毫米波段共面波導(dǎo)饋電的單層介質(zhì)板Fabry-Perot天線的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種毫米波段共面波導(dǎo)饋電的高增益單層介質(zhì)板Fabry-Perot天線。它包括上層的頻率選擇性表面、中間層的介質(zhì)基板和下層的饋電及輻射結(jié)構(gòu)。本發(fā)明在35GHz中心頻率上，具有16.3dBi的增益和9.5%的阻抗帶寬，此外還在傳統(tǒng)Fabry-Perot天線的基礎(chǔ)上做了一定的改進(jìn)，使得天線只需一層介質(zhì)板，省去了空氣層。饋電簡單、低剖面和結(jié)構(gòu)穩(wěn)固的特點，將使本發(fā)明具有很大的工程應(yīng)用前景。
【專利說明】毫米波段共面波導(dǎo)饋電的單層介質(zhì)板Fabry-Perot天線

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種毫米波段共面波導(dǎo)饋電的單層介質(zhì)板Fabry-Perot (法布里-珀羅，F(xiàn)-P)天線。屬于毫米波段內(nèi)無線通信、無線能量傳輸、無線傳感器等領(lǐng)域中的天線范疇。

【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)今無線技術(shù)飛速發(fā)展，無線通信、無線能量傳輸以及無線傳感器所使用的頻段已經(jīng)達(dá)到了毫米波頻段，以滿足設(shè)備的小型化和數(shù)據(jù)高速傳輸?shù)囊?。毫米波天線作為毫米波系統(tǒng)中必不可少的射頻前端，其指標(biāo)直接影響系統(tǒng)整體的性能。如何在毫米波頻段實現(xiàn)天線的高增益性能成為目前研究的一個熱點。目前常用的在毫米波段實現(xiàn)天線高增益的方案有兩種:一是采用大口徑反射面天線；二是對天線單元進(jìn)行組陣。反射面天線擁有高增益的特點，但其體積大、造價高并且是非平面結(jié)構(gòu)，這都限制了它的使用。天線單元組陣需要設(shè)計復(fù)雜的饋電網(wǎng)絡(luò)，帶來的饋電網(wǎng)絡(luò)損耗又限制了天線陣列的增益。Fabry-Perot天線具有簡單的平面結(jié)構(gòu)，造價低，饋電方式簡便易行。傳統(tǒng)Fabry-Perot天線由兩層或兩層以上的介質(zhì)板構(gòu)成，并且天線結(jié)構(gòu)中存在一個空氣層，這影響了天線的強度和制造精度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種毫米波段共面波導(dǎo)饋電的高增益單層介質(zhì)板Fabry-Perot天線。該天線具有高增益的性能,采用簡單的共面波導(dǎo)饋電。該天線只有一層介質(zhì)板，頻率選擇性表面印刷在介質(zhì)板上表面，饋電及輻射部分印刷在介質(zhì)板的下層。該天線無空氣層且具有平面結(jié)構(gòu)。
[0004]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的構(gòu)思是:
(I)天線采用共面波導(dǎo)形式饋電，通過兩個方形縫隙環(huán)輻射能量，方形縫隙環(huán)的周長主要決定了天線的諧振頻率。
[0005](2)以六邊形金屬環(huán)作為單元形式，多個單元周期性地印刷在介質(zhì)板上層構(gòu)成頻率選擇性表面，部分反射方形縫隙環(huán)所輻射出的能量。
[0006](3)頻率選擇性表面印刷在介質(zhì)板上層，共面波導(dǎo)地板印刷在介質(zhì)板下層，這兩部分構(gòu)成Fabry-Perot諧振腔,對滿足諧振條件的電磁波起到增強作用，與傳統(tǒng)Fabry-Perot天線相比省去了空氣層。
[0007](4)利用共面波導(dǎo)饋電天線的福射體和接地平面共面的特點，使得Fabry-Perot天線僅需一層介質(zhì)板，與傳統(tǒng)F-P天線相比減少了一層介質(zhì)板。
[0008](5)本發(fā)明采用如下的介質(zhì)板材料:介質(zhì)基板選用介電常數(shù)為Ew =2.2，厚度 H=3.254mm。
[0009](6)天線共分三層，上層為頻率選擇性表面結(jié)構(gòu)，中間層是介質(zhì)板層，介質(zhì)板層背面即下層為饋電及輻射結(jié)構(gòu)。上層的頻率選擇性表面是由9--9個六邊形金屬環(huán)周期性排列構(gòu)成。下層的饋電及輻射結(jié)構(gòu)包括共面波導(dǎo)饋線、共面波導(dǎo)地板、兩個方形輻射縫隙環(huán)，兩個方形金屬片以及從共面波導(dǎo)饋線延長而出的兩個匹配調(diào)節(jié)縫隙。
[0010]根據(jù)上述發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案:
一種毫米波段共面波導(dǎo)饋電的高增益單層介質(zhì)板Fabry-Perot天線,包括上層的頻率選擇性表面、中間層的介質(zhì)基板和下層的饋電及輻射結(jié)構(gòu)，所述上層頻率選擇表面的單元形式為六邊形金屬環(huán)；所述下層饋電及輻射結(jié)構(gòu)包括共面波導(dǎo)地板、共面波導(dǎo)饋線、兩個匹配調(diào)節(jié)縫隙、兩個方形環(huán)輻射縫隙以及兩個方形金屬片，所述共面波導(dǎo)饋線位于共面波導(dǎo)地板下邊中央開口處，共面波導(dǎo)饋線兩側(cè)和地板之間的兩個縫隙構(gòu)成所述匹配調(diào)節(jié)縫隙，兩個方形環(huán)輻射縫隙處于地板的中部而分別以尖角處連接兩個匹配調(diào)節(jié)縫隙，兩個方形環(huán)輻射縫隙之中構(gòu)成所述兩個方形金屬片；共面波導(dǎo)地板和由六邊形金屬環(huán)組成的頻率選擇性表面構(gòu)成Fabry-Perot諧振腔。
[0011]所述輻射縫隙為方形縫隙環(huán)，兩個方形輻射縫隙環(huán)與共面波導(dǎo)饋線與地板之間的縫隙相連形成一個整體。
[0012]所述介質(zhì)板層為介電常數(shù)\ =2.2的介質(zhì)板，該介質(zhì)板厚度H=3.254_。
[0013]所述的上層頻率選擇性表面和下層饋電及輻射結(jié)構(gòu)需要是導(dǎo)電性較好的金屬材料，如金、銀或銅。
[0014]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見的突出實質(zhì)性特點和顯著優(yōu)點:
(I)實現(xiàn)毫米波天線高增益性能的方法通常有兩種:一種是采用大口徑反射面天線，它具有高增益的性能，但其體積大、造價高且不具有非平面結(jié)構(gòu)。另一種是對天線單元進(jìn)行組陣，它需要設(shè)計復(fù)雜的饋電網(wǎng)絡(luò)，帶來的饋電網(wǎng)絡(luò)損耗限制了天線陣列的增益。而本天線采用共面波導(dǎo)饋電，由分別印刷在單層介質(zhì)板兩邊的頻率選擇性表面和共面波導(dǎo)地板構(gòu)成Fabry-Perot諧振腔結(jié)構(gòu),在實現(xiàn)天線高增益的同時,又保證了天線的饋電網(wǎng)絡(luò)簡單且具有平面結(jié)構(gòu)。
[0015](2)傳統(tǒng)Fabry-Perot天線由兩層或兩層以上的介質(zhì)板構(gòu)成,而此天線只有一層介質(zhì)板，成本低且具有實用性。
[0016](3)傳統(tǒng)Fabry-Perot天線包含一個空氣層,而此天線無空氣層,避免了空氣層高度誤差對天線性能的影響，天線制作更加簡單，機械強度更高。
[0017](4)本天線采用共面波導(dǎo)饋電方式和兩個方形縫隙環(huán)的輻射形式，結(jié)構(gòu)簡單緊湊。
[0018](5)本天線饋電及輻射結(jié)構(gòu)中具有匹配調(diào)節(jié)縫隙，通過調(diào)節(jié)其長度可以方便地實現(xiàn)天線匹配。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明毫米波段共面波導(dǎo)饋電的單層介質(zhì)板Fabry-Perot天線結(jié)構(gòu)的正視圖。
[0020]圖2是本發(fā)明毫米波段共面波導(dǎo)饋電的單層介質(zhì)板Fabry-Perot天線結(jié)構(gòu)的后視圖。
[0021]圖3是本發(fā)明毫米波段共面波導(dǎo)饋電的單層介質(zhì)板Fabry-Perot天線所用介質(zhì)板層示意圖。
[0022]圖4是本發(fā)明毫米波段共面波導(dǎo)饋電的單層介質(zhì)板Fabry-Perot天線的S參數(shù)圖。
[0023]圖5是本發(fā)明毫米波段共面波導(dǎo)饋電的單層介質(zhì)板Fabry-Perot天線工作在35GHz中心頻點時E面和H面輻射方向圖。
[0024]圖6是本發(fā)明毫米波段共面波導(dǎo)饋電的單層介質(zhì)板Fabry-Perot天線增益圖。

【具體實施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施例作詳細(xì)說明:
實施例一:
參見圖1和圖2，本毫米波段共面波導(dǎo)饋電的高增益單層介質(zhì)板Fabry-Perot天線，包括上層的頻率選擇性表面、中間層的介質(zhì)基板(I)和下層的饋電及輻射結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述上層頻率選擇表面的單元形式為六邊形金屬環(huán)(2);所述下層饋電及輻射結(jié)構(gòu)包括共面波導(dǎo)地板(6)、共面波導(dǎo)饋線(7)、兩個匹配調(diào)節(jié)縫隙(4)、兩個方形環(huán)輻射縫隙(3)以及兩個方形金屬片(5)，所述共面波導(dǎo)饋線(7)位于共面波導(dǎo)地板(6)下邊中央開口處，共面波導(dǎo)饋線(7)兩側(cè)和地板(6)之間的兩個縫隙構(gòu)成所述匹配調(diào)節(jié)縫隙(4)，兩個方形環(huán)輻射縫隙(3)處于地板(6)的中部而分別以尖角處連接兩個匹配調(diào)節(jié)縫隙(4)，兩個方形環(huán)輻射縫隙(3)之中構(gòu)成所述兩個方形金屬片(5);共面波導(dǎo)地板(6)和由六邊形金屬環(huán)(2)組成的頻率選擇性表面構(gòu)成Fabry-Perot諧振腔。
[0026]實施例二:
參見圖1和圖2，本實施例與實施例一基本相同，特別之處如下:所述介質(zhì)基板(I)尺寸25mm*25mm*3.254mm,上層和下層為金屬涂層,材料為銅。
[0027]實施例三:
本毫米波段共面波導(dǎo)饋電的單層介質(zhì)板Fabry-Perot天線共分上中下三層。上層如圖1所示，由印刷在介質(zhì)板(I)上的9--9個六邊形金屬環(huán)(2)構(gòu)成頻率選擇性表面；下層如圖2所示，為饋電及輻射結(jié)構(gòu)，包括共面波導(dǎo)饋線(7)、共面波導(dǎo)地板(6)、兩個方形輻射縫隙環(huán)(3)，兩個方形金屬片(5)以及從共面波導(dǎo)饋線延長而出的兩個匹配調(diào)節(jié)縫隙(4);中間層如圖3所不，為本實施例所使用的介質(zhì)基板(2),厚度為H。
[0028]此天線是左右對稱結(jié)構(gòu)，共面波導(dǎo)地板(6)、共面波導(dǎo)饋線(7)和匹配調(diào)節(jié)縫隙
(4)構(gòu)成了共面波導(dǎo)的饋電結(jié)構(gòu)。在工作頻段上，改變匹配調(diào)節(jié)縫隙的長度能夠使得天線獲得較好的阻抗匹配。
[0029]兩個方形輻射縫隙環(huán)(3)為本實施例的輻射結(jié)構(gòu)，與共面波導(dǎo)饋線和地板之間的縫隙連為一體。方形輻射縫隙環(huán)的周長主要影響了天線的諧振頻率。
[0030]印刷在介質(zhì)板(I)上的多個六邊形金屬環(huán)(2)構(gòu)成頻率選擇性表面，能夠部分反射福射縫隙福射出的電磁波，與共面波導(dǎo)的地板構(gòu)成Fabry-Perot諧振腔結(jié)構(gòu)，當(dāng)圖3中介質(zhì)板(I)的厚度H滿足諧振條件時，對工作頻段的電磁波起到增強作用，提高天線的增益。
[0031]圖4顯示了天線的S參數(shù)仿真結(jié)果，從圖中可看出S11 ( -1OdB的阻抗帶寬達(dá)到9.5%。
[0032]圖5顯示了天線工作在35GHz時的輻射方向圖仿真結(jié)果。從圖中可以看出在35GHz的中心頻點上，天線具有16.3dBi的增益，旁瓣電平比為-12dB，前后比為13dB。
[0033]圖6顯示了天線增益隨頻率變化圖，從圖中可看出天線在35GHz時得到最大增益為 16.3dBi。
【權(quán)利要求】
1.一種毫米波段共面波導(dǎo)饋電的高增益單層介質(zhì)板Fabry-Perot天線,包括上層的頻率選擇性表面、中間層的介質(zhì)基板(I)和下層的饋電及輻射結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述上層頻率選擇表面的單元形式為六邊形金屬環(huán)(2);所述下層饋電及輻射結(jié)構(gòu)包括共面波導(dǎo)地板(6)、共面波導(dǎo)饋線(7)、兩個匹配調(diào)節(jié)縫隙(4)、兩個方形環(huán)輻射縫隙(3)以及兩個方形金屬片(5)，所述共面波導(dǎo)饋線(7)位于共面波導(dǎo)地板(6)下邊中央開口處，共面波導(dǎo)饋線(7)兩側(cè)和地板(6)之間的兩個縫隙構(gòu)成所述匹配調(diào)節(jié)縫隙(4)，兩個方形環(huán)輻射縫隙(3)處于地板(6)的中部而分別以尖角處連接兩個匹配調(diào)節(jié)縫隙(4)，兩個方形環(huán)輻射縫隙(3)之中構(gòu)成所述兩個方形金屬片(5);共面波導(dǎo)地板(6)和由六邊形金屬環(huán)(2)組成的頻率選擇性表面構(gòu)成Fabry-Perot諧振腔。
2.根據(jù)權(quán)利I所述的毫米波段共面波導(dǎo)饋電的高增益單層介質(zhì)板Fabry-Perot天線，其特征在于:所述方形環(huán)輻射縫隙(3)為方形環(huán)縫隙，其周長主要影響天線諧振頻率。
3.根據(jù)權(quán)利I所述的毫米波段共面波導(dǎo)饋電的高增益單層介質(zhì)板Fabry-Perot天線，其特征在于:所述六邊形金屬環(huán)(2)作為單元形式，多個單元周期性地印刷在介質(zhì)基板(I)上層構(gòu)成頻率選擇性表面，部分反射方形環(huán)輻射縫隙(3)所輻射出的能量。
4.根據(jù)權(quán)利I所述的毫米波段共面波導(dǎo)饋電的高增益單層介質(zhì)板Fabry-Perot天線，其特征在于:所述頻率選擇性表面印刷在介質(zhì)基板(I)上層，共面波導(dǎo)地板(6)印刷在介質(zhì)基板(I)下層，這兩部分構(gòu)成Fabry-Perot諧振腔,沒有空氣層結(jié)構(gòu)。
【文檔編號】H01Q13/10GK104134860SQ201410312399
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年7月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月2日
【發(fā)明者】楊雪霞, 韓冰, 聶美娟, 陸佳駿, 梅歡 申請人:上海大學(xué)