一種寬帶法布裡?帕羅諧振天線的製作方法

2023-12-08 18:19:06 1

一種寬帶法布裡?帕羅諧振天線的製作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種寬帶法布裡?帕羅諧振天線，包括部分反射表面、空氣層、下層介質板、公共金屬地以及饋源。針對現有法布裡帕羅諧振天線頻帶窄的缺陷，本實用新型採用排列印刷在介質板上的兩層周期性貼片單元陣列構成部分反射表面，使得部分反射表面具有正斜率的反射相位頻率響應，從而削弱諧振腔對頻率的敏感性，展寬天線帶寬。本實用新型在單層介質板上設置磁電偶極子做饋源，在降低天線剖面高度的同時，提高了天線的方向性、輻射效率，並且拓展了天線的工作帶寬。
【專利說明】
一種寬帶法布裡-帕羅諧振天線
技術領域
[0001]本實用新型涉及一種平面高增益天線，是一種具有寬頻帶的法布裡-帕羅諧振天線。
【背景技術】
[0002]為了更可靠的傳輸信息，移動通信、衛星通信等通信系統往往需要高增益寬頻帶的天線。傳統的反射面空饋類天線比如卡塞格倫天線具有輻射效率高、頻帶寬和饋電簡單的優點，但是其也有體積大、剖面高以及不易與目標共形、設計不夠靈活的缺點。因此需要改進傳統的空饋天線，使其既保持寬頻帶高增益的優勢，又能降低天線的剖面，易與目標共形。
[0003]FPRA(法布裡-帕羅諧振天線)就是一種高方向性的空饋類平面天線。處於諧振頻率的入射波在由部分反射表面(partially reflective surface)、空氣層與金屬地三者構成的諧振腔中全透射，而偏離諧振頻率的入射波被部分反射表面不斷反射，最終在FPRA外表面上同相疊加而不斷加強，從而提高天線的方向性。但是諧振腔的這一原理也導致了其帶寬窄的特性，並且部分反射表面的反射相位對頻率的變化十分敏感，使得FPRA具有窄頻帶的缺點，限制了 FPRA的進一步實際應用。
[0004]饋源是法布裡-帕羅諧振天線的一個重要組成部分，它決定著整個天線的性能。需要寬頻帶，增益穩定，低交叉極化的饋源，而磁電偶極子天線是一種將電偶極子與磁偶極子結合起來的天線，其方向圖呈心形，具有許多良好的電特性以滿足本天線的設計需求。而在前人的研究中，磁電偶極子多通過使用空氣作介質層以展寬帶寬，而這種設計無疑增加了天線的剖面高度。
【實用新型內容】
[0005]為了解決上述問題，本實用新型提出了一種新型的法布裡帕羅諧振天線，重新設計了部分反射表面，在降低天線剖面高度的同時拓寬天線的工作頻帶。
[0006]本實用新型的一種寬帶法布裡-帕羅諧振天線，包括從上至下依次排列的部分反射表面、空氣層、下層介質板和公共金屬地，下層介質板中開設縫隙，縫隙上設置有饋源，其特徵在於，部分反射表面由上層介質板構成，上層介質板的上表面設置有上層貼片陣列，上層介質板的下表面設置有下層貼片陣列。
[0007]如上所述的寬帶法布裡-帕羅諧振天線，其特徵在於，所述的部分反射表面上的上層貼片陣列和下層貼片陣列均由矩形貼片單元構成，
[0008]如上所述的寬帶法布裡-帕羅諧振天線，其特徵在於，所述的饋源採用磁電偶極子饋源。
[0009]如上所述的寬帶法布裡-帕羅諧振天線，其特徵在於，所述的磁電偶極子饋源由設置在下層介質板縫隙切面上的兩排金屬牆組成磁偶極子，由延縫隙水平設置在下層介質板上表面的一副印刷貼片組成電偶極子構成，縫隙中間設有探針，探針上端設有T字形條帶。具體的天線參數需要根據具體情況進行調節。
[0010]如上所述的寬帶法布裡-帕羅諧振天線，其特徵在於，所述的空氣層高度在基模的情況下為半諧振波長。
[0011]本實用新型利用法布裡帕羅諧振天線高方向性、低剖面高度的特點，針對其頻帶窄的缺陷，採用排列印刷在介質板上的兩層周期性貼片單元陣列構成部分反射表面，使得部分反射表面具有正斜率的反射相位頻率響應，因而使得諧振腔對頻率的敏感性得以削弱，有效地展寬了天線帶寬。由於本實用新型的部分反射面與金屬地和中間的空氣層共同構成諧振腔，通過合理設計兩層貼片陣列的單元尺寸對入射場進行相位補償，在天線口徑上形成等相位波，提高了天線的方向性和輻射效率。本設計中使用具有穩定增益的磁電偶極子作為饋源。為了易於集成，同時降低天線剖面，本設計中的磁電偶極子使用單層介質板實現。
[0012]本實用新型所述的寬帶法布裡-帕羅諧振天線中，能量由下層介質板縫隙間的探針饋入，通過相連的T字形條帶耦合併同時激勵電偶極子和磁偶極子，磁電偶極子輻射出來的電磁波通過互補疊加，形成前向輻射加強，後向輻射相互抵消的心形輻射，提高天線的方向性。部分反射表面是由大量印製於介質基片上的貼片單元組成，當電磁波從饋源傳出，沿著不同的傳輸路逕到達每個貼片單元的長度不一樣，傳輸路徑長度的差異將導致各單元所接受的入射場發生不同的空間相位延遲。本實用新型合理設計單元結構以及其排列方式，使整個陣列對入射場進行適當的相位補償。尤其是採取層疊方式以補償從饋源到每個貼片由於空間距離不同而造成的相位延遲，使得反射場在天線口徑面上形成同相位面的電磁波。本申請中，通過對各單元反射相位進行校正，保持部分反射表面平緩的相移曲率，形成了同相聚束的反射波。使得天線的增益，交叉極化，帶寬等性能更優。
[0013]通過實驗並採用參數提取分析的方法，調整部分反射表面的貼片單元尺寸以及高度，從而得到正斜率的反射頻響特性，即電磁波在考察的頻帶範圍之內的相位變化幅度減小。這樣阻抗帶寬能夠得到保證，增益帶寬也有所提高。
[0014]所述的上層介質板與底層具有相同的材料屬性，但是高度不同，依據貼片之間縫隙產生左手諧振特性以及上下層貼片耦合產生的右手特性，調節上層介質板高度使其達到諧振模式。通過對底層磁電偶極子輻射出來的電磁波進行不斷反射並選擇性輻射出去，保證天線方向性提高增益。
[0015]本實用新型和現有技術相比具有如下有益效果:本實用新型在傳統諧振腔天線基礎上，通過改進法布裡-帕羅諧振天線的部分反射表面的結構，即以兩面都設有貼片陣列的介質板作為部分反射表面，使天線在保持原有的高方向性、低剖面高度、易與目標共形的特點的同時，克服了傳統諧振腔天線對頻率敏感、帶寬較窄的缺陷。本實用新型設計的基於磁電偶極子的法布裡-帕羅諧振天線整體具有寬頻帶的特性。
[0016]本實用新型通過調整上層介質板厚度以及貼片陣列各單元尺寸、結構、排列方式，對貼片陣列各單元反射相位進行校正，保持部分反射表面平緩的相移曲率，形成同相聚束的反射波。使得天線的增益、交叉極化、帶寬等性能更優。
[0017]本實用新型利用磁電偶極子高方向性、寬頻帶的特性，將其應用於布裡-帕羅諧振天線中，提高諧振腔增益，使得天線具有寬帶、高增益、增益穩定、低剖面、尺寸小易於集成的特性。本天線可應用於Ku波段通信系統。
【附圖說明】

[0018]圖1為新型法布裡帕羅諧振天線的三維整體結構圖。
[0019]圖2為新型法布裡帕羅諧振天線的饋源放大圖。
[0020]圖3為新型法布裡帕羅諧振天線的側視圖。
[0021 ]圖4為新型法布裡帕羅諧振天線中T字形條帶的結構圖。
[0022]圖5為新型法布裡帕羅諧振天線中饋源的俯視圖。
[0023]圖6為新型法布裡帕羅諧振天線和原始磁電偶極子天線的駐波比曲線比較圖。
[0024]圖7為新型法布裡帕羅諧振天線和原始磁電偶極子天線的增益曲線比較圖。
[0025]圖8為新型法布裡帕羅諧振天線的E面輻射方向圖。
[0026]圖中標示說明:上層介質板1、空氣層2、下層介質板3、探針4、上層貼片陣列5，下層貼片陣列6、T字形條帶7、電偶極子8、磁偶極子9、公共金屬地10。
【具體實施方式】
[0027]下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。
[0028]本實用新型公開了一種寬帶法布裡-帕羅諧振天線，包括從上至下依次排列的部分反射表面、空氣層2、下層介質板3和公共金屬地10，下層介質板10中開設縫隙，縫隙上設置有磁電偶極子饋源。其中，空氣層高度在基模的情況下為半諧振波長。部分反射表面由上層介質板I構成，上層介質板I的上表面設置有上層貼片陣列5，上層介質板I的下表面設置有下層貼片陣列6。上、下兩層貼片陣列均由矩形貼片單元構成，經過調節參數，最終得到上層貼片單元的長度為3.2mm，寬為1.4_。下層貼片單元的長為3.2mm，寬為1.6mm，上層介質板高度為2.5mm。
[0029]所述的磁電偶極子饋源由設置在下層介質板縫隙切面上的兩排金屬牆組成磁偶極子9，由延縫隙水平設置在下層介質板上表面的一副印刷貼片組成電偶極子8共同構成，縫隙中間設有探針4，探針4上端設有T字形條帶7。磁電偶極子所在的底層介質板厚度為3mm，作為電偶極子的貼片長為15.6mm，寬為6.4mm。金屬柱直徑為0.4mm,—排27個，共兩排組成一副磁偶極子。中間探針的直徑為lmm，T字形條帶T字形條帶底邊長為1.8mm，寬為
0.5mm，高邊為1.6mm0
[0030]本實用新型的獨特之處在於，改進了傳統的法布裡帕羅諧振腔天線的部分反射表面結構。通過在上層介質板的上下兩個表面以層疊的方式設置各設置一組貼片陣列來補償由於從饋源到每個貼片空間距離不同而造成的相位延遲。這使得反射場能夠在天線口徑面上形成同相位面的電磁波。通過對單元反射相位進行校正，即調節單元的形狀、排列、大小以及上層介質板的厚度，在口徑面上形成同相聚束的反射波，使得部分反射表面能夠保持平緩的相移曲率，從而增加天線的帶寬。
[0031]由於採用法布裡帕羅諧振腔天線的基礎結構，接地板10與部分反射表面5、6共同構成一個半開放的諧振腔，電磁波在諧振腔2中來回振蕩，特定頻率的電磁波從部分反射表面透射出去同相疊加而不斷加強。由於改進上下層貼片陣列結構，削弱諧振腔以及部分反射表面對頻率的敏感性，本實施例不僅保持了天線原有的方向性好的特性，可以在保證天線帶寬的條件下，同時使得天線的增益、交叉極化、方向性等都能夠滿足應用需求。且由於法布裡帕羅諧振腔天線的結構，本申請這樣的設計也同時具有體積小，剖面高度低，易與目標共形，設計夠靈活的優勢。
[0032]本實施例中饋源部分由探針4饋入能量，探針通過與之相連的T字形條帶7耦合，同時激勵電偶極子8和磁偶極子9，磁電偶極子輻射出來的電磁波通過互補疊加，形成前向輻射加強，後向輻射相互抵消的心形輻射。同時，T字形條帶對阻抗帶寬的影響十分大。尤其是T字形條帶的長度，減小長度會引起失配，長度增加過大則會使諧振頻率往高頻偏移，設計中需要調節條帶的長度保證阻抗特性，同時調節其磁偶極子的金屬牆寬度以及電偶極子平面貼片的尺寸，使其滿足在工作頻率下具有穩定的增益和阻抗。
[0033]結合圖4、圖5、圖6以及圖7，本發明的新型法布裡帕羅諧振腔天線的阻抗帶寬保持了磁電偶極子寬頻帶特性，並且比原有磁電偶極子天線增益普遍提高，在12GHz至18GHz頻帶範圍內均在8.87dBi以上，最高增益達12.62dBi。並且低後向輻射，交叉極化水平非常低。
[0034]根據以上所述，便可實現本發明。
【主權項】
1.一種寬帶法布裡-帕羅諧振天線，包括從上至下依次排列的部分反射表面、空氣層(2)、下層介質板(3)和公共金屬地(10)，下層介質板中開設縫隙，縫隙上設置有饋源，其特徵在於，部分反射表面由上層介質板(I)構成，上層介質板(I)的上表面設置有上層貼片陣列(5)，上層介質板的下表面設置有下層貼片陣列(6)。2.根據權利要求1所述的寬帶法布裡-帕羅諧振天線，其特徵在於，所述的部分反射表面上的上層貼片陣列和下層貼片陣列均由矩形貼片單元構成。3.根據權利要求2所述的寬帶法布裡-帕羅諧振天線，其特徵在於，所述的上層貼片陣列中矩形貼片單元的長度為3.2mm，寬為1.4mm;下層貼片陣列中矩形貼片單元的長為3.2mm，寬為1.6mm，上層介質板高度為2.5mm。4.根據權利要求1所述的寬帶法布裡-帕羅諧振天線，其特徵在於，饋源採用磁電偶極子饋源。5.根據權利要求4所述的寬帶法布裡-帕羅諧振天線，其特徵在於，所述的磁電偶極子饋源由設置在下層介質板縫隙切面上的兩排金屬牆組成磁偶極子(9)，以及由延縫隙水平設置在下層介質板上表面的一副印刷貼片組成電偶極子(8)構成，縫隙中間設有探針，探針(4)上端設有T字形條帶(7)。6.根據權利要求5所述的寬帶法布裡-帕羅諧振天線，其特徵在於，所述的磁電偶極子所在的下層介質板厚度為3mm;電偶極子由長為15.6mm，寬為6.4mm的一對貼片組成;磁偶極子由27對並排設置的金屬柱組成，金屬柱直徑為0.4mm;探針的直徑為lmm，T字形條帶底邊長為1.8mm，寬為0.5mm，高邊為1.6_。7.根據權利要求1所述的寬帶法布裡-帕羅諧振天線，其特徵在於，所述的空氣層高度在基模的情況下為半諧振波長。
【文檔編號】H01Q1/38GK205723943SQ201620409910
【公開日】2016年11月23日
【申請日】2016年5月9日
【發明人】王茜茜, 林家棟, 曹文權, 錢祖平, 蔡洋, 王樂
【申請人】中國人民解放軍理工大學