CN113394567B - 基于二维金属丝线网络的高定向性双功能透镜天线 - Google Patents

基于二维金属丝线网络的高定向性双功能透镜天线 Download PDF

Info

Publication number
CN113394567B
CN113394567B CN202110700267.1A CN202110700267A CN113394567B CN 113394567 B CN113394567 B CN 113394567B CN 202110700267 A CN202110700267 A CN 202110700267A CN 113394567 B CN113394567 B CN 113394567B
Authority
CN
China
Prior art keywords
metal wire
hole
dual
square
cylindrical
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.)
Active
Application number
CN202110700267.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113394567A (zh
Inventor
杨锐
贾艺铭
雷振亚
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.)
Xidian University
Original Assignee
Xidian 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 Xidian University filed Critical Xidian University
Priority to CN202110700267.1A priority Critical patent/CN113394567B/zh
Publication of CN113394567A publication Critical patent/CN113394567A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113394567B publication Critical patent/CN113394567B/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
    • H01Q15/02—Refracting or diffracting devices, e.g. lens, prism
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/002—Protection against seismic waves, thermal radiation or other disturbances, e.g. nuclear explosion; Arrangements for improving the power handling capability of an antenna
    • 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
    • H01Q15/24—Polarising devices; Polarisation filters 
    • H01Q15/242—Polarisation converters
    • 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
    • H01Q19/06—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 refracting or diffracting devices, e.g. lens
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q25/00—Antennas or antenna systems providing at least two radiating patterns
    • H01Q25/002—Antennas or antenna systems providing at least two radiating patterns providing at least two patterns of different beamwidth; Variable beamwidth antennas

Landscapes

  • Aerials With Secondary Devices (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于二维金属丝线网络的高定向性双功能透镜天线，主要解决现有技术结构复杂、辐射增益低的问题。其包括双功能透镜(1)，金属反射面(2)，两个馈源(3，4)，该双功能透镜采用由多层正方形面板构成的方形阵列，其中心位置设有方形通孔(12)；每层正方形面板由周期性排列的二维金属丝线网络单元(11)组成，每个二维金属丝线网络单元由立方介质块和两组十字交叉的圆柱形过孔及固定在其中的金属丝线组成；该第一馈源(3)采用微带线结构，且位于双功能透镜的正下方；该第二馈源(4)采用半波对称振子，其位于方形通孔的中心。本发明简化了双功能透镜天线的结构，提高了辐射增益，可用于无线通信和移动通信。

Description

基于二维金属丝线网络的高定向性双功能透镜天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，特别涉及一种双功能透镜天线，可用于无线通信和移动通信。
技术背景
透镜天线在微波工程等领域已被广泛使用，而利用新型电磁材料设计的透镜天线比传统介质构建的透镜天线拥有更优异的性能，新型电磁材料拥有不同于传统材料的非常规电磁特性，能够有效改善天线的辐射特性，在无线通信和移动系统中得到了广泛关注。
上海交通大学在其申请的专利文献“一种利用亚波长周期性非谐振结构覆层制作紧凑型高增益天线的方法”(申请号201710783586.7，公开号CN 107681252 A)中公开了一种由新型电磁材料覆层的高增益天线。该天线中的覆层结构使用亚波长非谐振单元，能够将源天线发射的波聚焦到覆层法线方向，产生尖锐的高增益波束。但该天线只能实现单一功能的定向辐射，且只能将发射波的电场聚焦到法线方向，天线的功能简单，只能满足单一场景的通信需求。
为了解决上述问题，西安电子科技大学在其申请的专利文献“一种实现轴向定向波束和径向多波束辐射的混合介质天线”(申请号201910368540.8，申请公开号CN110148840 A)中公开了一种混合介质天线。该天线的结构使用了周期性排布的不同穿孔直径和金属丝线半径的混合介质单元，能够校准两个方向上馈源辐射的电磁波相位，实现轴向高增益定向辐射和径向多波束辐射的双向功能，然而，该天线由于在实现轴向定向辐射时需要设计拥有轴向的梯度渐变折射率单元来完成，因而天线结构较为复杂，且径向多波束辐射的增益较低。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术存在的问题，提供一种基于二维金属丝线网络的高定向性双功能透镜天线，以简化双功能透镜天线的结构复杂、提高径向多波束辐射的增益。
为实现上述目的，本发明基于二维金属丝线网络的高定向性双功能透镜天线，包括双功能透镜1，金属反射面2，第一馈源3和第二馈源4，其特征在于：
所述双功能透镜1，采用由n层正方形面板叠放构成的方形阵列，且中心设有方形通孔12，n≥2；每层正方形面板由i×i个周期性排列的二维金属丝线网络单元11组成；每个二维金属丝线网络单元11采用在一个立方介质块111的上下贯通第一圆柱形过孔112，在左右贯通的第二圆柱形过孔113，并分别在第一圆柱形过孔112中固定第一金属丝线114，在第二圆柱形过孔113中固定第二金属丝线115，形成十字交叉型的二维近零折射率结构；
所述第一馈源3采用在金属反射面2上表面中心位置的微带线结构，并设置在距双功能透镜1间距为h的正下方位置；
所述第二馈源4采用半波对称振子，且位于方形通孔12的中心。
进一步，所述第一圆柱形过孔112、第二圆柱形过孔113、第一金属丝线114、和第二金属丝线115的横截面半径r相同，其根据二维金属丝线网络单元11的等效介电常数εeff通过下式计算，其中径向与轴向的εeff完全对称且相同：
Figure BDA0003129917180000021
其中，计算r时设εeff接近0，εh为二维金属丝线网络单元11使用介质的介电常数，ω为工作角频率，ω＝2πf，f表示电磁波的频率，a为二维金属丝线网络单元11的边长。
进一步，所述方形通孔12的边长为j×a，j≥1，i－j≥2，a为二维金属丝线网络单元11的边长。
进一步，所述双功能透镜1的横截面积与金属反射面2的面积相同。
进一步，所述双功能透镜1的中心法线、方形通孔12的轴线、金属反射面2的中心法线以及两个馈源3，4的轴线这五者重合。
进一步，所述方形通孔12，其轴线与第一圆柱形过孔112的轴线平行，与第二圆柱形过孔113的轴线垂直。
进一步，所述第一圆柱形过孔112和第二圆柱形过孔113都贯穿于二维金属丝线网络单元11的中心位置，并且相交于立方介质块111中心。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
第一，由于本发明的双功能透镜采用二维的金属丝线阵列网络，能够实现边射方向的高定向辐射和端射方向的多波束辐射，并能将边射方向发射波的电场和磁场都聚焦到透镜的法线方向，使边射方向微带天线辐射出的球面波转化为笔形波束进行辐射，克服了现有技术天线功能单一、天线定向性差、增益低的问题，使得本发明具有功能多、实用性强、性能优越的特点。
第二，由于本发明的双功能透镜只由一种金属丝线网络单元构成，就能具有两个极化方向的近零折射率特性，而不用设计梯度折射率单元，克服了现有技术为了实现边射方向高定向辐射而使用不同尺寸的混合介质单元带来的复杂结构问题，使得本发明具有装置数量少、设计难度低的优点。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明中的双功能透镜的结构示意图；
图3是本发明中二维金属丝线网络单元的结构示意图；
图4是本发明实现边射方向高定向辐射的工作原理图；
图5是本发明实现端射方向多波束高定向辐射的工作原理图；
图6是仿真本发明在微带线结构激励时边射方向辐射的反射系数图；
图7是仿真本发明在微带线结构激励时边射方向辐射的二维辐射方向图；
图8是仿真本发明在半波对称振子激励时端射方向辐射的反射系数图；
图9是仿真本发明在半波对称振子激励时端射方向辐射的二维辐射方向图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例和效果作进一步详细描述：
参照图1和图2，对本实例的整体结构包括双功能透镜1，金属反射面2，第一馈源3和第二馈源4。该双功能透镜1，采用由n层正方形面板叠放构成的方形阵列，且中心设有方形通孔12，n≥2；每层正方形面板由i×i个周期性排列的二维金属丝线网络单元11组成；所述第一馈源3采用在金属反射面2上表面中心位置的微带线结构，并设置在距双功能透镜1间距为h的正下方位置；所述第二馈源4采用半波对称振子，且位于方形通孔12的中心；所述方形通孔12的边长为j×a，j≥1，i－j≥2，a为二维金属丝线网络单元11的边长；所述双功能透镜1的横截面积与金属反射面2的面积相同；所述双功能透镜1的中心法线、方形通孔12的轴线、金属反射面2的中心法线以及两个馈源3，4的轴线这五者重合。
参照图3，每个二维金属丝线网络单元11采用在一个六面实心立方介质块111，该介质块的上下和左右分别贯通有过孔，每个孔中固定金属丝线，即上下贯通第一圆柱形过孔112，左右贯通第二圆柱形过孔113，该上下过孔中固定第一金属丝线114，该左右过孔113中固定第二金属丝线115，形成十字交叉型结构，且相交于立方介质块111中心，即均贯穿于二维金属丝线网络单元11的中心位置，以呈现二维近零折射率特性。
所述第一圆柱形过孔112、第二圆柱形过孔113、第一金属丝线114和第二金属丝线115的横截面半径r相同，其根据二维金属丝线网络单元11的等效介电常数εeff通过下式计算，其中径向与轴向的εeff完全对称且相同：
Figure BDA0003129917180000041
其中，计算r时设εeff接近0，εh为二维金属丝线网络单元11使用介质的介电常数，ω为工作角频率，ω＝2πf，f表示电磁波的频率，a为二维金属丝线网络单元11的边长。
所述方形通孔12，其轴线与第一圆柱形过孔112的轴线平行，与第二圆柱形过孔113的轴线垂直。
本发明实施例中，双功能透镜1包括的正方形面板层数n＝5，二维金属丝线网络单元11的周期数i＝13，方形通孔12的周期数j＝1，第一馈源3与双功能透镜1的间距h＝21mm，第一圆柱形过孔112、第二圆柱形过孔113、第一金属丝线114、和第二金属丝线115的横截面半径r＝0.62mm，二维金属丝线网络单元11使用介质的介电常数εh＝2.2，工作频率f＝10GHz，二维金属丝线网络单元11的边长a＝7.5mm，但不限于此参数。
参照图4，本实施例在上述参数下进行边射方向工作时，只激励第一馈源3而不激励第二馈源4，可使二维金属丝线网络单元11的等效介电常数近零，因而双功能透镜1在边射方向呈现近零折射率特性。由于第一馈源3为微带线结构，因而辐射波的等相位面为球面，经过双功能透镜1的波前整形作用，透射后的等相位面为平面，实现了边射方向上的高定向性辐射。
参照图5，本实施例在上述参数下进行端射方向工作时，只激励第二馈源4而不激励第一馈源3，可使二维金属丝线网络单元11的等效介电常数近零，因此双功能透镜1在端射方向也呈现近零折射率特性。由于第二馈源4为半波对称振子，因而辐射波的等相位面为球面，经过双功能透镜1的校准后，透射波在双功能透镜1的侧面形成四个方向垂直于双功能透镜1的定向波束，实现了端射方向上的多波束高定向性辐射。
本发明的效果可通过以下仿真实验进一步说明。
1.仿真条件：采用CST Microwave Studio2017仿真软件。
2.仿真内容：
仿真1，利用上述仿真软件对本发明在沿边射方向辐射时的反射系数进行仿真，结果如图6。其中横坐标是工作频率f，单位是GHz，纵坐标是反射系数，单位是dB。由图6可见，当工作频率在10GHz时，边射方向辐射的反射系数值为-12.84dB，表明本发明在边射方向辐射的反射系数小于-10dB，能够正常工作。
仿真2，利用上述仿真软件对本发明在沿边射方向辐射时的二维辐射方向图进行仿真，结果如图7。其中横坐标是俯仰角Theta，单位是deg，纵坐标是增益，单位是dBi，实线是Phi＝0deg的xoz平面内边射方向辐射的增益随俯仰角Theta的变化曲线，虚线是Phi＝90deg的yoz平面内边射方向辐射的增益随俯仰角Theta的变化曲线。由图7可见，当工作频率在10GHz时，边射方向的最大辐射方向为0°，增益为15.6dBi，在xoz平面和yoz平面的3dB波束宽度分别为18.9°和16.3°，表明本发明在边射方向能够实现高定向的高增益辐射。
仿真3，利用上述仿真软件对本发明在沿端射方向辐射时的反射系数进行仿真，结果如图8。其中横坐标是工作频率f，单位是GHz，纵坐标是反射系数，单位是dB。由图8可见，当工作频率在10GHz时，端射方向辐射的反射系数值为-14.37dB，说明本发明在端射方向辐射的反射系数小于-10dB，能够正常工作。
仿真4，利用上述仿真软件对本发明在沿端射方向辐射时的二维辐射方向图进行仿真，结果如图9。其中横坐标是方位角Phi，单位是deg，纵坐标是增益，单位是dBi。由图9可见，当工作频率在10GHz时，端射方向的最大辐射方向有四个，分别为0°，90°，180°和270°，增益分别为8.66dBi，6.35dBi，8.66dBi和6.35dBi，3dB波束宽度分别为18.2°，23.2°18.2°和23.2°。说明本发明在端射方向能够实现多波束的高定向辐射。
上述仿真结果表明本发明能实现同一工作频率下的高定向性双功能辐射。
以上描述仅是本发明的优选实施方式，并不对本发明构成限制，对于本领域的普通技术人员来说，均可在不脱离本发明创新构思的前提下所做出的若干变形和改进，但这些改变均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于二维金属丝线网络的高定向性双功能透镜天线，包括双功能透镜(1)，金属反射面(2)，第一馈源(3)和第二馈源(4)，其特征在于：
所述双功能透镜(1)，采用由n层正方形面板叠放构成的方形阵列，且中心设有方形通孔(12)，n≥2；每层正方形面板由i×i个周期性排列的二维金属丝线网络单元(11)组成；每个二维金属丝线网络单元(11)采用在一个立方介质块(111)的上下贯通第一圆柱形过孔(112)，在左右贯通的第二圆柱形过孔(113)，并分别在第一圆柱形过孔(112)中固定第一金属丝线(114)，在第二圆柱形过孔(113)中固定第二金属丝线(115)，形成十字交叉型的二维近零折射率结构；
所述第一圆柱形过孔(112)和第二圆柱形过孔(113)都贯穿于二维金属丝线网络单元(11)的中心位置，并且相交于立方介质块(111)中心；
所述第一圆柱形过孔(112)、第二圆柱形过孔(113)、第一金属丝线(114)、和第二金属丝线(115)的横截面半径r相同，其根据二维金属丝线网络单元(11)等效介电常数εeff通过下式计算，其中径向与轴向的εeff完全对称且相同：
Figure FDA0003795762060000011
其中，计算r时设εeff接近0，εh为二维金属丝线网络单元(11)使用介质的介电常数，ω为工作角频率，ω＝2πf，f表示电磁波的频率，a为二维金属丝线网络单元(11)的边长；
所述第一馈源(3)采用在金属反射面(2)上表面中心位置的微带线结构，并设置在距双功能透镜(1)间距为h的正下方位置；
所述第二馈源(4)采用半波对称振子，且位于方形通孔(12)的中心。
2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：所述方形通孔(12)的边长为j×a，j≥1，i-j≥2，a为二维金属丝线网络单元(11)的边长；i表示二维金属丝线网络单元(11)的周期数，j表示方形通孔(12)的周期数。
3.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：所述双功能透镜(1)的横截面积与金属反射面(2)的面积相同。
4.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：所述双功能透镜(1)的中心法线、方形通孔(12)的轴线、金属反射面(2)的中心法线以及第一馈源(3)和第二馈源(4)的轴线这五者重合。
5.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：所述方形通孔(12)，其轴线与第一圆柱形过孔(112)的轴线平行，与第二圆柱形过孔(113)的轴线垂直。
CN202110700267.1A 2021-06-23 2021-06-23 基于二维金属丝线网络的高定向性双功能透镜天线 Active CN113394567B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110700267.1A CN113394567B (zh) 2021-06-23 2021-06-23 基于二维金属丝线网络的高定向性双功能透镜天线

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110700267.1A CN113394567B (zh) 2021-06-23 2021-06-23 基于二维金属丝线网络的高定向性双功能透镜天线

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113394567A CN113394567A (zh) 2021-09-14
CN113394567B true CN113394567B (zh) 2022-10-04

Family

ID=77623613

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110700267.1A Active CN113394567B (zh) 2021-06-23 2021-06-23 基于二维金属丝线网络的高定向性双功能透镜天线

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113394567B (zh)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105226378A (zh) * 2015-10-14 2016-01-06 东南大学 基于零折射率材料的紧凑型高定向性平板天线
CN108075236A (zh) * 2017-12-27 2018-05-25 西安电子科技大学 一种基于周期性半高销钉的超宽带透镜天线
WO2018134592A1 (en) * 2017-01-20 2018-07-26 King's College London Plasmonic metamaterial structure

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN100561797C (zh) * 2006-03-31 2009-11-18 电子科技大学 一种负折射率微波媒质材料及其制备方法
CN101404356B (zh) * 2008-10-31 2012-07-04 浙江大学 利用条状金属单元结构天线罩的高指向天线
US8912973B2 (en) * 2011-05-04 2014-12-16 The Penn State Research Foundation Anisotropic metamaterial gain-enhancing lens for antenna applications
CN103633448B (zh) * 2013-11-11 2016-01-20 北京理工大学 匹配近零折射率超材料的太赫兹平面透镜天线
CN105098375A (zh) * 2014-05-22 2015-11-25 西北工业大学 一种基于近零折射率超材料的相控阵天线
JP6596748B2 (ja) * 2015-08-05 2019-10-30 国立大学法人東京農工大学 シート型メタマテリアルおよびシート型レンズ
CN107623184B (zh) * 2017-09-29 2019-07-16 西安电子科技大学 一种实现边射和端射功能的多层介质天线
CN110148840B (zh) * 2019-05-05 2020-09-08 西安电子科技大学 一种实现轴向定向波束和径向多波束辐射的混合介质天线
CN111900545B (zh) * 2020-08-16 2021-05-04 西安电子科技大学 含有非均匀厚度enz超材料夹心层的高定向性平凹透镜

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105226378A (zh) * 2015-10-14 2016-01-06 东南大学 基于零折射率材料的紧凑型高定向性平板天线
WO2018134592A1 (en) * 2017-01-20 2018-07-26 King's College London Plasmonic metamaterial structure
CN108075236A (zh) * 2017-12-27 2018-05-25 西安电子科技大学 一种基于周期性半高销钉的超宽带透镜天线

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Shiyi Yan ; Rui Yang etc.."Bifunctional Broadband Zone Plate for Highly Directive Broadside Emissions and Endfire Radiations".《IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters》.2019, *

Also Published As

Publication number Publication date
CN113394567A (zh) 2021-09-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Lu et al. Compact air-filled Luneburg lens antennas based on almost-parallel plate waveguide loaded with equal-sized metallic posts
You et al. A novel planar endfire circularly polarized antenna with wide axial-ratio beamwidth and wide impedance bandwidth
CN109088177B (zh) 双圆极化波导阵列天线及其制作方法
EP3513459A1 (en) Single-layered end-fire circularly polarized substrate integrated waveguide horn antenna
CN104617380A (zh) 一种圆极化端射特性的平面口径-对称环组合天线
Amin et al. Single feed circularly polarised omnidirectional bifilar helix antennas with wide axial ratio beamwidth
Dadgarpour et al. High‐gain end‐fire bow‐tie antenna using artificial dielectric layers
Nakano et al. External-excitation curl antenna
Luo et al. Substrate integrated waveguide circularly polarized horn‐dipole antenna with improved gain
CN109004347B (zh) 圆极化及双圆极化波导阵列天线及其制作方法
Huang et al. All 3-D printed antennas based on phase velocity control for beam steering and size reduction with low cost
CN110148840A (zh) 一种实现轴向定向波束和径向多波束辐射的混合介质天线
Liu et al. Wideband circular patch antenna with I‐shaped structure for horizontal omnidirectional gain enhancement
CN103594791B (zh) 超材料板、反射面天线系统及电磁波反射调节方法
CN113394567B (zh) 基于二维金属丝线网络的高定向性双功能透镜天线
US20170317426A1 (en) Multi-beam antenna and multi-beam antenna array system including the same
CN102891373B (zh) 一种超材料制成的基站天线
Liu et al. 2D flat Luneburg lens antenna for multibeam scanning application
Dinkić et al. High-gain quad array of nonuniform helical antennas
CN207651657U (zh) 一种圆极化全向天线
CN103036035B (zh) 室外天线装置
CN209401850U (zh) 一种宽带的变极化反射阵
Wang et al. A high‐gain bow‐tie antenna with phase gradient metasurface lens
Huang et al. A hemisphere dielectric lens for high directivity with narrow beam and low side lobe level
Wang et al. Wideband cavity‐backed log‐periodic‐slot end‐fire antenna with vertical polarization for conformal application

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