一种宽带法布里?帕罗谐振天线的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种宽带法布里?帕罗谐振天线，包括部分反射表面、空气层、下层介质板、公共金属地以及馈源。针对现有法布里帕罗谐振天线频带窄的缺陷，本实用新型采用排列印刷在介质板上的两层周期性贴片单元阵列构成部分反射表面，使得部分反射表面具有正斜率的反射相位频率响应，从而削弱谐振腔对频率的敏感性，展宽天线带宽。本实用新型在单层介质板上设置磁电偶极子做馈源，在降低天线剖面高度的同时，提高了天线的方向性、辐射效率，并且拓展了天线的工作带宽。
【专利说明】
一种宽带法布里-帕罗谐振天线
技术领域
[0001]本实用新型涉及一种平面高增益天线，是一种具有宽频带的法布里-帕罗谐振天线。
【背景技术】
[0002]为了更可靠的传输信息，移动通信、卫星通信等通信系统往往需要高增益宽频带的天线。传统的反射面空馈类天线比如卡塞格伦天线具有辐射效率高、频带宽和馈电简单的优点，但是其也有体积大、剖面高以及不易与目标共形、设计不够灵活的缺点。因此需要改进传统的空馈天线，使其既保持宽频带高增益的优势，又能降低天线的剖面，易与目标共形。
[0003]FPRA(法布里-帕罗谐振天线)就是一种高方向性的空馈类平面天线。处于谐振频率的入射波在由部分反射表面(partially reflective surface)、空气层与金属地三者构成的谐振腔中全透射，而偏离谐振频率的入射波被部分反射表面不断反射，最终在FPRA外表面上同相叠加而不断加强，从而提高天线的方向性。但是谐振腔的这一原理也导致了其带宽窄的特性，并且部分反射表面的反射相位对频率的变化十分敏感，使得FPRA具有窄频带的缺点，限制了 FPRA的进一步实际应用。
[0004]馈源是法布里-帕罗谐振天线的一个重要组成部分，它决定着整个天线的性能。需要宽频带，增益稳定，低交叉极化的馈源，而磁电偶极子天线是一种将电偶极子与磁偶极子结合起来的天线，其方向图呈心形，具有许多良好的电特性以满足本天线的设计需求。而在前人的研究中，磁电偶极子多通过使用空气作介质层以展宽带宽，而这种设计无疑增加了天线的剖面高度。
【实用新型内容】
[0005]为了解决上述问题，本实用新型提出了一种新型的法布里帕罗谐振天线，重新设计了部分反射表面，在降低天线剖面高度的同时拓宽天线的工作频带。
[0006]本实用新型的一种宽带法布里-帕罗谐振天线，包括从上至下依次排列的部分反射表面、空气层、下层介质板和公共金属地，下层介质板中开设缝隙，缝隙上设置有馈源，其特征在于，部分反射表面由上层介质板构成，上层介质板的上表面设置有上层贴片阵列，上层介质板的下表面设置有下层贴片阵列。
[0007]如上所述的宽带法布里-帕罗谐振天线，其特征在于，所述的部分反射表面上的上层贴片阵列和下层贴片阵列均由矩形贴片单元构成，
[0008]如上所述的宽带法布里-帕罗谐振天线，其特征在于，所述的馈源采用磁电偶极子馈源。
[0009]如上所述的宽带法布里-帕罗谐振天线，其特征在于，所述的磁电偶极子馈源由设置在下层介质板缝隙切面上的两排金属墙组成磁偶极子，由延缝隙水平设置在下层介质板上表面的一副印刷贴片组成电偶极子构成，缝隙中间设有探针，探针上端设有T字形条带。具体的天线参数需要根据具体情况进行调节。
[0010]如上所述的宽带法布里-帕罗谐振天线，其特征在于，所述的空气层高度在基模的情况下为半谐振波长。
[0011]本实用新型利用法布里帕罗谐振天线高方向性、低剖面高度的特点，针对其频带窄的缺陷，采用排列印刷在介质板上的两层周期性贴片单元阵列构成部分反射表面，使得部分反射表面具有正斜率的反射相位频率响应，因而使得谐振腔对频率的敏感性得以削弱，有效地展宽了天线带宽。由于本实用新型的部分反射面与金属地和中间的空气层共同构成谐振腔，通过合理设计两层贴片阵列的单元尺寸对入射场进行相位补偿，在天线口径上形成等相位波，提高了天线的方向性和辐射效率。本设计中使用具有稳定增益的磁电偶极子作为馈源。为了易于集成，同时降低天线剖面，本设计中的磁电偶极子使用单层介质板实现。
[0012]本实用新型所述的宽带法布里-帕罗谐振天线中，能量由下层介质板缝隙间的探针馈入，通过相连的T字形条带耦合并同时激励电偶极子和磁偶极子，磁电偶极子辐射出来的电磁波通过互补叠加，形成前向辐射加强，后向辐射相互抵消的心形辐射，提高天线的方向性。部分反射表面是由大量印制于介质基片上的贴片单元组成，当电磁波从馈源传出，沿着不同的传输路径到达每个贴片单元的长度不一样，传输路径长度的差异将导致各单元所接受的入射场发生不同的空间相位延迟。本实用新型合理设计单元结构以及其排列方式，使整个阵列对入射场进行适当的相位补偿。尤其是采取层叠方式以补偿从馈源到每个贴片由于空间距离不同而造成的相位延迟，使得反射场在天线口径面上形成同相位面的电磁波。本申请中，通过对各单元反射相位进行校正，保持部分反射表面平缓的相移曲率，形成了同相聚束的反射波。使得天线的增益，交叉极化，带宽等性能更优。
[0013]通过实验并采用参数提取分析的方法，调整部分反射表面的贴片单元尺寸以及高度，从而得到正斜率的反射频响特性，即电磁波在考察的频带范围之内的相位变化幅度减小。这样阻抗带宽能够得到保证，增益带宽也有所提高。
[0014]所述的上层介质板与底层具有相同的材料属性，但是高度不同，依据贴片之间缝隙产生左手谐振特性以及上下层贴片耦合产生的右手特性，调节上层介质板高度使其达到谐振模式。通过对底层磁电偶极子辐射出来的电磁波进行不断反射并选择性辐射出去，保证天线方向性提高增益。
[0015]本实用新型和现有技术相比具有如下有益效果:本实用新型在传统谐振腔天线基础上，通过改进法布里-帕罗谐振天线的部分反射表面的结构，即以两面都设有贴片阵列的介质板作为部分反射表面，使天线在保持原有的高方向性、低剖面高度、易与目标共形的特点的同时，克服了传统谐振腔天线对频率敏感、带宽较窄的缺陷。本实用新型设计的基于磁电偶极子的法布里-帕罗谐振天线整体具有宽频带的特性。
[0016]本实用新型通过调整上层介质板厚度以及贴片阵列各单元尺寸、结构、排列方式，对贴片阵列各单元反射相位进行校正，保持部分反射表面平缓的相移曲率，形成同相聚束的反射波。使得天线的增益、交叉极化、带宽等性能更优。
[0017]本实用新型利用磁电偶极子高方向性、宽频带的特性，将其应用于布里-帕罗谐振天线中，提高谐振腔增益，使得天线具有宽带、高增益、增益稳定、低剖面、尺寸小易于集成的特性。本天线可应用于Ku波段通信系统。
【附图说明】
[0018]图1为新型法布里帕罗谐振天线的三维整体结构图。
[0019]图2为新型法布里帕罗谐振天线的馈源放大图。
[0020]图3为新型法布里帕罗谐振天线的侧视图。
[0021 ]图4为新型法布里帕罗谐振天线中T字形条带的结构图。
[0022]图5为新型法布里帕罗谐振天线中馈源的俯视图。
[0023]图6为新型法布里帕罗谐振天线和原始磁电偶极子天线的驻波比曲线比较图。
[0024]图7为新型法布里帕罗谐振天线和原始磁电偶极子天线的增益曲线比较图。
[0025]图8为新型法布里帕罗谐振天线的E面辐射方向图。
[0026]图中标示说明:上层介质板1、空气层2、下层介质板3、探针4、上层贴片阵列5，下层贴片阵列6、T字形条带7、电偶极子8、磁偶极子9、公共金属地10。
【具体实施方式】
[0027]下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0028]本实用新型公开了一种宽带法布里-帕罗谐振天线，包括从上至下依次排列的部分反射表面、空气层2、下层介质板3和公共金属地10，下层介质板10中开设缝隙，缝隙上设置有磁电偶极子馈源。其中，空气层高度在基模的情况下为半谐振波长。部分反射表面由上层介质板I构成，上层介质板I的上表面设置有上层贴片阵列5，上层介质板I的下表面设置有下层贴片阵列6。上、下两层贴片阵列均由矩形贴片单元构成，经过调节参数，最终得到上层贴片单元的长度为3.2mm，宽为1.4_。下层贴片单元的长为3.2mm，宽为1.6mm，上层介质板高度为2.5mm。
[0029]所述的磁电偶极子馈源由设置在下层介质板缝隙切面上的两排金属墙组成磁偶极子9，由延缝隙水平设置在下层介质板上表面的一副印刷贴片组成电偶极子8共同构成，缝隙中间设有探针4，探针4上端设有T字形条带7。磁电偶极子所在的底层介质板厚度为3mm，作为电偶极子的贴片长为15.6mm，宽为6.4mm。金属柱直径为0.4mm,—排27个，共两排组成一副磁偶极子。中间探针的直径为lmm，T字形条带T字形条带底边长为1.8mm，宽为
0.5mm，高边为1.6mm0
[0030]本实用新型的独特之处在于，改进了传统的法布里帕罗谐振腔天线的部分反射表面结构。通过在上层介质板的上下两个表面以层叠的方式设置各设置一组贴片阵列来补偿由于从馈源到每个贴片空间距离不同而造成的相位延迟。这使得反射场能够在天线口径面上形成同相位面的电磁波。通过对单元反射相位进行校正，即调节单元的形状、排列、大小以及上层介质板的厚度，在口径面上形成同相聚束的反射波，使得部分反射表面能够保持平缓的相移曲率，从而增加天线的带宽。
[0031]由于采用法布里帕罗谐振腔天线的基础结构，接地板10与部分反射表面5、6共同构成一个半开放的谐振腔，电磁波在谐振腔2中来回振荡，特定频率的电磁波从部分反射表面透射出去同相叠加而不断加强。由于改进上下层贴片阵列结构，削弱谐振腔以及部分反射表面对频率的敏感性，本实施例不仅保持了天线原有的方向性好的特性，可以在保证天线带宽的条件下，同时使得天线的增益、交叉极化、方向性等都能够满足应用需求。且由于法布里帕罗谐振腔天线的结构，本申请这样的设计也同时具有体积小，剖面高度低，易与目标共形，设计够灵活的优势。
[0032]本实施例中馈源部分由探针4馈入能量，探针通过与之相连的T字形条带7耦合，同时激励电偶极子8和磁偶极子9，磁电偶极子辐射出来的电磁波通过互补叠加，形成前向辐射加强，后向辐射相互抵消的心形辐射。同时，T字形条带对阻抗带宽的影响十分大。尤其是T字形条带的长度，减小长度会引起失配，长度增加过大则会使谐振频率往高频偏移，设计中需要调节条带的长度保证阻抗特性，同时调节其磁偶极子的金属墙宽度以及电偶极子平面贴片的尺寸，使其满足在工作频率下具有稳定的增益和阻抗。
[0033]结合图4、图5、图6以及图7，本发明的新型法布里帕罗谐振腔天线的阻抗带宽保持了磁电偶极子宽频带特性，并且比原有磁电偶极子天线增益普遍提高，在12GHz至18GHz频带范围内均在8.87dBi以上，最高增益达12.62dBi。并且低后向辐射，交叉极化水平非常低。
[0034]根据以上所述，便可实现本发明。
【主权项】
1.一种宽带法布里-帕罗谐振天线，包括从上至下依次排列的部分反射表面、空气层(2)、下层介质板(3)和公共金属地(10)，下层介质板中开设缝隙，缝隙上设置有馈源，其特征在于，部分反射表面由上层介质板(I)构成，上层介质板(I)的上表面设置有上层贴片阵列(5)，上层介质板的下表面设置有下层贴片阵列(6)。2.根据权利要求1所述的宽带法布里-帕罗谐振天线，其特征在于，所述的部分反射表面上的上层贴片阵列和下层贴片阵列均由矩形贴片单元构成。3.根据权利要求2所述的宽带法布里-帕罗谐振天线，其特征在于，所述的上层贴片阵列中矩形贴片单元的长度为3.2mm，宽为1.4mm;下层贴片阵列中矩形贴片单元的长为3.2mm，宽为1.6mm，上层介质板高度为2.5mm。4.根据权利要求1所述的宽带法布里-帕罗谐振天线，其特征在于，馈源采用磁电偶极子馈源。5.根据权利要求4所述的宽带法布里-帕罗谐振天线，其特征在于，所述的磁电偶极子馈源由设置在下层介质板缝隙切面上的两排金属墙组成磁偶极子(9)，以及由延缝隙水平设置在下层介质板上表面的一副印刷贴片组成电偶极子(8)构成，缝隙中间设有探针，探针(4)上端设有T字形条带(7)。6.根据权利要求5所述的宽带法布里-帕罗谐振天线，其特征在于，所述的磁电偶极子所在的下层介质板厚度为3mm;电偶极子由长为15.6mm，宽为6.4mm的一对贴片组成;磁偶极子由27对并排设置的金属柱组成，金属柱直径为0.4mm;探针的直径为lmm，T字形条带底边长为1.8mm，宽为0.5mm，高边为1.6_。7.根据权利要求1所述的宽带法布里-帕罗谐振天线，其特征在于，所述的空气层高度在基模的情况下为半谐振波长。
【文档编号】H01Q1/38GK205723943SQ201620409910
【公开日】2016年11月23日
【申请日】2016年5月9日
【发明人】王茜茜, 林家栋, 曹文权, 钱祖平, 蔡洋, 王乐
【申请人】中国人民解放军理工大学