CN114552211B - 一种加载ebg结构的高增益多波束周期阻抗调制表面天线 - Google Patents

一种加载ebg结构的高增益多波束周期阻抗调制表面天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种加载EBG结构的高增益多波束周期阻抗调制表面天线，属于天线技术领域。本发明所述天线通过选取适当的张量阻抗单元并且对整个阵面的阻抗单元尺寸进行整体改变实现对整个正面调制系数的优化，相比现有技术每个波束的增益提升1.2dB；通过在现有多波束周期阻抗调制表面天线的外围加载EBG结构，将没有辐射完的能量反射回阵面继续参与调制和辐射，有效提高天线的口径效率，该方法相比现有设计方法，在同等口径下增益提升3.3dB。通过上述两种方式，可以将多波束天线的每个波束的增益提升4.5dB，极大的提高了天线的口径效率。

Description

一种加载EBG结构的高增益多波束周期阻抗调制表面天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体涉及一种加载EBG(Electromagnetic Band Gap，电磁场带隙)结构的高增益多波束周期阻抗调制表面天线。
背景技术
天线作为无线通信系统的终端，在移动通信中发挥着极其重要的作用。在天线发射功率固定的情况下，天线的增益越高，电磁波传输的距离越远，信号的覆盖范围越广，因此国内外学者一直以来都在致力于对高增益天线的研究。多波束天线也是5G天线的重要应用领域，可以实现波束空间隔离与极化隔离，可使通讯卫星频率复用，从而增加卫星的通信容量，而且使发射信号的功率能量密度增加，减小地面接收终端的尺寸，大大降低成本，提高经济效益。
文献“Synthesis of Modulated-Metasurface Antennas With Amplitude，Phase，and Polarization Control，IEEE Transactions on Antennas and Propagation，vol.64，no.9，2016”结合平面光学的原理，克服了传统周期阻抗调制表面天线在中心单极子馈电情况下天线口径能量分布不均匀的问题，使得天线表面阻抗的调制系数幅度和相位随位置变化，弥补了天线馈源本身带来的能量不均匀分布的问题，极大提高了周期阻抗调制表面天线的口径效率。
现有技术“Multibeam by Metasurface Antennas，IEEE Transactions onAntennas and Propagation，vol.65，no.6，2017”公开的技术方案中，通过对周期阻抗调制表面天线的多个波束对应的表面阻抗取平均值的共口径方法设计了四个关于中心对称的多波束天线，并给出了它相比于物理分区的共口径方式的优势，但该天线的增益不高。
现有技术“Efficiency of Metasurface Antennas，IEEE Transactions onAntennas and Propagation，vol.65，no.6，2017”分析了中心馈电情况下周期阻抗调制表面天线的能量效率问题，当周期阻抗调制表面天线的口径较小时，单极子在阵面上激励起的能量会在阵面边缘进行散射和反射，而散射的能量一般会产生不需要的辐射使天线性能恶化，但该现有技术并未给出如何处理阵面边缘没有辐射完能量的问题。
发明名称为“一种高口径效率笔形波束的水平极化全息天线(CN108539393B，2020，2020.02.07)”的专利申请所述技术方案中，在传统全息超表面天线的基础上，将圆形天线阵面分成四个扇区，其中水平方向两个扇区对应主模为TM模的漏波天线，垂直方向两个扇区对应主模为TE模的漏波天线，最终得到高口径效率且E面和H面比较对称的笔状高增益天线，由于要激励起来TE模，该设计方法中用到的阻抗单元没有金属地，因此存在与前向辐射等增益的后向辐射。
发明名称为“基于全息调制的人工张量阻抗表面天线及其实现方法(CN104733850，2017，2017.10.10)”的专利申请公开的技术方案中，利用等效表面阻抗曲线拟合法设计了一款高增益高交叉极化圆极化天线，利用该方法可以极大的简化张量阻抗调制天线的设计方法，该设计方法中用到的张量阻抗单元为切槽方形金属贴片，无法较好实现对整个阵面单元的整体优化。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的缺陷，提供一种加载EBG结构的高增益多波束周期阻抗调制表面天线。
本发明所提出的技术问题是这样解决的：
一种加载EBG结构的高增益多波束周期阻抗调制表面天线，包括张量阻抗表面1、介质基板2、单极子馈源3、金属接地板4和EBG结构5；
介质基板2的形状是圆形，半径为天线中心频率对应的自由空间波长的5.5倍，沿相互垂直的两个径向方向被划分为均匀分布的方形晶格；
张量阻抗表面1位于介质基板2的上表面，由切角矩形贴片单元周期排列而成；切角矩形贴片单元被限制在第一晶格内，第一晶格所处位置与圆心之间的距离不超过天线中心频率对应的自由空间波长的5倍；位于圆心位置处的5x5切角矩形贴片单元被去除；张量阻抗表面不同位置处的切角矩形贴片单元的尺寸和旋转角不同；
单极子馈源3为同轴线，同轴线外导体与金属接地板3相连，内导体和空气介质穿过金属接地板4和介质基板2，向张量阻抗表面1的上半部空间延伸；
金属接地板4位于介质基板2的下表面，形状为圆形，半径与介质基板2相同；
EBG结构5由均匀排列的正方形金属贴片7和长方体金属柱8构成，正方形金属贴片7和长方体金属柱8被限制在第二晶格内，第二晶格所处位置与圆心之间的距离不超过天线中心频率对应的自由空间波长的5.4倍；正方形金属贴片7位于介质基板2的上表面，长方体金属柱8穿过介质基板2分别连接正方形金属贴片7的中心位置和金属接地板4。
进一步的，切角矩形贴片单元在不同位置的宽度、高度和沿纵轴逆时针旋转角不同，具体确定方法为：
步骤1.在电磁仿真软件中对阻抗单元进行建模，包括一个切角矩形贴片单元和一个晶格的介质基板和金属接地板，设置周期性边界条件，以切角单元贴片的宽度、高度和沿纵轴逆时针旋转角为变量进行参数扫描得到贴片尺寸和张量阻抗分布之间的对应关系，并将其作为数据库保存备用；
步骤2.分别给定不同的期望目标场，计算各自对应的周期阻抗表面的阻抗分布，取两者的平均值作为最终阻抗分布；
步骤3.将步骤2中得到的最终阻抗分布与步骤1得到的数据库进行比对，得到对应于最终阻抗分布对应的宽度、高度和旋转角；
步骤4.设定比例系数，比例系数小于1；计算宽度和高度的比值，将比值与比例系数相乘，作为新的比值，利用新的比值和原宽度值，计算新的高度值，将原宽度值、新的高度值和旋转角作为最终建模尺寸。
进一步的，晶格边长为天线中心频率对应的自由空间波长的1/10。
进一步的，单极子馈源3的内导体向张量阻抗表面1的上半部空间延伸天线中心频率对应的自由空间波长的1/4。
进一步的，比例系数＝0.95。
本发明的有益效果是：
本发明所述天线在现有共口径双波束周期阻抗调制表面天线的基础上，选取新型的阻抗单元，通过给整个阵面的阻抗单元中尺寸参数的比值乘上一个小于1的比例系数，弥补了现有多波束共口径周期阻抗调制表面天线阻抗取平均值后带来的调制系数较低的问题，从而提升天线增益。
本发明所述天线在现有共口径双波束周期阻抗调制表面的基础上，采用圆形阵面，并在圆形正面的外围增加EBG结构，将原来延径向传播且没有辐射完的能量完全延径向反射回阵面继续参与辐射，其效果相当于增加了天线的有效口径，提高了口径效率，从而提高天线增益。
本发明所述天线将以上两种方法结合，使得在同样口径大小下，双波束天线的每个波束增益相比于现有技术增益分别提高4.5dB。
附图说明
图1为本发明所述天线的整体结构俯视图和侧视图；
图2为本发明所述天线的分解结构示意图；
图3为本发明所述天线中张量阻抗表面及构成单元结构示意图；
图4为本发明所述天线中EBG结构及构成单元结构示意图；
图5为本发明所述天线在15GHz的XOZ面的极坐标增益方向图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明。
本实施例提供一种加载EBG结构的高增益多波束周期阻抗调制表面天线，其整体结构的俯视图和侧视图如图1所示，分解结构示意图如图2所示，包括张量阻抗表面1、介质基板2、单极子馈源3、金属接地板4和EBG结构5。
张量阻抗表面1和EBG结构5构成EBG加载周期阻抗调制表面，整体阵面为圆形，半径为中心频率15GHz对应的自由空间波长的5.5倍，EBG加载周期阻抗调制表面由均匀分布的晶格构成，每个晶格的边长为中心频率15GHz对应的自由空间波长的1/10，张量阻抗表面的单元和EBG结构的单元被限制在晶格内。介质基板2的厚度h＝1.27mm，相对介电常数为10.2，金属接地板4的形状和半径与介质基板2一致。
张量阻抗表面1及构成单元结构示意图如图3所示，位于介质基板2的上表面，由切角矩形贴片单元周期排列而成；切角矩形贴片单元被限制在第一晶格内，第一晶格所处位置与圆心之间的距离不超过天线中心频率对应的自由空间波长的5倍。位于圆心位置处的5x5切角矩形贴片被去除。
单极子馈源3为同轴线，同轴线外导体与金属接地板3相连，内导体和空气介质穿过金属接地板4和介质基板2，向张量阻抗表面1的上半部空间延伸天线中心频率对应的自由空间波长的1/4。
EBG结构及构成单元结构示意图如图4所示。EBG结构由均匀排列的正方形金属贴片7和长方体金属柱8和构成。正方形金属贴片7和长方体金属柱8被限制在第二晶格内，第二晶格所处位置与圆心之间的距离不超过天线中心频率对应的自由空间波长的5.4倍。正方形金属贴片7位于介质基板2的上表面，长方体金属柱8穿过介质基板2分别连接正方形金属贴片7的中心位置和金属接地板4。EBG结构的每个单元尺寸相同，正方形金属贴片尺寸为1.2mm*1.2mm，金属柱尺寸为0.6mm*0.6mm*1.27mm。
金属接地板4位于介质基板2的下表面，介质基板和金属接地板为尺寸相同的圆形，EBG结构和张量阻抗表面排列而成的整体阵面形状呈圆形。
张量阻抗表面不同位置处的金属贴片单元的尺寸(a、b)和旋转角(θ)不同。
切角矩形贴片单元1在不同位置的宽度a、高度b和沿纵轴逆时针旋转角θ不同，具体确定方法为：
步骤1.在电磁仿真软件中对阻抗单元进行建模，阻抗单元的结构示意图如图3所示，包括一个切角矩形贴片单元和一个晶格的介质基板和金属接地板，设置周期性边界条件，以切角单元贴片1的宽度a、高度b和沿纵轴逆时针旋转角θ为变量进行参数扫描得到贴片尺寸和张量阻抗分布之间的对应关系，并将其作为数据库保存备用；
步骤2.分别给定不同的期望目标场，计算各自对应的周期阻抗表面的阻抗分布，取两者的平均值作为最终阻抗分布；
步骤2中，给定期望目标场计算对应的周期阻抗表面的阻抗分布的具体过程为：
步骤2-1.给定期望的目标场EA：
Figure BDA0003531694810000051
其中，E0表示目标场的幅度，
Figure BDA0003531694810000052
表示目标场的相位因子，其中，
Figure BDA0003531694810000053
ρ表示半径，
Figure BDA0003531694810000054
表示方位角，
Figure BDA0003531694810000055
和
Figure BDA0003531694810000056
分别表示直角坐标系下横纵坐标的单位向量，eρ(ρ)和γρ(ρ)分别表示单位极化向量半径方向的幅度和相位，
Figure BDA0003531694810000057
表示半径方向单位极坐标，
Figure BDA0003531694810000058
和
Figure BDA0003531694810000059
分别表示单位极化向量半方位角方向的幅度和相位，
Figure BDA00035316948100000510
表示方位角方向单位极坐标，i为虚部符号；
步骤2-2.给定表面阻抗的相位因子Ks(ρ)、调制系数m、半径方向的平均阻抗
Figure BDA00035316948100000511
和方位角方向的平均阻抗
Figure BDA00035316948100000512
的初始值，令当前迭代次数＝1；
步骤2-3.根据下式反解初始的表面波场的传播常数βsW：
Figure BDA00035316948100000513
其中，ζ表示自由空间波阻抗，k表示自由空间传播常数，εr表示介质基板的相对介电常数，h表示介质基板的厚度。
步骤2-4.计算当前迭代次数的周期阻抗表面的阻抗分布：
Figure BDA00035316948100000514
Figure BDA00035316948100000515
Figure BDA00035316948100000516
Figure BDA00035316948100000517
Figure BDA00035316948100000518
其中，Xρρ为半径方向阻抗分量，
Figure BDA00035316948100000519
为半径方向和方位角方向的耦合阻抗分量，
Figure BDA00035316948100000520
为方位角方向阻抗分量；mρ(ρ)为半径方向调制系数模值，φρ(ρ)为半径方向调制系数相位，
Figure BDA00035316948100000521
为方位角方向调制系数模值，
Figure BDA00035316948100000522
为方位角方向调制系数相位；
步骤2-5.令更新后的
Figure BDA00035316948100000523
令更新后的
Figure BDA0003531694810000061
反解下式更新表面波场的传播常数：
Figure BDA0003531694810000062
更新表面阻抗的相位因子：
Figure BDA0003531694810000063
其中，βΔ(ρ)为更新后与更新前的表面波场的传播常数差值；
步骤2-6.更新调制系数：
Figure BDA0003531694810000064
Figure BDA0003531694810000065
Figure BDA0003531694810000066
Figure BDA0003531694810000067
Figure BDA0003531694810000068
Figure BDA0003531694810000069
Figure BDA00035316948100000610
X＝X(0)+X(+1)+X(-1)
Figure BDA00035316948100000611
Figure BDA00035316948100000612
Figure BDA00035316948100000616
其中，j0为激励场的幅度，
Figure BDA00035316948100000613
为第二类一阶贝塞尔函数；
Figure BDA00035316948100000614
和
Figure BDA00035316948100000615
分别为零阶和负一阶的接地介质阻抗。
步骤2-7.判断是否满足截止条件，若是，则利用更新后的表面阻抗的相位因子Ks(ρ)、调制系数m、半径方向的平均阻抗
Figure BDA0003531694810000071
和方位角方向的平均阻抗
Figure BDA0003531694810000072
计算对应的周期阻抗表面的阻抗分布；否则，令当前迭代次数+1，返回执行步骤2-4。
截止条件为当前迭代次数达到设定的最大迭代次数，或者更新后的调制系数与上一迭代次数对应的调制系数的差值小于设定阈值。
步骤3.将步骤2中得到的最终阻抗分布与步骤1得到的数据库进行比对，得到对应于最终阻抗分布对应的宽度、高度和旋转角；
步骤4.计算宽度和高度的比值，将比值与比例系数相乘，作为新的比值，利用新的比值和原宽度值计算新的高度值，将原宽度值、新的高度值和旋转角作为最终建模尺寸。
本实施例中，取比例系数K为0.95。
图5为XOZ面沿方位角方向极化的双波束天线增益方向图，从图中可知，现有方法(不加载EBG结构且比例系数为1)的最大增益为19.7dB，在现有方法的基础上将比例系数改为0.95，得到的最大增益为20.9dB，进而加载EBG结构得到的最大增益为24.2dB，相比不加载EBG结构增益提升了3.3dB，相比传统方法提升了4.5dB。
本发明中设计两个角度关于Y0Z面对称(±30°)的原因是因为EBG结构反射回来的波经过+30°所对应的阻抗分布时会产生-30°的辐射，刚好能增强原有的-30°的辐射，同理，EBG结构反射回来的波经过-30°所对应的阻抗分布时会产生+30°的辐射，刚好能增强原有的+30°的辐射，因此反射回来的波产生的辐射会对原有双波束的增益进行增强。

Claims (5)

1.一种加载EBG结构的高增益多波束周期阻抗调制表面天线，其特征在于，包括张量阻抗表面(1)、介质基板(2)、单极子馈源(3)、金属接地板(4)和EBG结构(5)；
介质基板(2)的形状是圆形，半径为天线中心频率对应的自由空间波长的5.5倍，沿相互垂直的两个径向方向被划分为均匀分布的方形晶格；
张量阻抗表面(1)位于介质基板(2)的上表面，由切角矩形贴片单元周期排列而成；切角矩形贴片单元被限制在第一晶格内，第一晶格所处位置与圆心之间的距离不超过天线中心频率对应的自由空间波长的5倍；位于圆心位置处的5x5切角矩形贴片单元被去除；张量阻抗表面不同位置处的切角矩形贴片单元的尺寸和旋转角不同；
单极子馈源(3)为同轴线，同轴线外导体与金属接地板(4)相连，内导体和空气介质穿过金属接地板(4)和介质基板(2)，向张量阻抗表面(1)的上半部空间延伸；
金属接地板(4)位于介质基板(2)的下表面，形状为圆形，半径与介质基板(2)相同；
EBG结构(5)由均匀排列的正方形金属贴片(7)和长方体金属柱(8)构成，正方形金属贴片(7)和长方体金属柱(8)被限制在第二晶格内，第二晶格所处位置与圆心之间的距离不超过天线中心频率对应的自由空间波长的5.4倍；正方形金属贴片(7)位于介质基板(2)的上表面，长方体金属柱(8)穿过介质基板(2)分别连接正方形金属贴片(7)的中心位置和金属接地板(4)。
2.根据权利要求1所述的加载EBG结构的高增益多波束周期阻抗调制表面天线，其特征在于，切角矩形贴片单元在不同位置的宽度、高度和沿纵轴逆时针旋转角不同，具体确定方法为：
步骤1.在电磁仿真软件中对阻抗单元进行建模，包括一个切角矩形贴片单元和一个晶格的介质基板和金属接地板，设置周期性边界条件，以切角单元贴片的宽度、高度和沿纵轴逆时针旋转角为变量进行参数扫描得到贴片尺寸和张量阻抗分布之间的对应关系，并将其作为数据库保存备用；
步骤2.分别给定不同的期望目标场，计算各自对应的周期阻抗表面的阻抗分布，取两者的平均值作为最终阻抗分布；
步骤3.将步骤2中得到的最终阻抗分布与步骤1得到的数据库进行比对，得到对应于最终阻抗分布对应的宽度、高度和旋转角；
步骤4.设定比例系数，比例系数小于1；计算宽度和高度的比值，将比值与比例系数相乘，作为新的比值，利用新的比值和原宽度值，计算新的高度值，将原宽度值、新的高度值和旋转角作为最终建模尺寸。
3.根据权利要求1所述的加载EBG结构的高增益多波束周期阻抗调制表面天线，其特征在于，晶格边长为天线中心频率对应的自由空间波长的1/10。
4.根据权利要求1所述的加载EBG结构的高增益多波束周期阻抗调制表面天线，其特征在于，单极子馈源(3)的内导体向张量阻抗表面(1)的上半部空间延伸天线中心频率对应的自由空间波长的1/4。
5.根据权利要求2所述的加载EBG结构的高增益多波束周期阻抗调制表面天线，其特征在于，比例系数＝0.95。
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