基于正六边形单元的宽带高增益法布里-珀罗谐振腔天线转让专利
申请号 : CN202110016324.4
文献号 : CN112838376B
文献日 : 2022-04-19
发明人 : 焦永昌 , 关云杰 , 田季丰
申请人 : 西安电子科技大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种基于正六边形单元的宽带高增益法布里‑珀罗谐振腔天线,包括上层介质基板(2)、中间层介质基板(4)、底层介质基板(7)和支撑件(9),这三个基板自下而上通过支撑件(9)固定为一体;该上层介质基板(2)的上面为部分上反射表面(1),下部为部分下反射表面(3),三者形成部分反射表面结构;该中间层介质基板(4)的下表面为寄生贴片(5),两者形成辐射体结构;该底层介质基板(7)的上表面为金属地板(6),下表面为渐变型微带馈线(8),三者形成馈源结构,其特征在于:
所述部分上反射表面(1)和部分下反射表面(3),其均采用周期性排列的正六边形单元,这些单元沿着正六边形三条相邻边的中垂线方向排列;
所述部分上反射表面(1)的正六边形单元,其为正六边形贴片;
所述部分下反射表面(3)的正六边形单元,其为正六边形孔径和孔径内六脚分支的组合;
所述上、下反射表面的正六边形单元的排列周期P为6mm‑9mm;
所述支撑件(9),采用低介电常数尼龙框,以在部分下反射表面(3)与金属地板(6)之间形成法布里‑珀罗谐振腔,并在寄生贴片(5)与金属地板(6)之间形成空气带隙,以抑制天线表面波激励;
所述金属地板(6),其上蚀刻有第一条矩形缝隙(61)和第二条矩形缝隙(62),以拓宽天线的阻抗带宽。
2.根据权利要求1所述的天线,其特征在于:部分上反射表面(1)中正六边形贴片单元的长L1为5mm‑7mm;
部分下反射表面(3)中正六边形孔径的外径边长L2为5mm‑7mm,正六边形孔径的内径边长L3为4mm‑6mm,六脚分支的边长L4为5mm‑7mm,六脚分支的宽W为0.5mm‑3.5mm。
3.根据权利要求1所述的天线,其特征在于,所述支撑件(9),包括方形外部框架(91)和方形内框架(92),该外部框架分为上下两层,通过四个支撑柱(93)固定,且下层框(912)仅有三条边,方形内框架(92)固定在下层框(912)的中间,上层介质基板(2)通过镶嵌的方式固定在外部框架的上层框架(911)内,底层介质基板(7)通过支撑柱(93)上的两个槽口插入到下层框(912),中间层介质基板(4)镶嵌的方式固定在方形内框架(92)中。
4.根据权利要求3所述的天线,其特征在于,所述方形外部框架的上下两层被支撑柱(93)隔开形成法布里‑珀罗谐振腔,该谐振腔体高度H为10mm‑30mm,方形内框架(92)与方形下层框(912)之间存在空气带隙,该带隙高度H0为1mm‑5mm。
5.根据权利要求1所述的天线,其特征在于,所述上层介质基板(2)与底层介质基板(7)均采用正方形介质基板,且两者的边长、介电常数完全相同,其边长L为60mm‑80mm,介电常数ε1为3.4,上层介质基板(2)的厚度H1为0.8mm‑1.2mm,底层介质基板(7)的厚度H2为
0.7mm‑1mm。
6.根据权利要求5所述的天线,其特征在于,所述中间层介质基板(4)的形状为正方形,其边长L6的长度小于L,中间层介质基板(4)的厚度H3为0.8mm‑1.2mm,介电常数ε2为2.2。
7.根据权利要求1所述的天线,其特征在于,所述第一条矩形缝隙(61)的长边SL1为
7mm‑9mm,短边SW1为1mm‑3mm;第二条矩形缝隙(62)的长边SL2为5mm‑7mm,短边SW2为0.5mm‑
1.5mm,矩形缝隙之间的距离D1为0.5mm‑1.5mm,第一条矩形缝隙(61)与金属地板(6)一边的距离D2为33mm‑37mm,第二条矩形缝隙(62)与金属地板(6)另一边的距离D3为34mm‑38mm。
8.根据权利要求1所述的天线,其特征在于,所述渐变型微带馈线(8)由小阻抗微带线(81)与大阻抗微带线(82)组成,小阻抗微带线(81)的宽度W1为0.5mm‑1.5mm,长度L7为
11mm‑14mm,大阻抗微带线(82)的宽度W2为1mm‑3mm,长度L8为25mm‑27mm。
说明书 :
基于正六边形单元的宽带高增益法布里‑珀罗谐振腔天线
技术领域
背景技术
里–珀罗谐振腔天线在高增益、高效率、低剖面、结构简单、无需复杂馈电网络,易于制造并
且装配简单等方面具有明显优势,已成为国内外的研究热点之一。法布里‑珀罗谐振腔天线
拥有较为简单的准平面结构,其加工、维护的难度和成本低于反射面、波导喇叭等传统高增
益的天线,在达到相同增益时,较高的口径效率和较低的剖面高度又可使其体积远小于此
类传统的高增益天线。因此通常采用法布里–珀罗谐振腔来提高天线的增益性能。
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。但由于法布里–珀罗谐振腔天线仍属于一种谐振
腔结构,其3dB增益带宽和阻抗带宽都比较窄,因此如何拓宽其带宽也是对设计者的一种挑
战。
Wireless Propagation Letters,vol.18,no.9,pp.1771‑1774,Sept.2019期刊上发表的论
文"Directive Wideband Cavity Antenna With Single‑Layer Meta‑Superstrate"中提
出了一款工作在12‑15GHz频段内的宽带高增益法布里‑珀罗谐振腔天线。其馈源采用缝隙
天线,且在介质基板两侧分别蚀刻正方形贴片与正方形环作为部分反射表面,以产生一个
正斜率的相位梯度,提高天线的增益带宽。但这种采用正方形单元与缝隙馈源的法布里‑珀
罗谐振腔天线,其3dB增益带宽仍然较窄,实验表明,该天线在工作频率范围内只有18.7%
可达到3dB的增益带宽,且峰值增益为13.78dBi。所以若想进一步提高天线的3dB增益带宽,
则需对馈电结构和部分反射表面做出进一步改进。
发明内容
定为一体;该上层介质基板2的上面为部分上反射表面1,下部为部分下反射表面3,三者形
成部分反射表面结构;该中间层介质基板4的下表面为寄生贴片5,两者形成辐射体结构;该
底层介质基板7的上表面为金属地板6,下表面为渐变型微带馈线8,三者形成馈源结构,其
特征在于:
激励;
3.5mm。
在下层框912的中间,上层介质基板2通过镶嵌的方式固定在外部框架的上层框架911内,底
层介质基板7通过支撑柱93上的两个槽口插入到外部框架的下层912,中间层介质基板4镶
嵌的方式固定在方形内框架92中。
在空气带隙,该带隙高度H0为1mm‑5mm。
方形单元与圆形单元多了一个排列方向,因此单元之间的排列更为紧凑,耦合更强,其在更
宽的频率范围内获得了正相位梯度;
好地抑表面波激励,从而有利于提高天线的阻抗带宽,并改善天线的辐射方向图;
际使用性;
附图说明
具体实施方式
层介质基板7、微带馈线8、支撑件9,其中:
架92固定在下层框912的中间,其大小为大框的三分之一,该四个支撑柱93中的前两个支撑
柱下端开有槽口。
框架911内,用于提高法布里‑珀罗谐振腔天线的增益。
稳的辐射。
该内部框架92内的辐射体结构与外部框架下层912内的馈源结构之间存在空气带隙,以抑
制馈源天线的表面波激励。该馈源结构与辐射体结构组成馈源天线。
的边长L为60mm‑80mm。此外,上层介质基板2和底层介质基板4的介电常数为ε1。本实例取但
不限于L为72mm、H1为1mm、L6为18mm、H3为0.8mm,ε1为3.4。底层介质基板7的厚度H2为
0.7mm‑1mm。
机构形式,以极大地增强正六边形贴片之间的耦合性,从而使得正六边形单元在较宽的工
作频率范围内获得正的相位梯度,其排列周期P为7mm‑9mm,本实例取但不限于P为8mm,每个
正六边形贴片的边长L1为5mm‑7mm,本实例取但不限于L1为6mm。
正六边形孔径的作用是增强正六边形单元之间的耦合性,提高部分反射表面的反射性能,
六脚分支的作用是延长电流的流通路径,以缩减正六边形单元的尺寸,使得天线更加小型
化,这些单元印刻在上层介质基板2的下表面,正六边形孔径的外径边长为L2为5mm‑7mm,正
六边形孔径的内径边长L3为4mm‑6mm,六脚分支的边长L4为5mm‑7mm,六脚分支的宽W为
0.5mm‑3.5mm,本实例取但不限于L2为6mm,L3为5mm,L4为6mm,W为0.5mm,排列周期P与部分
上反射表面1的排列周期相同。
坏,该贴片的形状为正方形,其边长L5为7mm‑10mm,寄生贴片5到中间层介质基板4边缘的距
离D0为4.5mm‑6.5mm,本实例取但不限于L5为8mm,D0为5.5mm。
点,该谐振点的出现可以拓宽法布里‑珀罗谐振腔天线的工作带宽,为法布里谐振腔天线提
供宽带的条件,其中,第一条矩形缝隙61的长边SL1为7mm‑9mm,短边SW1为1mm‑3mm;第二条
矩形缝隙62的长边SL2为5mm‑7mm,短边SW2为0.5mm‑1.5mm;矩形缝隙61与金属地板6一边的
距离D2为33mm‑37mm,矩形缝隙62与金属地板6另一边的距离D3为34mm‑38mm,矩形缝隙之间
的距离D1为0.5mm‑1.5mm。本实例取但不限于SL1为8mm,SW1为2mm,SL2为6mm,SW2为1mm,D2
为35mm,D3为35mm,D1为1mm。
信号,二是负责调节法布里‑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。该微带馈线由小阻抗微带线81与大阻抗微
带线82组成,其中小阻抗微带线81的宽度W1为1mm‑1.4mm,长度L7为11.5mm‑13.5mm;大阻抗
微带线81的宽度W2为1.5mm‑3.5mm,长度L8为24mm‑28mm,本实例取但不限于W1为1.2mm,L7
为12.3mm,W2为1.5mm,L8为26.5mm。
2.3mm。高度H3为天线谐振腔体的高度,高度H4为空气带隙的高度,这两个高度对于天线性
能的影响较为明显,其中天线谐振腔体的高度对于天线的增益性能影响较为明显,空气带
隙的高度对于天线的阻抗匹配性能影响较为明显,因此只有合理调节两者的高度,才会使
得天线的性能达到最佳。
11.3GHz,其相对带宽为29.4%;馈源天线的最高增益为7dBi,法布里‑珀罗谐振腔天线的最
高增益为14dBi,且法布里‑珀罗谐振腔天线的3dB增益带宽为8.4GHz:11.2GHz,相对带宽
28%,馈源天线与法布里‑珀罗谐振腔天线的中心频率都为10GHz。
好。
有良好的辐射方向图。