CN213093358U - 一种圆极化fp谐振腔天线 - Google Patents

Abstract

一种圆极化FP谐振腔天线，包括：超构表面，超构表面包括介质板、辐射贴片和接收贴片，辐射贴片包括第一、第二辐射贴片，4个辐射贴片组成一个辐射子阵，每个辐射子阵包括2个第一辐射贴片和2个第二辐射贴片，第一、第二辐射贴片相邻布置，以中心对称的形式分布于辐射子阵中，第一辐射贴片的长中心线和与其相邻的第二辐射贴片的长中心线相互垂直，且第一、第二辐射贴片的长度不相等；接收贴片为正方形，4个接收贴片组成一个接收子阵，接收贴片和辐射贴片间通过金属化过孔相连；设置于超构表面下方的地板，超构表面与地板形成谐振腔；设置于超构表面和地板间的线极化馈源。本实用新型可以将线极化波转换成圆极化波，使天线实现圆极化辐射。

Description

一种圆极化FP谐振腔天线

技术领域

本实用新型属于天线技术领域，尤其涉及一种具有超构表面的圆极化FP谐振腔天线。

背景技术

Fabry-Perot(简称FP)谐振腔天线是一种高增益定向天线。以印刷电磁周期结构作为部分反射表面(Partially Reflection Surface,PRS)覆层设计的FP谐振腔天线具有结构简单，性能稳定等特点，同时，印刷电磁周期结构的平面性、设计灵活性、易加工等特点，极大地促进了FP谐振腔天线向易加工、低剖面、低造价等方向发展。但受到其自身结构的限制，现有的FP谐振腔天线存在一些固有的缺陷，如剖面高，波束方向固定，带宽窄，难以实现圆极化。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种基于具有极化转换特性的超构表面的圆极化FP谐振腔天线。

为了实现上述目的，本实用新型采取如下的技术解决方案：

一种圆极化FP谐振腔天线，包括：超构表面，所述超构表面包括介质板、设置于所述介质板上表面的辐射贴片以及与所述辐射贴片相对应的、设置于所述介质板下表面的接收贴片，其中，所述辐射贴片包括矩形的第一辐射贴片和矩形的第二辐射贴片，所述第一辐射贴片的长度和所述第二辐射贴片的长度不相等，4个所述辐射贴片组成一个辐射子阵，每个所述辐射子阵中包括2个所述第一辐射贴片和2个所述第二辐射贴片，所述第一辐射贴片和第二辐射贴片相邻布置，以中心对称的形式分布于辐射子阵中，所述第一辐射贴片的长中心线和与其相邻的所述第二辐射贴片的长中心线相互垂直；所述接收贴片为正方形，4个所述接收贴片组成一个接收子阵，所述接收贴片和所述辐射贴片之间通过金属化过孔相连，所述辐射子阵和所述接收子阵相对应；间隔设置于所述超构表面下方的地板，所述超构表面与所述地板形成谐振腔；设置于所述超构表面和所述地板之间的线极化馈源，所述线极化馈源用于辐射两种不同的线极化波。

进一步的，所述线极化馈源为缝隙耦合贴片天线，所述缝隙贴片天线相对于地板的中心线呈45°角设置。

进一步的，所述线极化馈源设置于所述地板上。

进一步的，所述金属化过孔的中心与所述辐射贴片的中心不重合。

进一步的，所述金属化过孔的中心位于所述辐射贴片的长中心线上。

进一步的，所述辐射子阵以阵列的形式设置于所述介质板的上表面，所述接收子阵以阵列的形式设置于所述介质板的下表面。

由以上技术方案可知，本实用新型在超构表面上设置透射和辐射特性能够独立调控的接收子阵和辐射子阵，接收/辐射子阵不仅可以透射两种极化的电磁波，还可以对不同极化电磁波的透射幅度相同而相位相差90°，配合可以提供两种不同的线极化波的线极化馈源，形成圆极化FP谐振腔天线。本实用新型的FP谐振腔天线在谐振腔内部产生线极化波的谐振，通过谐振来提高天线的增益，当电磁波从超构表面漏出谐振腔时，由于超构表面对不同极化电磁波的透射相位不同，线极化波将被转换成圆极化波，从而使天线实现圆极化辐射。本实用新型的谐振腔天线使用超构表面不仅可以满足形成FP谐振腔的条件，还实现了极化转换，能够实现很好的圆极化辐射，并具有良好的方向图特性。

附图说明

图1为本实用新型实施例的结构示意图；

图2为本实用新型实施例馈源的结构示意图；

图3a为本实用新型实施例辐射贴片在超构表面上的结构示意图；

图3b为本实用新型实施例接收贴片在超构表面上的结构示意图；

图4a为本实用新型实施例辐射子阵的结构示意图；

图4b为本实用新型实施例接收子阵的结构示意图；

图5a和图5b分别为金属化过孔与辐射贴片之间的距离d变化时辐射/接收子阵的反射相位曲线图和透射相位曲线图；

图6a和图6b分别为辐射贴片长度变化时辐射/接收子阵的反射幅度曲线图和透射幅度曲线图；

图7a和图7b分别为本实用新型实施例辐射/接收子阵的子阵的透射特性图和反射特性图；

图8a和图8b分别为本实用新型实施例仿真和测试的反射系数曲线图以及增益曲线图；

图9a和图9b分别为本实用新型实施例的xoz面的方向图和yoz面的方向图。

下面结合附图和各实施例对本实用新型进一步详细说明。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进行详细描述，在详述本实用新型实施例时，为便于说明，表示器件结构的附图会不依一般比例做局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本实用新型保护的范围。需要说明的是，附图采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、清晰地辅助说明本实用新型实施例的目的。

超构表面(Metasurface，简称MS)是一种二维形式的超材料，它通过在介质表面合理地布置亚波长的周期结构单元，可以实现对电磁波相位、幅度和极化等特性的灵活调控。本实用新型将超构表面引入到FP谐振腔天线中，利用超构表面对电磁波灵活的调控能力，设计具有极化转换特性的超构表面，以实现FP谐振腔天线的圆极化辐射。

如图1所示，本实施例的圆极化FP谐振腔天线包括超构表面1、线极化馈源2以及地板3，超构表面1和地板3上下间隔设置，形成谐振腔，线极化馈源2能够提供两种不同的线极化波。本实施例的线极化馈源2设置于地板3上，即线极化馈源2的地板同时也可作为谐振腔天线的地板，以简化天线结构。如图2所示，本实施例的线极化馈源2采用缝隙耦合贴片天线，相比于其他天线结构，缝隙耦合贴片天线的方向图稳定，激励效果好。将缝隙贴片天线相对于地板的中心线(y轴方向)呈45°角设置，即缝隙贴片天线和y轴之间的夹角为45°，从而缝隙贴片天线辐射出的线极化波可以被分解为两种垂直的线极化波，为谐振腔天线提供不同极化的激励。

超构表面1包括介质板1-1以及设置于介质板1-1上表面的辐射贴片1-2和设置于介质板1-1下表面的接收贴片1-3，接收贴片1-3与地板3相对。如图3a所示，辐射贴片1-2包括第一辐射贴片1-2a和第二辐射贴片1-2b，第一辐射贴片1-2a和第二辐射贴片1-2b均为矩形金属贴片，第一辐射贴片1-2a和第二辐射贴片1-2b依次交替排布，以阵列的形式设置于介质板1-1的上表面，即一个第一辐射贴片1-2a与一个第二辐射贴片1-2b相邻。如图4a所示，第一辐射贴片1-2a的长中心线和第二辐射贴片1-2b的长中心线相互垂直，且第一辐射贴片1-2a的长度L₁和第二辐射贴片1-2b的长度L₂不相等，第一辐射贴片1-2a的宽度和第二辐射贴片1-2b的宽度相等。4个辐射贴片组成一个方形的辐射子阵，介质板1-1的上表面设置有若干个辐射子阵，每个辐射子阵均包括2个第一辐射贴片1-2a和2个第二辐射贴片1-2b，第一辐射贴片1-2a和第二辐射贴片1-2b相邻布置，且以中心对称的形式分布于辐射子阵中。辐射子阵中第一辐射贴片1-2a和第二辐射贴片1-2b的大小(长度)不同，从而可以使辐射子阵对两种极化波的透射幅度相同而相位相差90°，以形成圆极化波；辐射子阵中第一辐射贴片1-2a的长中心线和第二辐射贴片1-2b和第二辐射贴片1-2b的长中心线相互垂直，相当于第二辐射贴片旋转了90°，从而辐射子阵能够透射两种不同极化电磁波。

如图3b所示，接收贴片1-3为正方形金属贴片，接收贴片1-3和辐射贴片1-2一一对应，并设置于介质板1-1的下表面，即对于每一个辐射贴片1-2，在介质板1-1的下表面都有一个与其相对应的接收贴片1-3。如图4b所示，4个接收贴片组成一个方形的接收子阵，介质板1-1的下表面设置有若干个接收子阵，接收子阵与辐射子阵相对应。每个接收子阵包括4个接收贴片1-3。接收贴片1-3和辐射贴片1-2之间通过金属化过孔a相连。本实用新型的辐射子阵和接收子阵组成了具有极化转换能力的超构表面。

更进一步的，为了使辐射/接收子阵呈现出较高的反射率，保证谐振腔天线获得高增益特性，本实施例将金属化过孔a偏离辐射贴片1-2(接收贴片)的中心设置，即金属化过孔a的中心位于辐射贴片1-2的长中心线上，但不与辐射贴片1-2的中心重合，本实施例的金属化过孔a沿y轴的正方向偏离辐射贴片的中心，金属化过孔a的中心和辐射贴片1-2的中心之间的距离为d。本实用新型的辐射/接收子阵的反射相位和透射相位分别由辐射贴片和接收贴片的大小确定，辐射/接收子阵的反射幅度和透射幅度由金属化过孔的位置确定。如图5a和图5b所示，当金属化过孔的中心和辐射贴片的中心之间的距离d变化时，辐射/接收子阵的反射幅度和透射幅度会发生变化，从图5a可以看出，当d从2.4mm减小到0.8mm时，反射幅度由0.2提高到了0.95，满足了谐振腔天线对高反射率的要求。图6a和图6b分别为辐射贴片长度变化时(辐射贴片长度L＝7.3mm和L＝8.6mm时)辐射/接收子阵的反射幅度曲线图和透射幅度曲线图，图6a和图6b中，从图6a和图6b可以看出，通过调节辐射贴片的长度可以使辐射/接收子阵的透射幅度相同而透射相位相差90°。辐射贴片/接收贴片的大小以及金属化过孔与辐射贴片中心间的偏移距离可通过计算机仿真根据需求来确定，这是天线设计领域的常规技术，此处不做赘述。本实施例中第一辐射贴片1-2a的长度L₁为8.06mm，第二辐射贴片1-2b的长度L₂为9.26mm，第一辐射贴片1-2a和第二辐射贴片1-2b的宽度w1为4mm，如图7a和图7b所示(图7a和图7b中R_(·)表示反射系数，mag代表幅度，phase代表相位，T_(·)表示透射系数，下标yy、yx、xx中的x和y分别表示入射波和反射波的极化方向)，此时辐射子阵对两种极化的电磁波的透射幅度相同，透射相位相差90°。

本实用新型的天线腔体的高度可通过以下公式

确定，其中

和

分别为超构表面和地板的反射相位，λ₀为谐振频率处自由空间中的波长，N＝1,2,3,…。本实施例的天线腔体的高度为4.5mm(约为0.15λ₀)。该天线具有非常低的剖面，同时具有高增益圆极化辐射的特性。

如图1所示，本实用新型在超构表面1的两个表面上分别设置了接收贴片和辐射贴片，入射电磁波首先被接收贴片1-3接收，通过金属化过孔耦合到辐射贴片1-2，然后辐射贴片1-2将其辐射到自由空间，通过线极化馈源2在谐振腔内部产生线极化波的谐振，当电磁波从超构表面漏出谐振腔时，在超构表面的作用下，线极化波将被转换成圆极化波，从而实现天线的圆极化辐射。

图8a和图8b为对本实施例进行实际测试以及采用CST电磁仿真软件对本实施例进行仿真得到的反射系数图(反射幅度和相位曲线)和增益曲线图。图8a和图8b中Simulated代表仿真结果，Measured代表测试结果，simulated gain代表增益的仿真结果，simulatedAR代表轴比的仿真结果，measured gain代表增益的测试结果，measured AR代表轴比的测试结果。仿真时参数设置如下：第一辐射贴片的长度L₁为8.06mm，第二辐射贴片的长度L₂为9.26mm，辐射贴片的宽度w1为4mm，接收贴片的宽度w2为7.6mm。从图8a和图8b可以看出，本实施例的天线在9.76～10.2GHz范围内实现了高增益辐射，最大增益达到了17.5dBic。图9a和图9b为本实施例天线的远场方向图，从图9a和图9b可以看出，本实施例的天线实现了良好的圆极化辐射特性，且方向图特性较好。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型做任何形式上的限制，虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种圆极化FP谐振腔天线，其特征在于，包括：

超构表面，所述超构表面包括介质板、设置于所述介质板上表面的辐射贴片以及与所述辐射贴片相对应的、设置于所述介质板下表面的接收贴片，其中，所述辐射贴片包括矩形的第一辐射贴片和矩形的第二辐射贴片，所述第一辐射贴片的长度和所述第二辐射贴片的长度不相等，4个所述辐射贴片组成一个辐射子阵，每个所述辐射子阵中包括2个所述第一辐射贴片和2个所述第二辐射贴片，所述第一辐射贴片和第二辐射贴片相邻布置，以中心对称的形式分布于辐射子阵中，所述第一辐射贴片的长中心线和与其相邻的所述第二辐射贴片的长中心线相互垂直；所述接收贴片为正方形，4个所述接收贴片组成一个接收子阵，所述接收贴片和所述辐射贴片之间通过金属化过孔相连，所述辐射子阵和所述接收子阵相对应；

间隔设置于所述超构表面下方的地板，所述超构表面与所述地板形成谐振腔；

设置于所述超构表面和所述地板之间的线极化馈源，所述线极化馈源用于辐射两种不同的线极化波。

2.根据权利要求1所述的圆极化FP谐振腔天线，其特征在于：所述线极化馈源为缝隙耦合贴片天线，所述缝隙耦合贴片天线相对于地板的中心线呈45°角设置。

3.根据权利要求1或2所述的圆极化FP谐振腔天线，其特征在于：所述线极化馈源设置于所述地板上。

4.根据权利要求1所述的圆极化FP谐振腔天线，其特征在于：所述金属化过孔的中心与所述辐射贴片的中心不重合。

5.根据权利要求4所述的圆极化FP谐振腔天线，其特征在于：所述金属化过孔的中心位于所述辐射贴片的长中心线上。

6.根据权利要求1所述的圆极化FP谐振腔天线，其特征在于：所述辐射子阵以阵列的形式设置于所述介质板的上表面，所述接收子阵以阵列的形式设置于所述介质板的下表面。

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