CN113078476A - 一种基于人工电磁材料的宽带法布里-珀罗谐振腔天线 - Google Patents

一种基于人工电磁材料的宽带法布里-珀罗谐振腔天线 Download PDF

Info

Publication number
CN113078476A
CN113078476A CN202110388970.3A CN202110388970A CN113078476A CN 113078476 A CN113078476 A CN 113078476A CN 202110388970 A CN202110388970 A CN 202110388970A CN 113078476 A CN113078476 A CN 113078476A
Authority
CN
China
Prior art keywords
region
reflecting surface
artificial electromagnetic
dielectric constant
broadband
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202110388970.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113078476B (zh
Inventor
程强
袁巍
崔铁军
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Southeast University
Original Assignee
Southeast University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Southeast University filed Critical Southeast University
Priority to CN202110388970.3A priority Critical patent/CN113078476B/zh
Publication of CN113078476A publication Critical patent/CN113078476A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113078476B publication Critical patent/CN113078476B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H01Q15/14—Reflecting surfaces; Equivalent structures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/48—Earthing means; Earth screens; Counterpoises
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/50—Structural association of antennas with earthing switches, lead-in devices or lightning protectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q19/00—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic
    • H01Q19/10—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using reflecting surfaces

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Aerials With Secondary Devices (AREA)
  • Waveguide Aerials (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于人工电磁材料的宽带法布里‑珀罗谐振腔天线，该天线由波导馈源(1)，金属地(2)和上层部分反射面(3)构成；其中，波导馈源(1)是宽带双脊波导喇叭，位于金属地(2)的中心的下面；上层部分反射面(3)由人工电磁材料构成，位于金属地(2)上面。本发明具有工作频带宽，增益高，远场定向性好，副瓣电平低，尺寸小，低剖面和易于加工等优点，在基站与卫星通信方面均有很高的实用价值。

Description

一种基于人工电磁材料的宽带法布里-珀罗谐振腔天线
技术领域
本发明涉及一种基于人工电磁材料的宽带法布里-珀罗谐振腔天线，属于天线和人工电磁材料领域。
背景技术
近年来，随着天线技术的迅猛发展，法布里-珀罗谐振腔天线因其低剖面，高增益，设计简单，效率高等优势获得了众多研究人员的青睐。同时宽带法布里-珀罗谐振腔天线一直是最近的研究热点，现如今，通过使用优化算法，应用梯度介电常数，使用透镜部分反射面和异形金属地等方式可以实现宽带法布里-珀罗谐振腔天线。但是基于这些设计的天线带宽有限，有些方式比较复杂不利于天线的实际应用。
人工电磁材料，是将具有特定几何形状的宏观基本单元周期或非周期性地排列，或者植入到基体材料体内(或表面)所构成的一种人工材料。可以使用单一结构的电磁特性表征结构周期排列后的特性。在天线领域得到了广泛的应用，有效提升了天线的各种性能。
本发明设计了一种具有梯度介电常数的非旋转对称的部分反射面，并且反射面由四个不同介电常数的区域组成。利用人工电磁材料的特性，可以在一种材料上实现了四种不同的介电常数。部分反射面可以由一种材料整体加工得到，简化了加工难度，同时实现了天线的超宽带。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种基于人工电磁材料的宽带法布里-珀罗谐振腔天线，以解决传统法布里-珀罗谐振腔天线的带宽问题。
技术方案：本发明的一种基于人工电磁材料的宽带法布里-珀罗谐振腔天线由波导馈源，金属地和上层部分反射面构成；其中，波导馈源是宽带双脊波导喇叭，位于金属地的中心的下面；上层部分反射面由人工电磁材料构成，位于金属地上面。
所述上层部分反射面由五层相同的反射面叠加组成。
所述上层部分反射面具有梯度介电常数，反射面中心介电常数高，边缘介电常数低。
所述上层部分反射面的梯度介电常数有四种值，分成四个区域，每个区域的介电常数不同。
所述上层部分反射面的四个区域是非旋转对称结构。
所述上层部分反射面的梯度介电常数的四种值由四种不同的结构实现。
所述上层部分反射面的四种不同的结构加工在同一种介质上。
所述上层部分反射面上设有多个通孔，外围区域孔径最大。
所述上层部分反射面的形状设计成非旋转对称结构上层部分反射面分为四个区域，从里到外分别是第一区、第二区、第三区和第四区；其中第一区，其中第一区的外轮廓是椭圆形；第二区的外轮廓是椭圆形；第三区的外轮廓是椭圆形，；第四区的外轮廓是圆形。
所述上层部分反射面具有梯度介电常数，其中四个区域第一区介电常数介于13-9；第二区介电常数介于9-6；第三区介电常数介于6-4；第四区介电常数介于4-1。
有益效果：与现有技术相比，本发明的优势在于：
1、本发明提出了一种基于人工电磁材料的宽带法布里-珀罗谐振腔天线，与传统法布里-珀罗谐振腔天线相比，具有超宽带3-dB增益带宽。
2、本发明所使用的非旋转对称的部分反射面，有效的提高了天线的增益，拓宽了天线的3-dB增益带宽。
3、本发明使用人工电磁材料替代传统商业材料，从而实现了更多样化的介电常数，使部分反射面的设计优化有了更多的可能性，最终实现超宽带与高增益。
4、本发明具有加工简单，结构紧凑，鲁棒性高等优势，使用数字机床技术与标准PCB制作工艺加工即可。
附图说明
图1a是一种基于人工电磁材料的宽带法布里-珀罗谐振腔天线的原理设计图；
图1b是一种基于人工电磁材料的宽带法布里-珀罗谐振腔天线的上层部分反射面的俯视原理示意图；
图2是一种基于人工电磁材料的宽带法布里-珀罗谐振腔天线的结构示意图；
图3a是金属环人工电磁材料的结构示意图；
图3b是金属环人工电磁材料的等效介电常数图；
图3c是打孔人工电磁材料的结构示意图；
图3d是打孔人工电磁材料的等效介电常数图；
图4a是部分反射面基于人工电磁材料的结构示意俯视图；
图4b是部分反射面基于人工电磁材料的结构示意侧视图；
图5是一种基于人工电磁材料的宽带法布里-珀罗谐振腔天线的仿真和测试的s11和馈源的仿真s11；
图6是一种基于人工电磁材料的宽带法布里-珀罗谐振腔天线的测试增益图和馈源的仿真增益图；
图中有：波导馈源1、金属地2、上层部分反射面3；第一区s1、第二区s2、第三区s3、第四区s4。
具体实施方式
本发明的一种基于人工电磁材料的宽带法布里-珀罗谐振腔天线，该天线由波导馈源，金属地和上层部分反射面构成。其中，波导馈源是宽带双脊波导喇叭，位于金属地的中心；上层部分反射面由人工电磁材料构成。
所述上层部分反射面具有梯度介电常数，部分反射面中心介电常数高，边缘介电常数低。其中：梯度介电常数有四种值；分成四个区域，每个区域的介电常数不同；四个区域是非旋转对称结构。梯度介电常数的四种值由四种不同的结构实现；四种不同的结构由加工在同一种介质上，由五层相同的部分反射面叠加组成。
所述上层部分反射面3的形状设计成非旋转对称结构上层部分反射面分为四个区域，从里到外分别是第一区s1、第二区s2、第三区s3和第四区s4；其中第一区s1，其中第一区s1的外轮廓是椭圆形；第二区s2的外轮廓是椭圆形；第三区s3的外轮廓是椭圆形，；第四区s4的外轮廓是圆形。
所述上层部分反射面3具有梯度介电常数，其中四个区域第一区s1介电常数介于13-9；第二区s1介电常数介于9-6；第三区s1介电常数介于6-4；第四区s1介电常数介于4-1。
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
在一个实施例中，提供一种基于人工电磁材料的宽带法布里-珀罗谐振腔天线。图1a为本发明的原理设计图，图1b为部分反射面的原理设计图，图2为本发明的天线结构图。该天线由三部分构成，其中上层部分反射面3是由人工电磁材料组成的；下层金属地2的中心有一个双脊波导喇叭作为波导馈源1，激励天线。如图1a所示，双脊波导喇叭1辐射电磁波，电磁波在上层部分反射面3和金属地2之间多次反射，上层部分反射面3与金属地2构成一个法布里-珀罗谐振腔。电磁波从天线口径中心向边缘传播，从而实现高定向传输。在本发明的一个实施例中，上层部分反射面3的半径为45mm,厚度是15mm，下层金属地2的半径为45mm，空气腔的高度是27.5mm。
为了实现理想的3-dB增益带宽，优化设计了上层部分反射面的形状和介电常数，上层部分反射3面被设计成了非旋转对称结构。如图4a所示，部分反射面可以分为四个区域，分别是第一区s1、第二区s2、第三区s3、第四区s4。其中第一区s1的外轮廓是椭圆形，长轴是12.6mm，短轴是9mm；第二区s2的外轮廓是椭圆形，长轴是25.2mm，短轴是21mm；第三区s3的外轮廓是椭圆形，长轴是30mm，短轴是9mm；第四区s4的外轮廓是圆形，半径是45mm。部分反射面的厚度是15mm。上层部分反射面具有梯度等效介电常数，其中四个区域第一区s1、第二区s2、第三区s3、第四区s4的等效介电常数分别为9.2，8，5.7和3.54。
为了在同一块介质上实现不同的介电常数，使用人工电磁材料完成设计需求。部分反射面的基础介质材料是TP-1/2(等效介电常数是8，损耗角正切是0.003)。图3a展示了一种金属圆环结构，单元结构的边长是3mm，圆环的宽度是固定的0.2mm，通过改变圆环的内直径来改变其等效介电常数。如图3b所示，金属圆环的等效介电常数高于TP-1/2的介电常数，当内直径为1.2mm时介电常数为9.2左右可以满足设计要求。从而第一区s1区域由内直径为1.2mm的金属圆环结构组成。图3c展示了一种打孔结构，单元结构的边长是3mm，通过改变通孔的尺寸，从而改变结构的等效介电常数。如图3d所示，打孔结构的介电常数小于TP-1/2的介电常数，等效介电常数随着通孔的变大而变小。当通孔的直径为1.6mm和2.4mm时，等效介电常数分别为5.7和3.54。所以部分反射面的第三区s3、第四区s4区域分别由通孔为1.6mm和2.4mm的打孔结构组成。第二区s2区域由介质TP-1/2组成。单层的部分反射面厚度是3mm，如图4b所示通过五层结构的叠加，可以组成最终15mm厚的部分反射面。
从图5中可以得到，仿真与测试结果显示，提出的一种基于人工电磁材料的宽带法布里-珀罗谐振腔天线在5.3GHz-11.5GHz具有良好的反射系数。同时从图6中可以看到，通过加载所设计的部分反射面，与馈源双脊波导喇叭的增益相比，所设计的天线的增益在整个带宽内提高了6dB以上。同时天线的3-dB增益带宽达到了73.8％(5.3-11.5GHz)。
以上所述实施例仅表达了本申请的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于人工电磁材料的宽带法布里-珀罗谐振腔天线，其特征在于：该天线由波导馈源(1)，金属地(2)和上层部分反射面(3)构成；其中，波导馈源(1)是宽带双脊波导喇叭，位于金属地(2)的中心的下面；上层部分反射面(3)由人工电磁材料构成，位于金属地(2)上面。
2.根据权利要求1所述的基于人工电磁材料的宽带法布里-珀罗谐振腔天线，其特征在于，所述上层部分反射面(3)由五层相同的反射面叠加组成。
3.根据权利要求2所述的基于人工电磁材料的宽带法布里-珀罗谐振腔天线，其特征在于，所述上层部分反射面(3)具有梯度介电常数，反射面中心介电常数高，边缘介电常数低。
4.根据权利要求3所述的基于人工电磁材料的宽带法布里-珀罗谐振腔天线，其特征在于，所述上层部分反射面(3)的梯度介电常数有四种值，分成四个区域，每个区域的介电常数不同。
5.根据权利要求4所述的基于人工电磁材料的宽带法布里-珀罗谐振腔天线，其特征在于，所述上层部分反射面(3)的四个区域是非旋转对称结构。
6.根据权利要求4所述的基于人工电磁材料的宽带法布里-珀罗谐振腔天线，其特征在于，所述上层部分反射面(3)的梯度介电常数的四种值由四种不同的结构实现。
7.根据权利要求6所述的基于人工电磁材料的宽带法布里-珀罗谐振腔天线，其特征在于，所述上层部分反射面(3)的四种不同的结构加工在同一种介质上。
8.根据权利要求6所述的基于人工电磁材料的宽带法布里-珀罗谐振腔天线，其特征在于，所述上层部分反射面(3)上设有多个通孔，外围区域孔径最大。
9.根据权利要求8所述的基于人工电磁材料的宽带法布里-珀罗谐振腔天线，其特征在于，所述上层部分反射面(3)的形状设计成非旋转对称结构上层部分反射面分为四个区域，从里到外分别是第一区(s1)、第二区(s2)、第三区(s3)和第四区(s4)；其中第一区(s1)，其中第一区(s1)的外轮廓是椭圆形；第二区(s2)的外轮廓是椭圆形；第三区(s3)的外轮廓是椭圆形，；第四区(s4)的外轮廓是圆形。
10.根据权利要求8所述的基于人工电磁材料的宽带法布里-珀罗谐振腔天线，其特征在于，所述上层部分反射面(3)具有梯度介电常数，其中四个区域第一区(s1)介电常数介于13-9；第二区(s1)介电常数介于9-6；第三区(s1)介电常数介于6-4；第四区(s1)介电常数介于4-1。
CN202110388970.3A 2021-04-12 2021-04-12 一种基于人工电磁材料的宽带法布里-珀罗谐振腔天线 Active CN113078476B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110388970.3A CN113078476B (zh) 2021-04-12 2021-04-12 一种基于人工电磁材料的宽带法布里-珀罗谐振腔天线

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110388970.3A CN113078476B (zh) 2021-04-12 2021-04-12 一种基于人工电磁材料的宽带法布里-珀罗谐振腔天线

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113078476A true CN113078476A (zh) 2021-07-06
CN113078476B CN113078476B (zh) 2022-12-20

Family

ID=76617562

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110388970.3A Active CN113078476B (zh) 2021-04-12 2021-04-12 一种基于人工电磁材料的宽带法布里-珀罗谐振腔天线

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113078476B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114709626A (zh) * 2022-06-07 2022-07-05 电子科技大学 一种基于超表面的法布里-珀罗谐振腔涡旋电磁波天线

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109390701A (zh) * 2018-11-28 2019-02-26 中国矿业大学 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
CN111276803A (zh) * 2020-02-11 2020-06-12 东南大学 一种基于超表面的高增益低散射可重构双频法布里-珀罗天线及其调频方法
US20210005973A1 (en) * 2019-07-05 2021-01-07 Regents Of The University Of Minnesota Square aperture frequency selective surfaces in fabry-perot cavity antenna systems
CN112201944A (zh) * 2020-09-08 2021-01-08 中国人民解放军空军工程大学 一种基于超构表面的fp谐振腔天线

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109390701A (zh) * 2018-11-28 2019-02-26 中国矿业大学 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
US20210005973A1 (en) * 2019-07-05 2021-01-07 Regents Of The University Of Minnesota Square aperture frequency selective surfaces in fabry-perot cavity antenna systems
CN111276803A (zh) * 2020-02-11 2020-06-12 东南大学 一种基于超表面的高增益低散射可重构双频法布里-珀罗天线及其调频方法
CN112201944A (zh) * 2020-09-08 2021-01-08 中国人民解放军空军工程大学 一种基于超构表面的fp谐振腔天线

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
SABRINA ZAITER等: "A new inhomogeneous partially reflecting surface for Fabry-Perot antenna to reduce side lobe level", 《WILEY》 *
江雨泽等: "太赫兹石墨烯Fabry-Perot谐振天线", 《2020年全国微波毫米波会议论文集（下册）》 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114709626A (zh) * 2022-06-07 2022-07-05 电子科技大学 一种基于超表面的法布里-珀罗谐振腔涡旋电磁波天线

Also Published As

Publication number Publication date
CN113078476B (zh) 2022-12-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2207238B1 (en) Small size, low power device
CN107069204B (zh) 一种具有阶梯结构的椭圆形缝隙超宽带平面缝隙天线
CN108701904B (zh) 一种频率选择表面
US7245263B2 (en) Antenna
CN111129685B (zh) 一种深度亚波长和高品质因数的人工等离激元谐振器
CN112490658B (zh) 一种曲面共形频率选择表面天线罩
CN107317102B (zh) 一种一体化高增益带罩天线耦合系统及其设计方法
CN113078476B (zh) 一种基于人工电磁材料的宽带法布里-珀罗谐振腔天线
US20130278481A1 (en) Wideband Antenna Using Electromagnetic Bandgap Structures
KR100753552B1 (ko) 단일 주파수 대역 필터링 용 ｆｓｓ 구조
CN102931495B (zh) 一种单频/双频电磁超介质吸波材料
CN110112576B (zh) 一种双频多层电磁带隙结构
JP2020031395A (ja) アンテナ装置
CN110401035B (zh) 一种具有fm频段辐射功能蜂窝天线隔离器的车载天线系统
CN109216942B (zh) 基于金属框的5g毫米波移动终端天线系统
CN114171889B (zh) 一种双层引向器及多频基站天线阵列
CN116454635A (zh) 天线装置
KR100641290B1 (ko) 변형된 접지면을 이용한 초광대역 프린티드 모노폴 안테나
KR100444660B1 (ko) 마이크로스트립 패치 안테나
CN209948051U (zh) 一种具有fm频段辐射功能蜂窝天线隔离器的车载天线系统
WO2021060974A1 (en) Antenna device which is suitable for wireless communications according to a 5g network standard, rf transceiver containing an antenna device, and method for use in wireless communications according to a 5g network standard
CN216312053U (zh) 基片集成圆柱形介质谐振器天线
CN110190380A (zh) 一种基于环形销钉阵列的射频平面螺旋轨道角动量天线
CN218498381U (zh) 应用于5g通信的球形透镜
CN114843791B (zh) 圆柱形人工介质透镜天线及制作方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant