CN113285237A - 一种宽带、高增益Fabry-Pérot谐振腔天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种宽带高增益的Fabry‑Pérot谐振腔天线，属于天线技术领域。Fabry‑Pérot谐振腔天线包含两部分：馈电天线、以及设置在馈电天线上方的部分反射面。本发明主要通过在馈电天线上方加载部分反射面来提高天线的带宽和增益。其中部分反射面需要满足两个条件：其一具备一个高的反射系数来保证提高馈电天线的增益，其二具备接近理想相位的正反射相位梯度来保证馈电天线的宽带。该天线具有高增益、宽频带、小型化的特点，旨在克服现有单天线带宽窄、增益低等缺点，满足5G毫米波通信系统对收发天线宽频带、高增益的要求。

Description

一种宽带、高增益Fabry-Pérot谐振腔天线
技术领域
本发明涉及天线工程技术领域，具体涉及一种宽频带、高增益法布里-珀罗谐振腔天线。
背景技术
法布里-珀罗谐振器天线(FPRAs)，也称为法布里-珀罗(FP)腔天线。与传统的微带阵列相比，具有高增益、馈电机构简单、制作成本低的特点，受到了天线界的广泛关注。法布里-珀罗(FP)腔天线在当前和下一代无线通信系统、传感器系统、雷达和卫星通信等都具有潜在应用。
法布里-珀罗(FP)谐振腔天线的工作频率、方向性、增益带宽和辐射方向等主要特性是由部分反射面(PRS)的特性决定的。然而，这种天线的固有缺点是带宽太窄由于典型的窄带谐振腔结构。为了克服这些缺点，已经研究过一些宽带法布里谐振腔天线(RCA)的方法，大致可以分为三类。第一种方法是用双层FSS或双层介电层代替在传统一些宽带RCA设计中的单层EBG层，在多层介质结构中可以看到RCA将由若干介质板和气隙空间组成导致结构庞大。第二种方法采用具有横向介电常数梯度的复介电板作为RCA的上层，这种方法是非常有效的，但其上层结构制作和实现比较复杂。第三种方法利用具有双面金属阵列的电介质板作为RCA的部分反射面，这种上覆盖层提供了正反射相位梯度，从而实现了宽带RCA。在这种结构中，RCA的高度仅为半波长左右(无论上层和地面的厚度如何)。显然，第三种方法是宽带的最佳方法RCA的实现，简单易行。另外，它的高度是三种方法中最小的。
综上所述，传统的法布里-珀罗(FP)腔天线存在带宽窄，而在未来无线通信系统将需要更宽的带宽，更高的速度和较低的时延。因此，提高天线带宽和增益是必然趋势。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：通过加载部分反射面，目的在于为馈电天线提高带宽和增益提供一种新的单元结构，解决现有天线带宽窄、增益低的问题。
本发明通过下述技术方案实现：
一种宽频带、高增益法布里-珀罗谐振腔天线，包括的馈电天线和部分反射面。其中，部分反射面覆盖在馈电天线的上方，用于提高馈电天线的增益和带宽。
本发明提出的宽频带、高增益法布里天线与现有法布里谐振腔天线相比，其创新点在于：
采用了在馈电天线上方覆盖部分反射面的方法获得宽频带、高增益法布里天线，部分反射面具有一个高的反射系数和一个正的反射相位，与一般的部分反射面不同的是本发明的部分反射面由零间距的双层介质板产生双谐振形成的一个大的相位差，使得与最优的相位更接近，能有效提供相对较高的增益性能和相对较宽的带宽，同时保持部分反射面的紧凑性。最终从馈电天线中辐射出的电磁波到达空气与隔离介质的分界面时，会有一部分电磁波反射到馈电天线处；电磁波在腔内经过多次反射来达到电场同向增强，最终溢出部分反射面，实现馈电天线的增益增强。
选用贴片式的馈电天线，优势在于，贴片天线具有结构紧凑、易于加工、易于设计、成本低等结构特征，从而使法布里谐振腔天线的整体结构简单，易于实现。
作为对本发明的进一步描述，在馈电天线中引入短路探针，相当于在远离贴片谐振频率用感抗对贴片加载，抵消了贴片带来的容抗，结果形成第二谐振点。
作为对本发明的进一步描述，上述覆盖在贴片天线上方的部分反射面包括双层印刷金属结构的介质基板依次叠放，这些介质块具有不同的厚度和不同的介电常数，且印刷金属图案也不相同。
作为对本发明的进一步描述，所述宽频带、高增益法布里-珀罗谐振腔天线上方覆盖部分反射面的具体方法为：将第二介质块和第三介质块按照底层为第二介质块，顶层为第三介质块的顺序依次叠放并覆盖在所述馈电天线的上方。其中，第二介质块和第三介质块的厚度依次减小；第二介质块和第三介质块的介电常数依次减小。
作为对本发明的进一步描述，所述的第二介质基板的下表面的各个敷铜结构分别和第三介质基板的上表面的各个敷铜结构、第二介质基板与第三介质基板之间敷铜结构对应共心设置。
作为对本发明的进一步描述，所述的第一介质基板下的金属地平面开设有多个固定孔，所述的部分反射面上对应开设有多个依次贯穿第二介质基板以及第三介质基板的对应第一介质基板下表面的金属地平面的固定孔。通过将尼龙介质支撑柱的一端固定设置在金属地平面的固定孔内，另一端固定设置在部分反射面的固定孔内，支撑反射盖板使其置于矩形贴片天线的上方。
综上所述，本发明所提供的宽频带、高增益Fabry-Pérot谐振腔天线，采用矩形辐射贴片的单层双面敷铜的介质基板天线作为激励源，双层介质基板作为馈电天线的反射盖板。进一步，在贴片天线中引入短路探针，相当于在远离贴片谐振频率用感抗对贴片加载，抵消了贴片带来的容抗，结果形成第二谐振点，实现宽带、高增益的Fabry-Pérot谐振腔天线的工作方式。通过在Z方向引入同轴从介质底面向顶面馈电，Fabry-Pérot谐振腔天线能够实现21％的10dB的阻抗带宽，其中3dB增益带宽为21％；同时，Fabry-Pérot谐振腔天线的口面尺寸仅为真空中波长的2倍左右。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1.本发明相较于现有的提高天线带宽、增益的方法而言，具有更简单的结构和更低的剖面；
2.本发明拥有宽频带，拥有比窄带单极化阵列更高的信道容量；
3.本发明涉及双层介质部分反射面中的介质基板没有间距，使得部分反射面更加紧凑，从而使法布里谐振腔天线的剖面低；
4.本发明结构简单，方便实现。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明实施例1的一种法布里谐振腔天线的结构截面图。
图2为本发明实施例1的馈电天线结构辐射贴片的俯视。
图3为本发明实施例1的部分反射面单元的三维图。
图4为本发明实施例1的部分反射面单元的底层金属单元俯视图。
图5为本发明实施例1的部分反射面单元的中间层金属单元俯视图。
图6为本发明实施例1的部分反射面单元的顶层金属单元俯视图。
图7为本发明实施例1的馈电天线在HFSS仿真下的S参数曲线图。
图8为本发明实施例1的部分反射面在HFSS仿真下的S参数曲线图。
图9为本发明实施例1的法布里谐振腔天线在HFSS仿真下的S参数曲线图。
图10为本发明实施例1的法布里谐振腔天线在HFSS仿真下的增益曲线图。
图11为本发明实施例1的宽频带、高增益法布里-珀罗谐振腔天线设计的基本步骤。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1：
如图1所示，为本发明提供的宽频带、高增益法布里-珀罗谐振腔天线，包含：馈电天线、以及设置在馈电天线上方的反射盖板。
其中，所述的馈电天线为双面敷铜的第一介质基板6，其上表面刻有矩形辐射贴片1、底面是全敷铜作为地平面2，使用同轴馈电，由于同轴功率损耗小。
所述的部分反射面由敷铜的第二介质板8和敷铜的第三介质板7组成，两介质基板空间距离为零。其中在第二介质基板8的底面为不规则的双环形敷铜结构3，在第二介质基板8与第三介质基板7中间敷有环形金属结构5，在第三介质基板7上表面为不规则的方形贴片敷铜结构4。
进一步，所述馈电天线采用同轴进行馈电，同轴从位于-z向+z方向馈电，距离辐射贴片中心一定距离。
如图2所示，本实施例中，所述的馈电天线的辐射贴片为矩形1，使其展现出更多的自由变量；另外在贴片天线中引入短路探针，相当于在远离贴片谐振频率用感抗对贴片加载，抵消了贴片带来的容抗，结果形成第二谐振点。通过调探针的位置以及大小，同时调节同轴馈电的位置，通过设置这些变量实现宽频带的良好阻抗匹配。
进一步，如图1所示，所述的第一介质基板6的下表面的金属地平面开设有多个固定孔，相应的，本实施例中，在第二介质基板8与第三介质基板7的四个顶角位置处分别开设固定孔，该固定孔距离第二介质基板8与第三介质基板7的边距距离可视实际情况而定，该边距距离对天线的性能影响极小，仅起支撑作用。通过将尼龙介质支撑柱的一端固定设置在第二介质基板8与第三介质基板7上的定位孔内，另一端固定设置在馈电天线上的对应第一介质基板6下表面的金属地平面的定位孔内，进而支撑部分反射面使其置矩形辐射贴片的上方，且与接地板之间保持间隔H_air。
进一步，如图1所示，所述的第二介质基板8与接地板2之间的间隔大约为天线工作波长的1/2。
如图3所示，所述的宽带、高增益谐振腔天线中部分反射面由敷铜的第二介质板8和敷铜的第三介质板7组成，两介质基板空间距离为零。如图4所示，其中在第二介质基板8的底面为不规则的双环形敷铜3；如图5所示，中间敷有环形金属结构5；如图6所示，在第三介质基板7上表面为不规则的方形贴片敷铜结构4。所述的第二介质基板8的底面周期性排布设置多个大小相同的不规则的方环敷铜结构3，所述的第三介质基板7的上表面周期性排布设置多个大小相同的不规则的方形贴片4的敷铜结构，所述的第二介质基板8与第三介质基板7之间周期性排布设置多个大小相同的方环形5的敷铜结构。且第二介质基板8底面的敷铜结构3、第三介质基板7上表面的敷铜结构4和第二介质基板8与第三介质基板7之间的的敷铜结构5中心对齐。
在本实施例中，所述的第二介质基板8的介电常数为3.38，厚度为0.81mm。如图3所示，所述的第二介质基板8底面敷铜结构3的内环的内孔边长a1为1.3mm，外边长b1为2.1mm。其中，位于最外圈的内孔径边长a为2.3mm，外边长b为2.8mm。所述的第三介质基板7上表面敷铜结构的不规则的方形4边长c为0.5mm。所述的第二介质基板8与第三介质基板8之间的表面方形环5敷铜结构的内边长d1为0.8mm，外边长d为1.6mm。所述的第二介质基板8、第三介质基板7、第二介质基板8与第三介质基板7之间的敷铜结构在X方向和Y方向上均按周期排列，在X方向和Y方向上，相邻两个敷铜结构之间的中心间距p均为3mm。
在本发明的其他优选实施例中，若第二介质基板8选用其他类型的电路板，根据上述的设计理论，第二介质板8底面敷铜结构3的尺寸、内环内方形孔的尺寸都会相应有所不同，但是这些参数的变化均与所采用的第二介质基板8的介电常数相关。
综上所述，本发明所提供的宽频带、高增益法布里-珀罗谐振腔天线，采用带矩形贴片天线作为激励源，在贴片天线中额外引入短路探针，形成第二谐振点。并采用双层敷铜的介质基板作为天线的反射盖板，通过同轴馈电，从而实现了宽频带、高增益的Fabry-Pérot谐振腔天线；进一步，通过调节馈电天线的各个参数，Fabry-Pérot谐振腔天线能够实现21％的10dB的阻抗带宽，并且3dB增益带宽能达到21％；同时，Fabry-Pérot谐振腔天线由于采用了更小的紧凑结构的反射盖板，使得天线的口面尺寸仅为真空中波长的2倍左右。
如图7所示，分别为本发明的宽频带、高增益法布里-珀罗谐振腔天线的馈电天线的S参数曲线图，其中，S11为馈电天线的反射系数曲线，仿真结果显示，馈电天线能够实现17.3％的10dB的阻抗带宽。
如图8所示，为本发明中反射盖板的反射系数幅度和频率的关系，反射盖板的反射系数相位和频率的关系。可以看出，当频率在21.5GHz～27.5GHz的反射范围内，反射系数相位和频率呈正相关关系，并且具有较高的反射系数模值，因此阻抗带宽和增益均得到提高。
如图9所示，分别为本发明的宽频带、高增益法布里-珀罗谐振腔天线的S参数曲线图，其中，S11为法布里谐振腔天线的反射系数曲线，仿真结果显示，Fabry-Pérot谐振腔天线能够实现21％的10dB的阻抗带宽。
如图10所示，为本发明的宽频带、高增益法布里-珀罗谐振腔天线增益随频率变化的曲线，仿真结果显示，增益最大幅度为13.75dB在27GHz处，而3dB增益带宽为21％。
如图11所示，为本发明的宽频带、高增益法布里-珀罗谐振腔天线设计的基本流程。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种宽频带、高增益法布里-珀罗谐振腔天线，其特征在于，包含：馈电天线、以及设置在馈电天线上方的部分反射面。
其中，所述的馈电天线为双面敷铜的第一介质基板，其上表面刻有矩形辐射贴片、底面是全敷铜作为地平面，其中金属地的大小和部分反射面大小相同，使用同轴馈电。另外在贴片天线中引入短路探针，相当于在远离贴片谐振频率用感抗对贴片加载，抵消了贴片带来的容抗，结果形成第二谐振点。
所述的部分反射面由敷铜的第二介质板和敷铜的第三介质板组成，两介质基板空间距离为零。其中在第二介质基板的底面为不规则的双环形敷铜结构，中间敷有环形金属结构，在第三介质基板上表面为不规则的贴片敷铜结构,其中不规则贴片由一个大的正方形和四个小正方形以大正方形的四个顶角为中心的贴片组成，即五个方形贴片组成。另外在第二介质基板底面的双环结构的内环形状由方形贴片减去第三介质基板上表面的形状组成，虽然减去的形状类似，但大小不同。
2.如权利要求1所述的宽带、高增益法布里-珀罗谐振腔天线，其特征在于，所述的馈电天线采用双面敷铜的单层介质基板，在第一介质基板的底面全敷铜作为金属地平面，在第一介质基板的上表面为矩形辐射贴片敷铜结构，在Z轴方向引入同轴从介质底面向顶面馈电。
3.如权利要求1所述的宽带、高增益法布里-珀罗谐振腔天线，其特征在于，所述的部分反射面由敷铜的第二介质板和敷铜的第三介质板组成，两介质基板空间距离为零。其中在第二介质基板的底面为不规则的双环形敷铜结构，中间敷有环形金属结构，在第三介质基板上表面为不规则的贴片敷铜结构。其中第二介质基板为底层介质块，所述第三介质基板为顶层。
4.如权利要求3所述的宽带、高增益法布里-珀罗谐振腔天线，其特征在于，所述的第二介质基板下表面周期性排布设置多个大小相同的不规则的方环形环状的敷铜结构；所述的第三介质基板的上表面周期性排布设置多个大小相同的不规则的贴片结构，第二介质基板与第三介质基板之间周期性的排布设置多个大小相同的方环型敷铜结构。
5.如权利要求5所述的宽带、高增益法布里-珀罗谐振腔天线，其特征在于，所述的第二介质基板的下表面的各个敷铜结构分别和第三介质基板的上表面的各个敷铜结构、第二介质基板与第三介质基板之间的敷铜结构对应共心设置。
6.如权利要求2所述的宽频带、高增益法布里-珀罗谐振腔天线，其特征在于，所述第一介质板介电常数为2.2，其厚度为0.787mm。
7.如权利要求3所述的宽频带、高增益法布里-珀罗谐振腔天线，其特征在于，所述部分反射面第二介质基板介电常数为3.38且厚度为0.81mm，所述第三介质基板介电常数为2.2且厚度为0.254mm。
8.如权利要求1所述的宽频带、高增益法布里-珀罗谐振腔天线，其特征在于，所述的馈电天线的地平面与部分反射面第二介质基板之间的间隔为H_air,即天线工作波长的1/2。
9.如权利要求1所述的一种宽频带、高增益法布里-珀罗谐振腔天线，其特征在于，所述馈电天线的上方加载部分反射面的方法为：将双层介质块叠放在一起并覆盖在所述馈电天线上方一定距离H_air，并通过优化距离H_air，确保得到最优带宽与增益。
10.如权利要求1所述的宽频带、高增益法布里-珀罗谐振腔天线，其特征在于，所述的第一介质基板下表面的地平面开设有多个固定孔，所述的部分反射面上对应第一介质基板下表面的地平面开设有多个依次贯穿第二介质基板以及第三介质基板的固定孔，通过将尼龙介质支撑柱的一端固定设置在地平面的固定孔内，另一端固定设置在部分反射面的固定孔内，支撑反射盖板使其置于矩形辐射贴片天线的上方。
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