CN211017384U - 一种加载匹配结构的多波束全息天线 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种加载匹配结构的多波束全息天线，特别涉及天线领域。包括：激励天线、全息结构，所述全息结构包括按照模拟干涉图样放置在介质板上的金属条带，并使所述激励天线垂直树立在全息结构上。本方案解决了如何使原型全息天线的最大增益方向出射到θ＝60°的方向上的技术问题。根据全息结构上电磁能量的分布，同时为了解决原型全息结构带来的方向图主瓣波瓣***的问题，截取能量比较集中的部分设计了小型化全息天线，并通过对小型化全息结构进行组合，设计了多波束的全息天线。通过在全息结构中增加匹配结构，解决了现有金属条带全息天线设计中方向图端射的问题，同时以理论和仿真结合的方式验证了金属条带全息天线的频率扫描特性。
Description
技术领域
本实用新型涉及天线领域，特别涉及一种加载匹配结构的多波束全息天线。
背景技术
电磁波是各种无线电通信交换信息所必需的的载体，天线作为一种转换器，它把传输线上传播的导行波变换成在自由空间中或者其他媒质传播的电磁波，或者进行相反的变换。因此，天线在无线电通信中起着不可替代的作用。随着通信容量的增大，通信***对天线的性能要求也越来越高，提高增益、增强定向性、结构简单化、灵活调控性等方面是当前对天线研究的牵引需求，与此同时为了延长天线或者雷达***在现代战场环境中的寿命，还要考虑天线***与环境的融合，隐蔽性等。传统的反射面天线通过固定的反射结构使激励源发射的电磁波定向辐射出去或者接收外来电磁波，为了获得很高的增益和较强的辐射能力，其需要较大的反射面结构。这使得反射面天线的整体尺寸较大且轮廓固定，不能与环境有效的融合，隐蔽性低，战场生存困难。
全息天线是一种利用全息结构改变源天线的辐射特性，从而实现特定辐射能力的口径天线，具有低剖面、高增益、方向性强、调控灵活、易共形等优点。全息天线对馈源天线的选取一般没有过多要求，喇叭天线、八木天线、单极子天线等均可作为全息天线的源天线，全息结构主要对源天线的表面波起到二次激励的作用，从而获得想要的辐射性能。
所述全息天线根据全息结构上电磁能量的分布，对原型全息结构进行截取设计了小型化的全息天线，小型化设计改变了全息结构上电流的分布，解决了原型全息天线方向图主瓣***的问题。通过匹配结构的设计，对小型化后的全息结构进行合理组合，实现了多波束全息天线的设计，消除了现有金属条带全息天线设计中方向图端射的现象。同时理论计算结合仿真验证了金属条带全息天线的频率扫描特性。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是如何使全息天线的最大增益方向偏转到目标方向以及金属条带全息天线的小型化问题，解决了多波束全息天线设计中全息结构的组合及波束偏转问题，匹配结构的设计消除了现有金属条带全息天线方向图端射的现象，同时验证了天线的频率扫描特性。
本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：一种加载匹配结构的多波束全息天线，包括：激励天线、全息结构，所述全息结构包括按照模拟干涉图样放置在介质板上的金属条带，并使所述激励天线垂直树立在所述全息结构上，所述全息结构包括k个椭圆状金属条带，每个所述金属条带的焦点均在同一直线上，且每个所述金属条带的左焦点均重合，即为共焦点设计。
当平面波以一定的角度斜入射到干涉平面时，源天线与平面波的干涉场的极小值点的集合构成一个共焦点的椭圆族，本方案中根据上述原理和激励天线得到模拟干涉图样。
本实用新型的有益效果是：本方案通过设置全息结构使得原型全息天线的主瓣出射到θ＝60°方向，在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，根据所述全息结构上电磁能量分布的集中程度，截取所述全息结构中的右侧部分为小型化I型全息结构，截取的分割线在所述激励天线左侧的10mm处，并延长激励天线一端的介质板和接地板的长度，延长的长度为5mm，此为匹配结构设计，并据此设计了小型化I型全息天线。
采用上述进一步方案的有益效果是，相比未增加匹配结构的设计方案，本方案的天线性能更好，方向图的副瓣更小，增加的匹配结构，作为电流缓冲区，不会造成全息结构上电流的突然间断，从而消除了方向图端射现象，实用性更高。
进一步，与小型化I型全息天线设计原理类似，根据所述全息结构上电磁能量分布，在所述全息结构内截取菱形全息结构，在所述菱形全息结构右侧端点处增加一个圆饼型匹配结构，所述圆饼形匹配结构的半径为10mm，所述圆饼形匹配结构的圆心与所述菱形全息结构右侧端点重合，激励天线位于匹配结构的圆心处，以此设计了小型化II型全息天线。
采用上述进一步方案的有益效果是，该设计使得天线的尺寸进一步小型化,同时，相比不增加圆饼形匹配结构的方案，本方案的天线的方向图的主瓣为标准笔状波束，出射角度θ＝62°，主瓣增益为11.7dBi，比改进前提高了3.7dBi，同时方向图端射问题也得到了解决。
进一步，将所述小型化I型全息天线中的全息结构沿所述分割线镜像处理后得到镜像全息结构，所述镜像全息结构之间设有宽度为10mm的匹配结构，所述激励天线设置在所述匹配结构的正中，所述激励天线和所述镜像全息结构共同组成多波束I型全息天线。
采用上述进一步方案的有益效果是，这样设置后的多波束I型全息天线的主瓣能出射到两个方向上，也消除了方向图端射的现象。
进一步，将所述菱形全息结构以所述圆饼型匹配结构的圆心为圆心旋转180°得到第一旋转全息结构，所述激励天线设置在所述圆饼形匹配结构的圆心中，所述激励天线、所述菱形全息结构和所述第一旋转全息结构共同组成多波束II型全息天线。
采用上述进一步方案的有益效果是，这样设置后的多波束II型全息天线具有良好的辐射性能，可以获得两个方向上的辐射主瓣。圆饼型匹配结构的设计，优化了电流的流通，使得两个全息结构可以更充分的捕获激励天线的电磁能量。
进一步，将所述菱形全息结构以所述圆饼型匹配结构的圆心为圆心旋转90°3次得到3个第二旋转全息结构，所述激励天线、所述菱形全息结构和3个所述第二旋转全息结构共同组成多波束III型全息天线，所述菱形全息结构和3个所述第二旋转全息结构之间各有宽为10mm的匹配结构，所述激励天线设置在所述多波束III型全息天线的全息结构的正中。
采用上述进一步方案的有益效果是，这样设置后的天线的方向图能获得四个方向上的辐射主瓣，匹配结构的设计改善了天线的辐射性能。
本实用新型附加的方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型实践了解到。
附图说明
图1为本实用新型加载匹配结构的多波束全息天线的其它实施例的13个金属条带的原型全息结构模型示意图；
图2为本实用新型加载匹配结构的多波束全息天线的其它实施例的截取后的13个金属条带的全息结构模型示意图；
图3为本实用新型加载匹配结构的多波束全息天线的其它实施例的小型化I型全息天线模型示意图；
图4为本实用新型加载匹配结构的多波束全息天线的其它实施例的菱形全息结构截取示意图；
图5为本实用新型加载匹配结构的多波束全息天线的其它实施例的小型化II型全息天线模型示意图；
图6为本实用新型加载匹配结构的多波束全息天线的其它实施例的***结构多波束I型全息天线模型示意图；
图7为本实用新型加载匹配结构的多波束全息天线的其它实施例的多波束II型全息天线模型示意图；
图8为本实用新型加载匹配结构的多波束全息天线的其它实施例的***结构多波束III型全息天线模型示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。
实施例基本如附图1所示：
本实施例中加载匹配结构5的多波束全息天线，包括：激励天线3、全息结构，全息结构包括按照模拟干涉图样放置在介质板1上的金属条带2，并使激励天线3垂直树立在全息结构上，全息结构包括k个椭圆状金属条带2，每个金属条带2的焦点均在同一直线上，且每个金属条带2的左焦点均重合，即为共焦点设计，本实施例中的激励源天线为单极子天线，单极子天线由一个单独的振子垂直竖立在接地面组成；
其中单极子天线的设计频率为15GHz，单极子天线长度为h＝4.4mm，半径为0.2mm，与接地板的距离为0.12mm，接地板的尺寸为150mm*150mm*0.5mm；这样设置后的单极子天线的最大增益达到6.3dBi，谐振频率15GHz时的S11等于-40.8dB，-10dB带宽为3.3GHz。
当平面波以一定的角度斜入射到干涉平面时，源天线与平面波的干涉场的极小值点的集合构成一个共焦点的椭圆族，本方案中根据上述原理和激励天线3得到模拟干涉图样。
本实用新型的有益效果是：本方案通过设置全息结构使得原型全息天线的主瓣出射到θ＝60°方向，全息结构包括k个椭圆状金属条带2，每个金属条带2的焦点均在同一直线上，且每个金属条带2的左焦点均重合，其中每个金属条带2的左焦点的重合点称为共焦点，本实施例中的全息结构示意图如图1所示，其中介质板1材料为Rogers RT6010，介电常数为10.2，介质板1尺寸为150mm*150mm，厚度为0.635mm，金属条带2的宽度为2mm。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
可选的，如附图1、附图2和附图3所示，在一些其它实施例中，根据原型全息结构上电磁能量分布，截取全息结构中的右侧部分为小型化I型全息结构，截取的分割线在激励天线3左侧的10mm处，并延长激励天线3一端的介质板1和接地板的长度，延长的长度为5mm，进行匹配结构5设计，并据此设计了小型化I型全息天线。
相比未增加匹配结构5的设计方案，本方案的天线性能更好，出射角度θ＝64°，最大增益为14.3dBi，提高了5.7dBi，方向图的副瓣更小，同时解决了天线方向图端射的问题，实用性更高。
可选的，如附图4和附图5所示，在一些其它实施例中，与小型化I型全息天线设计原理类似，根据全息结构上电磁能量分布，在全息结构内截取菱形4全息结构，在菱形4全息结构右侧端点处增加一个圆饼型匹配结构5，圆饼形匹配结构5的半径为10mm，圆饼形匹配结构5的圆心与菱形4全息结构右侧端点重合，激励天线3位于匹配结构5的圆心处，据此设计了小型化II型全息天线。
相比不增加圆饼形匹配结构5的方案，本方案的天线的方向图的主瓣为标准笔状波束，出射角度θ＝62°，主瓣增益为11.7dBi，比改进前提高了3.7dBi，同时解决了天线方向图端射的问题。
可选的，如附图6在一些其它实施例中，将小型化I型全息天线中的全息结构沿分割线镜像处理后得到镜像全息结构，镜像全息结构之间设有宽度为10mm的匹配结构5，激励天线3设置在匹配结构5的正中，激励天线3和镜像全息结构共同组成多波束I型全息天线。
这样设置后的多波束I型全息天线的主瓣能出射到两个方向上；天线的性能良好，中心频点15GHz处的S11等于-28dB，-10dB带宽为3.3GHz，天线在θ＝65°和θ＝118°的方向上出现两个主瓣，主瓣增益为13dBi，3dB波束宽度为5.9°。
可选的，如附图7所示，在一些其它实施例中，将菱形4全息结构以圆饼型匹配结构5的圆心为圆心旋转180°得到第一旋转全息结构，激励天线3设置在圆饼形匹配结构5的圆心中，激励天线3、菱形4全息结构和第一旋转全息结构共同组成多波束II型全息天线。
这样设置后的天线具有良好的辐射性能，可以获得两个方向上的辐射主瓣。圆饼型匹配结构5的设计，优化了电流的流通，使得两个全息结构可以更充分的捕获激励天线3的电磁能量。
可选的，如附图8所示，在一些其它实施例中，将菱形4全息结构以圆饼型匹配结构5的圆心为圆心旋转90°3次得到3个第二旋转全息结构，激励天线3、菱形4全息结构和3个第二旋转全息结构共同组成多波束III型全息天线，所述菱形4全息结构和3个第二旋转全息结构之间各有10mm的匹配结构5设计，激励天线3设置在多波束III型全息天线的全息结构的正中。
这样设置后的天线的方向图能获得四个方向上的辐射主瓣，且辐射性能良好，中心频点15GHz处的S11等于-33.7dB，-10dB带宽为2.8GHz。四个主瓣的出射方向分别为φ＝0°，θ＝62°；φ＝90°，θ＝62°；φ＝180°，θ＝62°；φ＝270°，θ＝62°。主瓣最大增益为10dBi，3dB波束宽度为14.2°。
为了对全息天线的频率扫描特性分析，本实施例中，可以以一维全息波束扫描为例，则参考波ψref和物波ψobj可分别表示为：
ψref＝e-jkx (1)
…
其中θ是波束偏转角度，k0是自由空间波数。由全息原理可知，两者的干涉项表达式为：
假设干涉条纹的周期为n，则有：
则周期n的表达式为：
进一步则有：
由公式(6)可以看出，波束偏转角度θ与参考波的波数k有关，当改变参考波的频率时，波束的偏转角度也会相应改变，即频率可以控制波束的扫描。设计以理论分析结合仿真计算的方式验证了设计天线的频率扫描特性。同理，对于二维情况的波束扫描也是成立的。
需要说明的是，上述各实施例是与上述各方法实施例对应的产品实施例，对于本实施例中各结构装置及可选实施方式的说明可以参考上述各方法实施例中的对应说明，在此不再赘述。
读者应理解，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
以上，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种加载匹配结构的多波束全息天线，其特征在于，包括：激励天线、全息结构，所述全息结构包括按照模拟干涉图样放置在介质板上的金属条带，并使所述激励天线垂直树立在所述全息结构上。
2.根据权利要求1所述的加载匹配结构的多波束全息天线，其特征在于：所述全息结构包括k个椭圆状金属条带，每个所述金属条带的焦点均在同一直线上，且每个所述金属条带的左焦点均重合。
3.根据权利要求1所述的加载匹配结构的多波束全息天线，其特征在于：根据所述全息结构上电磁能量分布，截取所述全息结构中的右侧部分为小型化I型全息结构，截取的分割线在所述激励天线左侧的10mm处，并延长激励天线一端的介质板和接地板的长度，延长的长度为5mm，即为匹配结构设计，据此设计了小型化I型全息天线。
4.根据权利要求1所述的加载匹配结构的多波束全息天线，其特征在于：根据所述全息结构上电磁能量分布，在所述全息结构内截取菱形全息结构，在所述菱形全息结构右侧端点处增加一个圆饼型匹配结构，所述圆饼型匹配结构的半径为10mm，所述圆饼型匹配结构的圆心与所述菱形全息结构右侧端点重合，激励天线位于匹配结构的圆心处，据此设计了小型化II型全息天线。
5.根据权利要求3所述的加载匹配结构的多波束全息天线，其特征在于：将所述小型化I型全息结构沿所述分割线镜像处理后得到镜像全息结构，所述镜像全息结构之间设有宽度为10mm的匹配结构，所述激励天线设置在所述匹配结构的正中，所述激励天线和所述镜像全息结构共同组成多波束I型全息天线。
6.根据权利要求4所述的加载匹配结构的多波束全息天线，其特征在于：将所述菱形全息结构以所述圆饼型匹配结构的圆心为圆心旋转180°得到第一旋转全息结构，所述激励天线设置在所述圆饼型匹配结构的圆心中，所述激励天线、所述菱形全息结构和所述第一旋转全息结构共同组成多波束II型全息天线。
7.根据权利要求4所述的加载匹配结构的多波束全息天线，其特征在于：将所述菱形全息结构以所述圆饼型匹配结构的圆心为圆心旋转90°3次得到3个第二旋转全息结构，所述激励天线、所述菱形全息结构和3个所述第二旋转全息结构共同组成多波束III型全息天线，所述菱形全息结构和3个所述第二旋转全息结构之间各有宽为10mm的匹配结构，所述激励天线设置在所述多波束III型全息天线的全息结构的正中。
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Cited By (1)
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2019
- 2019-11-08 CN CN201921920110.4U patent/CN211017384U/zh active Active
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