CN113013601B - 宽带差分Fabry-Perot谐振腔天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种宽带差分Fabry‑Perot谐振腔天线，包括差分宽带微带天线、单层频率选择性表面和波导E面功分器，所述差分宽带微带天线作为馈源，由底层的金属接地板、介质底板、一个矩形贴片和两条矩形条带层叠放置组成；谐振腔上层为具备正相位梯度的周期排列的圆形互补型单层频率选择性表面组成的阵列，单层频率选择性表面结构作为上反射面，由单层覆层介质基板、上层的圆形网状结构和下层的圆形环状孔径结构共同组成；波导E面功分器为差分宽带微带天线提供了等幅反向的差分馈电形成单端口馈电。本发明的宽带差分Fabry‑Perot谐振腔天线一体化设计，性能稳定。

Description

宽带差分Fabry-Perot谐振腔天线
技术领域
本发明涉及微波毫米波天线领域，特别是一种宽带差分Fabry-Perot谐振腔天线。
技术背景
近年来，天线作为发射和接受电磁波的器件，获得了举足轻重的地位。剖面低、增益高的平面天线也开始应用到毫米波领域中。天线发射和接受电磁波的能力对通信***能否正常运转起到了关键性的作用，但是单个天线带宽窄，增益低，无法保证现有的终端设备能够正常进行工作。单个天线进行等距离组阵的方式能够提高天线的增益，但是馈电***复杂，体积庞大。相比之下，Fabry-Perot谐振腔天线结构简单，增益高，剖面低，馈电***简单，这些优势得到了人们越来越多的关注。
2013年Kai Lu首次提出了差分Fabry-Perot谐振腔天线，此天线由两块垂直的平行金属板组成，中间由一块水平方向的地平面连接，为了激励天线，一对背对的同轴探针从地平面伸出。在平行板旁侧有一对开口的脊用来抑制旁瓣，在金属板的顶板也放置了一对脊，顶部的脊之间的间隔大于平行板之间的间隔，用来抑制后向辐射。对于传统的FabryPerot谐振腔天线，波是通过部分频率选择性表面泄露的，且最强的辐射方向应该垂直于天线。但是此天线的辐射发生在开口处，最强的辐射方向平行于平行板。此天线的中心频率是24GHz，增益为11.7dB，交叉极化低于-30dB，但是此天线的带宽窄，仅有2.44％，且结构复杂，剖面高。2018年Zhiming Liu提出了一种基于单层FSS结构的高增益宽带Fabry-Perot谐振腔天线，此天线采用了单层互补圆形FSS结构作为频率选择性表面，剖面低，且3dB增益带宽为26.3％，但是此天线的交叉极化高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种频带宽、交叉极化低的宽带差分Fabry-Perot谐振腔天线。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种宽带差分Fabry-Perot谐振腔天线，包括差分宽带微带天线、单层频率选择性表面和波导E面功分器；
所述差分宽带微带天线作为馈源，由底层的金属接地板和介质底板层叠放置组成，介质底板上设有一个矩形贴片和两条矩形条带，其中矩形条带对称地放置在矩形贴片的两边；谐振腔上层为具备正相位梯度的周期排列的圆形互补型单层频率选择性表面组成的阵列，单层频率选择性表面为双面覆层结构，作为上反射面，由介质基板、位于介质基板上层的圆形网状结构和位于介质基板下层的圆形环状孔径结构组成，上层的圆形网状结构和下层的圆形环状孔径结构结构互补；所述差分宽带微带天线与单层频率选择性表面组成的阵列正对；差分宽带微带天线和单层频率选择性表面之间由空气填充；波导E面功分器为差分宽带微带天线提供等幅反向的差分馈电形成单端口馈电。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
(1)频带宽：通过矩形贴片和矩形条带进行电容耦合形成双谐振点，并在介质和底层的金属接地板之间有一层高为5mm的空气，这些使该天线的带宽得到了拓展。
(2)交叉极化低：因馈入差分天线的是幅度相等且相位相反的信号，这使得交叉极化的电场在远场形成的电场相互抵消，从而有效的降低了差分天线的交叉极化。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。
附图说明
图1是本发明宽带差分Fabry-Perot谐振腔天线的三维结构示意图。
图2是单层频率选择性表面示意图。
图3是宽带差分Fabry-Perot谐振腔天线的侧面图。
图4是是单层频率选择表面的结构图
图5是差分宽带微带天线的结构图。
图6是频率选择性表面反射系数的模值和相位。
图7是宽带差分Fabry-Perot谐振腔天线的回波损耗仿真结果。
图8-图10分别是该天线分别在5.5GHz，5.19GHz，6.2GHz的归一化仿真方向图。
具体实施方式
一种宽带差分Fabry-Perot谐振腔天线，包括差分宽带微带天线1、单层频率选择性表面2和波导E面功分器3；
所述差分宽带微带天线1作为馈源，由底层的金属接地板4、Rogers RO4003介质底板5层叠放置组成，介质底板5上设置有一个矩形贴片6和两条矩形条带7，其中矩形条带7对称地放置在矩形贴片6的两边，差分宽带微带天线1构成宽带差分Fabry-Perot谐振腔天线的下反射板，矩形贴片和两条矩形条带进行电容耦合形成微带差分宽带天线基本单元，长SMA接头连接矩形条带，将能量电容耦合到辐射贴片上。谐振腔上层为具备正相位梯度的周期排列的圆形互补型单层频率选择性表面2组成的阵列，单层频率选择性表面2为双面覆层结构，作为上反射面，由介质基板8、位于介质基板8上层的圆形网状结构9和位于介质基板8下层的圆形环状孔径结构10共同组成，上层的圆形网状结构9和下层的圆形环状孔径结构10结构互补；所述差分宽带微带天线1与单层频率选择性表面2组成的阵列正对；差分宽带微带天线1和单层频率选择性表面2之间由空气填充，空气的高度为18.5mm。波导E面功分器3为差分宽带微带天线1提供了等幅反向的差分馈电形成单端口馈电。
所述上反射面的单层频率选择性表面2的周期数为7×7，作为双面覆层结构，它的上层是周期排列的圆形网状敷铜阵列，下层为周期排列的圆形环状孔径敷铜阵列。
差分宽带微带天线1作为馈源，由矩形贴片6和两条矩形条带7组成。在介质底板5和底层的金属接地板4之间有一层高为5mm的空气用来扩展带宽，两条矩形条带7上分别连接两个50Ω的同轴探针，将能量电容耦合到矩形贴片6上。
波导E面功分器3位于差分宽带微带天线1的正下方，两条矩形条带7上放置的两个50Ω的同轴探针通过两条同轴线与波导E面功分器3相连，为天线提供了等幅反向的激励。
此天线采用同轴设计，SMA接头为50Ω。
综上，本发明提供的宽带差分Fabry-Perot谐振腔天线，增益高，剖面低，频带宽，交叉极化低。
实施例
如图1、图2所示，本发明的一种宽带差分Fabry-Perot谐振腔天线，包括差分宽带微带天线1，单层频率选择性表面2和波导E面功分器3；
首先，在矩形贴片6的一边放置一条矩形条带7，调整两者之间的间距可以拓展微带天线的带宽，然而H面的交叉极化比较高，所以需要进一步改善其结构使其交叉极化得到进一步的优化。因此采用了差分的结构，在矩形贴片6的另一边也放置一条矩形条带7，并在正下方放置波导E面功分器3对天线进行差分馈电，微带天线和波导E面功分器3通过一条长的同轴线相连，射频连接器的位置对天线的带宽有很大的影响。在宽带差分微带天线1的正上方放置了单层频率选择性表面2，频率选择性表面采用单层双面结构，具有正相位梯度，呈现周期性排列，能够增加此Fabry-Perot谐振腔天线的增益。同时通过仿真优化可以使E面和H面同时获得较低的交叉极化。
如图3所示是宽带差分Fabry-Perot谐振腔天线的侧面图。
如图4所示，此天线的单层双面频率选择表面2由单层介质基板8，上层的圆形网状结构9和下层的圆形环状孔径结构10组成。反射板上表面的敷铜阵列中，所有圆的半径为4.6mm，相互间距为13mm。反射板下表面的敷铜阵列中，所有镂空的圆的边长为5.8mm，相互间距为13mm。
图5是差分宽带微带天线的结构图。通过矩形贴片6和两条矩形条带7进行电容耦合形成微带差分宽带天线基本单元。微带差分天线的优化参数为：L＝11.2mm,W＝18mm,t＝2.1mm,s＝1.8mm,d＝2.4mm。
图6是频率选择性表面反射系数的模值和相位。频率选择性表面反射系数的模值最小值为0.74。在f＝5.5GHz,反射相位168deg，在f＝5.2GHz时，反射相位164deg，在f＝6.2GHz时，反射相位172deg。随频率的增大，反射相位递增，可以满足由波程差导致的相位差，从而实现同向叠加。
图7是利用HFSS仿真软件，在工作频率为5.5GHz时该天线的回波损耗图。由此可以看出，该天线在中心频率5.5GHz处阻抗带宽为18.4％。
图8-图10是利用HFSS仿真软件，在工作频率分别为5.5GHz、5.19GHz、6.2GHz时该天线的归一化方向图对比。
因此，所述宽带差分Fabry-Perot谐振腔天线具有宽频带，低交叉极化的特性。

Claims (7)

1.一种宽带差分Fabry-Perot谐振腔天线，其特征在于：包括差分宽带微带天线(1)、单层频率选择性表面(2)和波导E面功分器(3)；
所述差分宽带微带天线(1)作为馈源，由底层的金属接地板(4)和介质底板(5)层叠放置组成，介质底板(5)上设有一个矩形贴片(6)和两条矩形条带(7)，其中矩形条带(7)对称地放置在矩形贴片(6)的两边；谐振腔上层为具备正相位梯度的周期排列的圆形互补型单层频率选择性表面(2)组成的阵列，单层频率选择性表面(2)为双面覆层结构，作为上反射面，由介质基板(8)、位于介质基板(8)上层的圆形网状结构(9)和位于介质基板(8)下层的圆形环状孔径结构(10)组成，上层的圆形网状结构(9)和下层的圆形环状孔径结构(10)结构互补；所述差分宽带微带天线(1)与单层频率选择性表面(2)组成的阵列正对；差分宽带微带天线(1)和单层频率选择性表面(2)之间由空气填充；波导E面功分器(3)为差分宽带微带天线(1)提供等幅反向的差分馈电形成单端口馈电。
2.根据权利要求1所述的宽带差分Fabry-Perot谐振腔天线，其特征在于：所述单层频率选择性表面(2)的周期数为7×7，作为双面覆层结构，它的上层是周期排列的圆形网状敷铜阵列，下层为周期排列的圆形环状孔径敷铜阵列。
3.根据权利要求2所述的宽带差分Fabry-Perot谐振腔天线，其特征在于：介质底板(5)和底层的金属接地板(4)之间有一层高为5mm的空气用来扩展带宽。
4.根据权利要求3所述的宽带差分Fabry-Perot谐振腔天线，其特征在于：两条矩形条带(7)上分别连接两个50Ω的同轴探针，将能量电容耦合到矩形贴片(6)上。
5.根据权利要求4所述的宽带差分Fabry-Perot谐振腔天线，其特征在于：波导E面功分器(3)位于差分宽带微带天线(1)的正下方，两条矩形条带(7)上放置的两个50Ω的同轴探针通过两条同轴线与波导E面功分器(3)相连，为天线提供等幅反向的激励。
6.根据权利要求5所述的宽带差分Fabry-Perot谐振腔天线，其特征在于：谐振腔天线采用同轴设计，SMA接头为50Ω。
7.根据权利要求2所述的宽带差分Fabry-Perot谐振腔天线，其特征在于：单层频率选择性表面(2)上表面的敷铜阵列中，所有圆的半径为4.6mm，相互间距为13mm；下表面的敷铜阵列中，所有镂空的圆的边长为5.8mm，相互间距为13mm。
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