CN114639962B - 一种基于相位梯度超表面的二维波束可重构Fabry-Perot谐振腔天线 - Google Patents

一种基于相位梯度超表面的二维波束可重构Fabry-Perot谐振腔天线 Download PDF

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Abstract

本发明属于可重构天线技术领域，针对目前Fabry‑Perot谐振腔天线波束可重构的电子和机械方式存在的不足，公开了一种基于相位梯度超表面的二维波束可重构Fabry‑Perot谐振腔天线。该天线由覆盖层和辐射馈源组成；所述覆盖层由顶层圆形介质基板和相位梯度超表面组成；其中，相位梯度超表面由分别印刷在顶层圆形介质基板上、下表面的尺寸渐变的若干个正六边形环和若干个正六边形贴片组成；所述辐射馈源包括圆形贴片、底层圆形介质基板和接地板。本发明采用一种新的机械控制方式，即机械旋转相位梯度超表面实现Fabry‑Perot谐振腔天线的波束可重构。与电子控制方式相比，该方法不涉及PIN二极管或变容二极管，不仅避免了欧姆损耗且具有可控波束，有效降低了天线设计的复杂性。

Description

一种基于相位梯度超表面的二维波束可重构Fabry-Perot谐 振腔天线
技术领域
本发明属于可重构天线技术领域，具体为一种基于相位梯度超表面的二维波束可重构Fabry-Perot谐振腔天线。
背景技术
天线作为无线通讯系统的接收与发射装置，是无线通讯系统的重要组成部分。天线性能的好坏将直接影响整体通讯系统的性能。因此，研究者们对天线各方面的性能提出了更多更新的要求。
Fabry-Perot谐振腔天线由于其简单的配置和高度定向的辐射特性，引起了研究者的广泛关注。Fabry-Perot谐振腔天线主要由接地层、馈源和部分反射表面三部分组成。从馈源天线辐射出的电磁波在接地层和部分反射表面组成的谐振腔之间来回反射。当腔体满足一定的谐振条件时，透射出部分反射表面的电磁波可以实现同相叠加，从而获得高度定向和高增益辐射。它具有如下优点：
1、天线剖面较低。
2、天线结构简单、体积较小且平面化。
3、不需要复杂的馈电网络，仅采用单馈的形式，减少了馈电网络带来的能量损耗以及耦合作用产生的影响，其辐射效率高。
但是，天线设计还要求实时改变天线的特性以实现多个天线的功能。因此，Schaubert等人在1983年首次提出了可重构天线这一概念。目前，Fabry-Perot谐振腔天线的重构研究主要集中在频率、极化和辐射波束上。其中，波束可重构的研究受到了极为广泛的关注。波束可重构天线可用于智能武器寻找、汽车、飞机雷达、无线和卫星通信网络等。
实现Fabry-Perot谐振腔天线波束可重构通常是采用电子或机械方式进行控制。如：Luyang Ji等人在论文“One-dimensional beam-steering Fabry-Perot cavity(FPC)antenna with a reconfigurable superstrate”中采用PIN二极管提出了相位可变的部分反射表面，实现了±17°的倾斜波束，但是只能实现一维波束倾斜；R.Guzman-Quiros等人在论文“A Fabry-Perot antenna with two-dimensional electronic beam scanning”中利用变容二极管设计了可调谐的高阻抗表面，虽然实现了Fabry-Perot谐振腔天线的二维波束可重构，但是这种电控方式会导致天线整体配置更为复杂，且引入的有源器件也会产生欧姆损耗的问题；国内学者Xuerui Yang等人在论文“A two-dimensional beam tiltedFabry-Perot antenna based on a phase gradient partially reflecting surface”中分别沿x轴和y轴方向以渐变尺寸排列PRS单元，实现了二维波束偏转，这种机械控制方式不仅避免了欧姆损耗，而且结构简单，但是它们只能实现特定方向的波束转向，无法实现天线波束的动态重构。因此，研究一种能解决上述问题的可重构Fabry-Perot谐振腔天线具有重要的意义。
发明内容
针对目前Fabry-Perot谐振腔天线波束可重构的电子和机械方式存在的不足，本发明提供了一种基于相位梯度超表面的二维波束可重构Fabry-Perot谐振腔天线。该可重构通过机械控制方式实现。
为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：
本发明提供一种基于相位梯度超表面的二维波束可重构Fabry-Perot谐振腔天线，包括有从上至下同轴心依序设置的覆盖层和辐射馈源，在所述覆盖层和辐射馈源之间形成谐振腔；
所述覆盖层由顶层圆形介质基板和相位梯度超表面组成；其中，相位梯度超表面由印刷在顶层圆形介质基板上表面尺寸渐变的若干个正六边形环以及印刷在顶层圆形介质基板下表面尺寸渐变的若干个正六边形贴片组成；采用渐变尺寸的正六边形环和正六边形贴片构成相位梯度超表面，从而实现倾斜波束。通过在单层顶层圆形介质基板上印刷双层贴片结构能够实现单元与单元之间更大的相位变化。
所述辐射馈源从上至下同轴心依序设置有圆形贴片、底层圆形介质基板和接地板；本发明使用底层圆形介质基板和顶层圆形介质基板，便于机械旋转超表面。
在所述顶层圆形介质基板的外周均匀设置有N个通孔，N为大于等于2的正整数，每个通孔贯穿顶层圆形介质基板至接地板。设置N个通孔方便每次能够以360/N°增量逆时针旋转超表面，使天线最终获得N种不同的波束状态，从而实现二维波束重构的性能。
进一步，所述辐射馈源通过SMA接头给所述圆形贴片馈电，为Fabry-Perot谐振腔提供激励，馈电点从天线轴中心向+x轴方向偏移2.2mm。
进一步，所述正六边形环与正六边形贴片的印刷方式相同，正六边形环与正六边形贴片尺寸的渐变方式为沿着+x轴方向从小到大排列，沿着+y轴方向大小不变。
与现有技术相比本发明具有以下优点：
1.本发明采用的正六边形单元可以在三个方向上周期性紧密排列，即一个正六边形单元周围有六个单元，因此，使用该正六边形单元组成的超表面可以使Fabry-Perot谐振腔天线趋于小型化。
2.本发明在顶层圆形介质基板周围布置了N个通孔，因此能够以360/N°增量逆时针旋转超表面，可以使天线波束在N个方向上进行重构。最终，所设计的天线具有N种不同的波束状态，实现了天线波束的动态重构。
3.与之前的机械控制方式不同，本发明采用一种新的机械控制方式，即机械旋转相位梯度超表面实现Fabry-Perot谐振腔天线的波束可重构。与电子控制方式相比，该方法不涉及PIN二极管或变容二极管，不仅避免了欧姆损耗且具有可控波束，有效降低了天线设计的复杂性。
附图说明
图1为本发明的二维波束可重构Fabry-Perot谐振腔天线的三维结构图；
图2为本发明的二维波束可重构Fabry-Perot谐振腔天线的侧视图；
图3Fabry-Perot谐振腔天线相位梯度超表面的上、下表面示意图；
图4为天线在八种波束状态下仿真的|S11|；
图5在频率5.8GHz时天线八种波束状态仿真的辐射方向图；
图中：1-相位梯度超表面，2-接地板，3-底层圆形介质基板，4-圆形贴片，5-正六边形环，6-正六边形贴片，7-顶层圆形介质基板，8-谐振腔，9-通孔，10-SMA接头。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和具体实施例对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
基于相位梯度超表面的二维波束可重构Fabry-Perot谐振腔天线的三维结构及侧视图如图1、图2所示，该Fabry-Perot谐振腔天线由覆盖层和辐射馈源组成，两者之间为谐振腔8。
如图2，3所示，所述覆盖层由顶层圆形介质基板7和相位梯度超表面1组成；其中，相位梯度超表面1由顶层圆形介质基板7和印刷在顶层圆形介质基板7上表面的尺寸渐变的正六边形环5以及印刷在顶层圆形介质基板7下表面的尺寸渐变的正六边形贴片6组成，以便实现倾斜波束。
如图2所示，所述辐射馈源从上而下同轴心依次包括有圆形贴片4、底层圆形介质基板3和接地板2，所述圆形贴片4印刷在底层圆形介质基板3的上表面，圆形贴片4的半径为6.5mm。所述接地板2和底层圆形介质基板3以及顶层圆形介质基板7均为圆形，轴心位于同一条直线，且大小相同；采用SMA接头10给圆形贴片4馈电，馈电点从天线轴中心向+x轴方向偏移2.2mm。
如图3所示，在所述顶层圆形介质基板7的外周均匀设置有8个通孔9，每个通孔贯穿顶层圆形介质基板7至接地板2，每两个孔之间的角间距为45°。以便每次能够以45°增量逆时针旋转超表面，使天线具有八种不同的波束状态，从而实现Fabry-Perot谐振腔天线的二维波束可重构。
所述底层圆形介质基板3由FR4材料构成，相对介电常数为4.4，厚度为1.6mm。
所述顶层圆形介质基板7同样采用FR4材质，厚度为2mm。
实施例2
利用CST微波工作室对上述实施例进行仿真。将相位梯度超表面围绕天线中心轴每次以45°增量逆时针旋转，设计的天线总共有八种波束状态。每种状态及对应的旋转角度如下：
Figure BDA0003551924190000051
Figure BDA0003551924190000061
图4是本实施例中天线八种状态下仿真的|S11|曲线。由图可知，每种状态均可以在5.8GHz频率下工作。所有状态在5.78-5.98GHz范围内实现了重叠的-10dB阻抗带宽。
图5是本实施例中天线在八种波束状态下仿真的辐射方向图。观察到，对于状态1和状态2，在方位平面
Figure BDA0003551924190000062
和
Figure BDA0003551924190000063
上波束方向分别向50°和53°倾斜。对于状态3和状态4，波束方向在方位平面
Figure BDA0003551924190000064
和
Figure BDA0003551924190000065
上分别倾斜58°和53°。对于状态5和状态6，波束方向在方位平面
Figure BDA0003551924190000066
和
Figure BDA0003551924190000067
上分别倾斜50°和53°。对于状态7和状态8，波束方向在方位平面
Figure BDA0003551924190000068
和
Figure BDA0003551924190000069
上分别倾斜58°和53°。表明了本发明Fabry-Perot谐振腔天线可以实现二维波束重构的特性。
表1总结了仿真的八种波束状态信息。
表1八种波束状态下的仿真信息
Figure BDA00035519241900000610
从表1可以看到：理论和仿真的方位角
Figure BDA00035519241900000611
在状态1，3，5，和7是相同的。但在状态2，4，6，和8中，理论和仿真的方位角略有差别，但最大差异不超过6°。仿真结果表明，在两个方位平面
Figure BDA00035519241900000612
上可以实现50°的倾斜波束。在四个方位平面(
Figure BDA0003551924190000071
129°，231°，和310°)中实现了53°的倾斜波束。在两个方位平面
Figure BDA0003551924190000072
中实现了58°的倾斜波束。所设计天线的最大增益达到14.3dBi，且每种波束状态下旁瓣电平都小于-10.0dB。证明本发明基于相位梯度超表面的二维波束可重构Fabry-Perot谐振腔天线具有良好的辐射性能。
同样还证实，在本发明原理的基础上，还可以设计其它种状态的波束重构天线，如N＝2、5、6、12等，在实施例1其它步骤不变的情况下，只需在所述顶层圆形介质基板的外周均匀设置有对应个数的通孔即可实现。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (2)

1.一种基于相位梯度超表面的二维波束可重构Fabry-Perot谐振腔天线，其特征在于：包括有从上至下同轴心依序设置的覆盖层和辐射馈源，在所述覆盖层和辐射馈源之间形成谐振腔(8)；
所述覆盖层由顶层圆形介质基板(7)和相位梯度超表面(1)组成；其中，相位梯度超表面(1)由印刷在顶层圆形介质基板(7)上表面尺寸渐变的若干个正六边形环(5)以及印刷在顶层圆形介质基板(7)下表面尺寸渐变的若干个正六边形贴片(6)组成；所述正六边形环(5)与正六边形贴片(6)的印刷方式相同，正六边形环(5)与正六边形贴片(6)尺寸的渐变方式为沿着+x轴方向从小到大排列，沿着+y轴方向大小不变；
所述辐射馈源从上至下同轴心依序设置有圆形贴片(4)、底层圆形介质基板(3)和接地板(2)；
在所述顶层圆形介质基板(7)的外周均匀设置有N个通孔(9)，N为大于等于2的正整数，每个通孔贯穿顶层圆形介质基板(7)至接地板(2)。
2.根据权利要求1所述的一种基于相位梯度超表面的二维波束可重构Fabry-Perot谐振腔天线，其特征在于：所述辐射馈源通过SMA接头(10)给所述圆形贴片(4)馈电，馈电点从天线轴中心向+x轴方向偏移2.2mm。
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