去耦Fabry-Perot谐振腔的制作方法

本发明涉及一种fp谐振腔，尤其涉及一种去耦fabry-perot(fp)谐振腔，属于微波技术领域。

背景技术：

作为多输入多输出(mimo)技术的基础，天线阵被广泛应用于现代移动通信和相控阵雷达通信系统中。而互耦作为天线阵的一个重要指标，会严重恶化其辐射性能。

在天线阵中，互耦主要来自于介质分界面的表面波和空间电磁场，基于以上两点，人们进行了大量关于减小天线间互耦的工作：在相邻天线间种植电磁带隙结构来抑制表面波传播；在金属地板上蚀刻缺陷地结构来扰动感应电流；在相邻天线之间放置分离谐振环来抑制电磁耦合；在相邻端口之间加入去耦网络来减小互耦。除此之外，使用频率选择表面、超材料、阵列天线去耦表面等覆盖物来进行空间去耦的方式也逐渐得到广泛认可。然而，以上方式仅关注减小互耦，对于提高增益而言影响甚微。

fp谐振腔天线中，部分反射表面作为覆盖物进行相位和幅度调制，使其成为一款高定向性天线。人们也为提升fp谐振腔天线的性能做出了大量工作：具有线性反射相位分布的部分反射表面能够展宽fp谐振腔天线的带宽；人工磁导体能够代替金属地板来降低fp谐振腔天线剖面；使用变容二极管或mems工艺能够实现频率以及波束可重构fp谐振腔天线。除此之外，在fp谐振腔天线中，人们也用阵列作为馈源来提升其辐射性能，同时也讨论并分析了单元之间的互耦情况。

综上所述，在减小天线间互耦的同时又能够显著增加天线的增益，去耦fp谐振腔是该领域研究人员值得研究的课题。

技术实现要素：

本发明设计了一款去耦fp谐振腔，同轴馈电的1x2贴片天线阵作为馈源嵌入反射阵中用于观察耦合特性。使用空间去耦法，将部分反射表面作为主要幅度相位调制器，反射阵作为次要相位调制器，使两个馈源之间的互耦减小，同时提升天线的增益。

本发明的技术解决方案是：去耦fabry-perot(fp)谐振腔，包括部分反射表面和反射阵，同轴馈电的1x2贴片天线阵作为馈源嵌入反射阵中用于观察耦合特性；部分反射表面置于去耦fp谐振腔的上层，含有反射表面上层金属层、反射表面中间介质板和反射表面下层金属层，由7x10个单元组成；其中，每个单元上层金属层开有尺寸相同的菱形槽，下层金属层为与上层金属层的菱形槽尺寸相同的方形贴片；所述中间介质板的尺寸大于上、下层金属层的尺寸；中间介质板的长宽分别比金属层大24.5mm和24mm，用于打孔固定；反射阵置于去耦fp谐振腔的下层，含有反射阵上层金属层、反射阵中间介质板和反射阵下层金属地板，所述反射阵上层金属层由15x21个方形贴片周期排列组成，反射阵下层金属地板的通过金属覆盖；1x2贴片天线阵由两块尺寸相同的方形金属贴片i和方形金属贴片ii组成，并嵌入反射阵中，介质板中打空气通孔并插入金属探针来分别对两个天线进行馈电。

进一步的，所述部分反射表面，单元的周期、菱形尺寸、贴片尺寸和部分反射表面与反射阵之间的距离，决定上层反射的幅度和相位。控制单元周期一定，改变菱形尺寸、贴片尺寸和部分反射表面与反射阵之间的距离，能够影响馈源i对馈源ii的耦合程度，以及fp谐振腔天线口径的相位分布。

由三维电磁仿真软件对单元的仿真可知，单元的周期、菱形尺寸、贴片尺寸会影响单元的反射幅度和相位。根据射线模型理论，单元的反射相位以及部分反射表面与层叠贴片天线之间的距离会影响部分反射表面的幅度和相位分布。部分反射表面的幅相分布影响着馈源i传递至馈源ii的能量，进而影响馈源i对馈源ii的耦合程度。同时，部分反射表面的相位分布即fp谐振腔天线口径的相位分布。因此，控制单元周期一定，改变菱形尺寸、贴片尺寸和部分反射表面与反射阵之间的距离，能够影响馈源i对馈源ii的耦合程度，以及fp谐振腔天线口径的相位分布。

进一步的，所述反射阵的方形金属贴片的尺寸和周期决定了下层反射的相位。控制单元周期一定，改变贴片尺寸，能够影响馈源i对馈源ii的耦合程度，以及fp谐振腔天线口径的相位分布。

由三维电磁仿真软件对单元的仿真可知，单元的周期、贴片尺寸会影响单元的反射相位。根据射线模型理论，单元的反射相位会影响部分反射表面的相位分布。部分反射表面的相位分布影响着馈源i传递至馈源ii的能量，进而影响馈源i对馈源ii的耦合程度。同时，部分反射表面的相位分布即fp谐振腔天线口径的相位分布。因此，控制单元周期一定，改变贴片尺寸，能够影响馈源i对馈源ii的耦合程度，以及fp谐振腔天线口径的相位分布。

进一步的，所述1x2贴片天线阵作为馈源，方形金属贴片的尺寸决定了天线的谐振点，馈电位置由金属探针确定，通过调节贴片的尺寸以及探针位置，来进行天线的匹配。

根据微带天线理论，方形金属贴片的尺寸决定了天线的谐振点，馈电位置由金属探针确定。通过三维电磁仿真软件仿真，调节贴片的尺寸以及探针位置，来进行天线的匹配，使其在工作频率谐振。

进一步的，所述反射表面上下层金属层都选用17um厚的铜，介质板选用1.524mm厚的taconictly-5。

进一步的，所述反射阵、方形贴片和地板选用17um厚的铜，介质板选用1.524mm厚的taconictly-5。

进一步的，所述1x2贴片天线阵、方形贴片选用17um厚的铜，探针为直径1.27mm的铜柱，地板上在探针中心位置开有直径4.4mm的圆孔用以馈电。

本发明的有益效果为：使用双层金属周期结构的单元构筑部分反射表面，通过调节单元尺寸来调节部分反射表面的反射幅度和相位。反射阵为周期排列的方形贴片，通过调节单元尺寸来调节反射阵的反射相位。综合考虑去耦和增益问题，通过联合调节部分反射表面和反射阵，以及二者之间的距离，使从馈源i到达馈源ii的散射波与表面波相消，从而减小两馈源间的互耦；同时改善天线口径上的相位分布，进而提高天线增益。

以下便结合实施例附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详述，以使本发明技术方案更易于理解、掌握。

附图说明

图1是本发明中的部分反射表面，即去耦fp谐振腔的上层结构；

图2是本发明中部分反射表面的三维剖分图；

图3是本发明中部分反射表面的俯视透视图；

图4是本发明中的反射阵和1x2天线阵，即去耦fp谐振腔的下层结构；

图5是本发明中反射阵和1x2天线阵的三维剖分图；

图6是本发明中反射阵和1x2天线阵的俯视透视图；

图7是本发明的s11仿真与实测结果；

图8是本发明的s21仿真与实测结果；

图9是本发明在工作频率的e面方向图仿真与实测结果；

图10是本发明在工作频率的g面方向图仿真与实测结果。

其中，1－部分反射表面的上层金属层，2－部分反射表面的介质板，3－部分反射表面的下层金属层，4－反射阵的上层金属层，5－反射阵/天线阵的介质板，6－反射阵/天线阵的金属地层，7－天线阵中的贴片i，8－天线阵中的贴片ii，9－给贴片ii馈电的金属探针，10－给贴片i馈电的金属探针。

具体实施方式

去耦fp谐振腔，包括上层如图1-3所示的部分反射表面，和下层如图4-6所示的反射阵和1x2贴片天线阵，上下层间距3.2mm。部分反射表面包括上层金属层1、下层金属层3和介质基板2。其中，上层金属层1由7x10个周期为8mm的方形金属单元构成，每个单元开有边长为5mm的菱形槽；下层金属层3也由7x10个周期为8mm的方形单元构成，每个单元中心为边长6mm的方形贴片。介质基板2厚1.524mm，整体尺寸为80x104mm²，选用相对介电常数2.2，损耗角正切0.0009的taconictly-5。

反射阵和1x2贴片天线阵包括反射阵的上层金属层4、介质板5、下层金属地板6、1x2贴片天线阵的贴片i7及其馈电探针10，和贴片ii8及其馈电探针9。其中，上层金属层4由15x21个周期为4mm的方形单元构成，每个单元中心为边长3.5mm的方形贴片；中层金属层5位于天线中层中心，为边长9mm的方形贴片。1x2贴片天线阵的贴片i7和贴片ii8都为边长8.9mm的正方形，分别嵌入上层金属层4中，并距离24mm。金属探针10和探针9直径1.27mm、高1.524mm，上表面与分别与贴片i7和贴片ii8接触，并偏离中心3mm。下层金属地板6尺寸为80x104mm²，并在金属探针10和和探针9下表面位置开有直径4.4mm的孔，用于馈电。介质板5厚1.524mm，整体尺寸为80x104mm²，选用相对介电常数2.2，损耗角正切0.0009的taconictly-5。

本发明对具有去耦fp谐振腔的1x2天线阵进行了仿真与测试，如图7-10所示。如图7，天线的s11在10.15ghz附近产生谐振。如图8，天线在10.15ghz存在带隙，s21从-23db下降到-30db。如图9和10，相比于未加去耦fp谐振腔的1x2天线阵，在仅有馈源i工作的情况下，天线在工作频率的增益从7.6dbi提升至13.6dbi。由此证明本发明在降低天线互耦的同时，能够有效提高天线增益，还具有低剖面的优势。

应该注意的是，上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。