CN115084845A - 一种宽带法布里-珀罗谐振腔天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种宽带法布里‑珀罗谐振腔天线，包括通过介质支撑件支撑的上下排布的部分反射表面和馈源，以及辐射体；部分反射表面由呈蜂窝状排布的多个部分反射单元拼接而成；馈源包括介质基板、印制在介质基板上、下表面的金属地板、微带馈线，金属地板上蚀刻有馈电缝隙；辐射体包括辐射介质基板以及印制在其下表面的寄生贴片，该辐射体固定在部分反射表面与馈源所形成的腔体内。本发明包含的部分反射表面能够缓解高频段增益的骤降，且辐射结构可以提供向高频处平缓增加的增益，均提高了天线的增益带宽；微带馈线的上方设置的辐射体中的寄生贴片与金属地板之间存在空气带隙，可以较好地抑制表面波激励，从而有利于提高天线的阻抗带宽。

Description

一种宽带法布里-珀罗谐振腔天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，涉及一种法布里-珀罗谐振腔天线，具体涉及一种增益平坦的宽带法布里-珀罗谐振腔天线，可用于卫星通信及雷达系统。
背景技术
在卫星通信以及雷达系统中，相比传统高增益天线，法布里-珀罗谐振腔在高增益、高效率、结构简单、低剖面、无需复杂馈电网络，易于制造等方面具有显著优势，因此通常采用法布里-珀罗谐振腔提高天线的增益。但由于谐振腔结构天线固有的窄带特性，限制了在实际生活中的应用；且由于采用单层部分反射表面拓宽带宽后，谐振腔天线的增益不稳定，导致增益带宽较窄。
法布里-珀罗谐振腔天线由具有金属地板的馈源和部分反射表面两部分组成。部分反射表面与地板由于存在空气带隙会形成一个谐振腔，并当两者之间的距离满足谐振条件所要求的值时，从馈源天线辐射出去的电磁波会一部分通过部分反射表面向外透射，另一部分则继续在谐振腔内反射，而经过多次反射的电磁波则会在部分反射表面外表面上实现同相位叠加，从而提高馈源天线的增益。但采用正相位梯度的部分反射表面拓展天线带宽时，由于部分反射表面在高频段反射相位骤降，导致法布里-珀罗谐振腔天线高频处的增益骤降，因此如何拓宽其3dB增益带宽和阻抗带宽是对设计者的一种挑战。
为了解决上述带宽窄的问题，研究人员提出不少解决方法。例如Y.Guan,Y.-C.Jiao,J.Tian,X.Liu and Z.Cao在Cross Strait Radio Science&Wireless TechnologyConference(CSRSWTC),pp.1-3,doi:10.1109,2021上发表的论文"Wideband Fabry-PerotResonator Antenna Employing Single Layer Partially Reflective Surface"中，提出了一种工作在8.4-11.2GHz频段内的宽带法布里-珀罗谐振腔天线。其馈源采用缝隙耦合贴片天线，且在介质基板上、下分别蚀刻正六边形贴片、正六边形孔径和六脚分支组合作为部分反射表面，以产生一个更宽范围的正相位梯度，提高天线的增益带宽。但该发明部分反射表面的反射相位在高频段下降较快，导致天线高频段增益下降，稳定性较差，且因为其馈源的辐射性能和部分反射表面的反射性能较差，导致带宽较窄，其3dB增益带宽和阻抗带宽均只有28％。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种单层PRS结构的增益平坦的宽带法布里-珀罗谐振腔天线，用于解决现有技术中存在的因高频段增益下降导致的稳定性较差，以及工作带宽较窄的技术问题。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案包括通过介质支撑件支撑的上下排布的部分反射表面1和馈源2，以及辐射体3；所述部分反射表面1由呈蜂窝状排布的多个部分反射单元拼接而成；所述馈源2包括介质基板21、印制在介质基板21上、下表面的金属地板22、微带馈线23，所述金属地板22上蚀刻有馈电缝隙；所述辐射体3包括辐射介质基板31以及印制在其下表面的寄生贴片32，该辐射体3固定在部分反射表面1与馈源2所形成的腔体内，其特征在于：
所述部分反射单元，包括板面形状为正六边形的反射介质基板11、印制在其上表面的圆形金属贴片12和下表面的三孔径贴片13，所述三孔径贴片采用由中心带有圆形孔径的正六边形金属贴片和位于圆形孔径内的三脚分支组成的复合结构，所述三脚分支的三个支节关于正六边形金属贴片的中心旋转对称，且相邻支节相隔120°，该三个支节的自由端分别与正六边形金属贴片的三个顶点相连；所述寄生贴32上蚀刻有井字形缝隙，该井字形缝隙将所述寄生贴片32划分为9个矩形单元；
上述一种实现宽带法布里-珀罗谐振腔天线，所述射介质基板11，其上表面印制的圆形金属贴片12的中心，以及下表面印制的三脚分支的中心，位于反射介质基板11的中心法线上；
上述一种实现宽带法布里-珀罗谐振腔天线，所述三孔径贴片，其所包含的三脚分支包括位于中心的圆形贴片和与该圆形贴片连接的三个梭形支节；
上述一种实现宽带法布里-珀罗谐振腔天线，所述寄生贴片32，其上通过井字形缝隙所划分得9个矩形单元中，中间的单元为正方形，其余8个单元为长方形；
上述一种实现宽带法布里-珀罗谐振腔天线，所述辐射介质基板31，通过介质支撑固定在介质基板21上，且该辐射介质基板31、介质基板21和部分反射表面1的中心法线重合；
上述一种实现宽带法布里-珀罗谐振腔天线，所述微带馈线23，采用一分二的馈线结构；所述金属地板22，其上蚀刻的馈电缝隙的形状为长方形，且该馈电缝隙位于该金属地板的中心；所述微带馈线23与馈电缝隙在空间上垂直交叉；
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1.本发明所采用的部分反射表面由呈蜂窝状排布的多个部分反射单元拼接而成，每个部分反射单元包括板面形状为正六边形的反射介质基板、印制在其上表面的圆形金属贴片和下表面的三孔径贴片，形成任意一个单元周围均有六个相同单元围绕的机构形式，因此单元之间的排列更加紧密，耦合更强，在更宽的频率范围内获得了正相位梯度，进而拓宽了天线的3dB增益带宽和阻抗带宽。
2.本发明由于采用蚀刻有井字形缝隙的寄生贴片，划分为9个矩形贴片，贴片间相互耦合作用提供了一个增益由低频向高频平缓增加的馈源辐射，高频处增益的提高缓解了此类采用部分反射表面的宽带法布里-珀罗谐振腔天线在高频处增益的骤降，提升了稳定性，进一步拓宽了天线的增益带宽。
附图说明
图1为本发明实施例的整体结构示意图；
图2为本发明实施例的部分反射表面的俯视图；
图3为本发明实施例的部分反射表面的仰视图；
图4为本发明实施例的部分反射表面单元以及三孔径贴片的结构示意图；
图5为本发明实施例的金属地板和微带馈线的结构示意图；
图6为本发明实施例的寄生贴片的结构示意图；
图7为本发明和馈源反射系数的仿真曲线图；
图8为本发明和馈源结构的增益随频率变化曲线图；
图9为本发明在E面和H面的辐射方向图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述。
参照图1、图2和图3，本发明包括包括通过介质支撑件支撑的上下排布的部分反射表面1和馈源2，以及辐射体3；所述馈源2包括介质基板21、印制在介质基板21上、下表面的金属地板22、微带馈线23；所述辐射体3包括辐射介质基板31以及印制在其下表面的寄生贴片32，该辐射体3固定在部分反射表面1与馈源2所形成的腔体内。
所述部分反射表面1与馈源2之间的距离为16mm，馈源2与辐射体3之间的距离为2.3mm。部分反射表面1与馈源2之间的介质支撑件，以及馈源2与辐射体3之间的的介质支撑件均采用尼龙柱。所述部分反射表面1由呈蜂窝状排布的多个部分反射单元拼接而成，用于提高法布里-珀罗谐振腔天线的增益；部分反射表面1、和介质基板21采用的边长为67mm，辐射介质基板31采用的边长为25mm，三者采用的厚度均为1mm，相对介电常数均为2.2的方形板材。
所述辐射介质基板31，通过介质支撑固定在介质基板21上，且该辐射介质基板31、介质基板21和部分反射表面1的中心法线重合。
参照图4(a)，所述部分反射单元，包括板面形状为正六边形的反射介质基板11、印制在其上表面的圆形金属贴片12和下表面的三孔径贴片13；正六边形的反射介质基板11的边长为5.5mm；圆形金属贴片12的半径R1为4.1mm；所述三孔径贴片13，其结构如图4(b)所示，采用由中心带有圆形孔径的正六边形金属贴片和位于圆形孔径内的三脚分支组成的复合结构，所述三脚分支包括位于中心的圆形贴片和与该圆形贴片连接的三个梭形支节，所述三脚分支的三个支节关于正六边形金属贴片的中心旋转对称，且相邻支节相隔120°，圆形金属贴片12的中心以及三脚分支的中心，位于反射介质基板11的中心法线上。正六边形金属贴片的边长P为5.5mm，圆形孔径的半径R2为4.6mm，三脚分支的中心圆半径R3为1mm，三脚分支的中心宽度W1为0.6mm。该三个支节的自由端分别与正六边形金属贴片的三个顶点相连；所述圆形孔径的作用是增强单元之间的耦合性，提高部分反射表面的反射性能，三脚分支的作用是延长电流的流通路径，以缩减单元的尺寸，实现天线的小型化。
参照图5(a)，所述金属地板22，其上蚀刻有长方形馈电缝隙，且该馈电缝隙位于该金属地板的中心，该馈电缝隙耦合了微带馈线23和寄生贴片32，拓展了天线的阻抗带宽，馈电缝隙短边WS为2mm，长边LS为8.5mm；所述金属地板22与部分反射表面1之间构成了谐振腔，使电磁波在腔体内不断反射，最终将馈源3的辐射波同向叠加到一个方向上来提高天线的增益；所述金属地板22；
参照图5(b)，所述微带馈线23，采用一分二的馈线结构，共分为四段，第一段宽微带馈线的长度L1为10mm，宽度W2为2.75，第二段中等宽微带馈线长度L2为10.6mm，宽度W3为2.3mm，第三段连接处微带馈线长度L3为3.7mm，宽度W4为1.1mm，第四段窄微带馈线长度L4为16.7mm，宽度W5为1.2mm；该微带馈线23既可传输射频信号，又可调节法布里-珀罗谐振腔天线的阻抗匹配。只有当天线的馈电单元阻抗匹配时，天线的辐射性能和辐射效率才会得到提高；所述微带馈线23与金属地板22上蚀刻的长方形馈电缝隙在空间上垂直交叉。
参照图6，所述寄生贴32，其上蚀刻有井字形缝隙，该井字形缝隙将所述寄生贴片32划分为9个矩形单元；该9个矩形贴片间相互耦合作用，为法布里-珀罗谐振腔天线提供了较为平稳的辐射，寄生贴片32与金属地板22之间存在空气带隙，以抑制天线的表面波激励；所述寄生贴片32中，中心贴片的边长WP为8.7mm，四角贴片的短边长WP3为4.5mm，长边长WP2为5.8mm；
所述寄生贴片32，其上通过井字形缝隙所划分得9个矩形单元中，中间的单元为正方形，其余8个单元为长方形。
以下结合仿真实验，对本发明的技术效果作进一步说明：
1.仿真条件和内容：
仿真1，利用商业仿真软件HFSS_15.0对本发明的反射系数进行仿真，其结果如图7所示。
仿真2，利用商业仿真软件HFSS_15.0对本发明天线的增益随频率变化进行仿真计算，结果如图8所示。
仿真3,利用商业仿真软件HFSS_15.0对本发明天线的增益随角度变化进行仿真计算，结果如图9所示。
2.仿真结果分析：
参照图7，在7.96.5-11.04GHz内，本发明天线的的反射系数幅度小于-10dB，其相对带宽为32.4％，说明在此频段内有较好的阻抗匹配。
参照图8，本发明天线的3dB增益带宽为7.96-11.04GHz，相对带宽为32.4％，整个工作频带内增益稳定，法布里-珀罗谐振腔天线的最高增益为13.67dBi。
参照图9，其中图9(a)为实施例天线在8GHz的E面和H面辐射方向图，图9(b)为实施例天线在9GHz的E面和H面辐射方向图，图9(c)为实施例天线在10.5GHz时的E面和H面辐射方向图。
从图9(a)可见，本发明实施例天线工作在8GHz时，其E面和H面辐射方向图的最大辐射方向在0度，其副瓣电平低于-30dB。
从图9(b)可见，本发明实施例天线工作在9GHz时，其E面和H面辐射方向图的最大辐射方向在0度，其副瓣电平低于-20dB。
从图9(c)可见，本发明实施例天线工作在10.5GHz时，其E面和H面辐射方向图的最大辐射方向在0度，其副瓣电平低于-25dB。
以上仿真结果说明，本发明天线在使用此部分反射表面1时，阻抗带宽以及3dB增益带宽均得到了较大的展宽，最大辐射方向的增益也得到了明显提高，且其拥有良好的辐射方向图。

Claims (6)

1.一种宽带法布里-珀罗谐振腔天线，包括通过介质支撑件支撑的上下排布的部分反射表面(1)和馈源(2)，以及辐射体(3)；所述部分反射表面(1)由呈蜂窝状排布的多个部分反射单元拼接而成；所述馈源(2)包括介质基板(21)、印制在介质基板(21)上、下表面的金属地板(22)、微带馈线(23)，所述金属地板(22)上蚀刻有馈电缝隙；所述辐射体(3)包括辐射介质基板(31)以及印制在其下表面的寄生贴片(32)，该辐射体(3)固定在部分反射表面(1)与馈源(2)所形成的腔体内，其特征在于：
所述部分反射单元，包括板面形状为正六边形的反射介质基板(11)、印制在其上表面的圆形金属贴片(12)和下表面的三孔径贴片(13)，所述三孔径贴片采用由中心带有圆形孔径的正六边形金属贴片和位于圆形孔径内的三脚分支组成的复合结构，所述三脚分支的三个支节关于正六边形金属贴片的中心旋转对称，且相邻支节相隔120°，该三个支节的自由端分别与正六边形金属贴片的三个顶点相连；所述寄生贴片(32)上蚀刻有井字形缝隙，该井字形缝隙将所述寄生贴片(32)划分为9个矩形单元。
2.根据权利要求1所述的一种宽带法布里-珀罗谐振腔天线，其特征在于，所述反射介质基板(11)，其上表面印制的圆形金属贴片(12)的中心，以及下表面印制的三脚分支的中心，位于反射介质基板(11)的中心法线上。
3.根据权利要求1所述的一种宽带法布里-珀罗谐振腔天线，其特征在于，所述三孔径贴片(13)，其所包含的三脚分支包括位于中心的圆形贴片和与该圆形贴片连接的三个梭形支节。
4.根据权利要求1所述的一种宽带法布里-珀罗谐振腔天线，其特征在于，所述寄生贴片(32)，其上通过井字形缝隙所划分得9个矩形单元中，中间的单元为正方形，其余8个单元为长方形。
5.根据权利要求1所述的一种宽带法布里-珀罗谐振腔天线，其特征在于，所述辐射介质基板(31)，通过介质支撑固定在介质基板(21)上，且该辐射介质基板(31)、介质基板(21)和部分反射表面(1)的中心法线重合。
6.根据权利要求1所述的一种宽带法布里-珀罗谐振腔天线，其特征在于，所述微带馈线(23)，采用一分二的馈线结构；所述金属地板(22)，其上蚀刻的馈电缝隙的形状为长方形，且该馈电缝隙位于该金属地板(22)的中心；所述微带馈线(23)与馈电缝隙在空间上垂直交叉。
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