图；
图3是本发明中部分反射表面的俯视透视图；
图4是本发明中的层叠贴片天线，即频率扫描FP谐振腔天线的下层结构；
图5是本发明中层叠贴片天线的三维剖分图；
图6是本发明中层叠贴片天线的俯视透视图；
图7是本发明的S11仿真与实测结果；
图8是本发明的增益随频率变化曲线的仿真与实测结果；
图9是本发明在不同频率下的归一化方向图仿真结果；
图10是本发明在不同频率下的归一化方向图仿真结果；
表1是本发明中部分反射表面下层金属层单元尺寸和方位角的关系。
其中，1－部分反射表面的上层金属层，2－部分反射表面的介质板，3－部分反射表面的下层金属层，4－层叠贴片天线的上层金属层，5－层叠贴片天线的中层金属层，6－层叠贴片天线的金属探针，7－层叠贴片天线的下层金属地板，8－层叠贴片天线的上层介质板，9－层叠贴片天线的下层介质板。
具体实施方式
无源频率扫描FP谐振腔天线，包括上层如图1-3所示的部分反射表面，和下层如图4-6所示的层叠贴片天线，上下层间距21.3mm。部分反射表面包括上层金属层1、下层金属层3和介质基板2。其中，上层金属层1由9x9个周期为15mm的方形金属单元构成，每个单元开有边长为8mm的菱形槽；下层金属层3也由9x9个周期为15mm的方形单元构成，每个单元中心为尺寸随方位角渐变的方形贴片，方形贴片边长和方位角的关系如表1所示。介质基板2厚1.524mm，整体尺寸为135x135mm2，选用相对介电常数2.2，损耗角正切0.0009的TaconicTLY-5。
Figure BDA0002291054640000051
表1
层叠贴片天线包括上层金属层4、中层金属层5、下层金属地板7、金属探针6，以及上层介质板8和下层介质板9。其中，上层金属层4位于天线上层中心，为边长7.6mm的方形贴片；中层金属层5位于天线中层中心，为边长9mm的方形贴片。金属探针6直径1.27mm、高0.787mm，位于天线中层与下层之间且上表面与中层金属层接触，并偏离中心2.9mm。下层金属地板7尺寸为135x135mm2，并在金属探针6下表面位置开有直径4.4mm的孔，用于馈电。上层介质板8厚1.524mm，整体尺寸为135x135mm2，选用相对介电常数2.2，损耗角正切0.0009的Taconic TLY-5；下层介质板9厚0.787mm，整体尺寸为135x135mm2，选用相对介电常数2.2，损耗角正切0.0009的Rogers 5880。
本发明对无源频率扫描FP谐振腔天线进行了仿真与测试，如图7-10所示。如图7，天线的S11在9.4-10.6GHz内小于-10dB，具有12％的相对带宽。如图8，天线在工作频带内的增益大于10dBi，具有良好的定向性。如图9和10，天线的扫描角随频率而增大，当频率从9.4GHz变化到10.6GHz，扫描角从11°变化到35°。仿真与测试很好地验证了无源频率扫描FP谐振腔天线的性能。
应该注意的是，上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。

Claims (9)

1.无源频率扫描Fabry-Perot谐振腔天线，其特征在于：包括依次层叠的部分反射表面和同轴馈电的层叠贴片天线；所述部分反射表面置于FP谐振腔天线的上层，由9x9个单元组成，包括依次层叠的上层金属层、中间介质板和下层金属层；每个单元的上层金属层均开有尺寸相同的菱形槽，下层金属层为尺寸随方位角渐变的方形贴片，所述上、下层金属层具有相同的长宽，所述中间介质板的尺寸大于上、下层金属层的尺寸；所述同轴馈电的层叠天线置于FP谐振腔天线的下层，包括上下两层介质板；上层介质板的上表面印刷有上层金属贴片；下层介质板上表面印刷有下层金属贴片，所述下层介质板的下表面全部用金属覆盖用作地板，介质板中打空气通孔并插入金属探针来对上表面金属板进行馈电。
2.根据权利要求1所述的无源频率扫描Fabry-Perot谐振腔天线，其特征在于：所述上下层介质板的上表面印刷的金属贴片均呈方形，且上层金属贴片的边长比下层金属贴片小1.4mm。
3.根据权利要求2所述的无源频率扫描Fabry-Perot谐振腔天线，其特征在于：所述上层金属贴片的尺寸决定了天线的高频谐振点，下层金属贴片的尺寸决定了天线的低频谐振点，馈电位置由金属探针确定，根据微带天线理论和三维电磁仿真软件仿真，调节两块贴片的尺寸以及探针位置，来展宽馈源天线的工作带宽。
4.根据权利要求1所述的无源频率扫描Fabry-Perot谐振腔天线，其特征在于：所述下层金属层的尺寸随方位角的增大而递减。
5.根据权利要求1所述的无源频率扫描Fabry-Perot谐振腔天线，其特征在于：所述中间介质板的长宽均大于金属层30mm，用于打孔固定。
6.根据权利要求1所述的无源频率扫描Fabry-Perot谐振腔天线，其特征在于：单元的周期、菱形尺寸、贴片尺寸和部分反射表面与层叠贴片天线之间的距离，共同决定反射的幅度和相位；控制单元周期、菱形尺寸和距离一定，让贴片尺寸随方位角增大而减小，使等相位面倾斜。
7.根据权利要求6所述的无源频率扫描Fabry-Perot谐振腔天线，其特征在于：由三维电磁仿真软件对单元进行仿真，设置单元四周为周期边界，上下距离7.5mm为Floquet边界，并设置参考面距离Floquet边界为-7.5mm；通过改变单元的周期、菱形尺寸和贴片尺寸，对下Floquet端口的S11的幅度和相位在5GHz-15GHz的频率范围内进行仿真分析；由此可知单元的周期、菱形尺寸、贴片尺寸会影响单元的反射幅度和相位；根据射线模型理论，单元的反射相位以及部分反射表面与层叠贴片天线之间的距离会影响部分反射表面的相位分布。
8.根据权利要求1所述的无源频率扫描Fabry-Perot谐振腔天线，其特征在于：方形贴片和地板选用17um厚的铜，探针为直径1.27mm的铜柱，地板上在探针中心位置开有直径4.4mm的圆孔用以馈电；上层介质板选用1.524mm厚的Taconic TLY-5，下层介质板选用0.787mm的Rogers 5880。
9.根据权利要求1所述的无源频率扫描Fabry-Perot谐振腔天线，其特征在于：上下层金属层都选用17um厚的铜，介质板选用1.524mm厚的Taconic TLY-5。
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