CN116191048B - 一种电磁环境测量天线 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种电磁环境测量天线,属于无线电监测工作领域。所述电磁环境测量天线包括:介质基板、馈电结构和多个超表面单元;多个超表面单元呈阵列式布置在所述介质基板的上表面形成超表面单元阵列;所述馈电结构设置在所述介质基板的下表面;所述馈电结构包括T型金属贴片和开设在所述T型金属贴片上的T型环缝;所述T型环缝由横向第一开口和纵向第二开口构成;所述超表面单元阵列的中心点与第一开口的中心点重合。本发明提供的电磁环境测量天线有异于传统的喇叭天线和抛面天线,不仅具有双频带特性,具有较宽的带宽,更重要的是其馈电结构小,传输效率高,且天线整体结构呈现出规则的立体状态,低剖面,整体尺寸小,节省了机箱的空间。
Description
技术领域
本发明涉及无线电监测工作领域,具体地涉及一种电磁环境测量天线。
背景技术
随着电子技术的迅速发展,现代电力电子装备多是机-电-仪一体化技术与自动控制技术紧密结合的产物,其电磁敏感度越来越高,而机箱内复杂电磁环境(EME)能使其性能降低、损伤甚至爆炸,再者由于广泛的电磁波使用,致使一些频率的背景噪声大幅提高,严重的可能引起电磁环境整个频段的恶化。电磁环境从最初的射频干扰(RFI)到电磁干扰(EMI)、电磁兼容(EMC),直到现在的电磁环境效应(E3),为了确保机箱内部的电磁环境中共存的部件及元器件正常工作而相互影响在容许的范围内,实现评估系统在复杂电磁环境下的适应和生存能力,最直接有效的方法是对系统在复杂电磁环境下进行测试。
电磁环境测量系统目前已由全手动测试系统发展为自动测试系统。自动测试系统由硬件和软件部分组成。硬件部分由频谱分析仪、低噪声放大器、微波接收天线、计算机、转台控制器和转台等设备组成。使用自动测试系统开展电磁环境测试工作时,只需输入少量参数,就可以自动的完成电磁兼容分析及电磁环境测试,可以大大减轻工作量,提高测试的准确性和一致性。天线是辐射和接收电磁波的变换装置,辐射干扰和场强的测量系统离不开天线,电磁环境测量用到的天线有:有线天线(3GHz以下),喇叭天线(2GHz以上)和抛物面天线(1GHz以上)。
为了实现设备小型化、便携的特点,要求机箱内电子设备高度集成化,那么天线的结构尺寸必须趋于小型化,而现有的抛物面和喇叭天线尽管拥有高增益、宽带宽等方面的优势,但其设计结构较为复杂,而且结构尺寸过大,占据机箱的体积较大。
发明内容
本发明实施方式的目的是提供一种电磁环境测量天线,该天线结构简单,超表面单元具有频率选择特性,本身对电磁波而言相当于一个具有带通或带阻特性的滤波器,会对电磁波会产生选择性通过的作用,可以有效的实现机箱内电磁波的测量;此外超表面能够在特定的频段实现电磁波的部分反射,使得透射出来的电磁波实现同相位叠加,从而提高了天线的增益;馈电结构与参考地面处于同一平面,使得天线的尺寸减小,极大的缩减了天线在机箱内所占空间,且该馈电结构有效的激发了所需频率天线的模态。
为了实现上述目的,本发明第一方面提供一种电磁环境测量天线,所述电磁环境测量天线包括:介质基板、馈电结构和多个超表面单元;多个超表面单元呈阵列式布置在所述介质基板的上表面形成超表面单元阵列;所述馈电结构设置在所述介质基板的下表面;所述馈电结构包括T型金属贴片和开设在所述T型金属贴片上的T型环缝;所述T型环缝由横向的第一开口和纵向的第二开口构成;所述超表面单元阵列的中心点与第一开口的中心点重合。
在本申请实施例中,所述超表面单元为具有两个对称设置的异形开口的圆形金属片,所述异形开口的中心线与水平面之间具有夹角30度-75度。
在本申请实施例中,所述异形开口的中心线与水平面之间的夹角为45度。
在本申请实施例中,所述异形开口为喇叭状开口。
在本申请实施例中,所述喇叭状开口由作为开口大端的底边、作为开口小端的矩形部和矩形部与底边之间的两条弧形腰构成,两个喇叭状开口的底边相对设置。
在本申请实施例中,所述矩形部的两条对边之间的间距为2-2.5mm。
在本申请实施例中,所述超表面单元为n*n个,n≥4。
在本申请实施例中,所述超表面单元为16个,所述超表面单元阵列为4*4的阵列。
在本申请实施例中,所述介质基板为由Rogers RO4003c材料制成的介质基板。
在本申请实施例中,所述介质基板的厚度为1.2-3.6mm。
通过上述技术方案,提供一种小型化环缝馈电超表面天线,有异于传统的喇叭天线和抛面天线,不仅具有双频带特性,具有较宽的带宽,更重要的是其馈电结构小,传输效率高,且天线整体结构呈现出规则的立体状态,低剖面,整体尺寸小,节省了机箱的空间。
本发明实施方式的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明实施方式的进一步理解,并且构成说明书的一部分,与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施方式,但并不构成对本发明实施方式的限制。在附图中:
图1是本发明一种实施方式提供的电磁环境测量天线立体示意图;
图2是本发明一种实施方式提供的电磁环境测量天线上表面示意图;
图3是本发明一种实施方式提供的电磁环境测量天线下表面示意图;
图4是本发明一种实施方式提供的电磁环境测量天线中的超表面单元放大示意图;
图5是本发明实施例一提供的电磁环境测量天线回波损耗特性(S11)曲线图;
图6是本发明实施例一提供的电磁环境测量天线输入阻抗(Z11)曲线图;
图7是本发明实施例一提供的电磁环境测量天线电压驻波比(VSWR)曲线图;
图8是本发明实施例一提供的电磁环境测量天线增益曲线图;
图9是本发明实施例二提供的电磁环境测量天线上表面示意图。
附图标记说明
1-介质基板,2-超表面单元,21-圆形金属片,22-异形开口,221-底边,222-弧形腰,223-矩形部,3-馈电结构,31-T型金属贴片,32-T型环缝,321-第一开口,322-第二开口。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是,此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明,并不用于限制本发明。
在本申请实施例中,在未作相反说明的情况下,使用的方位词如“上、下、左、右”通常是指基于附图所示的方位或位置关系,或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系。
术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述,而不能理解为指示或暗示相对重要性。
术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平、竖直或悬垂,而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平,并不是表示该结构一定要完全水平,而是可以稍微倾斜。
此外,“大致”、“基本”等用语旨在说明相关内容并不是要求绝对的精确,而是可以有一定的偏差。例如:“大致相等”并不仅仅表示绝对的相等,由于实际生产、操作过程中,难以做到绝对的“相等”,一般都存在一定的偏差。因此,除了绝对相等之外,“大致等于”还包括上述的存在一定偏差的情况。以此为例,其他情况下,除非有特别说明,“大致”、“基本”等用语均为与上述类似的含义。
在本申请的描述中,还需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
实施例一
本实施例提供一种电磁环境测量天线,如图1-图4所示,所述电磁环境测量天线包括:介质基板1、馈电结构3和多个超表面单元2;多个超表面单元2呈阵列式布置在所述介质基板1的上表面形成超表面单元阵列;所述馈电结构3设置在所述介质基板1的下表面;所述馈电结构3包括T型金属贴片31和开设在所述T型金属贴片31上的T型环缝32;所述T型环缝32由横向的第一开口321和纵向的第二开口322构成;所述超表面单元阵列的中心点与第一开口321的中心点重合。超表面单元2能够向空中辐射能量,T型环缝32能够接收并输入能量。超表面具有频率选择特性,本身对电磁波而言相当于一个具有带通或带阻特性的滤波器,会对电磁波会产生选择性通过的作用,这样可以有效的实现机箱内电磁波的测量。此外超表面能够在特定的频段实现电磁波的部分反射,使得透射出来的电磁波实现同相位叠加,从而提高了天线的增益。更重要的是,本设计中使用于馈电的缝隙天线和参考地面处于同一平面,使得天线的尺寸减小,极大的缩减了天线在机箱内所占空间。且该馈电结构有效的激发了所需频率天线的模态。
在本申请实施例中,所述超表面单元2为具有两个对称设置的异形开口22的圆形金属片21。
在本申请实施例中,所述异形开口22为喇叭状开口。
在本申请实施例中,所述喇叭状开口由作为开口大端的底边221、作为开口小端的矩形部223和矩形部223与底边221之间的两条弧形腰222构成,两个喇叭状开口的底边221相对设置。
在本实施例中,所述矩形部223的两条对边之间的间距为2.5mm,异形开口22的中心线与水平面之间的角度为45°,所述超表面单元2为16个,16个超表面单元2按4*4的阵列进行排列。
在本申请实施例中,所述介质基板1为由Rogers RO4003c材料制成的介质基板,所述介质基板1的厚度为2.4mm。Rogers RO4003c材料相对介电常数为3.55。本实施例中,介质基板的整体尺寸为57mm×57mm×2.4mm,圆形金属片21的直径为8mm,两个异形开口22之间的间距为2mm,异形开口22的两条弧形腰222的直径为6.5mm;T型金属贴片的“横”长16mm,“横”宽2.2mm;T型金属贴片的“竖”宽1.2mm,第二开口宽0.4mm,第一开口长15mm。
在工作过程中,介质基板下层的馈电结构激励超表面。上述实施例中的电磁环境测量天线的谐振频率分别为4.7GHz和6.3GHz左右,第一频段范围为6.63-4.91GHz,第二频段范围为5.88-7.17GHz,第二频率点处的S11较小,阻抗匹配较好,天线的输入阻抗在两个频点处的输入阻抗接近50欧姆,且较为稳定,与天线的匹配状态良好,如图5和图6所示。天线的电压驻波比在工作频点处小于1.5,即馈线的传输效率良好,如图7所示。如图8所示,在第一频点处的增益为5.9dB,第二频点处的增益为2.6dB,第一频点处的辐射方向为单一方向,第二频点处的辐射范围增大。两个频率点处的表面电流表明馈电结构的合理性。
实施例二
本实施例提供一种电磁环境测量天线,如图9所示,所述电磁环境测量天线包括:介质基板1、馈电结构3和多个超表面单元2;多个超表面单元2呈阵列式布置在所述介质基板1的上表面形成超表面单元阵列;所述馈电结构3设置在所述介质基板1的下表面;所述馈电结构3包括T型金属贴片31和开设在所述T型金属贴片31上的T型环缝32;所述T型环缝32由横向的第一开口321和纵向的第二开口322构成;所述超表面单元阵列的中心点与第一开口321的中心点重合。超表面单元2能够向空中辐射能量,T型环缝32能够接收并输入能量。
在本申请实施例中,所述超表面单元2为具有两个对称设置的异形开口22的圆形金属片21。
在本申请实施例中,所述异形开口22为喇叭状开口。
在本申请实施例中,所述喇叭状开口由作为开口大端的底边221、作为开口小端的矩形部223和矩形部223与底边221之间的两条弧形腰222构成,两个喇叭状开口的底边221相对设置。
在本实施例中,如图9所示,所述矩形部223的两条对边之间的间距为2mm,异形开口22的中心线与水平面之间的角度为30°,所述超表面单元为25个,25个超表面单元按5*5的阵列进行排列。
在本申请实施例中,所述介质基板1为由Rogers RO4003c材料制成的介质基板,所述介质基板的厚度为3.6mm。
需要说明的是,上述实施例仅是本申请中的两个具体实施例,在其他实施例中,所述矩形部223上连接两条弧形腰222的端点之间的间距为2-2.5mm范围内的任意值,预设角度可以是30度-75度范围内的任意值;超表面单元为4*4个,n≥4;介质基板的厚度可以是为1.2-3.6mm范围内的任意值。
本发明的电磁环境测量天线在设计过程中,首先构建基于金属贴片类型的超表面,设计确定超表面的形状和尺寸。超表面的特性主要由单元结构,单元排布方式,介质参数决定,发明采用通过连接金属片连接的开口金属圆环作为超表面单元。
然后基于特征模理论,使用特征模驱动对超表面单元进行仿真,分析模式电流和辐射方向图。特征模分析方法是将金属体表面感应电流展开为一系列相交的特征电流,将超表面感应电流表示为:
式中,为模式激励系数,当外加激励信号时,确定哪种模式容易被激发;/>为入射场,/>是特征值,/>是虚数单位,式(2)除去/>之后被定义为模式显著特性(ModalSignificance,MS),即为特征电流的归一化幅度,表示为:
特征模式分析可以在不需要激励的情况下得到超表面单元的模式电流分布和辐射方向图,通过仿真可以获得多种在不同频段谐振的特征模式的MS曲线,当某个模式的MS值大于0.707时,该模式为显著模式,处于谐振状态,容易被激发,在合适的位置施加激励就可产生良好的辐射。
通过特征模分析法得到到多种模式下的MS曲线,然后通过分析MS的值以及其所对应的频率选出在需要的频率范围内能够容易激发的模式。
然后通过对超表面的MS曲线的分析确定模式谐振频率,通过对超表面的特征电流确定天线的辐射特性,当低阶模式谐振频率与电流分布满足要求的模式时,通过分析谐振点处超表面结构的场分布来设计适合的馈电结构。
本申请中,通过将超表面应用于机箱内电磁环境测量的天线中,通过模式特征分析法对超表面进行了分析,并通过其模式电流确定了馈电的馈电结构,通过对超表面结构、介质基板的厚度和环缝的宽度的研究分析来实现天线的小型化。超表面单元可以通过其尺寸大小和旋转角度的改变实现多种功能,这为机箱内电磁环境的测量提供了新的方向和思路。
以上结合附图详细描述了本发明的可选实施方式,但是,本发明实施方式并不限于上述实施方式中的具体细节,在本发明实施方式的技术构思范围内,可以对本发明实施方式的技术方案进行多种简单变型,这些简单变型均属于本发明实施方式的保护范围。另外需要说明的是,在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征,在不矛盾的情况下,可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复,本发明实施方式对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外,本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合,只要其不违背本发明实施方式的思想,其同样应当视为本发明实施方式所公开的内容。
Claims (9)
1.一种电磁环境测量天线,其特征在于,所述电磁环境测量天线包括:介质基板(1)、馈电结构(3)和多个超表面单元(2);多个超表面单元(2)呈阵列式布置在所述介质基板(1)的上表面形成超表面单元阵列;所述馈电结构(3)设置在所述介质基板(1)的下表面;所述馈电结构(3)包括T型金属贴片(31)和开设在所述T型金属贴片(31)上的T型环缝(32);所述T型环缝(32)由横向的第一开口(321)和纵向的第二开口(322)构成;所述超表面单元阵列的中心点与第一开口(321)的中心点重合;所述超表面单元(2)为具有两个对称设置的异形开口(22)的圆形金属片(21),所述异形开口(22)的中心线与水平面之间具有30度-75度的夹角。
2.根据权利要求1所述的电磁环境测量天线,其特征在于,所述异形开口(22)的中心线与水平面之间的夹角为45度。
3.根据权利要求1所述的电磁环境测量天线,其特征在于,所述异形开口(22)为喇叭状开口。
4.根据权利要求3所述的电磁环境测量天线,其特征在于,所述喇叭状开口由作为开口大端的底边(221)、作为开口小端的矩形部(223)和矩形部(223)与底边(221)之间的两条弧形腰(222)构成,两个喇叭状开口的底边(221)相对设置。
5.根据权利要求4所述的电磁环境测量天线,其特征在于,所述矩形部(223)的两条对边之间的间距为2-2.5mm。
6.根据权利要求1所述的电磁环境测量天线,其特征在于,所述超表面单元(2)为n*n个,n≥4。
7.根据权利要求6所述的电磁环境测量天线,其特征在于,所述超表面单元(2)为16个,所述超表面单元阵列为4*4阵列。
8.根据权利要求1所述的电磁环境测量天线,其特征在于,所述介质基板(1)为由Rogers RO4003c材料制成的介质基板。
9.根据权利要求1所述的电磁环境测量天线,其特征在于,所述介质基板(1)的厚度为1.2-3.6mm。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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