CN112201944B - 一种基于超构表面的fp谐振腔天线 - Google Patents

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Abstract

一种基于超构表面的FP谐振腔天线，包括：超构表面，超构表面包括介质板、设置于介质板上表面的辐射贴片以及与辐射贴片相对应的、设置于介质板下表面的接收贴片，辐射贴片通过金属化过孔与接收贴片电连接；所述辐射贴片包括第一辐射贴片和第二辐射贴片，所述第一辐射贴片和所述第二辐射贴片的反射幅度相同、反射相位相差180°，若干个所述第一辐射贴片组成第一辐射子阵，若干个所述第二辐射贴片组成第二辐射子阵，所述第一辐射子阵和所述第二辐射子阵相邻设置于所述介质板上；间隔设置于超构表面下方的地板，所述超构表面与所述地板形成谐振腔；设置于所述超构表面和所述地板之间的馈源。本发明可以在天线高增益辐射的同时实现RCS减缩。

Description

一种基于超构表面的FP谐振腔天线
技术领域
本发明属于微波通信技术领域，尤其涉及一种Fabry-Perot谐振腔天线。
背景技术
Fabry-Perot(以下简称FP)谐振腔天线是一种高增益天线，其通过简单的结构就能产生非常高的增益，因此在很多场合都得到了应用。特别是随着印刷电磁周期结构的兴起，将其作为部分反射表面(Partially Reflection Surface,简称PRS)覆层设计的FP谐振腔天线具有结构简单，性能稳定等特点，极大地促进了FP谐振腔天线向易加工、低剖面、低造价等方向发展。超构表面(Metasurface，简称MS)实质上是一种二维形式的超材料，它主要是通过在介质表面上合理地布置亚波长的周期结构单元，实现对电磁波相位、幅度和极化等特性的灵活调控。
FP谐振腔天线通常具有较大的口径，口径上还分布有较多的金属结构，因此其RCS(雷达散射截面)较高，所以对FP谐振腔天线的RCS减缩技术研究显得尤为重要。低RCS的FP谐振腔天线可以将高增益特性和隐身功能相结合，使天线表现出更为优异的性能，在很多领域都具有重要的应用前景和迫切的应用需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有良好的宽带RCS减缩效果的FP谐振腔天线。
为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：
一种基于超构表面的FP谐振腔天线，包括：超构表面，所述超构表面包括介质板、设置于所述介质板上表面的辐射贴片以及与所述辐射贴片相对应的、设置于所述介质板下表面的接收贴片，所述辐射贴片通过金属化过孔与所述接收贴片电连接；所述辐射贴片包括第一辐射贴片和第二辐射贴片，所述第一辐射贴片和所述第二辐射贴片的反射幅度相同、反射相位相差180°，若干个所述第一辐射贴片组成第一辐射子阵，若干个所述第二辐射贴片组成第二辐射子阵，所述第一辐射子阵和所述第二辐射子阵相邻设置于所述介质板上；间隔设置于所述超构表面下方的地板，所述超构表面与所述地板形成谐振腔；设置于所述超构表面和所述地板之间的馈源。
更具体的，所述馈源为缝隙耦合贴片天线。
更具体的，所述馈源设置于所述地板上。
更具体的，所述第一辐射子阵和所述第二辐射子阵的形状均为三角形，且大小相同。
更具体的，所述超构表面为正方形，超构表面平均划分为4个正方形区域，每个正方形区域均由2个第一辐射子阵和2个第二辐射子阵组成，每个正方形区域中第一辐射子阵和第二辐射子阵相邻设置，以中心对称的形式填充所述正方形区域，4个正方形区域以中心对称的分布方式组成超构表面，一个正方形区域和与其相邻的另一个正方形区域相差90°。
更具体的，所述第一辐射贴片和所述第二辐射贴片均为正方形，所述第一辐射贴片和所述第二辐射贴片的大小不同。
更具体的，所述金属化过孔的中心和所述辐射贴片的中心不重合。
由以上技术方案可知，本发明采用具有不同反射相位的辐射贴片各自形成辐射子阵，设计出一种下侧面反射相位相同而上侧面反射相位相差180°的超构表面，两侧反射相位可分别独立调控，将其引入到FP谐振腔天线中，由于超构表面具有很高的透射率，因此从天线外部的入射的很难进入到谐振腔内部，从而使天线在获得宽带RCS减缩的同时，也具有很好的带内RCS减缩效果，本发明的FP谐振腔天线能在天线高增益辐射的同时实现RCS减缩。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图；
图2为本发明实施例馈源的结构示意图；
图3为本发明实施例辐射贴片在介质板上表面的分布示意图；
图4a为本发明实施例辐射贴片的结构示意图；
图4b为本发明实施例介质板的结构示意图；
图4c为本发明实施例接收贴片的结构示意图；
图5为金属化过孔偏离辐射贴片中心的距离不同时的反射幅度曲线；
图6为辐射贴片尺寸不同时的反射曲线图；
图7为本发明实施例超构表面辐射贴片的分布示意图；
图8a和图8b分别为本实施例天线的测试及仿真的反射系数图和增益曲线图；
图9a和图9b为本实施例天线的方向图；
图10a和图10b为本实施例天线的RCS的测试结果图；
图11a为本发明另一种实施例的超构表面辐射贴片的分布示意图；
图11b为和图11a的分布情况相对应的辐射贴片在介质板上表面的分布示意图；
图12a和图12b为本发明两种实施例天线的RCS的测试结果图。
下面结合附图和各实施例对本发明进一步详细说明。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的附图会不依一般比例做局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。需要说明的是，附图采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、清晰地辅助说明本发明实施例的目的。
如图1所示，本实施例的FP谐振腔天线包括超构表面1、馈源2以及地板3。超构表面1和地板3上下间隔设置，形成谐振腔，馈源2设置于地板3上，即馈源2的地板同时也可作为谐振腔天线的地板，以简化天线结构。如图2所示，本实施例的馈源2采用缝隙耦合贴片天线，相比于其他天线结构，缝隙耦合贴片天线方向图稳定，激励效果好。
参照图3以及图4a至图4c，超构表面1包括介质板1-1以及设置于介质板1-1上表面的辐射贴片1-2和设置于介质板1-1下表面的接收贴片1-3，接收贴片1-3与地板3相对。每一个辐射贴片1-2都有一个与之对应的接收贴片1-3，即介质板1-1的上表面的每一个辐射贴片1-2，在介质板1-1的下表面都有一个与其相对应的接收贴片1-3，辐射贴片1-2和接收贴片1-3之间通过金属化过孔a电连接。本发明的辐射贴片1-2包括第一辐射贴片1-2a和第二辐射贴片1-2b，第一辐射贴片1-2b和第二辐射贴片1-2b的反射幅度相同，但反射相位不同，两者间的反射相位相差180°。
若干第一辐射贴片1-2a以阵列的形式排列在一起形成第一辐射子阵，若干第二辐射贴片1-2b以阵列的形式排列在一起形成第二辐射子阵，由于第一辐射贴片1-2a的反射相位和第二辐射贴片1-2b的反射相位不同，因此第一辐射子阵和第二辐射子阵的反射相位也不同，第一辐射子阵和第二辐射子阵相邻设置，且相邻的辐射子阵之间的反射相位相差180°。本实施例通过使用不同尺寸的辐射贴片来实现反射相位的不同，辐射贴片1-2为正方形，金属化过孔a偏离正方形的中心设置，即金属化过孔的中心和辐射贴片的中心不重合，本实施例的金属化过孔a沿y轴的正方向偏离正方形的中心。通过调整金属化过孔偏离辐射贴片中心的距离可以获得较高的反射率，从而使天线获得高收益。图5显示了金属化过孔偏离辐射贴片中心的距离d变化时对反射幅度的影响，从图5可以看出，当金属化过孔a偏离辐射贴片中心的距离d由2mm减小到0.7mm时，反射幅度由0.25提高到了0.93，可以满足谐振腔天线对高反射率的要求。
辐射贴片的尺寸w1不同时，辐射贴片的反射相位会不同，本实施例通过调节第一辐射贴片和第二辐射贴片的尺寸，使第一辐射贴片的反射相位和第二辐射贴片的反射相位相差180°，以降低天线的RCS。图6是辐射贴片采用不同边长w1时的反射系数图。当辐射贴片的边长分别为5.64mm和6.96m时，辐射贴片的反射幅度相同而反射相位相差180°。
接收贴片1-3设置于介质板1-1的下表面，接收贴片的形状和大小可以采用常规设计，所有的接收贴片1-3形状均相同，从而超构表面的下侧表面具有均一的反射相位以满足天线的谐振条件。将超构表面与馈源相结合，组成FP谐振腔天线，入射电磁波首先被接收贴片接收，通过金属化过孔耦合到辐射贴片，然后辐射贴片将其辐射到自由空间。
作为本发明的一种优选实施方式，如图3和图7所示，超构表面为正方形，将正方形的超构表面平均划分为4个区域，每个正方形的区域都由2个第一辐射子阵(灰色三角形区域)和2个第二辐射子阵(白色三角形区域)组成，第一辐射子阵和第二辐射子阵的形状均为三角形，且大小相同，在每个区域中，第一辐射子阵和第二辐射子阵相邻设置，以中心对称的形式填充该正方形区域。4个区域以中心对称的分布方式组成超构表面，一个区域和与其相邻的另一个区域相差90°，即右上角的区域相当于是左上角的区域旋转90度，左下角的区域相当于是左上角的区域旋转90度。通过采用三角形的辐射子阵形成超构表面的4个区域，且4个区域以中心对称的形式组成超构表面，可以获得低的CRS。
图8a和图8b为对本实施例天线以及常规的FP谐振腔天线进行实际测试以及采用CST电磁仿真软件对本实施例进行仿真得到的反射系数图(反射幅度和相位曲线)和增益曲线图。常规的FP谐振腔天线和本实施例天线的区别仅在于：超构表面的介质板上表面的辐射贴片的形状和大小为常规设计，形状及大小均相同，超构表面的上侧表面具有均一的反射相位。图8a和图8b中Simulated代表仿真结果，Measured代表测试结果，A0表示常规的FP谐振腔天线，A2表示本发明实施例的天线。图9a和图9b为本实施例天线的方向图，图9a为xoz面的方向图，图9b为yoz面方向图。图10a和图10b为本实施例天线的RCS的测试结果图，图10a为x极化下的RCS，图10b为y极化下的RCS。从图8a至图10b可以看出，本发明的天线在9.8～10.2GHz范围内实现了高增益辐射，最大增益达到了18.2dBi。在8～14GHz范围内，天线都实现了的RCS减缩效果，且天线的带内RCS减缩效果也非常明显。
作为本发明的另一种实施方式，第一辐射子阵和第二辐射子阵也可以采用其他形状，如正方形。如图11a和图11b所示，第一辐射子阵和第二辐射子阵均为正方形的排布方式，第一辐射子阵和第二辐射子阵在介质板上表面相邻设置，第一辐射子阵和第二辐射子阵之间的反射相位差也是180度。图12a和图12b为常规的FP谐振腔天线、辐射子阵为三角形的FP谐振腔天线以及辐射子阵为正方形的FP谐振腔天线的RCS的测试结果图。图12a和图12b中，Antenna0表示常规的FP谐振腔天线，Antenna1表示辐射子阵为正方形的FP谐振腔天线，Antenna2表示辐射子阵为三角形的FP谐振腔天线。从图12a和图12b可以看出，具有反射相位相差180°的辐射子阵的超构表面的FP谐振腔天线和采用常规超构表面的FP谐振腔天线相比，RCS缩减效果得到了提升，而且，相比之下，辐射子阵为三角形且采用特殊排布方式布置的FP谐振腔天线的RCS缩减效果更好。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (4)

1.一种基于超构表面的FP谐振腔天线，其特征在于，包括：
超构表面，所述超构表面包括介质板、设置于所述介质板上表面的辐射贴片以及与所述辐射贴片相对应的、设置于所述介质板下表面的接收贴片，所述辐射贴片通过金属化过孔与所述接收贴片电连接；所述辐射贴片包括第一辐射贴片和第二辐射贴片，所述第一辐射贴片和所述第二辐射贴片为大小不同的正方形，所述第一辐射贴片和所述第二辐射贴片的反射幅度相同、反射相位相差180°；若干个所述第一辐射贴片组成第一辐射子阵，若干个所述第二辐射贴片组成第二辐射子阵，所述第一辐射子阵和所述第二辐射子阵相邻设置于所述介质板上；
所述超构表面为正方形，超构表面平均划分为4个正方形区域，每个正方形区域均由2个所述第一辐射子阵和2个所述第二辐射子阵组成，所述第一辐射子阵的形状和所述第二辐射子阵的形状为大小相同的三角形，每个正方形区域中，所述第一辐射子阵和所述第二辐射子阵相邻设置，以中心对称的形式填充所述正方形区域，相邻的辐射子阵之间的反射相位相差180°，4个正方形区域以中心对称的分布方式组成超构表面，一个正方形区域和与其相邻的另一个正方形区域相差90°；
间隔设置于所述超构表面下方的地板，所述超构表面与所述地板形成谐振腔；
设置于所述超构表面和所述地板之间的馈源。
2.根据权利要求1所述的基于超构表面的FP谐振腔天线，其特征在于：所述馈源为缝隙耦合贴片天线。
3.根据权利要求1或2所述的基于超构表面的FP谐振腔天线，其特征在于：所述馈源设置于所述地板上。
4.根据权利要求1所述的基于超构表面的FP谐振腔天线，其特征在于：所述金属化过孔的中心和所述辐射贴片的中心不重合。
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