CN114639961A - 加载FSS的宽带Fabry-Perot谐振腔天线 - Google Patents

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李荣浩
王毅
黄佳慧
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    • H01Q15/0013—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices said selective devices working as frequency-selective reflecting surfaces, e.g. FSS, dichroic plates, surfaces being partly transmissive and reflective

Abstract

本发明公开了一种加载FSS的宽带Fabry‑Perot谐振腔天线，该谐振腔天线由上下两层板构成，下层板的上表面贴有宽带U形槽结构的贴片天线，下表面是金属地板。上层板包含了两层PRS，每层PRS上下表面分别加载不同FSS结构。上层PRS介质板上表面放置金属圆形贴片，下表面放置金属方环；下层PRS介质板上表面放置金属方形贴片，下表面放置金属方环。该宽带Fabry‑Perot谐振腔天线工作状态良好且在8.9GHz‑9.9GHz频点处提高贴片天线的增益，尤其是在9.2GHz处使得贴片天线的增益得到8.2dB的大幅度提升，突破了传统FP天线带宽的设计难题。

Description

加载FSS的宽带Fabry-Perot谐振腔天线
技术领域
本发明属于电磁场与微波技术领域，具体涉及一种加载FSS的宽带Fabry-Perot谐振腔天线。
背景技术
Fabry-Perot谐振腔天线一般是上下两层平行结构，下层介质板的上表面放置一个馈源天线，下表面是金属地板，上层为部分反射层(Partially Reflective Surface,PRS)，上下两层结构形成一个Fabry-Perot谐振腔结构，此结构无需复杂的馈电网络就可以提升天线增益。当腔体达到某种谐振条件时，下表面辐射器发射的电磁波透射过上层PRS结构之后可实现同相叠加，以此提升天线的增益并锐化其波束宽度。但是传统的Fabry-Perot谐振腔天线带宽普遍较低。
随着宽带技术的不断发展，一个FSS单元之中已可以实现同时部分反射和相位补偿，通过这种方式能够达到扩展Fabry-Perot谐振腔天线带宽的目的。考虑到当前的电磁环境日益复杂，研究加载FSS的宽带Fabry-Perot谐振腔天线具有重要的理论和工程意义。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种加载FSS的宽带Fabry-Perot谐振腔天线，能有效解决传统的Fabry-Perot谐振腔天线工作频段较窄的现状。为实现谐振腔天线多功能宽带化提供重要的技术支持，具有重要的价值。
为了实现上述目的，本发明提供了一种加载FSS的宽带Fabry-Perot谐振腔天线，其特征在于，这种谐振腔天线是由上下两层板构成，下层板的上表面贴有宽带U形槽结构的贴片天线，下表面是金属地板，上层板包含了两层PRS，每层PRS上下表面分别加载不同FSS结构。贴片天线的工作频点在10.0GHz，工作频带为9.5GHz～10.5GHz。上层PRS介质板上表面放置金属圆形贴片，下表面放置金属方环；下层PRS介质板上表面放置金属方形贴片，下表面放置金属方环。
本发明的加载FSS的宽带Fabry-Perot谐振腔天线采用了宽带U形槽结构贴片天线，与一般方形贴片天线相比，实现了谐振腔天线宽频工作并实现了更高的天线辐射增益。
本发明的加载FSS的宽带Fabry-Perot谐振腔天线采用了双层FSS作为PRS的单元结构，通过对谐振腔不同频率相位补偿的设计方法，实现了该更宽天线工作带宽。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1.采用了宽带U形槽结构的贴片天线，与一般窄带谐振腔天线相比，实现了谐振腔天线宽频带的工作。
2.采用了加载了双层FSS结构，该FSS结构设计简单能够实现在天线工作频带内的相位补偿，实现了谐振腔天线宽频带的工作。
附图说明
图1是加载FSS的宽带Fabry-Perot谐振腔天线的结构侧视图
图2(a)(b)是加载FSS的宽带Fabry-Perot谐振腔天线的上层板中下层FSS单元结构示意图
图3(a)(b)是加载FSS的宽带Fabry-Perot谐振腔天线的上层板中上层FSS单元结构示意图
图4(a)(b)是加载FSS的宽带Fabry-Perot谐振腔天线的下层板贴片天线结构示意图
图5(a)-(c)是加载FSS的宽带Fabry-Perot谐振腔天线的仿真结果图
附图标记：1-PRS1，2-PRS2，3-金属底板，4-U形贴片天线。
具体实施方式
为了更加清楚明白地阐明本发明的目的、技术方案及优点，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
通常Fabry-Perot天线由于其谐振腔体高度固定，不易实现宽带化，驱动天线一般使用窄带天线。因此，在设计宽带Fabry-Perot天线的过程中，即需要使用宽带的驱动天线来提高源天线的工作带宽，又需要设计相应的宽带PRS，来补偿相位。
如图1至图4所示，本发明公开了一种加载FSS的宽带Fabry-Perot谐振腔天线，为三层介质板结构。该谐振腔天线包括上下两层板，其中，下层板的上表面贴有宽带U形槽结构的贴片天线，下表面为金属地板。宽带U形贴片天线与一般单频点谐振腔天线相比，实现了谐振腔天线宽频工作。如图4(a)(b)所示，分别为下层板的贴有U形槽贴片天线的示意图及下层板的侧视图，其下层板的下表面是金属地板。其中下层板的唱为x，宽为y，高度为h，其上表面的U形槽贴片天线的竖槽长度为l2，竖槽宽度为w1，横槽长度为l1，横槽宽度为w2。谐振腔天线上层板包含了两层PRS介质板，每层PRS介质板的上、下表面分别加载不同FSS结构。其中，如图2(a)(b)所示，为下层PRS介质板的上表面、下表面示意图，下层PRS介质板上表面放置边长为b1金属方形贴片，下表面放置内边长为a1的金属方环；如图3(a)(b)所示，为上层PRS介质板的上表面、下表面示意图，上层PRS介质板的上表面放置半径为r的金属圆形贴片，下表面内边长为a2放置金属方环。其中各参数为：p＝12mm,a1＝7.2mm,b1＝8.2mm,a2＝9mm,r＝4.6mm,h1＝16mm,h2＝3.2mm,h＝3mm,x＝15mm,y＝8mm,l1＝9mm,l2＝7mm,w1＝1.6mm,w2＝1.4mm。即宽带相位补偿PRS的周期为12mm，下层PRS板的下表面刻蚀方环的边长为7.2mm，上表面方形贴片的边长为8.2mm，上层PRS板的下表面刻蚀方环的边长为9mm，上表面圆形贴片的半径为4.6mm，贴片天线与PRS下表面空气腔体的高度设计为16mm，下层PRS板上表面和上层PRS板的下表面的空气腔体高度为3.2mm，最下层驱动天线的介质基板厚度为3mm，贴片天线的长度为15mm，宽度为8mm，其中刻蚀一个“u”型槽结构，U的竖槽长度为7mm，宽度为1.6mm，U的横槽长度为9mm，宽度为1.4mm。该结构的总高度为20.774mm，上下两层PRS介质板都是0.787mm。
本发明实施例的加载FSS的宽带Fabry-Perot谐振腔天线上层板FSS阵列是7×7周期排布。
本发明采用了宽带U形槽贴片天线与加载双层PRS的FSS结构，通过相位补偿的原理，有效的解决了传统谐振腔天线频带较窄的不足。
Fabry-Perot天线的一般性谐振条件为：
Figure BDA0003538630530000031
其中，h为谐振腔体的高度，对应设计中的贴片天线与PRS下表面空气腔体的高度设计为16mm，d为最下层驱动天线的介质基板厚度为3mm，εr为介质基板的相对介电常数，θPEC为-π，λ为中心频率对应的波长，N可以取0，1，2，3……因此可有上述公式计算出宽带F_P天线PRS需要进行补偿的相位曲线。
根据Fabry-Perot谐振腔天线的工作频段，介质基底的材料可选择RogersRT5880，FR4等，金属结构材料可选择导电性好、性质稳定的金属，如铜、金和铝等。
在本实施例中，加载FSS的宽带Fabry-Perot谐振腔天线工作在厘米波波段，下层介质基底采用Rogers RT5880高频微波板，厚度为3mm，采用标准PCB加工工艺在介质基底上表面制作相应尺寸的贴片天线，下表面附着金属地板；上层的两个PRS的介质板同样采用Rogers RT5880高频微波板，厚度为0.787mm，采用标准PCB加工工艺在介质基底上制作7×7的金属周期阵列，总的尺寸为84×84mm2，金属结构厚度采用20μm厚度的铜。
图5给出了加载FSS的宽带Fabry-Perot谐振腔天线的仿真结果图。
图5(a)为宽带Fabry-Perot谐振腔天线的S11，图5(b)为宽带Fabry-Perot谐振腔天线的频率-增益图，图5(c)为天线的方向图。根据图5给出的仿真结果图，可以看出宽带Fabry-Perot谐振腔天线工作状态良好且在8.9GHz-9.9GHz频点处提高贴片天线的增益，尤其是在9.2GHz处使得贴片天线的增益得到8.2dB的大幅度提升。该宽带Fabry-Perot谐振腔天线在工作频带内的最低增益为12.6dBi，最高增益为14.6dBi，天线方向图也显示出，所设计天线辐射波束为F_P天线辐射出的笔形波束。
本实施例中贴片天线的工作频点在10GHz，工作频带为9.5GHz-10.5GHz。该宽带Fabry-Perot谐振腔天线工作状态良好且在8.9GHz-9.9GHz频点处提高贴片天线的增益，尤其是在9.2GHz处使得贴片天线的增益得到8.2dB的大幅度提升。该宽带Fabry-Perot谐振腔天线在工作频带内的最低增益为12.6dBi，最高增益为14.6dBi，突破了传统Fabry-Perot天线带宽的设计难题。本发明相比于普通的F-P谐振腔天线具有宽频带效果，在实现宽带Fabry-Perot谐振腔天线的研发中有着重要的价值。
以上所述仅是本发明的优选实施方案，并不用以限制本发明。应当指出：凡在本发明精神和原则之内所做出任何改进和润饰，均应视为本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.加载FSS的宽带Fabry-Perot谐振腔天线，其特征在于：所述谐振腔天线包括上层板和下层板，所述下层板的上表面贴有贴片天线，该贴片天线为宽带U形槽结构，所述下层板的下表面为金属地板；所述上层板包含两层PRS介质板，每层PRS介质板的上下表面分别加载不同FSS结构；所述上层板与下层板之间以及上层板的两层PRS介质板之间皆为空气腔。
2.根据权利要求1所述的加载FSS的宽带Fabry-Perot谐振腔天线，其特征在于，所述上层板包含上层PRS介质板及下层PRS介质板，所述上层PRS介质板的上表面放置金属圆形贴片，下表面放置金属方环；下层PRS介质板的上表面放置金属方形贴片，下表面放置金属方环。
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