CN114843771A - 一种宽1dB增益带宽的法布里-珀罗谐振腔天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于人工电磁超表面的宽1dB增益带宽的法布里‑珀罗谐振腔天线，属于天线技术领域。法布里‑珀罗谐振腔天线包含三部分：微带天线、部分反射面以及在部分反射面上方的人工电磁超表面。其中，在整个工作频段内部分反射面具有相位随频率递增、高反射系数；部分反射面上方的人工电磁超材料表面主要为了改善由于宽带情况下谐振条件得不到很好的满足而引起高频增益偏低的问题。本发明主要通过在馈电天线上方加载部分反射面和人工电磁超表面在宽带内提高天线的增益同时保证增益的稳定性。该天线具有高增益、宽1dB增益带宽、低剖面、高定向性、低副瓣电平等优点，在无线通信应用中具有很高的工程应用价值。

Description

一种宽1dB增益带宽的法布里-珀罗谐振腔天线
技术领域
本发明涉及一种宽1dB增益带宽的法布里-珀罗谐振腔天线，属于天线和人工电磁材料领域。
背景技术
法布里-珀罗谐振腔天线与反射面天线、微带阵列天线、波导缝隙阵列天线等传统高增益天线相比，具有小型化、低廓形、结构简单、易于制作等明显优势获得了广泛关注。同时宽1dB增益带宽的法布里-珀罗谐振器天线是最近的一个研究热点。法布里-珀罗谐振腔天线的典型结构是由源天线、部分反射面组成。这样，在部分反射面和馈源地平面之间就形成了一个谐振腔。当满足谐振条件时，从微带天线中辐射出的电磁波到达空气与隔离介质的分界面时，会有一部分电磁波反射到地平面处，电磁波在部分反射面和反射地平面之间经过多次反射来达到电场同向增强，最终溢出部分反射面，从而形成定向高增益辐射。法布里-珀罗谐振腔天线在卫星通信、遥控、导航、探地雷达等无线系统中具有广阔的应用前景。
一个典型的法布里-珀罗谐振腔天线是通过将EBG结构作为部分反射面放置在距离地平面适当的距离(通常约半波长)来形成的。然而这种天线固有缺点是带宽太窄由于典型的窄带谐振腔结构。为了克服这一点，一些宽带法布里-珀罗谐振腔天线的方法已经被研究。大致方法如下：(1)采用双层FSS代替传统FSS结构。然而所述多层部分反射面的法布里-珀罗谐振腔天线包括由若干介质板和多个空间距离组成，使得法布里-珀罗谐振腔天线结构庞大。(2)采用具有横向介电常数梯度的复合介质基板作为法布里-珀罗谐振腔天线的上层。虽然该方法是一种非常有效的方法，但其上层结构制作和实现较为复杂。(3)采用具有正反射相位的介质板作为法布里-珀罗谐振腔天线的上层。这种结构的部分反射面提供一个正反射相位满足谐振腔的条件，从而产生了宽带法布里-珀罗谐振腔天线。
综上所述，具有正相位梯度的部分反射面结构简单、易于实现、剖面低(约为工作波长的1/2)，因此，它为设计宽带法布里-珀罗谐振腔天线提供了一种最佳方式。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：通过加载部分反射面，目的在于为馈电天线提高带宽和增益提供一种新的单元结构，通过加载带有通孔的超材料表面，目的在于解决由于频带过宽而导致高频增益低的问题，解决现有天线结构复杂、带宽窄、增益不稳定的问题。
本发明通过下述技术方案实现：
一种宽1dB增益带宽的法布里-珀罗谐振腔天线，包括微带天线、部分反射面、带有通孔的超材料表面。其中，具有正反射相位的部分反射面覆盖在贴片天线的上方，主要用于提高贴片天线的增益；带有通孔的超材料表面覆盖在部分反射面的正上方，主要用于改善由于在同一高度下，宽带谐振条件难以满足时导致高频增益低的问题。
本发明提出的一种宽1dB增益带宽的法布里-珀罗谐振腔天线与现有法布里谐振腔天线相比，其创新点在于：
本发明的法布里-珀罗谐振腔天线采用了在微带天线上方覆盖单层部分反射面的方法获得宽频带、高增益法布里天线，其中单层部分反射面具有一个高的反射系数和一个正的反射相位，与之前的部分反射面不同的是本发明的部分反射面由单层介质板产生双谐振形成的在宽频带内具有随频率递增的一个正反射相位，使得与最优的相位更接近，能有效提供相对较高的增益性能和相对较宽的带宽，同时保持整体结构的紧凑性；另外通过在部分反射面的正上方加入带有通孔的超材料表面，改善了高频增益低的问题使得最终的法布里-珀罗谐振腔天线在宽频带内的增益保持稳定。
作为对本发明的进一步描述，选用双层贴片式的馈电天线，优势在于，微带天线具有结构紧凑、易于加工、易于设计、成本低等结构特征，并且通过第一介质上表面的微带馈线端接矩形贴片耦合刻有十字型缝的方形贴片的第二介质板从而形成一个宽带的馈源天线，并且在第一介质板的底面全敷铜可以有效减少天线的后瓣。
作为对本发明的进一步描述，在馈电天线中引入第二介质板，通过第一介质基板微带馈电贴片耦合刻有十字型缝的方形贴片的第二介质基板，结果形成第二谐振点，同时不会影响法布里腔天线的整体剖面。
作为对本发明的进一步描述，所述宽1dB增益带宽的法布里-珀罗谐振腔天线中覆盖在微带天线上方的部分反射面为双面印刷金属结构的单层介质基板；而带有超材料表面内圈与外圈通孔的直径大小不一样，在引入超材料表面后整体剖面影响不大。
作为对本发明的进一步描述，所述宽1dB增益带宽的法布里-珀罗谐振腔天线上方贴片天线的具体放法为：将第一介质基板和第二介质基板按照底层为第一介质基板，顶层为第二介质基板的顺序依次叠放；其中，第一介质基板和第二介质基板的厚度依次相同；第一介质基板和第二介质介质的介电常数相同。
作为对本发明的进一步描述，所述的第一介质基板的上表面的微带敷铜结构和第二介质基板的上表面的敷铜结构对应共心设置，以使得最终获得的方向图在宽频带内保持正向辐射。
作为对本发明的进一步描述，所述的第一介质基板下表面的金属地平面开设有多个固定孔，所述的第二介质基板、第三介质基板和第四介质基板对应第一介质基板下表面的金属地平面的固定孔。通过将尼龙介质支撑柱的一端固定设置在金属地平面的固定孔内，另一端固定设置在第二介质基板、第三介质基板和第四介质基板的固定孔内，支撑第二介质基板、第三介质基板和第四介质基板使其置于地平面的上方，使得最终模型保持高的机械稳定。
综上所述，本发明所提供的宽1dB增益带宽的法布里-珀罗谐振腔天线，采用微带贴片耦合单面敷铜结构的第二介质板作为激励源，具有双谐振的单层介质基板作为馈电天线的反射盖板，具有通孔的超材料表面作为提高高频增益的手段。其中在馈电天线中引入第二介质板，通过第一介质基板微带馈电贴片耦合单面敷铜的第二介质基板，结果形成第二谐振点，实现宽带、高增益的法布里-珀罗谐振腔天线的工作方式。在第一介质基板下表面采用全敷铜结构可有效减小天线的后瓣；而部分反射面具有在整个频段内满足法布里腔天线谐振条件的相位，且具有一个高的反射系数；在部分反射面上方引入带有通孔的超材料表面，对高频增益进行了很好的改善。最终法布里-珀罗谐振腔天线能够实现26.5％的10dB的阻抗带宽，其中3dB增益带宽为26.5％，值得一提的是，产生的1dB增益带宽为25.2％；同时，法布里-珀罗谐振腔天线的口径面尺寸仅为真空中波长的2倍左右。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1.本发明相较于现有的提高天线带宽、增益的方法而言，具有简单的馈电结构和稳定方向图，且后瓣低；
2.本发明拥有宽频带，拥有比窄带单极化阵列更高的信道容量；
3.本发明涉及单层、双谐振、随频率增加正反射相位的特性的部分反射面，更好的满足法布里谐振腔天线的谐振条件，使得法布里谐振腔天线增益更加稳定；
4.本发明结构简单，方便实现。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明实施例1的一种法布里-珀罗谐振腔天线的结构截面图。
图2为本发明实施例1的馈电天线结构的俯视图。
图3为本发明实施例1的部分反射面单元的三维结构图。
图4为本发明实施例1的部分反射面单元的顶层金属单元俯视图。
图5为本发明实施例1的部分反射面单元的底层金属单元俯视图。
图6为本发明实施例1的超材料表面的俯视图。
图7为本发明实施例1的微带天线在HFSS仿真下的S参数曲线和增益曲线图。
图8为本发明实施例1的部分反射面在HFSS仿真下的S参数曲线图。
图9为本发明实施例1的法布里-珀罗谐振腔天线在HFSS仿真下的S参数和增益曲线与馈源天线的S参数和增益曲线之间的比较图。
图10为本发明实施例1加载超材料表面的法布里-珀罗谐振腔天线在HFSS仿真下的S参数和增益曲线与未加载超材料表面的法布里-珀罗谐振腔天线曲线之间的比较图。
图11为本发明实施例1加载超材料表面的法布里-珀罗谐振腔天线在HFSS仿真下24GHz和26GHz的方向图
图12为本发明实施例1的宽1dB增益带宽的法布里-珀罗谐振腔天线设计的基本步骤。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1：
如图1所示，为本发明提供的宽1dB增益带宽的法布里-珀罗谐振腔天线，包含：微带天线、部分反射面以及设置在部分反射面上方的带有通孔的超材料表面。
其中，所述的馈电天线为双面敷铜的第一介质基板1，其上表面刻有微带贴片3、底面是全敷铜作为地平面2，馈电天线中的单面敷铜第二介质基板6，其上表面刻有带十字型缝的方形贴片5。所述的第一介质基板1底面敷铜结构2的边长l为28mm，其中第一介质基板的上表面微带线长m1为10.9mm，宽u1为1.15mm。其中微带线端接矩形的长m2为3.1mm，宽u2为3.1mm。所述的第二介质基板6上表面敷铜结构贴片的边长u3为4.4mm，十字型槽长m3为4.4mm，宽u3为0.2mm。
如图2所示，本实施例中，微带馈电天线从侧面馈电。所述的馈电天线天线为微带端接矩形贴片，使其展现出更多的自由变量；另外引入介质基板一与介质基板二相隔一定距离，通过微带耦合产生一个宽带。通过设计微带线的阻抗，以及通过优化这些变量实现宽频带的良好阻抗匹配。
如图1所示，本实施例中，所述的宽1dB增益带宽的法布里-珀罗谐振腔天线中部分反射面为双面敷铜的第三介质板8。如图4所示，其中在第三介质基板8的底面为刻有四个L型缝的方形贴片7；如图5所示，在第三介质基板8上表面为大小不同相互重叠的十字型贴片敷铜结构9。所述的第三介质基板8的底面为周期性排布设置多个大小相同的规则带L槽敷铜结构7，所述的第三介质基板8的上表面周期性排布设置多个大小相同的且大小不同相互重叠的十字形贴片的敷铜结构9。且第三介质基板8底面的敷铜结构7、第三介质基板8上表面的敷铜结构9中心对齐。
如图3所示，在本实施例中，所述的第三介质基板8底面敷铜结构7的边长a1为4.2mm，槽长l1为1.15mm，槽宽w1为0.1mm。所述的第三介质基板8上表面敷铜结构的两个不同大小重叠的十字形，其中，长十字长s1为2.6mm，宽g1为0.1mm，短十字长s2为2.2mm，宽g2为0.5mm。所述的第三介质基板8的敷铜结构在x方向和y方向上均按周期排列，在x方向和y方向上，相邻两个敷铜结构之间的中心间距p均为4.2mm。
进一步，如图1所示，所述的第三介质基板8与接地板2之间的间隔大约为天线工作波长的1/2。
本实施例中，如图6所示，为所述的宽1dB增益带宽的法布里-珀罗谐振腔天线中带有通孔的超材料表面为第四介质板10的俯视图。第四介质基板10上刻有大小不一的通孔，以方形圈向外延伸，内圈的直径d1＝0.4mm，外圈的直径d2＝0.6mm，且距离部分反射面的距离h7＝0.3mm。
在本发明的其他优选实施例中，若第三介质基板8选用其他类型的电路板，根据上述的设计理论，第三介质板8底面敷铜结构7和顶面的敷铜结构的尺寸相应有所不同，但是这些参数的变化均与所采用的第三介质基板8的介电常数相关。
进一步，如图1所示，所述的第一介质基板1的下表面的金属地平面开设有多个固定孔，相应的，本实施例中，在第二介质基板6、第三介质基板8和第四介质基板10的四个顶角位置处分别开设固定孔，该固定孔距离第二介质基板6、第三介质基板8和第四介质基板10的边距距离可视实际情况而定，该边距距离对天线的性能影响极小，仅起支撑作用。通过将尼龙介质支撑柱的一端固定设置在第二介质基板6、第三介质基板8和第四介质基板10上的定位孔内，另一端固定设置在馈电天线上的对应介质基板下表面的金属地平面的定位孔内，支撑与地面相隔一定距离的介质基板使其形成一个完整法布里腔天线。
综上所述，本发明所提供的宽1dB增益带宽的法布里-珀罗谐振腔天线，采用微带天线作为激励源，在微带天线中额外引入介质层，形成第二谐振点，来获得宽带的馈电天线。并采用双面敷铜的介质基板作为天线的反射盖板，同时部分反射面在整个工作频带内能满足相位随频率增加，但由于在宽带的情况下，特定的高度无法满足宽带的谐振条件，导致法布里-珀罗谐振腔天线高频增益低。因此，为了解决此问题在部分反射面上方加载带有通孔的超材料表面来提高高频的增益，从而实现宽1dB增益带宽的法布里-珀罗谐振腔天线。进一步，通过调节馈电天线与部分反射面之间的高度的变化以及超材料表面的通孔位置等参数，最终法布里-珀罗谐振腔天线能够实现26.5％的10dB的阻抗带宽，并且3dB增益带宽能达到26.5％，且法布里腔天线的1dB增益带宽能实25.2％。同时，法布里-珀罗谐振腔天线由于采用了更小的紧凑结构的反射盖板，使得天线的口面尺寸仅为真空中波长的2倍左右。
本实施例中，如图7所示，为本发明的宽1dB增益带宽的法布里-珀罗谐振腔天线的微带天线的S参数曲线和增益曲线图，其中，S11为贴片天线的反射系数与增益曲线，仿真结果显示，馈电天线能够实现26.5％的10dB的阻抗带宽。
本实施例中，如图8所示，为本发明中反射盖板的反射系数幅度和频率的关系，反射盖板的反射系数相位和频率的关系。可以看出，当在20GHz-30GHz的频率范围内，反射系数的相位和频率呈正相关关系，并且具有较高的反射系数模值，因此增益得到很好提高。
本实施例中，如图9所示，为本发明实施例1的法布里-珀罗谐振腔天线在HFSS仿真下的S参数和增益曲线与馈源天线的S参数和增益曲线之间的比较图，仿真结果显示，没有部分反射面时，在26.4GHz增益最大值是8.9dBi。而当部分反射面放置在馈电天线上时，在24.4GHz增益最大值是12.56dBi。在20.6GHz时，实现最大增益提升5.86dB。同时也可以从图中看出法布里-珀罗谐振腔天线的1dB增益带宽非常窄。
本实施例中，如图10所示，为本发明实施例1加载超材料表面与未加载超材料表面的法布里-珀罗谐振腔天线在HFSS仿真下的S参数和增益曲线之间的比较图，从图中可以看出未加载超材料表面的法布里-珀罗谐振腔天线的S11<-10dB的范围是21.15-27.98GHz(27.8％)，最大增益值为12.56dBi，而增益在整个工作频段非常不平稳；而在加载超材料表面的法布里-珀罗谐振腔天线，S11<-10dB的范围是21.28-27.87GHz(26.81％)，最大增益值为13.31dBi，最重要的是整个工作频段的增益趋近于平稳，而1dB增益变化范围21.52-27.71GHz(25.2％)。
本实施例中，图11所示，为本发明实施例1加载超材料表面的法布里-珀罗谐振腔天线在HFSS仿真下24GHz和26GHz的方向图。
本实施例中，如图12所示，为本发明的宽频带、高增益法布里-珀罗谐振腔天线设计的基本流程。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种宽1dB增益带宽的法布里-珀罗谐振腔天线，其特征在于，包含：微带天线、微带天线正上方的部分反射面以及设置在部分反射面正上方的人工电磁超表面。
其中，所述的微带天线为双面敷铜的第一介质基板，其上表面刻有微带馈线、底面是全敷铜作为地平面，其中金属地的大小和第一介质基板的大小相同。在第一介质基板的上方引入第二介质基板，其中第二介质基板为单面敷铜，在第二介质基板的上表面刻有十字型缝的方形贴片，其中第一介质基板第二介质基板中心对齐。
所述的部分反射面由双面敷铜的第三介质板，其中在第三介质基板的底面为方形贴片刻有四个L型槽缝，顶面是两个不同大小的重叠十字形贴片。其中第三介质基板的上下表面金属贴片共心对齐，位于馈源天线的正上方。
所述的电磁超表面为带有通孔的第四介质基板，通孔贯穿第四介质基板的上下表面，其中第四介质基板的通孔为围绕中心以方形环的形式向外延伸，最终除了中心孔外，围成两个方形环孔，且内环的圆孔直径与外环的圆孔直径大小不等。且内环圆孔圆心与外环圆孔圆心相隔一定距离。第四介质基板位于部分反射面的正上方。
2.如权利要求1所述的宽1dB增益带宽的法布里-珀罗谐振腔天线，其特征在于，所述的微带天线采用50欧姆的馈线激励第一介质基板上的矩形贴片，进而耦合刻有十字型缝的方形贴片的第二介质基板。
3.如权利要求1所述的宽1dB增益带宽的法布里-珀罗谐振腔天线，其特征在于，所述的第三介质基板下表面周期性排布设置多个大小相同的带有L型缝的方形贴片敷铜结构；所述的第三介质基板的上表面周期性排布设置多个大小相同的两个不同大小的重叠的十字型贴片结构。
4.如权利要求2所述的宽1dB增益带宽的法布里-珀罗谐振腔天线，其特征在于，所述的微带馈电天线的第一介质基板和第二介质基板均采用Rogers4003c，其厚度为h1＝h2＝0.5mm，相对介电常数为3.38，损耗正切角为0.0027。
5.如权利要求3所述的宽1dB增益带宽的法布里-珀罗谐振腔天线，其特征在于，所述的部分反射面为双面敷铜的第三介质板。其中在第三介质基板为Rogers5880，其厚度h4＝1mm介电常数为2.2，损耗正切角为0.0009。
6.如权利要求1所述的宽1dB增益带宽的法布里-珀罗谐振腔天线，其特征在于，所述的第四介质基板采用Rogers4003c，其厚度为h5＝0.5mm。
7.如权利要求1所述的宽1dB增益带宽的法布里-珀罗谐振腔天线，其特征在于，所述的第二介质基板的下表面与第二介质基板的上表面的空间距离h6＝0.3mm。
8.如权利要求1所述的宽1dB增益带宽的法布里-珀罗谐振腔天线，其特征在于，所述的微带馈电天线第一介质基板底层的地平面与部分反射面第三介质基板的底层之间的间隔为h3，起初按照天线工作波长的1/2进行计算，并通过优化距离h3，确保得到最优带宽与增益。
9.如权利要求1所述的宽1dB增益带宽的法布里-珀罗谐振腔天线，其特征在于，所述的电磁超材料第四介质基板加载到部分反射面上方的距离为h7，并通过优化距离h7，确保得到最优的带宽与最平稳的增益。
10.如权利要求1所述的宽1dB增益带宽的法布里-珀罗谐振腔天线，其特征在于，所述的第一介质基板开设有多个固定孔，所述的第二介质基板、第三介质基板和第四介质基板对应第一介质基板开设有多个依次贯穿第二介质基板、第三介质基板和第四介质基板的固定孔，通过将尼龙介质支撑柱的一端固定设置在第一介质基板的固定孔内，另一端固定设置在第二介质基板、第三介质基板和第四介质基板的固定孔内，支撑第二介质基板、第三介质基板和第四介质基板使其置于微带天线的上方。
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CN115332788A (zh) * 2022-08-16 2022-11-11 西安电子科技大学 一种低剖面三频平坦高增益谐振腔天线
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