CN113922063B - 能够增加不同谐振频点天线增益的微带结构阵列及使用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种能够增加不同谐振频点天线增益的微带结构阵列及使用，阵列包括至少一个4单元阵列，每个4单元阵列包括4个嵌套谐振结构，4个嵌套谐振结构以中心对称的方式以相同间距排列；每个嵌套谐振结构由两个在同侧边上具有开口的正方形环状微带线嵌套构成，微带线的内、外环开口处均向环内部弯折，每两个横向的嵌套谐振结构的外环之间通过电感连接。本发明的微带结构阵列具有在某些频段对入射电磁波表现出近零折射率的特性，能够在不显著增加天线剖面的情况下改善天线增益。将该阵列放置于工作在该阵列表现出零折射率频段的天线正前方，适当调节其与天线的距离，可以显著增强天线的正向辐射增益。

Description

能够增加不同谐振频点天线增益的微带结构阵列及使用
技术领域
本发明涉及一种能够增加不同谐振频点天线增益的微带结构阵列及使用。
背景技术
现代通信中，像卫星通信和雷达探测领域中，要求天线辐射波束主瓣朝某预定方向，且增益尽量高。为了实现这些高增益、高定向性天线，一般采用具有反射装置的结构，例如抛物面天线。与一般常规天线，例如未带天线或者喇叭天线相比，抛物面天线较为笨重，且设计加工复杂，这就要求对常规天线的辐射性能进行改进。例如在单个微带天线设计中，要提高天线的辐射增益，一般采用以下几种方法：背面增加反射器；加载寄生辐射贴片以增加等效口径；引入空气介质层；使用低介电常数的介质板；在天线上方放置特殊的覆盖层等。
在天线背面增加反射器，使后向辐射被反射回去，通过合理设置反射器到天线表面辐射贴片的距离，使反射回去的辐射与正向辐射相位相同，达到叠加增强正向辐射的目的。该方法一般要求反射板离表面辐射贴片距离大于4分之一波长。不利于天线的小型化。加载寄生辐射贴片的增加等效辐射口径的方法对天线增益改善效果不大，新的寄生贴片还会带来新的谐振，改变天线工作频段。引入空气介质层一般是指将天线辐射贴片通过绝缘柱固定在天线基板正前方并且辐射贴片和羁绊之间有一定的距离，基板和辐射贴片之间的空气被看成是天线基板的一部分，降低天线基板的等效介电常数，减小基板对电磁波的束缚能力，从而改善增益，但该方法会增加天线的厚度，不利于集成化。使用低介电常数的介质板的原理和增加空气介质层差不多，但是低介电常数会增加天线的波导波长，而增大天线尺寸。在天线上方放置特殊的覆盖层是通过在天线上方放置设计好的周期结构达到改善天线性能的目的，但这种方式的缺点是天线剖面增加比较大，且不可避免地增强天线的后向辐射。另外还可以利用在贴片天线上方加载均匀介质层的方法来提高天线性能。通过选用合适的覆层材料和控制材料厚度及材料和天线的距离等参数，可以提高天线性能。但是这种结构容易在天线表面激起较强的表面波，同时使得天线剖面增加，因此应用前景有限。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种具有在某些频段对入射电磁波表现出近零折射率的特性，能够在不显著增加天线剖面的情况下改善天线增益；将该阵列放置于工作在该阵列表现出零折射率频段的天线正前方，适当调节其与天线的距离，可以显著增强天线的正向辐射增益的能够增加不同谐振频点天线增益的微带结构阵列，并提供该阵列的使用。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：能够增加不同谐振频点天线增益的微带结构阵列，包括至少一个4单元阵列，每个4单元阵列包括4个嵌套谐振结构，4个嵌套谐振结构以中心对称的方式以相同间距排列；每个嵌套谐振结构由两个在同侧边上具有开口的正方形环状微带线嵌套构成，微带线的内、外环开口处均向环内部弯折，每两个横向的嵌套谐振结构的外环之间通过电感连接。
进一步地，所述微带结构阵列位于介质板表面，介质板底面无覆铜。
本发明的另一个目的是提供一种能够增加不同谐振频点天线增益的微带结构阵列使用，所述微带结构阵列放置于天线的正前方且与天线不接触。
本发明的有益效果是：
1、嵌套谐振环根据其谐振特性，可以在某些频段表现出介电常数或者磁导率为零，从而表现处近零折射率的材料特性；
2、4个谐振环单元以其开口端为参考，逆时针或者顺时针旋转组成中心对称的阵列，以确保该阵列结构对不同角度和极化方式入射的电磁波保持相同的电磁特性；
3、该阵列放置于工作频段位于该阵列出现近零折射率频段内的天线的正前方合适位置，可显著提高天线的正向辐射增益；
4、在横向方向上的每两个谐振外环之间连接电感。通过改变电感的值，可以改变该阵列表现出近零折射率特性的频段；
5、以4个中心对称的谐振单元为单元，等间距的排列成更大的阵列，以适用于大尺寸的天线。
附图说明
图1为本发明的4单元阵列结构示意图；
图2为本发明的多个4单元阵列组成的阵列单元示意图；
图3为本发明的阵列使用图；
图4为本发明的阵列的介电常数图；
图5为阵列谐振特性随加载电感值变化而变化的曲线图；
图6为阵列放置于天线前和未放置该阵列时的前向增益图。
具体实施方式
本发明提供一种微带结构单元组成的阵列，该微带结构阵列具有在某些频段对入射电磁波表现出近零折射率的特性。近零折射率因其具对电磁波具有汇聚的作用，理论上能有效压缩天线方向图，能够在不显著增加天线剖面的情况下改善天线增益。该微带结构单元由两个嵌套微带线组成嵌套谐振结构。四个中心对称的微带结构单元组成本发明微带阵列的一个单元。中心对称结构用来确保该阵列对任意角度入射的电磁波保持相同的谐振特性。将该阵列放置于工作在该阵列表现出零折射率频段的天线正前方，适当调节其与天线的距离，可以显著增强天线的正向辐射增益。另外，通过在微带结构单元之间加载电感，通过改变电感的值，可以改变结构谐振特性，从而改变其零折射率特性出现的频段。这一特性使得该结构可以用于不同频段的天线，提高其正向辐射增益。
下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。
任何材料的折射率都可以写成
Figure BDA0003369173720000031
其中εr和μr分别为材料的相对介电常数和相对磁导率。那么当εr和μr中的任何一个或者同时趋近于零时，该材料的折射率就会趋近于零，形成近零折射率或者零折射率材料。
电磁波在不同折射率材料界面上会发生折射和反射，根据Snell折射定律ni sinθi＝no sinθo，其中ni和no分别为入射介质和出射介质的折射率，θi和θo分别为入射角和折射角。那么：(1)当入射介质为空气且出射介质为近零折射率材料时，即ni＝1且no≈0，只有θi≈0，折射定律才能成立。也就是说，只有垂直入射的入射波才能够进入到近零折射率材料中。(2)当入射介质为近零折射率材料且出射介质为空气时，即即ni＝0且no≈1，对于任意的入射角θi都有θo≈0。这意味着放置于近零折射率材料中的波源将会辐射出垂直于零折射率材料表面的电磁波，并保持很好的方向性，这一现象称为零折射率材料的高指向性辐射效应。
那么当近零折射率材料位于天线表面时，就会发生上述两种情况，天线出来的电磁波只有正向辐射能量能够进入近零折射率材料内，再被垂直于近零折射率材料表面出射到空气中。另外天线辐射出来的电磁波进入介电常数接近于零的近零折射率材料表面，电场满足边界条件：Eair＝εrEENZ，因为εr≈0，所以EENZ＞＞Eair。因此近零折射率材料中的电场将被增强，从而增强天线正向辐射增益。
本发明提出的近零折射率材料单元由嵌套的方形微带线构成，具体结构如图1和图2所示。本发明的能够增加不同谐振频点天线增益的微带结构阵列，包括至少一个4单元阵列，每个4单元阵列包括4个嵌套谐振结构，4个嵌套谐振结构，以开口为参考，逆时针或者顺时针旋转，以中心对称的方式以相同间距排列；每个嵌套谐振结构由两个在同侧边上具有开口的正方形环状微带线嵌套构成，微带线的内、外环开口处均向环内部弯折，每两个横向的嵌套谐振结构的外环之间通过电感连接。
中心对称的排列方式将保证该阵列结构对不同角度和极化方式入射的电磁波保持相同的谐振特性，从而保持其折射率特性不变。在组成阵列的4个谐振环位于横向方向上的每两个谐振外环之间连接电感。改变电感的值，可以改变谐振环的谐振频点，从而改变该阵列表现出近零折射率特性的频段。将该阵列放置于工作频段位于该阵列出现近零折射率频段内的天线正前方，天线的前向增益会被显著增强。因为改变电感可以改变该阵列出现近零折射率特性的频段，所以该阵列可以用于不同工作频段的天线以增强它们的前向增益。
多个4单元阵列可以组合成更大的阵列单元，如图2所示。
进一步地，所述微带结构阵列位于介质板表面，介质板底面无覆铜。
如图3所示，本发明的能够增加不同谐振频点天线增益的微带结构阵列使用为：所述微带结构阵列放置于天线的正前方且与天线不接触。
在谐振结构前后布置发射和接收端口，获得端口之间的S参数，根据S参数可以获得其等效介电常数和从磁导率。设n为折射率，z为波阻抗，k表示波数。介电常数ε和磁导率μ可以利用折射率n和波阻抗z的关系来求得，其计算公式为：
ε＝n/z (1)
μ＝n·z (2)
而折射率n和波阻抗z可以通过端口之间的S参数获得：
Figure BDA0003369173720000041
Figure BDA0003369173720000042
将求得的折射率n、波阻抗z代入公式(1)和公式(2)中，就可以得到该结构的等效介电常数和等效磁导率。嵌套谐振环根据其谐振特性，通过调节电感可以调节端口之间的参数S，使得在某些频段表现出介电常数或者磁导率为零，从而表现处近零折射率的材料特性。图4是未加载电感的微带结构阵列的介电常数的实部和虚部，图5是加载不同电感的微带结构阵列特性变化图。
图6是天线表面加载和不加载本申请的微带结构阵列的前向辐射增益，从图中可以看出，加载本申请的微带结构阵列后，前向辐射增益具有明显增加。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.能够增加不同谐振频点天线增益的微带结构阵列，其特征在于，包括至少一个4单元阵列，每个4单元阵列包括4个嵌套谐振结构，4个嵌套谐振结构以中心对称的方式以相同间距排列；每个嵌套谐振结构由两个在同侧边上具有开口的正方形环状微带线嵌套构成，微带线的内、外环开口处均向环内部弯折，每两个横向的嵌套谐振结构的外环之间通过电感连接；
通过调节电感调节端口之间的参数S，使得在某些频段表现出等效介电常数或者等效磁导率为零，从而表现处近零折射率的材料特性；具体方法为：在谐振结构前后布置发射和接收端口，获得端口之间的S参数，根据S参数获得其等效介电常数和等效磁导率；
设n为折射率，z为波阻抗，k表示波数；等效介电常数ε和等效磁导率μ利用折射率n和波阻抗z的关系来求得，其计算公式为：
ε＝n/z (1)
μ＝n·z (2)
而折射率n和波阻抗z通过端口之间的S参数获得：
Figure FDA0003931199300000011
Figure FDA0003931199300000012
将求得的折射率n、波阻抗z代入公式(1)和公式(2)中，得到该结构的等效介电常数和等效磁导率，通过调节参数S，使得在某些频段表现出等效介电常数或者等效磁导率为零。
2.根据权利要求1所述的能够增加不同谐振频点天线增益的微带结构阵列，其特征在于，所述微带结构阵列位于介质板表面，介质板底面无覆铜。
3.如权利要求1或2所述的能够增加不同谐振频点天线增益的微带结构阵列使用，其特征在于，所述微带结构阵列放置于天线的正前方且与天线不接触。
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