CN114069232A - 一种基于超表面加载的高增益可重构天线 - Google Patents

一种基于超表面加载的高增益可重构天线 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种基于超表面加载的高增益可重构天线,包括相对设置的超表面、波导馈源天线,超表面与波导馈源天线之间形成谐振腔,超表面与波导馈源天线之间的距离可调且波导馈源天线可相对于超表面做轴向转动运动。本发明通过调节超表面与波导馈源天线之间的距离,从而调节谐振腔的高度,可以实现天线频率和增益的调节,即实现频率重构和增益调节;通过转动波导馈源天线,可以实现波导馈源天线与超表面之间相对角度的改变,从而改变空间电场矢量方向,实现天线极化方式在线极化、左旋圆极化和右旋圆极化之间的极化重构。

Description

一种基于超表面加载的高增益可重构天线
技术领域
本发明涉及一种可重构天线,尤其涉及一种基于超表面加载的高增益可重构天线。
背景技术
天线的作用是用来接收或者发射电磁波来远距离的传递信息,因此天线性能的好坏对通信中信息的传递的准确度起到了重要的影响。基于人门对信息传递的要求越来越高,对天线的研究也不断的发展和改进,目前天线的研究正向着体积小,频带宽,功能更加全面,更加适应各种复杂的地理地形环境。
由于天线在实际工作中会遇到各种各样的问题,所以很多时候天线的性能要随需要进行变换,因此提出了可重构天线的设想,可重构天线根据它的功能可分为频率可重构、极化可重构、方向图可重构、增益重构。一般可重构天线通过改变天线结构,例如改变天线的高度,大小,旋转天线某些部位或者添加一些控制器件如开关电路的通断电控制,总之都是使天线电性能进行了改变,从而得到我们想要的工作频率、极化方式、辐射的方向等性能
发明内容
基于背景技术中存在的技术问题,本发明提出了一种基于超表面加载的高增益可重构天线。
本发明提出的一种基于超表面加载的高增益可重构天线,包括相对设置的超表面、波导馈源天线,超表面与波导馈源天线之间形成谐振腔,超表面与波导馈源天线之间的距离可调且波导馈源天线可相对于超表面做轴向转动运动。
优选的,超表面包括微带板材,微带板材表面排列有多个金属贴片。
优选的,处于微带板材中心位置的金属贴片尺寸大于处于微带板材外圈位置的金属贴片尺寸。
优选的,微带板材采用单面覆铜高频电路板,其形状为圆形或方形。
优选的,微带板材表面的多个金属贴片呈轴向非对称且非均匀排列,金属贴片的形状为线条形、矩形、菱形、切角的正方形、三角形中的其中一种或多种组合。
优选的,波导馈源天线包括金属波导结构,金属波导结构靠近超表面一侧连接有顶部加载金属面板,金属波导结构上设置有波导馈源的馈电端口。
优选的,还包括方向控件,方向控件用于驱动波导馈源天线旋转;优选的,方向控件包括驱动齿轮,顶部加载金属面板外周套装有与驱动齿轮啮合的转动齿轮。
优选的,还包括高度控件,高度控件用于驱动波导馈源天线沿轴向靠近或远离超表面。
优选的,金属波导结构采用矩形波导,其波导口采用矩形或喇叭形。
优选的,顶部加载金属面板的形状与超表面的形状相同,且顶部加载金属面板的面积大于或等于超表面的面积。
本发明提出的一种基于超表面加载的高增益可重构天线,通过调节超表面与波导馈源天线之间的距离,从而调节谐振腔的高度,可以实现天线频率和增益的调节,即实现频率重构和增益调节;通过转动波导馈源天线,可以实现波导馈源天线与超表面之间相对角度的改变,从而改变空间电场矢量方向,实现天线极化方式在线极化、左旋圆极化和右旋圆极化之间的极化重构。
与现有技术方案中通过旋转超表面来实现天线极化重构的设计相比,本发明采用控制馈源天线的方式具有显著优势,既天线实际应用中,超表面不需要转动,可以与天线载体共形设计并安装在载体表面;以机载、舰载天线为例,超表面可共形设计与机体的表面,馈源设置于机体内部,通过内部控制实现天线的频率、极化、增益等的可重构。
本发明提出的一种基于超表面加载的高增益可重构天线,波导馈源天线具有高增益宽频带特性,波导馈源天线作为一个线性极化辐射信号源能提供大约8-11dB的信号增益和超过50%的相对带宽;本发明的超表面,采用轴向非对称的金属贴片结构,当波导馈源天线与其形成一定偏转角度时,天线的辐射波极化方式将变为圆极化,根据偏转角度的控制还可以实现左旋圆极化和右旋圆极化;采用非均匀排列方式,能够进一步增加天线的工作带宽和3dB轴比带宽;本发明的谐振腔,可以通过高度控件实现谐振腔高度的调节,改变谐振腔高度后,谐振频率发生变化,天线的工作频率和增益也随之改变,从而实现天线工作频率的重构和增益的调节;整个天线单元主要是由超表面、波导馈源天线和谐振腔组成,超表面使用高频电路板制作加工,顶端加载的波导波导馈源天线可以在波导顶部设计加载一个金属板实现,整个天线加工方便易于实现。
附图说明
图1为本发明提出的一种基于超表面加载的高增益可重构天线的结构示意图;
图2为本发明提出的一种基于超表面加载的高增益可重构天线中超表面的俯视图;
图3为本发明提出的一种基于超表面加载的高增益可重构天线中波导馈源天线的结构示意图;
图4为本发明提出的一种基于超表面加载的高增益可重构天线中波导馈源天线的俯视图;
图5为本发明提出的一种基于超表面加载的高增益可重构天线在谐振腔高度H为14.5毫米,超表面与波导溃源天线相对角度α为0度、45度、90度、135度时的回波损耗S11曲线图;
图6为本发明提出的一种基于超表面加载的高增益可重构天线在谐振腔高度H为14.5毫米,超表面与波导溃源天线相对角度α为0度、45度、90度、135度时的轴比曲线图;
图7为本发明提出的一种基于超表面加载的高增益可重构天线在谐振腔高度H为14.5毫米,超表面与波导溃源天线相对角度α为0度、45度、90度、135度时的增益曲线图;
图8为本发明提出的一种基于超表面加载的高增益可重构天线在谐振腔高度H为14.5毫米,超表面与波导溃源天线相对角度α为0度时的辐射方向图;
图9为本发明提出的一种基于超表面加载的高增益可重构天线在谐振腔高度H为14.5毫米,超表面与波导溃源天线相对角度α为45度时的辐射方向图;
图10为本发明提出的一种基于超表面加载的高增益可重构天线在谐振腔高度H为14.5毫米,超表面与波导溃源天线相对角度α为90度时的辐射方向图;
图11为本发明提出的一种基于超表面加载的高增益可重构天线在谐振腔高度H为14.5毫米,超表面与波导溃源天线相对角度α为135度时的辐射方向图;
图12为本发明提出的一种基于超表面加载的高增益可重构天线在谐振腔高度H为16.1毫米,超表面与波导溃源天线相对角度α为0度、45度、90度、135度时的回波损耗S11曲线图;
图13为本发明提出的一种基于超表面加载的高增益可重构天线在谐振腔高度H为16.1毫米,超表面与波导溃源天线相对角度α为0度、45度、90度、135度时的轴比曲线图;
图14为本发明提出的一种基于超表面加载的高增益可重构天线在谐振腔高度H为16.1毫米,超表面与波导溃源天线相对角度α为0度、45度、90度、135度时的增益曲线图;
图15为本发明提出的一种基于超表面加载的高增益可重构天线在谐振腔高度H为16.1毫米,超表面与波导溃源天线相对角度α为0度时的辐射方向图;
图16为本发明提出的一种基于超表面加载的高增益可重构天线在谐振腔高度H为16.1毫米,超表面与波导溃源天线相对角度α为45度时的辐射方向图;
图17为本发明提出的一种基于超表面加载的高增益可重构天线在谐振腔高度H为16.1毫米,超表面与波导溃源天线相对角度α为90度时的辐射方向图;
图18为本发明提出的一种基于超表面加载的高增益可重构天线在谐振腔高度H为16.1毫米,超表面与波导溃源天线相对角度α为135度时的辐射方向图。
具体实施方式
参照图1,本发明提出一种基于超表面加载的高增益可重构天线,包括相对设置的超表面、波导馈源天线,超表面与波导馈源天线之间形成谐振腔,谐振腔利用信号的反射增加信号辐射效率,提高天线辐射增益。超表面与波导馈源天线之间的距离可调且波导馈源天线可相对于超表面做轴向转动运动。
本实施例中,如图2所示,超表面包括微带板材1,微带板材1表面轴向非对称且非均匀排列有多个金属贴片2,处于微带板材1中心位置的金属贴片2尺寸大于处于微带板材1外圈位置的金属贴片2尺寸。微带板材1采用单面覆铜高频电路板,其形状为圆形,金属贴片2采用矩形加等腰直角三角形的结构。
本实施例中,参见图3、4,波导馈源天线包括金属波导结构3,金属波导结构3靠近超表面一侧连接有圆形的顶部加载金属面板4,为实现天线的宽频带和高增益提供良好的激励源,金属波导结构3上设置有波导馈源的馈电端口5。
具体地,金属波导结构3采用矩形波导,其波导口8采用矩形。顶部加载金属面板4的形状与微带板材的形状相同,均为圆形且同轴,且顶部加载金属面板4的半径等于微带板材的半径。
参见图1、2,本发明所述谐振腔的高度为H,非均匀轴向非对称金属贴片和波导馈源天线之间的相对角度为α;通过调节超表面与波导馈源天线之间的距离,从而调节谐振腔的高度H可以实现天线频率和增益的调节;通过转动波导馈源天线,设定相对角度α为0度、45度、90度和135度,可以将天线的极化方式调整为水平极化、左旋圆极化、垂直极化和右旋圆极化。
进一步的,还包括方向控件,方向控件用于驱动波导馈源天线旋转。具体地,方向控件可为驱动齿轮6,顶部加载金属面板4外周套装有与驱动齿轮6啮合的转动齿轮7。通过转动驱动齿轮6,驱动齿轮6带动转动齿轮7转动,从而带动波导馈源天线转动,可以实现波导馈源天线与超表面之间相对角度的改变,从而改变空间电场矢量方向,实现天线极化方式在线极化、左旋圆极化和右旋圆极化之间的重构。
进一步的,还包括高度控件,高度控件用于驱动波导馈源天线沿轴向靠近或远离超表面,从而调节波导馈源天线与超表面之间的距离,从而调节谐振腔的高度,将谐振腔的高度调节到工作频率能够增加天线的增益和方向性,因此,通过谐振腔高度的控制可以实现天线工作频率的重构和增益的调节。在具体使用时,高度控件可以通过多种方式实现,比如采用螺杆,将驱动齿轮、波导馈源天线安装在同一部件上,通过螺杆与该部件的螺纹配合,实现波导馈源天线的移动。
基于本发明,利用天线设计与制作工艺完成了宽频带高增益可重构天线,设计结果参加图5-18所示。图5为谐振腔高度为14.5mm,相对角度α分别为0度、45度、90度和135度时,天线的回波损耗S11。图6为谐振腔高度为14.5mm,相对角度α分别为0度、45度、90度和135度时,天线的轴比。图7为谐振腔高度为14.5mm,相对角度α分别为0度、45度、90度和135度时,天线的增益。图8为谐振腔高度为14.5mm,相对角度α分别为0度时,天线的辐射方向图。图9为谐振腔高度为14.5mm,相对角度α分别为45度时,天线的辐射方向图。图10为谐振腔高度为14.5mm,相对角度α分别为90度度时,天线的辐射方向图。
图11为谐振腔高度为14.5mm,相对角度α分别为135度时,天线的辐射方向图。
图12为谐振腔高度为16.1mm,相对角度α分别为0度、45度、90度和135度时,天线的回波损耗S11。图13为谐振腔高度为16.1mm,相对角度α分别为0度、45度、90度和135度时,天线的轴比。图14为谐振腔高度为16.1mm,相对角度α分别为0度、45度、90度和135度时,天线的增益。图15为谐振腔高度为16.1mm,相对角度α分别为0度时,天线的辐射方向图。图16为谐振腔高度为16.1mm,相对角度α分别为45度时,天线的辐射方向图。图17为谐振腔高度为16.1mm,相对角度α分别为90度时,天线的辐射方向图。图18为谐振腔高度为16.1mm,相对角度α分别为135度时,天线的辐射方向图。
通过以上设计结果表明,本发明天线的工作带宽在4GHz以上,最大增益超过17dB。通过调整相对角度α分别为0度、45度、90度和135度时,本发明天线的极化方式分别为水平极化、左旋圆极化、垂直极化和右旋圆极化,且圆极化工作带宽超过2.5GHz。通过调整谐振腔的高度H从14.5mm到16.1mm时,天线的工作频率也同时向低频部分转移,增益也发生改变,圆极化工作频率整体下移接近1GHz,实现了天线的频率重构和增益调节。
本发明具有工作频带宽、增益高、极化可重构、频率可重构和增益可调节等多项功能,大大提高了现有天线的性能,适用于无线通信、电子对抗、雷达、导航等领域的高性能天线,对提高相关系统的整体性能指标具有重要意义,具有较广阔的应用前景。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变,都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于超表面加载的高增益可重构天线,其特征在于,包括相对设置的超表面、波导馈源天线,超表面与波导馈源天线之间形成谐振腔,超表面与波导馈源天线之间的距离可调且波导馈源天线可相对于超表面做轴向转动运动。
2.根据权利要求1所述的基于超表面加载的高增益可重构天线,其特征在于,超表面包括微带板材(1),微带板材(1)表面排列有多个金属贴片(2)。
3.根据权利要求2所述的基于超表面加载的高增益可重构天线,其特征在于,处于微带板材(1)中心位置的金属贴片(2)尺寸大于处于微带板材(1)外圈位置的金属贴片(2)尺寸。
4.根据权利要求2所述的基于超表面加载的高增益可重构天线,其特征在于,微带板材(1)采用单面覆铜高频电路板,其形状为圆形或方形。
5.根据权利要求2所述的基于超表面加载的高增益可重构天线,其特征在于,微带板材(1)表面的多个金属贴片(2)呈轴向非对称且非均匀排列,金属贴片(2)的形状为线条形、矩形、菱形、切角的正方形、三角形中的其中一种或多种组合。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的基于超表面加载的高增益可重构天线,其特征在于,波导馈源天线包括金属波导结构(3),金属波导结构(3)靠近超表面一侧连接有顶部加载金属面板(4),金属波导结构(3)上设置有波导馈源的馈电端口(5)。
7.根据权利要求6所述的基于超表面加载的高增益可重构天线,其特征在于,还包括方向控件,方向控件用于驱动波导馈源天线旋转;优选的,方向控件包括驱动齿轮(6),顶部加载金属面板(4)外周套装有与驱动齿轮(6)啮合的转动齿轮(7)。
8.根据权利要求6所述的基于超表面加载的高增益可重构天线,其特征在于,还包括高度控件,高度控件用于驱动波导馈源天线沿轴向靠近或远离超表面。
9.根据权利要求6所述的基于超表面加载的高增益可重构天线,其特征在于,金属波导结构(3)采用矩形波导,其波导口(8)采用矩形或喇叭形。
10.根据权利要求6所述的基于超表面加载的高增益可重构天线,其特征在于,顶部加载金属面板(4)的形状与超表面的形状相同,且顶部加载金属面板(4)的面积大于或等于超表面的面积。
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