CN113193347A - 基于人工电磁结构和腔体奇模激励的双波束背腔式天线 - Google Patents

基于人工电磁结构和腔体奇模激励的双波束背腔式天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了两款基于腔体奇模激励的双波束背腔式天线，属于微波天线技术领域。本发明天线，通过采用嵌于基片集成波导的对称H型微带线馈电，在天线远场实现对称的双波束辐射；通过在两个矩形金属背腔的口径正上方分别加载两个基片集成波导，大大增加了天线带宽和降低了天线的旁瓣电平。相较于现有的多波束天线技术，该方法馈电结构简单、加工成本低，天线具有41％的相对带宽，双波束辐射对称且旁瓣电平均小于‑15dB，天线性能优异。进一步的，通过在天线正上方加载适当相位分布的超表面，对天线初级辐射的波前相位进行补偿，实现了对波束宽度的压缩、远场增益的提升。

Description

基于人工电磁结构和腔体奇模激励的双波束背腔式天线
技术领域
本发明属于微波天线技术领域，具体涉及基于人工电磁结构和腔体奇模激励的双波束背腔式天线。
背景技术
随着无线通信技术和智能化的飞速发展以及移动用户的高速增长，如何寻找到提高网络容量的新办法成为研究热点。多波束天线由于具有能在单个口径中同时产生多个定向波束，可减小所需的天线数量，并实现频率复用，成倍提高通信容量、通道利用率；多波束天线具有波束窄、增益高等特点，其具有较强的抗干扰能力，可以大大增加无线通信距离，因此，多波束天线被广泛应用于卫星通信、移动通信、雷达和电子对抗中。
文献“Yagi Patch Antenna With Dual-Band and Pattern ReconfigurableCharacteristics”公开了一种模式可重构八木天线，它由一个驱动贴片和四个寄生贴片组成。通过在寄生体上蚀刻槽，引入外部电容或电感，寄生体可用作导器或反射器。其基本原理是通过改变装在寄生贴片上蚀刻槽中开关的状态，从而改变天线的模式。该天线能分别激励起三种不同的模式，三种模式有共同的工作频带，但辐射方向不同，因而可以在同一频带上实现波束的不同指向。由于不需要额外加载超表面，直接大大降低了天线的剖面和体型，且加工方便、成本低。但是该天线存在波束宽度较大，可能产生多径效应，且增益较低，带宽较窄等缺点。
文献“Wide Band Dual-Beam U-Slot Microstrip Antenna”中通过对贴片天线的尺寸及结构进行巧妙的设计，当贴片长度等于一个波长的时候，将激励起高阶模态TM02，实现双波束辐射，分别指向35°和-33°，实现增益分别为7.92dBi和5.94dBi。这种通过激励天线高阶模态的实现多波束辐射的办法，往往不需要复杂的馈电网络，只需要单源馈电即可实现双波束辐射，大大简化了馈电网络和设计过程，降低了加工成本，但这种天线存在波束宽度较大，辐射波束不对称、增益较低等问题。
文献“Single End-Fire Antenna for Dual-Beam and Broad BeamwidthOperation at 60GHz by Artificially Modifying the Permittivity of the AntennaSubstrate”公开了可以在E平面上产生双波束和宽波束宽度辐射的方法，通过在天线的介质基板上加载对称的H型高折射率超材料阵列来人工修改介电常数，使介质基片的介电常数分布不均匀，从而起到引导表面波的作用，产生多波束辐射，由此产生的E平面双波束辐射相对于端射方向(90°)的最大角度为60°和120°，并在60GHz时最大峰值增益为9dBi。这种方法大大降低了天线的剖面，有重量轻、体积小等优点，易于实现天线的小型化，但存在带宽窄、辐射不对称等问题。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的缺陷，提供两款基于腔体奇模激励的双波束背腔式天线。
本发明所提出的技术问题是这样解决的：
一种基于腔体奇模激励的超宽带、低旁瓣、双波束背腔式天线，包括金属块、下金属层4、介质基板6和上金属层5；下金属层位于金属块的上表面，且位于介质基板的下表面；上金属层位于介质基板的上表面；金属块、下金属层、介质基板和上金属层的中心重合；下金属层、上金属层和介质基板的边长相同，且大于金属块的边长；
金属块与下金属层的连接位置刻蚀有两个镜面对称的矩形背腔1、2，两个背腔1、2之间刻蚀有第一T型馈电槽3；第一T型馈电槽3的横向枝节连接两个矩形背腔1、2的长边中心，纵向枝节位于两个矩形背腔1、2的对称线且与长边平行；
下金属层对应于两个背腔的位置都刻蚀有四个矩形槽7、8、9、10，四个矩形槽与背腔的长边平行；第一背腔1与下金属层的第一矩形槽7和第二矩形槽8的外边界重合，第二背腔与下金属层的第三矩形槽9和第四矩形槽10的外边界重合；下金属层4上刻蚀有第二T型馈电槽12，其位置与第一T型馈电槽3对应，尺寸与第一T型馈电槽3相同；
上金属层刻蚀有与下金属层尺寸和位置都相同的四个矩形槽；
若干个金属通孔11围绕四个矩形槽和第二T型馈电槽12，贯穿介质基板6连接下金属层4和上金属层5；
馈电微带线包括H型微带线14和微带枝节15；H型微带线14的横向枝节位于第二T型馈电槽12横向槽内，两个纵向枝节分别位于第二矩形槽8和第三矩形槽9内；微带枝节15由H型微带线14的横向枝节的中心向第二T型馈电槽12的纵向槽末端延伸；圆形馈电孔13与微带枝节15的末端位置对应，贯穿上金属层5和介质基板6。
进一步的，天线采用同轴馈电，同轴线特性阻抗为50Ω，同轴线的外金属层与上金属层5连接，金属内芯与微带枝节15连接。
进一步的，相邻的金属通孔11之间的间距小于λ/10，λ为天线工作中心频率对应的波长；金属通孔11与四个矩形槽7、8、9、10和第二T型馈电槽12之间间距为0.6mm。
进一步的，矩形背腔的深度为5mm，第一T型馈电槽3的深度为1mm，圆形馈电孔13的直径为5mm。
进一步的，微带枝节15为50欧姆微带线，用于调节阻抗匹配。
进一步的，介质基板6采用Arlon IsoClad 917，相对介电常数为2.17，损耗正切角为0.0013，厚度为1mm。
一种基于人工电磁结构和腔体奇模激励技术的宽频带、低旁瓣、高增益、双波束背腔式天线，以上述基于腔体奇模激励的超宽带、低旁瓣、双波束背腔式天线为基础，并将其作为初级辐射源，在天线正上方加载9×9个超表面单元构成的透射式超表面；介质基板6采用Arlon IsoClad 917，相对介电常数为2.17，损耗正切角为0.0013，厚度为1.5mm；
透射式超表面由9×9个超表面单元构成，透射式超表面放置于天线的正上方，其下表面与上金属层5间隔有空隙；
超表面单元包括由上至下依次紧密贴合的第一金属层16、第一介质基板20、第二金属层17、第二介质基板21、第三金属层18、第三介质基板22和第四金属层19；第一介质基板20、第二介质基板21和第三介质基板22的结构尺寸相同；
第一金属层16、第二金属层17、第三金属层18和第四金属层19的结构尺寸相同，第一金属层16、第二金属层17、第三金属层18和第四金属层19包括外沿的正方形细环和内部的带缝隙实心圆；带缝隙实心圆为圆形金属片刻蚀有四个缝隙，圆形金属片的圆心位于正方形细环的中心，四个缝隙与正方形细环的边平行，相对的两个缝隙的连线穿过圆形金属片的圆心。
进一步的，通过改变缝隙的宽度和长度调整透射式超表面单元的通带，调整圆形金属片的半径来实现透射相位的变化。
进一步的，调整圆形金属片的半径，使得在第一象限内，透射式超表面的相位分布为：
Figure BDA0003019522990000031
其中，k0为电磁波自由空间波束，p为超表面单元的边长，0≤i≤4，0≤j≤4，F为透射式超表面的下表面到上金属层5的距离，θ和
Figure BDA0003019522990000032
为期望达到的波束俯仰角和方位角，整个透射式超表面的相位分布关于中心原点对称。
进一步的，透射式超表面与上金属层5间隔的空隙为20mm。
进一步的，第一介质基板20、第二介质基板21和第三介质基板22都采用TrconicTLT-6，相对介电常数为2.17，损耗正切角为0.0013，厚度为2.5mm。
本发明的有益效果是：
(1)本发明所述的基于腔体奇模激励的超宽带、低旁瓣、双波束背腔式天线，通过采用嵌于基片集成波导的对称H型微带线馈电，可以在天线远场实现对称的双波束辐射；通过在两个矩形金属背腔的口径正上方分别加载两个基片集成波导，大大增加了天线带宽和降低了天线的旁瓣电平。相较于现有的多波束天线技术，该方法馈电结构简单、加工成本低，天线具有41％(8GHz～12.2GHz)的相对带宽，双波束辐射对称且旁瓣电平均小于-15dB，天线性能优异。
(2)本发明所述的基于人工电磁结构和腔体奇模激励的双波束背腔天线，通过在天线正上方加载适当相位分布的超表面，对天线初级辐射的波前相位进行补偿，实现了对波束宽度的压缩、远场增益的提升。天线具有22％的相对带宽，在工作频带内增益均大于11.5dBi，最大增益可达14.2dBi，且旁瓣电平均小于-13dB，具有良好的辐射性能。
附图说明
图1为实施例1所述天线的结构示意图，其中，(a)整体结构示意图，(b)金属块的结构示意图，(c)下层金属层的结构示意图，(d)上层金属层的结构示意图；
图2为双辐射口径背腔天线的结构示意图；
图3为实施例1所述天线的描述参数示意图，其中，(a)S11参数随频率的变化示意图，(b)旁瓣电平随频率的变化示意图；
图4为实施例2中加载的透射式超表面的结构示意图，其中，(a)超表面单元图；(b)9×9超表面俯视图；
图5为实施例2中加载超表面前后天线的S11参数随频率的变化示意图；
图6为实施例2中加载超表面前后天线的E平面方向图对比，其中(a)f＝8GHz，(b)f＝9GHz，(c)f＝9.6GHz；
图7为实施例2中加载超表面前后天线的增益随频率的变化示意图；
图8为实施例2中超表面单元的描述参数示意图，其中，(a)透射相位随频率和结构参数的变化示意图，(b)透射率随频率和结构参数的变化示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明。
实施例1
本实施例提供一种基于腔体奇模激励的超宽带、低旁瓣、双波束背腔式天线，其整体结构示意图如图1(a)所示，包括金属块、下金属层4、介质基板6和上金属层5；下金属层位于金属块的上表面，且位于介质基板的下表面；上金属层位于介质基板的上表面；金属块、下金属层、介质基板和上金属层的中心重合；下金属层、上金属层和介质基板的边长相同(90mm×100mm)，且大于金属块的边长。
金属块的结构示意图如图1(d)所示，金属块与下金属层的连接位置刻蚀有深度为5mm的两个镜面对称的矩形背腔1、2，两个背腔1、2之间刻蚀有深度为1mm的第一T型馈电槽3；第一T型馈电槽3的横向枝节连接两个矩形背腔1、2的长边中心，纵向枝节位于两个矩形背腔1、2的对称线且与长边平行。
下层金属层的结构示意图如图1(c)所示，下金属层对应于两个背腔的位置都刻蚀有四个矩形槽7、8、9、10，四个矩形槽与背腔的长边平行；第一背腔1与下金属层的第一矩形槽7和第二矩形槽8的外边界重合，第二背腔与下金属层的第三矩形槽9和第四矩形槽10的外边界重合；下金属层4上刻蚀有第二T型馈电槽12，其位置与第一T型馈电槽3对应，尺寸与第一T型馈电槽3相同。
上金属层的结构示意图如图1(b)所示，上金属层刻蚀有与下金属层尺寸和位置都相同的四个矩形槽。
若干个金属通孔11围绕四个矩形槽和第二T型馈电槽12，贯穿介质基板6连接下金属层4和上金属层5；相邻的金属通孔11之间的间距小于λ/10，λ为天线工作中心频率对应的波长；金属通孔11与四个矩形槽7、8、9、10和第二T型馈电槽12之间间距为0.6mm。
馈电微带线包括H型微带线14和微带枝节15；H型微带线14的横向枝节位于第二T型馈电槽12横向槽内，两个纵向枝节分别位于第二矩形槽8和第三矩形槽9内；微带枝节15由H型微带线14的横向枝节的中心向第二T型馈电槽12的纵向槽末端延伸；圆形馈电孔13与微带枝节15的末端位置对应，贯穿上金属层5和介质基板6。
天线采用同轴馈电，同轴线特性阻抗为50Ω，同轴线的外金属层与上金属层5连接，金属内芯与微带枝节15连接。
圆形馈电孔13的直径为5mm。
微带枝节15为50欧姆微带线。
介质基板6采用Arlon IsoClad 917，相对介电常数为2.17，损耗正切角为0.0013，厚度为1mm。
下金属层4、介质基板6、上金属层5、四个矩形槽7、8、9、10和金属通孔11构成了4个基片集成波导，位于两个金属背腔辐射口径的上方，起到降低天线旁瓣电平和增加天线带宽的作用。
下金属层、上金属层和介质基板的边长大于金属块的边长，以减小天线的后向辐射。
采用对称H型微带线进行馈电可在两个背腔内激励起奇模，使金属双腔各自的辐射口径处的电磁场在宽频带内呈现稳定的反对称特点，其远场合成即为双波束辐射；微带枝节15用于调节阻抗匹配。
为了验证本实施例所述四辐射口径背腔天线在降低旁瓣电平和增加带宽方面的作用，对双辐射口径背腔天线和四辐射口径背腔天线进行性能对比。双辐射口径背腔天线的结构示意图如图2所示，缺失本实施例中的第一矩形槽7和第四矩形槽10，背腔尺寸做适应性调整。调整双辐射口径背腔天线的尺寸，使得双辐射口径背腔天线的带宽和旁瓣电平最优。将调整后的双辐射口径背腔天线和本实施例所述四辐射口径背腔天线进行性能对比，如图3(a)所示，双辐射口径的背腔天线实现了21％的相对带宽，而四辐射口径的背腔天线的工作带宽大大增加，实现了41％的相对带宽；如图3(b)所示，在双辐射口径背腔天线的工作频带内，四辐射口径背腔天线的旁瓣电平均小于双辐射口径背腔天线的旁瓣电平。
实施例2
本实施例提供一种基于人工电磁结构和腔体奇模激励技术的宽频带、低旁瓣、高增益、双波束背腔式天线，以实施例1所述天线为基础，将介质基板厚度修改为1.5mm，并将其作为初级辐射源，在天线正上方加载9×9个超表面单元构成的透射式超表面，以压缩波束宽度、提升天线远场增益。
介质基板6采用Arlon IsoClad 917，相对介电常数为2.17，损耗正切角为0.0013，厚度为1.5mm。
透射式超表面的俯视图如图4(b)所示，由9×9个超表面单元构成。透射式超表面放置于天线的正上方，其下表面与上金属层5间隔20mm。
超表面单元的结构示意图如图4(a)所示，包括由上至下依次紧密贴合的第一金属层16、第一介质基板20、第二金属层17、第二介质基板21、第三金属层18、第三介质基板22和第四金属层19。
第一介质基板20、第二介质基板21和第三介质基板22的结构尺寸相同，均采用Trconic TLT-6，相对介电常数为2.17，损耗正切角为0.0013，厚度为2.5mm。
第一金属层16、第二金属层17、第三金属层18和第四金属层19的结构尺寸相同，第一金属层16、第二金属层17、第三金属层18和第四金属层19包括外沿的正方形细环和内部的带缝隙实心圆。带缝隙实心圆为圆形金属片刻蚀有四个缝隙，圆形金属片的圆心位于正方形细环的中心，四个缝隙与正方形细环的边平行，相对的两个缝隙的连线穿过圆形金属片的圆心。通过改变缝隙的宽度和长度可以调整透射式超表面单元的通带，改变圆的半径来实现相位的变化。
图8(a)为超表面单元在工作频带内的透射相位随其结构尺寸的变化示意图，通过改变圆的半径Rn、缝隙的长度b和宽度a可以实现透射相位的变化，该透射超表面能在宽频带内(8～10GHz)实现250°以上的透射相位变化，在中心频率处透射相位变化可达300°，图8(b)为超表面单元在工作频带内的透射率随其结构尺寸的示意图，在中心频率处透射率均大于80％。
调整圆形金属片的半径，使得在第一象限内，透射式超表面的相位分布为：
Figure BDA0003019522990000071
其中，k0为电磁波自由空间波束，p为超表面单元的边长，1≤i≤5，1≤j≤5，F为透射式超表面的下表面到初级辐射源上金属层5的距离，θ和
Figure BDA0003019522990000072
为期望达到的波束俯仰角和方位角，本实施例取
Figure BDA0003019522990000073
整个透射式超表面的相位分布关于中心原点对称。特别地，为不影响天线的辐射效率，需要将透射率较低的超表面单元放置于远离辐射中心的位置。
本实施例对加载超表面前后的背腔天线进行了性能研究对比。如图5所示，加载超表面前的天线具有29％的相对带宽，加载超表面后，天线的工作带宽虽然变窄，但是仍有22％的相对带宽。加载超表面能大大提升天线的性能，如图6所示，加载超表面后天线的3dB波束宽度得到了压缩；如图7所示，在整个工作频段内，加载超表面后的增益整体比未加载超表面的天线增益提升了5dB以上。

Claims (10)

1.一种基于腔体奇模激励的超宽带、低旁瓣、双波束背腔式天线，其特征在于，包括金属块、下金属层(4)、介质基板(6)和上金属层(5)；下金属层位于金属块的上表面，且位于介质基板的下表面；上金属层位于介质基板的上表面；金属块、下金属层、介质基板和上金属层的中心重合；下金属层、上金属层和介质基板的边长相同，且大于金属块的边长；
金属块与下金属层的连接位置刻蚀有两个镜面对称的矩形背腔(1、2)，两个背腔(1、2)之间刻蚀有第一T型馈电槽(3)；第一T型馈电槽(3)的横向枝节连接两个矩形背腔(1、2)的长边中心，纵向枝节位于两个矩形背腔(1、2)的对称线且与长边平行；
下金属层对应于两个背腔的位置都刻蚀有四个矩形槽(7、8、9、10)，四个矩形槽与背腔的长边平行；第一背腔(1)与下金属层的第一矩形槽(7)和第二矩形槽(8)的外边界重合，第二背腔与下金属层的第三矩形槽(9)和第四矩形槽(10)的外边界重合；下金属层(4)上刻蚀有第二T型馈电槽(12)，其位置与第一T型馈电槽(3)对应，尺寸与第一T型馈电槽(3)相同；
上金属层刻蚀有与下金属层尺寸和位置都相同的四个矩形槽；
若干个金属通孔(11)围绕四个矩形槽和第二T型馈电槽(12)，贯穿介质基板(6)连接下金属层(4)和上金属层(5)；
馈电微带线包括H型微带线(14)和微带枝节(15)；H型微带线(14)的横向枝节位于第二T型馈电槽(12)横向槽内，两个纵向枝节分别位于第二矩形槽(8)和第三矩形槽(9)内；微带枝节(15)由H型微带线(14)的横向枝节的中心向第二T型馈电槽(12)的纵向槽末端延伸；圆形馈电孔(13)与微带枝节(15)的末端位置对应，贯穿上金属层(5)和介质基板(6)。
2.根据权利要求1所述的基于腔体奇模激励的超宽带、低旁瓣、双波束背腔式天线，其特征在于，天线采用同轴馈电，同轴线特性阻抗为50Ω，同轴线的外金属层与上金属层(5)连接，金属内芯与微带枝节(15)连接。
3.根据权利要求1所述的基于腔体奇模激励的超宽带、低旁瓣、双波束背腔式天线，其特征在于，相邻的金属通孔(11)之间的间距小于λ/10，λ为天线工作中心频率对应的波长；金属通孔(11)与四个矩形槽(7、8、9、10)和第二T型馈电槽(12)之间间距为0.6mm。
4.根据权利要求1所述的基于腔体奇模激励的超宽带、低旁瓣、双波束背腔式天线，其特征在于，矩形背腔的深度为5mm，第一T型馈电槽(3)的深度为1mm，圆形馈电孔(13)的直径为5mm。
5.根据权利要求1所述的基于腔体奇模激励的超宽带、低旁瓣、双波束背腔式天线，其特征在于，微带枝节(15)为50欧姆微带线，用于调节阻抗匹配。
6.根据权利要求1所述的基于腔体奇模激励的超宽带、低旁瓣、双波束背腔式天线，其特征在于，介质基板(6)采用Arlon IsoClad 917，相对介电常数为2.17，损耗正切角为0.0013，厚度为1mm。
7.一种基于人工电磁结构和腔体奇模激励技术的宽频带、低旁瓣、高增益、双波束背腔式天线，以权利要求1所述天线为基础，并将其作为初级辐射源，在天线正上方加载9×9个超表面单元构成的透射式超表面；
透射式超表面由9×9个超表面单元构成，透射式超表面放置于天线的正上方，其下表面与上金属层(5)间隔有空隙；
超表面单元包括由上至下依次紧密贴合的第一金属层(16)、第一介质基板(20)、第二金属层(17)、第二介质基板(21)、第三金属层(18)、第三介质基板(22)和第四金属层(19)；第一介质基板(20)、第二介质基板(21)和第三介质基板(22)的结构尺寸相同；
第一金属层(16)、第二金属层(17)、第三金属层(18)和第四金属层(19)的结构尺寸相同，第一金属层(16)、第二金属层(17)、第三金属层(18)和第四金属层(19)包括外沿的正方形细环和内部的带缝隙实心圆；带缝隙实心圆为圆形金属片刻蚀有四个缝隙，圆形金属片的圆心位于正方形细环的中心，四个缝隙与正方形细环的边平行，相对的两个缝隙的连线穿过圆形金属片的圆心。
8.根据权利要求7所述的基于人工电磁结构和腔体奇模激励技术的宽频带、低旁瓣、高增益、双波束背腔式天线，其特征在于，通过改变缝隙的宽度和长度调整透射式超表面单元的通带，调整圆形金属片的半径来实现透射相位的变化。
9.根据权利要求8所述的基于人工电磁结构和腔体奇模激励技术的宽频带、低旁瓣、高增益、双波束背腔式天线，其特征在于，调整圆形金属片的半径，使得在第一象限内，透射式超表面的相位分布为：
Figure FDA0003019522980000021
其中，k0为电磁波自由空间波束，p为超表面单元的边长，0≤i≤4，0≤j≤4，F为透射式超表面的下表面到上金属层(5)的距离，θ和
Figure FDA0003019522980000022
为期望达到的波束俯仰角和方位角，整个透射式超表面的相位分布关于中心原点对称。
10.根据权利要求8所述的基于人工电磁结构和腔体奇模激励技术的宽频带、低旁瓣、高增益、双波束背腔式天线，其特征在于，透射式超表面与上金属层(5)间隔的空隙为20mm。
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