CN113471676A - 一种应用于无源感知系统的Fabry-Perot谐振腔天线 - Google Patents

一种应用于无源感知系统的Fabry-Perot谐振腔天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种应用于无源感知系统的Fabry‑Perot谐振腔天线，包括馈源微带天线和覆盖层，所述覆盖层由单元结构周期性排列而成，其覆盖层位于馈源微带天线的正上方，馈源微带天线包括馈源微带天线介质基板和馈源，馈源微带天线介质基板的下表面为铜质地板，其上表面为刻蚀形成的铜箔辐射贴片，即形成馈源。本发明设计的Fabry‑Perot谐振腔天线尺寸为220mm*220mm*48.5mm，增益在天线正上方达到最大，仿真值为11.56dB。

Description

一种应用于无源感知系统的Fabry-Perot谐振腔天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体涉及一种应用于无源感知系统的Fabry-Perot谐振腔天线。
背景技术
在WIFI无源感知系统中，无源传感器微弱的感知信号会被多径信号甚至噪声淹没，造成感知精度和可靠性降低。为了提高感知信号分辨率，我们需要提高发射信号的增益。
Fabry-Perot谐振腔天线主要由天线覆层、馈源天线、金属地板三部分组成。馈源天线发射出的电磁波激励整个谐振腔，产生的辐射场被看做全部来源于腔底一点。馈源天线辐射出的电磁波在上层的覆层和下层的地板之间经过无数次的反射和透射，当两块平行板之间的距离满足谐振条件，透射出的电磁波实现同相叠加，并由中心向边沿处传播，谐振腔天线增益便得到提升。覆层的结构也会影响电磁波的反射相位，通过合理的设计覆层的结构，可以使工作频率处的电磁波的反射相位保持在0度附近，即可以降低Fabry-Perot谐振腔天线的剖面，从而实现天线的小型化。
发明内容
本发明的目的是针对基于WIFI信号远距离无源感知中无线传感器接收信号较弱的问题，提出一种基于加载覆层的Fabry-Perot谐振腔高增益天线，以提高电磁波接收效率，实现提高感知精度的目的。
本发明采用的技术方案是：
一种应用于无源感知系统的Fabry-Perot谐振腔天线，包括馈源微带天线和覆盖层，所述覆盖层由单元结构周期性排列而成，其覆盖层位于馈源微带天线的正上方，馈源微带天线包括馈源微带天线介质基板和馈源，馈源微带天线介质基板的下表面为铜质地板，其上表面为刻蚀形成的铜箔辐射贴片，即形成馈源。
优选的，所述覆盖层由单元结构按照11*11方式排列而成，其尺寸为220mm*220mm*1mm，所述单元结构尺寸为20mm，所述覆盖层与铜质地板之间的距离为46mm，馈源微带天线的增益提高5.24dB。
优选的，所述单元结构的上表面为带有矩形槽的方环形，且在方环形的中央放置有圆形贴片的频率选择表面，其下表面为圆形的金属贴片型频率选择表面，在上表面与下表面之间的中间结构采用Arlon AD3502A介质基板。
优选的，所述方环形内侧的一对称内壁上设置有齿牙槽。
优选的，所述方形环的外长为20mm，其内长为13.5mm，所述矩形槽的长和宽均为0.5mm，所述圆形贴片的半径为4mm；所述圆形的金属贴片的半径为9.8mm。
优选的，所述Arlon AD3502A介质基板与馈源微带天线介质基板的长度和宽度相同。
优选的，所述馈源微带天线采用同轴馈电的方式，尺寸为24mm*23mm，馈源微带天线的工作频率为2.45GH，增益为6.32dB，增益最大方向为馈源微带天线的正上方。
本发明的有益效果：本发明设计的Fabry-Perot谐振腔天线尺寸为220mm*220mm*48.5mm，天线工作的频率为2.45GHz,带宽满足WIFI频段，增益在天线正上方达到最大，仿真值为11.56dB。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1所示为本发明的一种用于无源感知系统的Fabry-Perot谐振腔天线；
图2所示为馈源微带天线示意图；
图3所示为馈源微带天线的S11曲线图；
图4所示为馈源微带天线的yoz和xoz面的方向图；(a)yoz面；(b)xoz面；
图5所示为覆盖层的上表面和下表面示意图；(a)上表面；(b)下表面；
图6所示为单元结构的上表面和下表面示意图；(a)上表面；(b)下表面；
图7所示为单元结构的反射幅值和相位；(a)反射幅值；(b)反射相位；
图8所示为Fabry-Perot谐振腔天线S11曲线图；
图9所示为Fabry-Perot谐振腔天线的YOZ和XOZ面方向图；(a)YOZ面；(b)XOZ面；
图10 Fabry-Perot谐振腔天线的3D辐射方向图。
其中，1、覆盖层；101、单元结构；1011、方形环；1012、矩形槽；1013、圆形贴片；1014、齿牙槽；102、ArlonAD3502A介质基板；103、圆形的金属贴片；2、馈源微带天线；201、馈源；202、铜质地板。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明具体提供了一种应用于无源感知系统的Fabry-Perot谐振腔天线，如图1所示，包括馈源微带天线2和覆盖层1，所述覆盖层1由单元结构101周期性排列而成，其覆盖层1位于馈源微带天线2的正上方，馈源微带天线2包括馈源微带天线介质基板和馈源，馈源微带天线介质基板的下表面为铜质地板202，其上表面为刻蚀形成的铜箔辐射贴片，即形成馈源201。
馈源微带天线2的结构如图2所示，采用同轴馈电的方式，尺寸为24mm*23mm，馈源微带天线介质基板为220mm*220mm*1.5mm的Rogers RO3006基板。从图3可以看出馈源微带天线2的工作频率为2.45GH，从图4可以看出馈源微带天线的增益为6.32dB，增益最大方向为馈源微带天线的正上方。
覆盖层1的结构如图5所示，覆盖层1位于馈源微带天线2正上方46mm。由单元结构101按照11*11方式排列而成，其尺寸为220mm*220mm*1mm，覆盖层101结构的作用是为了与馈源微带天线2的地面一起组成Fabry-Perot谐振腔，提高天线的增益。单元结构尺寸为20mm。
Fabry-Perot谐振腔由两个相距h近似无限大(忽略边缘效应)均匀的反射面1(覆层)和反射面2(馈源微带天线介质基板)组成，对于频率为f，波长λ的电磁波，反射面1(覆层)的反射系数为
Figure BDA0003089874300000051
(全反射，反射系数模值为1，反射相位
Figure BDA0003089874300000052
)，反射面2(馈源微带天线介质基板)反射系数为
Figure BDA0003089874300000053
(部分反射，反射系数模值p，反射相位
Figure BDA0003089874300000054
)。经过无数次的反射，对透射过去的电磁波电场强度进行叠加，就可以提高馈源微带天线的增益。同时工作在WIFI频段的情况下,宽带极化可重构Fabry-Perot谐振腔天线的增益提升是3.15dB，而本申请设计的Fabry-Perot谐振腔天线的增益提升为5.24dB。
覆盖层1由频率选择表面单元周期排列而成。单元结构101的上表面和下表面如图6所示，上表面为带有矩形槽1012的方环形1011，且在方环形1011的中央放置有圆形贴片1013的频率选择表面，方环形1011的外长为20mm,内长为13.5mm，矩形槽1012的长和宽均为0.5mm,圆形贴片1013半径为4mm，下表面为圆形的金属贴片103型频率选择表面，其半径为9.8mm。在上表面与下表面之间的中间结构采用20mm*20mm*1mm的Arlon AD3502A介质基板102。从图7所示的反射幅值和相位可以看出，结构单元在2.45GHz工作频率处的反射模值为0.92，反射相位为142.65。
在本实施例中，方环形内侧的一对称内壁上设置有齿牙槽，齿牙槽的具体尺寸为0.5mm*0.5mm，齿牙槽开在单元表面电流分布密集的地方，通过引入曲折结构，增大电流流过的路径，进而达到减小单元尺寸的作用。
本发明的用于无源感知系统的Fabry-Perot谐振腔天线的S11曲线如图8所示，从图中可以看出天线工作的频率在2.45GHz，带宽满足WIFI频段。从图9中可以看出天线xoz和yoz面天线的增益为11.56dB,有效地提高了馈源微带天线地增益。从图10Fabry-Perot谐振腔天线的3D辐射方向图可以看出，本发明的天线具有良好地方向性。
以上所述，仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其它修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种应用于无源感知系统的Fabry-Perot谐振腔天线，其特征在于，包括馈源微带天线和覆盖层，所述覆盖层由单元结构周期性排列而成，覆盖层位于馈源微带天线的正上方，馈源微带天线包括馈源微带天线介质基板和馈源，馈源微带天线介质基板的下表面为铜质地板，其上表面为刻蚀形成的铜箔辐射贴片，即形成馈源。
2.根据权利要求1所述的一种应用于无源感知系统的Fabry-Perot谐振腔天线，其特征在于，所述覆盖层由单元结构按照11*11方式排列而成，其尺寸为220mm*220mm*1mm，所述单元结构尺寸为20mm，所述覆盖层与铜质地板之间的距离为46mm，馈源微带天线的增益提高5.24dB。
3.根据权利要求2所述的一种应用于无源感知系统的Fabry-Perot谐振腔天线，其特征在于，所述单元结构的上表面为带有矩形槽的方环形，且在方环形的中央放置有圆形贴片的频率选择表面，其下表面为圆形的金属贴片型频率选择表面，在上表面与下表面之间的中间结构采用Arlon AD3502A介质基板。
4.根据权利要求3所述的一种应用于无源感知系统的Fabry-Perot谐振腔天线，其特征在于，所述方环形内侧的一对称内壁上设置有齿牙槽。
5.根据权利要求3所示的一种应用于无源感知系统的Fabry-Perot谐振腔天线，其特征在于，所述方形环的外长为20mm，其内长为13.5mm，所述矩形槽的长和宽均为0.5mm，所述圆形贴片的半径为4mm；所述圆形的金属贴片的半径为9.8mm。
6.根据权利要求3所述的一种应用于无源感知系统的Fabry-Perot谐振腔天线，其特征在于，所述Arlon AD3502A介质基板与馈源微带天线介质基板的长度和宽度相同。
7.根据权利要求1所述的一种应用于无源感知系统的Fabry-Perot谐振腔天线，其特征在于，所述馈源微带天线采用同轴馈电的方式，尺寸为24mm*23mm，馈源微带天线的工作频率为2.45GH，增益为6.32dB，增益最大方向为馈源微带天线的正上方。
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