CN114927876A - 基于h面喇叭馈电的超构表面天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于H面喇叭馈电的超构表面天线，包括馈电结构和超构表面，所述馈电结构与所述超构表面放置在同一个平面内，且所述超构表面一端嵌入所述馈电结构的H面喇叭中一段距离；所述馈电结构将电磁波打入所述超构表面上，所述超构表面调制电磁波从而实现高效辐射。本发明通过提高馈电结构的定向性来提高超构表面的辐射效率，并且通过改变单元结构的细臂长度来调整不同单元的反射系数相位，从而形成相位梯度，能够产生高效的辐射并对电磁波进行调控，具有高效、宽带的优点。
Description
技术领域
本发明属于超构表面天线技术领域，具体涉及基于H面喇叭馈电的超构表面天线。
背景技术
近些年，随着机载无线电系统的快速发展，对相应的天线提出了更高的要求。传统的高性能天线有反射面天线和微带阵列天线，其各自都有其显著的优点。但由于现代天线朝着小型化、简易化方向发展，笨重的反射面天线和造价昂贵的微带阵列天线的应用受到限制。
为了综合上述两者天线的优点并且改善相应的缺陷，学者提出了一种超构表面天线。超构表面是一种自然界中不存在的材料，是人为构造的一种二维表面结构，具有很多自然材料所没有的独特特性。学者将超构表面的辐射特性应用到天线设计中，并设计一个相应的馈电结构，形成一个可以高效辐射的超构表面天线。超构表面天线的辐射体是一种印刷平面结构，可以对入射电磁波进行任意的调控，从而实现天线高增益的辐射，因此超构表面天线具有高增益、小型化和易加工的特点。
目前超构表面天线的研究重点是在透镜天线中，利用超构表面的梯度特性实现对馈源天线辐射波的聚焦，从而实现高增益辐射。但透镜天线的剖面相对较高，不利于未来机载无线电系统中的应用，且工程上对低剖面的超构表面天线研究较少，因此，提出了基于H面喇叭馈电的低剖面高增益超构表面天线。
发明内容
本发明的目的在于提供了基于H面喇叭馈电的低剖面高增益超构表面天线；其为低剖面天线提供一种可行的设计方案，旨在解决传统反射面天线体积笨重和微带阵列天线造价高昂的问题。
为了达到上述目的，本发明技术方案如下：
基于H面喇叭馈电的超构表面天线，包括馈电结构和超构表面，所述馈电结构与所述超构表面放置在同一个平面内，使得天线剖面大大降低；且所述超构表面一端嵌入所述馈电结构的H面喇叭中一段距离；所述馈电结构将电磁波打入所述超构表面上，所述超构表面调制电磁波从而实现高效辐射。
进一步的，所述馈电结构包括SMA结构、矩形波导和H面喇叭，所述SMA结构的内芯深入所述矩形波导内部，用于馈送电磁波能量；所述矩形波导为具有容纳空间的半边开口结构，所述H面喇叭为两端开口的喇叭结构，其短边开口连接于所述矩形波导的开口端，且两者内部容纳空间相互连通，用于传输电磁能量，同时H面喇叭的长边开口与所述超构表面连接，用于辐射电磁能量。
更进一步的，所述SMA结构包括金属内芯、金属外壳和绝缘介质，所述金属内芯穿过所述矩形波导的上壁伸入到所述矩形波导的内部，用于给所述矩形波导进行馈电；所述金属外壳与所述矩形波导的上表面固定连接，所述绝缘介质用于将金属内芯与金属外壳隔离开，避免短路。
进一步的，所述H面喇叭的两侧在长边处各有一个切口，用于放置所述超构表面，进行阻抗匹配，通过一小段过渡段来匹配H面喇叭和超构表面之间的阻抗值。
进一步的，所述矩形波导和H面喇叭内部容纳空间填充有空气。
进一步的，所述矩形波导的厚度和所述H面喇叭的厚度相同，整体高度一致。
进一步的，所述超构表面包括若干超构表面单元、介质基板和金属地面，若干所述超构表面单元置于所述介质基板的上表面，所述金属地面置于所述介质基板的下表面；所述介质基板的一端部从所述H面喇叭中两侧壁的缺口处嵌入H面喇叭内部一段距离，且所述介质基板自身相对于所述馈电结构的中轴线呈现对称分布。
进一步的，所述超构表面单元包括不同尺寸的第一单元结构、第二单元结构和第三单元结构，所述第一单元结构、第二单元结构和第三单元结构依次排列组成一个阵列，若干个阵列周期均匀设置在介质基板上，形成相位梯度。
进一步的，所述第一单元结构、第二单元结构和第三单元结构皆为笔刷状结构，且相邻单元结构之间的距离相同；第一单元结构、第二单元结构和第三单元结构的不同之处在于细臂的长度，细臂长度依次递减。
本发明的有益效果：本发明提供的基于H面喇叭馈电的超构表面天线，结构简单且易加工，能够产生较高的定向性；采用H面喇叭作为馈源结构，相较于现有的矩形波导馈源，馈电效率更大且剖面相对降低，相较于其他馈电结构形式相对简单；通过SMA结构馈送电磁波能量、矩形波导传送能量、H面喇叭增强辐射能量，形成了一个更加高效的馈电结构。具有相位梯度的超构表面可以产生异常的反射波，从馈电结构中辐射出来的电磁波入射到所述超构表面上，超构表面本身的相位梯度可以将电磁波调控到垂直向上辐射，从而起到降低剖面的效果并具有高定向性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的基于H面喇叭馈电的超构表面天线的俯视图；
图2是本发明提供的基于H面喇叭馈电的超构表面天线的仰视图；
图3是本发明提供的基于H面喇叭馈电的超构表面天线的侧视图；
图4是本发明提供的基于H面喇叭馈电的超构表面天线的单元结构示意图；
图5是图4超构表面单元单元的反射相位曲线图；
图6是本发明提供的基于H面喇叭馈电的超构表面天线的反射系数图；
图7是本发明提供的基于H面喇叭馈电的超构表面天线在7.0GHz下E面的方向图；
图8是本发明提供的基于H面喇叭馈电的超构表面天线在7.5GHz下E面的方向图；
图9是本发明提供的基于H面喇叭馈电的超构表面天线在8.0GHz下E面的方向图；
图10是本发明提供的基于H面喇叭馈电的超构表面天线在8.5GHz下E面的方向图；
图11是本发明提供的基于H面喇叭馈电的超构表面天线在9.0GHz下E面的方向图；
图12是本发明提供的基于H面喇叭馈电的超构表面天线的增益图；
图中，1-SMA结构、2-矩形波导、3-H面喇叭、4-超构表面单元、5-介质基板、6-金属地面、41-第一单元结构、42-第二单元结构、43-第三单元结构。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对发明的限制。此外，在发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
如图1至图4所示，基于H面喇叭馈电的超构表面天线，包括馈电结构和超构表面，所述馈电结构与所述超构表面放置在同一个平面内，且所述超构表面一端嵌入所述馈电结构的H面喇叭中一段距离；所述馈电结构将电磁波打入所述超构表面上，所述超构表面调制电磁波从而实现高效辐射。所述馈电结构包括SMA结构1、矩形波导2和H面喇叭3，所述SMA结构1的内芯深入所述矩形波导内部，用于馈送电磁波能量；所述矩形波导2为具有容纳空间的半边开口结构，所述H面喇叭3为两端开口的喇叭结构，其短边开口连接于所述矩形波导2的开口端，且两者内部容纳空间相互连通，用于传输电磁能量，同时H面喇叭3的长边开口与所述超构表面连接，用于辐射电磁能量；H面喇叭3的两侧在长边处各有一个切口，用于放置所述超构表面，进行阻抗匹配。所述SMA结构1为一个同轴线形式，是一种双导体结构，传输的电磁波的主模为TEM模式；所述矩形波导2是一个常规的单端开口波导，是一种单导体结构，传输的电磁波的主模为TE10模式；通过调整所述SMA结构1的位置及金属内芯的长度进行阻抗匹配，从而实现所述SMA结构1给所述矩形波导2进行馈电过程中的模式转换。
在一个实施例中，如图3所示，所述SMA结构1位于所述矩形波导2的上表面，SMA结构1包括金属内芯、金属外壳和绝缘介质，所述金属内芯穿过所述矩形波导2的上壁伸入到所述矩形波导2的内部，用于给所述矩形波导2进行馈电；所述金属外壳与所述矩形波导2的上表面固定连接，所述绝缘介质用于将金属内芯与金属外壳隔离开，避免短路。
在一个实施例中，所述H面喇叭3的侧壁开口角度为45°。所述H面喇叭3的短边开口处的长度、宽度和厚度均与所述矩形波导2一致。所述H面喇叭3的侧壁长度与所述馈电结构的方向性密切相关，影响超构表面单元的辐射效率，调整两侧壁的长度为28mm。且靠近长边开口处的两侧壁分别有一个长为12mm的矩形缺口，用于放置所述超构表面并进行阻抗匹配，通过一小段过渡段来匹配H面喇叭和超构表面之间的阻抗值。
在一个实施例中，所述超构表面是由121个超构表面单元4、介质基板5和金属地面6组成的一种反射型相位梯度超构表面。121个所述超构表面单元4与介质基板5固定连接并置于所述介质基板5的上表面，所述金属地面6与所述介质基板5固定连接并置于所述介质基板5的下表面；所述介质基板5的一端部从所述H面喇叭3中两侧壁的缺口处嵌入H面喇叭3内部一段距离并放置在所述H面喇叭3的下底板上，且所述介质基板5自身相对于所述馈电结构的中轴线呈现对称分布，所述金属地面6与所述H面喇叭3的下底板固定连接；所述H面喇叭3辐射出来的电磁波用于激励所述超构表面单元4。
如图4所示，所述超构表面单元4包括第一单元结构41、第二单元结构42和第三单元结构43，三个单元结构41、42、43依次排列组成一个阵列，141个阵列周期均匀设置在介质基板上，形成相位梯度。三个单元结构41、42、43为形状相同、臂的长度不同的笔刷状结构，相邻单元结构之间的反射系数相位差为120°，且反射系数幅值接近于1。由于超构表面的相位梯度决定天线结构的辐射方向，而超构表面的反射系数幅值决定天线结构的辐射功率。本实施例的超构表面是先用金属地面保证超构表面的反射系数幅值接近1，再调整超构表面的相位梯度。
其中，所述超构表面单元4的辐射除了与馈电结构有关，与其本身的单元排列方式也密切相关。超构表面单元的设计理论是广义斯奈尔定律，通过改变阵列的相位梯度，来改变超构表面的谐振频点和辐射电磁波的波束角度。所述超构表面的相位梯度的改变是通过改变所述超构表面单元4的尺寸实现，且所述超构表面的单元结构4之间的间距与单元之间的耦合相关，从而也对单元辐射产生影响。本实施例设计的单元结构的尺寸为12mm，周期为36mm，超构表面的相位梯度为横向，纵向无梯度。
其中，所有金属皆采用电导率为5.96e+7s/m的铜。
其中，所述SMA结构的内芯长度为8mm，距离所述矩形波导的短路侧8mm。
其中，所述矩形波导的厚度为1mm，外宽度为30mm，外高度为15mm，长度为40mm。
其中，所述介质基板得到长度为150mm，宽度为120mm，高度为3mm。
其中，所述介质基板为FR4，介电常数为4.3，损耗角正切值为0.025。
其中，所述金属地面的大小与所述介质基板一致，厚度为0.035mm。
如图4所示，三个结构单元41、42、43的不同之处在于细臂的长度，细臂长度依次递减。图5是6GHz~10GHz的频率范围内所述第一单元结构41、所述第二单元结构42和所述第三单元结构43的反射系数相位分布图，该反射系数相位是在垂直入射波束下测量得到。从图5的对应关系可以看出，细臂的长度影响单元结构的反射系数相位，且三个结构单元之间的相位差约为120°。超构表面固定的相位差加上固定的间距从而使得炒股表面的相位梯度也固定，形成一个稳定的辐射方向。由于金属地面的存在，超构表面的反射系数幅值接近1。
图6为本发明提供的基于H面喇叭馈电的超构表面天线在6GHz~10GHz的频率范围内的反射系数图。可以看到，本实施例中的天线在6.8GHz~9.2GHz频率范围内的反射系数小于-10dB，其相对带宽约为30%，属于一种超宽带天线。天线的反射系数主要有馈电结构决定，但也与超构表面有微弱的关系。天线的反射系数代表电磁波能量反射的多少，对于天线结构希望反射系数值越小越好。
图7-图11分别为本发明提供的基于H面喇叭馈电的超构表面天线在7.0GHz、7.5GHz、8.0GHz、8.5GHz和9.0GHz五个频点处的E面方向图。这五个频点正好覆盖天线的阻抗带宽，从图中可以看出，天线的方向图具有单向辐射的特性，且随着频点的不同最大辐射方向会发生微弱的扫描。具备相位梯度超构表面的独特性质。
图12为本发明提供的基于H面喇叭馈电的超构表面天线在6GHz~10GHz的频率范围内的实际增益图，步进值为0.5GHz。从图中可以看出，天线的实际增益在阻抗带宽范围内都大于11dBi，且在8GHz时有最大实际增益达13.2dBi。本实施例在不保证天线增益更大的同时减小了天线的剖面。
本发明提供的种基于H面喇叭馈电的超构表面天线。馈电结构是通过对矩形波导进行改进，在矩形波导后接一个H面喇叭实现的，这样可以通过增加馈电结构的定向性而实现更大的馈电效率；超构表面是通过广义斯奈尔定律设计的一个新的单元结构，该单元结构具有超带宽、高效辐射的优点。且设计的相位梯度可以使水平入射而来的电磁波往垂直方向辐射，通过改变超构表面相邻单元结构之间的相位差可以调整天线的辐射方向。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。
Claims (8)
1.基于H面喇叭馈电的超构表面天线，其特征在于，包括馈电结构和超构表面，所述馈电结构包括SMA结构、矩形波导和H面喇叭，所述SMA结构的内芯深入所述矩形波导内部，所述矩形波导为具有容纳空间的半边开口结构，所述H面喇叭为两端开口的喇叭结构，其短边开口连接于所述矩形波导的开口端，且两者内部容纳空间相互连通；所述超构表面包括若干超构表面单元、介质基板和金属地面，若干所述超构表面单元置于所述介质基板的上表面，所述金属地面置于所述介质基板的下表面；所述介质基板的一端部从所述H面喇叭中两侧壁的缺口处嵌入H面喇叭内部一段距离，且所述介质基板自身相对于所述馈电结构的中轴线呈现对称分布。
2.如权利要求1所述的基于H面喇叭馈电的超构表面天线，其特征在于，所述SMA结构包括金属内芯、金属外壳和绝缘介质，所述金属内芯穿过所述矩形波导的上壁伸入到所述矩形波导的内部，用于给所述矩形波导进行馈电；所述金属外壳与所述矩形波导的上表面固定连接，所述绝缘介质用于将金属内芯与金属外壳隔离开，避免短路。
3.如权利要求1所述的基于H面喇叭馈电的超构表面天线，其特征在于，所述H面喇叭的两侧在长边处各有一个切口，用于放置所述超构表面，进行阻抗匹配，通过一小段过渡段来匹配H面喇叭和超构表面之间的阻抗值。
4.如权利要求1或3所述的基于H面喇叭馈电的超构表面天线，其特征在于，所述H面喇叭的侧壁开口角度为45°。
5.如权利要求1所述的基于H面喇叭馈电的超构表面天线，其特征在于，所述矩形波导和H面喇叭内部容纳空间填充有空气。
6.如权利要求1或5所述的基于H面喇叭馈电的超构表面天线，其特征在于，所述矩形波导的厚度和所述H面喇叭的厚度相同，整体高度一致。
7.如权利要求1所述的基于H面喇叭馈电的超构表面天线，其特征在于，所述超构表面单元包括不同尺寸的第一单元结构、第二单元结构和第三单元结构，所述第一单元结构、第二单元结构和第三单元结构依次排列组成一个阵列，若干个阵列周期均匀设置在介质基板上，形成相位梯度。
8.如权利要求7所述的基于H面喇叭馈电的超构表面天线，其特征在于，所述第一单元结构、第二单元结构和第三单元结构皆为笔刷状结构，且相邻单元结构之间的距离相同；第一单元结构、第二单元结构和第三单元结构的不同之处在于细臂的长度，细臂长度依次递减。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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