一種寬帶法布里?帕羅諧振天線的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種寬帶法布里?帕羅諧振天線，包括部分反射表面、空氣層、下層介質(zhì)板、公共金屬地以及饋源。針對現(xiàn)有法布里帕羅諧振天線頻帶窄的缺陷，本實用新型采用排列印刷在介質(zhì)板上的兩層周期性貼片單元陣列構(gòu)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(yīng)，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(zhì)板上設(shè)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，并且拓展了天線的工作帶寬。
【專利說明】
一種寬帶法布里-帕羅諧振天線
技術(shù)領(lǐng)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里-帕羅諧振天線。
【背景技術(shù)】
[0002]為了更可靠的傳輸信息，移動通信、衛(wèi)星通信等通信系統(tǒng)往往需要高增益寬頻帶的天線。傳統(tǒng)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(yōu)點，但是其也有體積大、剖面高以及不易與目標(biāo)共形、設(shè)計不夠靈活的缺點。因此需要改進(jìn)傳統(tǒng)的空饋天線，使其既保持寬頻帶高增益的優(yōu)勢，又能降低天線的剖面，易與目標(biāo)共形。
[0003]FPRA(法布里-帕羅諧振天線)就是一種高方向性的空饋類平面天線。處于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(gòu)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(qiáng)，從而提高天線的方向性。但是諧振腔的這一原理也導(dǎo)致了其帶寬窄的特性，并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(jìn)一步實際應(yīng)用。
[0004]饋源是法布里-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(wěn)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(jié)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(shè)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(zhì)層以展寬帶寬，而這種設(shè)計無疑增加了天線的剖面高度。
【實用新型內(nèi)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里帕羅諧振天線，重新設(shè)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里-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(zhì)板和公共金屬地，下層介質(zhì)板中開設(shè)縫隙，縫隙上設(shè)置有饋源，其特征在于，部分反射表面由上層介質(zhì)板構(gòu)成，上層介質(zhì)板的上表面設(shè)置有上層貼片陣列，上層介質(zhì)板的下表面設(shè)置有下層貼片陣列。
[0007]如上所述的寬帶法布里-帕羅諧振天線，其特征在于，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(gòu)成，
[0008]如上所述的寬帶法布里-帕羅諧振天線，其特征在于，所述的饋源采用磁電偶極子饋源。
[0009]如上所述的寬帶法布里-帕羅諧振天線，其特征在于，所述的磁電偶極子饋源由設(shè)置在下層介質(zhì)板縫隙切面上的兩排金屬墻組成磁偶極子，由延縫隙水平設(shè)置在下層介質(zhì)板上表面的一副印刷貼片組成電偶極子構(gòu)成，縫隙中間設(shè)有探針，探針上端設(shè)有T字形條帶。具體的天線參數(shù)需要根據(jù)具體情況進(jìn)行調(diào)節(jié)。
[0010]如上所述的寬帶法布里-帕羅諧振天線，其特征在于，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里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，采用排列印刷在介質(zhì)板上的兩層周期性貼片單元陣列構(gòu)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(yīng)，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。由于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(gòu)成諧振腔，通過合理設(shè)計兩層貼片陣列的單元尺寸對入射場進(jìn)行相位補(bǔ)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(shè)計中使用具有穩(wěn)定增益的磁電偶極子作為饋源。為了易于集成，同時降低天線剖面，本設(shè)計中的磁電偶極子使用單層介質(zhì)板實現(xiàn)。
[0012]本實用新型所述的寬帶法布里-帕羅諧振天線中，能量由下層介質(zhì)板縫隙間的探針饋入，通過相連的T字形條帶耦合并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(bǔ)疊加，形成前向輻射加強(qiáng)，后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制于介質(zhì)基片上的貼片單元組成，當(dāng)電磁波從饋源傳出，沿著不同的傳輸路徑到達(dá)每個貼片單元的長度不一樣，傳輸路徑長度的差異將導(dǎo)致各單元所接受的入射場發(fā)生不同的空間相位延遲。本實用新型合理設(shè)計單元結(jié)構(gòu)以及其排列方式，使整個陣列對入射場進(jìn)行適當(dāng)?shù)南辔谎a(bǔ)償。尤其是采取層疊方式以補(bǔ)償從饋源到每個貼片由于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(jìn)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(yōu)。
[0013]通過實驗并采用參數(shù)提取分析的方法，調(diào)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范圍之內(nèi)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(zhì)板與底層具有相同的材料屬性，但是高度不同，依據(jù)貼片之間縫隙產(chǎn)生左手諧振特性以及上下層貼片耦合產(chǎn)生的右手特性，調(diào)節(jié)上層介質(zhì)板高度使其達(dá)到諧振模式。通過對底層磁電偶極子輻射出來的電磁波進(jìn)行不斷反射并選擇性輻射出去，保證天線方向性提高增益。
[0015]本實用新型和現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下有益效果:本實用新型在傳統(tǒng)諧振腔天線基礎(chǔ)上，通過改進(jìn)法布里-帕羅諧振天線的部分反射表面的結(jié)構(gòu)，即以兩面都設(shè)有貼片陣列的介質(zhì)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(biāo)共形的特點的同時，克服了傳統(tǒng)諧振腔天線對頻率敏感、帶寬較窄的缺陷。本實用新型設(shè)計的基于磁電偶極子的法布里-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(diào)整上層介質(zhì)板厚度以及貼片陣列各單元尺寸、結(jié)構(gòu)、排列方式，對貼片陣列各單元反射相位進(jìn)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(yōu)。
[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(yīng)用于布里-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(wěn)定、低剖面、尺寸小易于集成的特性。本天線可應(yīng)用于Ku波段通信系統(tǒng)。
【附圖說明】

[0018]圖1為新型法布里帕羅諧振天線的三維整體結(jié)構(gòu)圖。
[0019]圖2為新型法布里帕羅諧振天線的饋源放大圖。
[0020]圖3為新型法布里帕羅諧振天線的側(cè)視圖。
[0021 ]圖4為新型法布里帕羅諧振天線中T字形條帶的結(jié)構(gòu)圖。
[0022]圖5為新型法布里帕羅諧振天線中饋源的俯視圖。
[0023]圖6為新型法布里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為新型法布里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為新型法布里帕羅諧振天線的E面輻射方向圖。
[0026]圖中標(biāo)示說明:上層介質(zhì)板1、空氣層2、下層介質(zhì)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(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0028]本實用新型公開了一種寬帶法布里-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(zhì)板3和公共金屬地10，下層介質(zhì)板10中開設(shè)縫隙，縫隙上設(shè)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(zhì)板I構(gòu)成，上層介質(zhì)板I的上表面設(shè)置有上層貼片陣列5，上層介質(zhì)板I的下表面設(shè)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(gòu)成，經(jīng)過調(diào)節(jié)參數(shù)，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(zhì)板高度為2.5mm。
[0029]所述的磁電偶極子饋源由設(shè)置在下層介質(zhì)板縫隙切面上的兩排金屬墻組成磁偶極子9，由延縫隙水平設(shè)置在下層介質(zhì)板上表面的一副印刷貼片組成電偶極子8共同構(gòu)成，縫隙中間設(shè)有探針4，探針4上端設(shè)有T字形條帶7。磁電偶極子所在的底層介質(zhì)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于，改進(jìn)了傳統(tǒng)的法布里帕羅諧振腔天線的部分反射表面結(jié)構(gòu)。通過在上層介質(zhì)板的上下兩個表面以層疊的方式設(shè)置各設(shè)置一組貼片陣列來補(bǔ)償由于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(jìn)行校正，即調(diào)節(jié)單元的形狀、排列、大小以及上層介質(zhì)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]由于采用法布里帕羅諧振腔天線的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，接地板10與部分反射表面5、6共同構(gòu)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(qiáng)。由于改進(jìn)上下層貼片陣列結(jié)構(gòu)，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(yīng)用需求。且由于法布里帕羅諧振腔天線的結(jié)構(gòu)，本申請這樣的設(shè)計也同時具有體積小，剖面高度低，易與目標(biāo)共形，設(shè)計夠靈活的優(yōu)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(bǔ)疊加，形成前向輻射加強(qiáng)，后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(shè)計中需要調(diào)節(jié)條帶的長度保證阻抗特性，同時調(diào)節(jié)其磁偶極子的金屬墻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(wěn)定的增益和阻抗。
[0033]結(jié)合圖4、圖5、圖6以及圖7，本發(fā)明的新型法布里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，并且比原有磁電偶極子天線增益普遍提高，在12GHz至18GHz頻帶范圍內(nèi)均在8.87dBi以上，最高增益達(dá)12.62dBi。并且低后向輻射，交叉極化水平非常低。
[0034]根據(jù)以上所述，便可實現(xiàn)本發(fā)明。
【主權(quán)項】
1.一種寬帶法布里-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(zhì)板(3)和公共金屬地(10)，下層介質(zhì)板中開設(shè)縫隙，縫隙上設(shè)置有饋源，其特征在于，部分反射表面由上層介質(zhì)板(I)構(gòu)成，上層介質(zhì)板(I)的上表面設(shè)置有上層貼片陣列(5)，上層介質(zhì)板的下表面設(shè)置有下層貼片陣列(6)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬帶法布里-帕羅諧振天線，其特征在于，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(gòu)成。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的寬帶法布里-帕羅諧振天線，其特征在于，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(zhì)板高度為2.5mm。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬帶法布里-帕羅諧振天線，其特征在于，饋源采用磁電偶極子饋源。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的寬帶法布里-帕羅諧振天線，其特征在于，所述的磁電偶極子饋源由設(shè)置在下層介質(zhì)板縫隙切面上的兩排金屬墻組成磁偶極子(9)，以及由延縫隙水平設(shè)置在下層介質(zhì)板上表面的一副印刷貼片組成電偶極子(8)構(gòu)成，縫隙中間設(shè)有探針，探針(4)上端設(shè)有T字形條帶(7)。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的寬帶法布里-帕羅諧振天線，其特征在于，所述的磁電偶極子所在的下層介質(zhì)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對并排設(shè)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(jù)權(quán)利要求1所述的寬帶法布里-帕羅諧振天線，其特征在于，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(fā)明人】王茜茜, 林家棟, 曹文權(quán), 錢祖平, 蔡洋, 王樂
【申請人】中國人民解放軍理工大學(xué)