CN114649686B - 一种具有滤波特性的高增益折合式平面反射阵天线 - Google Patents

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Abstract

本发明属于折合式反射阵天线领域，具体提供一种具有滤波特性的高增益折合式平面反射阵天线，用以将滤波功能添加到高增益折合式平面反射阵天线中，实现多功能天线的设计。本发明通过将极化敏感的频率选择表面作为折合式反射阵的副反射面，进而实现具有滤波特性的高增益折合式平面反射阵天线；最终，本发明中具有滤波特性的高增益折合式平面反射阵天线能够实现在9.12GHz∼10.20GHz频带内增益大于18dBi，最大增益为21.2dBi，在低频辐射零点9.04GHz和高频传辐射零点10.40GHz的增益分别为5.9dBi和6.9dBi，达到了良好的滤波效果。

Description

一种具有滤波特性的高增益折合式平面反射阵天线
技术领域
本发明属于折合式反射阵天线领域，具体提供一种具有滤波特性的高增益折合式平面反射阵天线。
背景技术
随着信息科技的快速发展，天线作为无线通信系统中信息和能量接收和发射的重要组成部件，微波和毫米波多功能天线的设计引起了人们的广泛关注和研究。多功能天线通常将辐射、滤波、功分等多种功能集成在一个模块中，可以使整个微波和毫米波系统更紧凑，减少组件数，并通过天线的滤波或其他增强特性来提高系统性能。对于大多数中远距离无线通信系统，高增益天线的是其重要的发展研究方向。传统的高增益天线主要有抛物面反射阵天线、平面天线阵列等；抛物面反射阵天线体积较大、质量较重、组装困难、难于运输，也很难集成于无线系统中，限制了其应用场景；平面天线阵列一般需要I/O模块或者馈电网络对每个天线单元进行不同的幅度和相位的分配，以达到高增益效果，成本较高，并且I/O模块和复杂的馈电网络难与天线一起在无线系统中进行集成设计。
折合式反射阵天线是一种新型的高增益平面反射阵天线，因其高增益、低剖面、低成本等优点，是设计高增益天线的一个很好的选择；折合式反射阵天线利用空间馈电原理避免了天线复杂馈电网络造成的损耗，并且可以有效减小传统反射阵天线由于馈电天线引起的口径效率损失，还能有效降低天线剖面。折合式反射阵天线主要由馈源天线、主反射面和副反射面组成；副反射面通常为极化栅，对一个极化的电磁波全反射对另一个极化的电磁波全透射；主反射面和副反射面之间有一定距离，电磁波从馈源天线辐射，经副反射面反射回主反射面，主反射面的反射单元对其进行相位补偿以达到聚焦或整形效果，同时极化扭转，再由副反射面透射并辐射出去。
频率选择表面是一种对空间电磁波有选择性的二维或三维功能性周期结构，传统的频率选择表面是单层贴片或者孔结构组成的二维周期阵列，它们具有一阶滤波响应，但是滤波性能较差；采用单层结构级联成多层结构可以实现高阶滤波响应来获得良好的滤波性能，但当工作频率较低时会有较大的厚度和复杂的结构，难于设计和应用。为了获得更好的滤波特性，提出了三维频率选择表面的概念，比如表面集成波导结构的三维频率选择表面；还有通过天线设计的角度，通过天线设计引入辐射零点，根据互易定理，来设计频率选择表面的传输零点，实现频率选择表面的滤波特性。
基于此，本发明提供一种基于频率选择表面具有滤波特性的高增益折合式平面反射阵天线。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的问题提供一种具有滤波特性的高增益折合式平面反射阵天线，通过设计一种结构简单、具有极化敏感特性的频率选择表面，将其作为折合式平面反射阵天线的副反射面，进而得到具有滤波特性的高增益折合式平面反射阵天线。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种具有滤波特性的高增益折合式平面反射阵天线，包括：主反射面1、馈源微带贴片天线2与副反射面3，其中，所述副反射面位于主反射面的正上方、且二者之间设置空气腔；其特征在于，所述副反射面由从下往上依次层叠设置的下金属贴片天线阵列、下介质层、粘合性介质层、金属反射层、上介质层与上金属贴片天线阵列构成，所述下金属贴片天线阵列由若干个呈矩阵排布的下金属贴片天线单元构成，所述上金属贴片天线阵列由若干个呈矩阵排布的上金属贴片天线单元构成，下金属贴片天线单元与上金属贴片天线单元采用相同尺寸的矩形金属贴片、且一一正对设置，下金属贴片天线单元与上金属贴片天线单元通过金属柱连接导通，金属反射层上围绕金属柱开设圆环状隔离窗口；所述下金属贴片天线单元与上金属贴片天线单元于同一侧边分别开设有“L”形缝隙对与“I”形缝隙对，“I”形缝隙对与“L”形缝隙对的开缝方向均垂直于馈源微带贴片天线辐射电磁波的极化方向。
进一步的，所述主反射面由介质基板、设置于介质基板下表面的金属地板、及设置于介质基板上表面的主反射阵列，馈源微带贴片天线位于介质基板上表面中心，主反射阵列围绕馈源微带贴片天线设置。
更进一步的，主反射阵列由若干个等间距排布的反射单元组成，反射单元包括：第一状态反射单元与第二状态反射单元，所述第一状态反射单元与第二状态反射单元为反射电磁波提供的相位补偿相差180度，实现1bit调相。
进一步的，“L”形缝隙对由两个尺寸相同的“L”形缝隙背对背排列构成，“I”形缝隙对由两个尺寸相同的“I”形缝隙平行排列构成。
更进一步的，“I”形缝隙的长度DH满足：DH=λH/4，“L”形缝隙的长度DL满足：DL=λL/4，λH表示副反射面的高频传输零点处的波长、λL表示副反射面的低频传输零点处的波长。
本发明的有益效果在于：
本发明提供一种具有滤波特性的高增益折合式平面反射阵天线，通过设计一种极化敏感的频率选择表面，将其作为折合式平面反射阵的副反射面，进而使得高增益折合式平面反射阵天线具有良好的滤波特性；最终，本发明中具有滤波特性的高增益折合式平面反射阵天线能够实现在9.12GHz∼10.20GHz频带增益大于18dBi，最大增益为21.2dBi，在低频辐射零点9.04GHz和高频辐射零点10.40GHz的增益分别为5.9dBi和6.9dBi，达到了良好的滤波效果。
附图说明
图1为本发明的具有滤波特性的高增益折合式反射阵天线的结构示意图，其中，1为主反射面，2为馈源微带贴片天线，3为副反射面。
图2为本发明实施例的副反射面中上金属贴片天线阵列的结构示意图。
图3为本发明实施例的副反射面的单元结构示意图。
图4为本发明实施例的副反射面中下金属贴片天线单元与上金属贴片天线单元的结构示意图。
图5为本发明实施例的主反射面中主反射阵列的结构示意图。
图6为本发明实施例的馈源微带贴片天线的结构示意图。
图7为本发明实施例的主反射面中第一状态反射单元与第二状态反射单元的结构示意图。
图8为本发明实施例的主反射面中第一状态反射单元与第二状态反射单元在y极化电磁波入射时反射电磁波为x极化或y极化的反射系数仿真结果图。
图9为本发明实施例的主反射面中第一状态反射单元与第二状态反射单元的相位仿真结果图。
图10为本发明实施例的副反射面中单元结构在x极化平面电磁波入射时的S参数仿真结果图。
图11为本发明实施例的副反射面中单元结构在y极化平面电磁波入射时的S参数仿真结果图。
图12为本发明实施例的具有滤波特性的高增益折合式反射阵天线的回波损耗仿真与测试结果图。
图13为本发明实施例的具有滤波特性的高增益折合式反射阵天线的远场增益随频率变化的仿真与测试结果图。
图14为本发明实施例的具有滤波特性的高增益折合式反射阵天线在9.28GHz处的E面辐射方向图。
图15为本发明实施例的具有滤波特性的高增益折合式反射阵天线在9.28GHz处的H面辐射方向图。
图16为本发明实施例的具有滤波特性的高增益折合式反射阵天线在9.72GHz处的E面辐射方向图。
图17为本发明实施例的具有滤波特性的高增益折合式反射阵天线在9.72GHz处的H面辐射方向图。
图18为本发明实施例的具有滤波特性的高增益折合式反射阵天线在10.00GHz处的E面辐射方向图。
图19为本发明实施例的具有滤波特性的高增益折合式反射阵天线在10.00GHz处的H面辐射方向图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案与技术效果更加清楚完整，下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
本实施例提供一种具有滤波特性的高增益折合式平面反射阵天线，其结构如图1所示，具体包括：馈源微带贴片天线2、主反射面1与副反射面3；其中：
所述副反射面位于主反射面的正上方，且二者之间设置空气腔；
所述副反射面由从下往上依次层叠设置的下金属贴片天线阵列、下介质层、粘合性介质层、金属反射层、上介质层与上金属贴片天线阵列构成，所述下金属贴片天线阵列由若干个呈矩阵排布的下金属贴片天线单元构成，所述上金属贴片天线阵列由若干个呈矩阵排布的上金属贴片天线单元构成，如图2所示；所述下金属贴片天线单元与上金属贴片天线单元采用相同尺寸的矩形金属贴片、且一一正对设置，下金属贴片天线单元与上金属贴片天线单元通过金属柱连接导通，所述金属反射层上围绕金属柱开设圆环状隔离窗口，如图3所示；所述下金属贴片天线单元与上金属贴片天线单元于同一侧边分别开设有“L”形缝隙对与“I”形缝隙对，“L”形缝隙对由两个尺寸相同的“L”形缝隙背对背排列构成，“I”形缝隙对由两个尺寸相同的“I”形缝隙平行排列构成，“I”形缝隙与“L”形缝隙的开缝方向均垂直于馈源微带贴片天线辐射电磁波的极化方向，如图4所示；
所述主反射面由介质基板、设置于介质基板下表面的金属地板、及设置于介质基板上表面的主反射阵列，馈源微带贴片天线位于介质基板上表面中心，主反射阵列围绕馈源微带贴片天线设置，如图5所示；所述馈源微带贴片天线由7个矩形贴片组成，如图6所示，馈电方式为同轴馈电，采用偏馈结构，馈电端口位于中心贴片上，使得馈源微带贴片天线辐射出y极化的平面电磁波；所述主反射阵列由若干个等间距排布的反射单元组成，反射单元包括：第一状态反射单元与第二状态反射单元，第一状态反射单元与第二状态反射单元均由圆形金属贴片与矩形金属贴片连接构成、且第一状态反射单元逆时针旋转90°得到第二状态反射单元，如图7所示；所述第一状态反射单元与第二状态反射单元为反射电磁波提供的相位补偿相差180度（1bit调相），即两个状态的反射单元按照一定方式排列，对入射电磁波进行极化扭转（y极化转换为x极化）并提供相应的相位补偿，反射后的电磁波同相叠加实现高增益的波束。
进一步的，“I”形缝隙或“L”形缝隙均可看作一个四分之一波长谐振器，在谐振频率上能量集中在缝隙而不是矩形贴片，因此，上金属贴片天线单元与下金属贴片天线单元分别为频率选择表面提供高频与低频传输零点，槽缝总长度根据下式得到：
DH=λH/4，DL=λL/4
其中，DH与DL分别为上金属贴片天线单元与下金属贴片天线单元的单个缝隙的长度，λH与λL分别为副反射面的高频与低频传输零点处的波长。
另外，需要说明的是：上述馈源微带贴片天线仅为实施例中的示例结构，本发明的折合式平面反射阵天线中，可以采用其他结构的馈源微带贴片天线辐射出x极化的平面电磁波，本发明不再赘述；上述主反射面中，主反射阵列中第一状态反射单元与第二状态反射单元的具体排列规则通过空气腔的高度、工作频率等参数计算得到，而该计算过程为本领域现有技术，本发明不再赘述；上述副反射面中，下金属贴片天线单元与上金属贴片天线单元一一正对设置表示一一对应且上下正对设置，“L”形缝隙由长边矩形缝隙与短边矩形缝隙连接构成，“L”形缝隙的开缝方向指其长边矩形缝隙所在方向，“I”形缝隙由矩形缝隙构成，并且，“L”形缝隙与“I”形缝隙的具体尺寸、具体位置在满足本发明结构限定下可以根据实际应用进行仿真调节，本发明不再赘述。
本实施例中，下金属贴片天线阵列与上金属贴片天线阵列的阵列规模为19×20，主反射阵列的阵列规模为19×20、且中心3×2处为馈源微带贴片天线；所述介质基板的相对介电常数为3.55、损耗角正切为0.0027、厚度为1.524mm，所述粘合性介质层的介电常数为3.7、损耗角正切为0.004、厚度为0.1mm；所述下金属贴片天线单元与上金属贴片天线单元的尺寸均为7 mm×7mm，“I”形缝隙的长度为4.3mm、宽度为0.2mm，“L”形缝隙的长边矩形缝隙的长度为3.3mm、短边矩形缝隙的长度为1.8mm、宽度均为0.3mm。
对本实施例中具有滤波特性的高增益折合式平面反射阵天线进行仿真和加工测试，其结构如图8~图19所示；其中：
如图8所示为主反射阵列中第一状态反射单元与第二状态反射单元的反射系数仿真结果图，如图9所示为主反射阵列中第一状态反射单元与第二状态反射单元的相位仿真结果图，由图可见，在8.83GHz~10.2GHz频率内y极化到x极化系数大于-0.5dB，y极化的反射系数小于-10dB，并且第一状态反射单元和第二状态反射单元的相位相差180°，即1bit调相，因此第一状态反射单元与第二状态反射单元能够为电磁波提供180度相位差并实现极化扭转；
如图10所示为副反射面（单元结构）在x极化电磁波入射时的S参数仿真结果图，由图可见，天线单元具有带通特性，高频传输零点与低频传输零点分别为10.24GHz与8.96GHz，1dB传输损耗带宽为9.04GHz到10.17GHz；如图11所示为副反射面（单元结构）在y极化电磁波入射时的S参数仿真结果图，由图可见，单元在y极化电磁波入射时反射系数S11接近0dB，透射系数S21小于-40dB，呈现全反射特性。因此副反射面具有极化敏感特性，对y极化电磁波全反射，对x极化电磁波呈现滤波特性。
如图12所示为高增益折合式平面反射阵天线的S11参数（回波损耗）仿真与测试结果图，由图可见，本实施例在通带内答题都低于-10dB，有良好的阻抗匹配；
如图13所示为高增益折合式平面反射阵天线的远场辐射增益仿真与测试结果图，由图可见，通带内增益的测试结果略低于仿真结果，测试结果在9.12GHz∼10.20GHz频带增益大于18dBi，最大增益为21.2dBi，测试结果的低频辐射零点9.04GHz的增益为5.9dBi，高频辐射零点10.40GHz的增益为6.9dBi，测试结果体现了良好的滤波特性；
如图14~图19所示依次为高增益折合式平面反射阵天线在通带内频点9.28GHz、9.72GHz、10.00GHz处E面和H面的辐射方向图，由图可见，通带内3个频点均在辐射方向形成笔直的波束，在9.28GHz、9.72GHz和10.00GHz的E面和H面3dB波束带宽分别为(6.3°,7.6°)、(6.1°,7.1°)和(5.5°,5.9°)。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (4)

1.一种具有滤波特性的高增益折合式平面反射阵天线，包括：主反射面、馈源微带贴片天线与副反射面，其中，所述副反射面位于主反射面的正上方、且二者之间设置空气腔；其特征在于，所述副反射面由从下往上依次层叠设置的下金属贴片天线阵列、下介质层、粘合性介质层、金属反射层、上介质层与上金属贴片天线阵列构成，所述下金属贴片天线阵列由若干个呈矩阵排布的下金属贴片天线单元构成，所述上金属贴片天线阵列由若干个呈矩阵排布的上金属贴片天线单元构成，下金属贴片天线单元与上金属贴片天线单元采用相同尺寸的矩形金属贴片、且一一正对设置，下金属贴片天线单元与上金属贴片天线单元通过金属柱连接导通，金属反射层上围绕金属柱开设圆环状隔离窗口；所述下金属贴片天线单元与上金属贴片天线单元于同一侧边分别开设有“L”形缝隙对与“I”形缝隙对，“I”形缝隙对的开缝方向与“L”形缝隙对中长边矩形缝隙的开缝方向均垂直于馈源微带贴片天线辐射电磁波的极化方向；所述主反射面由介质基板、设置于介质基板下表面的金属地板、及设置于介质基板上表面的主反射阵列构成，馈源微带贴片天线位于介质基板上表面中心，主反射阵列围绕馈源微带贴片天线设置。
2.按权利要求1所述具有滤波特性的高增益折合式平面反射阵天线，其特征在于，主反射阵列由若干个等间距排布的反射单元组成，反射单元包括：第一状态反射单元与第二状态反射单元，所述第一状态反射单元与第二状态反射单元为反射电磁波提供的相位补偿相差180度。
3.按权利要求1所述具有滤波特性的高增益折合式平面反射阵天线，其特征在于，“L”形缝隙对由两个尺寸相同的“L”形缝隙背对背排列构成，“I”形缝隙对由两个尺寸相同的“I”形缝隙平行排列构成。
4.按权利要求3所述具有滤波特性的高增益折合式平面反射阵天线，其特征在于，“I”形缝隙的长度DH满足：DH=λH/4，“L”形缝隙的长度DL满足：DL=λL/4，λH表示所述副反射面的高频传输零点处的波长，λL表示副反射面的低频传输零点处的波长。
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