本發(fā)明屬于天線技術領域，具體涉及一種低剖面雙波束頻掃諧振腔天線，可用于基站、微波遠程傳輸系統(tǒng)中。

技術背景

諧振腔天線的出現(xiàn)為我們提供了一種實現(xiàn)天線高增益且不需要增加復雜饋電系統(tǒng)的新方法，廣泛應用于天線基站、微波遠程傳輸?shù)葻o線系統(tǒng)中。諧振腔天線的設計通常是在微帶天線上方添加一塊具有部分反射特性的蓋板，這個結構可以使?jié)M足諧振條件的電磁波穿過部分反射蓋板時實現(xiàn)同相疊加，從而實現(xiàn)天線的高增益。傳統(tǒng)的諧振腔天線具有增益高、設計簡單等優(yōu)點，但也存在一定的缺陷，主要體現(xiàn)在以下方面：1.縱向剖面通常較高，其諧振腔的腔體高度一般為半個波長。當天線工作在低頻情況時，將會導致天線體積較大；2.增益帶寬較窄，通常傳統(tǒng)的諧振腔天線的3db增益帶寬僅為2％；3.通常無源設計中僅簡單的做為高增益天線使用，波束重構和波束掃描類的諧振腔天線實現(xiàn)較為復雜，通常需要加載有源器件。

為了降低諧振腔天線的縱向剖面，2013年，韓雷在名為“低剖面高增益fabry-perot諧振腔天線研究”的碩士論文中，提出了一種基于人工電磁材料覆層的低剖面諧振腔天線，該人工覆層結構在諧振頻點處的反射相位為2°，與傳統(tǒng)的諧振腔天線相比，反射相位極大的降低，其腔體高度比傳統(tǒng)的fabry-perot諧振腔天線相降低了7.6mm。

為了克服增益帶寬較窄的缺陷，2014年，王乃志在名為“寬帶高增益fabry-perot諧振腔天線研究”的博士論文中，提出了基于頻率選擇表面的寬帶諧振腔天線，其饋源使用具有較寬的寬帶的縫隙耦合微帶天線，相對增益帶寬為28％，與傳統(tǒng)的諧振腔天線的2％相比，有了極大的提高。

為了實現(xiàn)諧振腔天線的波束重構和波束掃描，2014年，朱玲玲在名為“波束可重構的fabry-perot諧振腔天線的設計”的碩士論文中，提出了一種波束可重構的fabry-perot諧振腔天線，設計變?nèi)荻O管電容分別為0.31pf和0.45pf時形成兩種可控的波束，當c＝0.31pf時，fp諧腔振天線工作在諧振方式下，形成高增益的筆狀波束；當c＝0.45pf時，筆狀波束分裂，形成與法向成20度左右夾角的雙向波束。同時還提出了一種fabry-perot波束掃描的諧振腔天線，通過對電容二極管的電容值進行有序的調節(jié)，使陣子單元的透射相位依次改變，實現(xiàn)了-20°～20°范圍內(nèi)諧振腔天線的波束掃描。

上述現(xiàn)有技術的缺陷在于，為實現(xiàn)波束重構和波束掃描，引入了有源器件和饋電網(wǎng)絡，結構復雜，波束掃描角度有限。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對目前已有技術的不足，提出一種基于超表面的低剖面雙波束頻掃諧振腔天線，以免除有源器件和饋電網(wǎng)絡，簡化具有波束控制特性的諧振腔天線的結構。

實現(xiàn)發(fā)明目的的技術關鍵是：在諧振腔天線上加蓋一種具有頻率控制波束掃描特性的新型反射蓋板，通過調節(jié)諧振頻率實現(xiàn)諧振腔天線的波束調控，其結構如下：

一種基于超表面的低剖面雙波束頻掃諧振腔天線，包括饋源天線和部分反射蓋板，部分反射蓋板由多個反射單元周期排列而成，且平行置于饋源天線的上方，其特征在于：每個反射單元包括方形縫隙貼片、介質基板和方形金屬貼片，該方形縫隙貼片印制在介質基板的上表面，方形金屬貼片印制在介質基板的下表面，用于實現(xiàn)雙波束掃描。

作為優(yōu)選，所述方形縫隙貼片上蝕刻有上下非對稱的雙開口縫隙，且上開口寬度為下開口寬度的0.02～0.5倍。

作為優(yōu)選，所述饋源天線，采用縫隙耦合微帶天線，其自上而下包括金屬貼片、第一介質基板、金屬接地板、第二介質基板和饋電線；金屬接地板的中心位置開有長方形小孔，用于實現(xiàn)金屬貼片與饋電線之間的縫隙耦合。

作為優(yōu)選，所述部分反射蓋板，其與饋源天線之間的距離h為：

其中λ為工作波長，為部分反射蓋板的反射系數(shù)相位值，為金屬接地板的反射系數(shù)相位值，n為電磁波在諧振腔內(nèi)的反射次數(shù)。

本發(fā)明由于在部分反射板上加載上下非對稱的雙開口方形縫隙，與現(xiàn)有技術相比，具有以下優(yōu)點：

1.實現(xiàn)了雙波束掃描，使得波束角度隨著諧振頻率的變化而變化，與現(xiàn)有的有源技術相比，避免了采用有源反射蓋板所需的復雜饋電網(wǎng)絡，而且波束掃描范圍大，結構簡單，容易加工。

2.實現(xiàn)了波束重構，隨著諧振頻率的變化，天線能從筆狀波束重構為兩個具有一定夾角的波束，與現(xiàn)有的有源技術相比，避免了有源技術需要調節(jié)饋電網(wǎng)絡偏置電壓的問題。

3.降低了諧振腔天線的腔體高度，與傳統(tǒng)的諧振腔天線半個波長的腔體高度相比，本發(fā)明的腔體高度h僅為波長的四分之一。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的整體結構示意圖；

圖2是本發(fā)明中的饋源天線結構示意圖，圖2(a)是饋源天線的仰視圖，圖2(b)是饋源天線的主視圖；

圖3是本發(fā)明中的反射單元結構示意圖；

圖4是本發(fā)明中反射單元的反射系數(shù)的相位曲線圖；

圖5是本發(fā)明中諧振腔高度隨諧振頻率變化的曲線圖；

圖6是本發(fā)明的電壓駐波比的曲線圖；

圖7是本發(fā)明的增益曲線圖。

具體實施方式

以下結合附圖對本發(fā)明作進一步描述。

參照圖1和圖2，本發(fā)明基于超表面的頻掃多波束諧振腔天線結構給出如下三種實施。

實施例一，天線邊長為106mm，反射單元反射單元的介電常數(shù)為3.3，其雙開口方形縫隙上開口為0.2mm，下開口為0.8mm的雙波束頻掃諧振腔天線。

本實例天線包括饋源天線1和部分反射蓋板2，該部分反射蓋板2平行置于饋源天線1的上方，饋源天線1與部分反射蓋板2形成高度為h的諧振腔腔體，其中且饋源天線1與部分反射蓋板2的邊長w均為106mm，其中λ為工作波長，為部分反射蓋板的反射系數(shù)相位值，為金屬接地板的反射系數(shù)相位值，n為電磁波在諧振腔內(nèi)的反射次數(shù)。

所述饋源天線1采用縫隙耦合微帶天線，其自上而下包括金屬貼片11，第一介質基板12、金屬接地板13、第二介質基板14和饋電線15五部分；第一介質基板12采用介電常數(shù)為2.2～4.4的單面方形覆銅基板，金屬貼片11印制在第一介質基板12上；第二介質基板14采用介電常數(shù)為2.2～4.4的雙面方形覆銅基板，金屬接地板13和饋電線15分別印制在第二介質基板14的上表面和下表面，該第二介質基板14的邊長大于第一介質基板12的邊長。

本實施例設饋源天線1的參數(shù)如下，但不限于如下參數(shù)：

第一介質基板12的邊長wl為10mm，厚度h1為3.175mm，介電常數(shù)εr1為3.3，金屬貼片11的邊長wp為6.5mm；

第二介質基板14的邊長w為106mm，厚度h2為0.508mm，介電常數(shù)εr2為3.3；饋電線15的寬度w1為1.57mm，其伸出中心位置的長度l1為1.5mm；金屬接地板13的邊長w為106mm，其中心位置有長la為6.3mm，寬wa為1mm的長方形小孔131，用于實現(xiàn)金屬貼片11與饋電線15之間的縫隙耦合；

參照圖3，本發(fā)明部分反射蓋板2由多個反射單元3組成，反射單元3的個數(shù)根據(jù)波束掃描角度的個數(shù)確定，掃描角度越多，要求反射單元3組成的陣列個數(shù)越多。本實施例取17×17個反射單元按周期排列組成部分反射蓋板2，每個反射單元3采用介電常數(shù)為2.2～4.4的雙面方形覆銅基板，其上表面印制有方形縫隙貼片31，下表面印制有方形金屬貼片33，用于實現(xiàn)雙波束掃描。該方形縫隙貼片31上蝕刻有上下非對稱的雙開口縫隙，且上開口寬度為下開口寬度的0.02～0.5倍。

本實施例設反射單元3的參數(shù)如下，但不限于如下參數(shù)：

反射單元3的邊長a為6mm，厚度h3為0.5mm，介電常數(shù)εr3為3.3；方形縫隙貼片31的邊長與反射單元3的邊長相同，方形縫隙的外邊長度a1為5.8mm，方形縫隙的外邊寬度b1為5.6mm，方形縫隙的內(nèi)邊長度a2為4.8mm，方形縫隙的內(nèi)邊寬度b2為4.6mm，方形縫隙的上開口d1為0.2mm，方形縫隙的下開口d2為0.8mm；方形金屬貼片33的邊長c1為5.8mm。

實施例二，天線邊長為140mm，反射單元的介電常數(shù)為2.65，其雙開口方形縫隙上開口為0.4mm，下開口為3.8mm的雙波束頻掃諧振腔天線。

本實施例的結構與實施例一相同，具體參數(shù)調整如下：饋源天線1與部分反射蓋板2的邊長w均設為140mm，其第一介質基板12和第二介質基板14的介電常數(shù)均為2.2；部分反射蓋板2由23×23個反射單元3周期排列組成，每個反射單元3的介電常數(shù)為2.65，其上表面的方形縫隙貼片31的上開口d1為0.4mm，下開口d2為3.8mm。

實施例三，天線邊長為200mm，反射單元的介電常數(shù)為4.4，其雙開口方形縫隙上開口為1.2mm，下開口為4mm的雙波束頻掃諧振腔天線。

本實施例的結構與實施例一的結構相同，具體參數(shù)調整如下：饋源天線1與部分反射蓋板2的邊長w均設為200mm，其第一介質基板12和第二介質基板14的介電常數(shù)均為4.4；部分反射蓋板2由33×33個反射單元3周期排列組成，每個反射單元3的介電常數(shù)為4.4，其上表面的方形縫隙貼片31的上開口d1為1.2mm，下開口d2為4mm。

本發(fā)明的技術效果可通過以下仿真進一步說明。

1.仿真軟件：采用cstmicrowavestudio電磁仿真軟件，

2.仿真內(nèi)容

仿真1，對本發(fā)明實施例二中反射單元3的反射系數(shù)相位值進行仿真，結果如圖4。

從圖4可見，當入射電磁波的角度θ從0°～50°變化時，反射單元3反射系數(shù)的相位值為0度的諧振頻率分別為：f0°＝10.95ghz，f10°＝10.99ghz，f20°＝11.09ghz，f30°＝11.25ghz，f40°＝11.45ghz，f50°＝11.64ghz。

仿真2，取圖4所示反射系數(shù)的相位值為0度的諧振頻率，通過公式對不同諧振頻率所對應的腔體高度進行計算，計算結果如圖5，從圖5可見：

當f0°＝10.95ghz時，h＝6.85mm；

當f10°＝10.99ghz時，h＝6.83mm；

當f20°＝11.09ghz時，h＝6.76mm；

當f30°＝11.25ghz時，h＝6.67mm；

當f40°＝11.45ghz時，h＝6.55mm；

當f50°＝11.64ghz時，h＝6.41mm；

可以看出，隨著入射電磁波角度的變化，諧振腔高度h的變化范圍為6.41mm～6.85mm，因此這里選取仿真結果最優(yōu)的諧振腔高度h為6.8mm。

仿真3，對本發(fā)明實施例二的電壓駐波比進行仿真，結果如圖6。

從圖6可以看出，諧振腔天線在諧振頻率為10.73～12ghz時的電壓駐波比小于2，說明天線工作在這個頻帶內(nèi)，其輸入端匹配良好。

仿真4，對本發(fā)明實施例二的增益進行仿真，結果如圖7，從圖7可以看出：

當天線工作在f＝10.74ghz時，其天線方向圖的最大指向為0°方向，增益為20.3dbi，實現(xiàn)了筆狀波束；

當天線工作在f＝10.87ghz時，其天線方向圖的最大指向為15°和-15°方向，增益為17.7dbi，實現(xiàn)了雙波束；

當天線工作在f＝11.12ghz時，其天線方向圖的最大指向為26°和-26°方向，增益為17dbi，實現(xiàn)了雙波束；

當天線工作在f＝11.47ghz時，其天線方向圖的最大指向為40°和-40°方向，增益為14dbi，實現(xiàn)了雙波束；

當天線工作在f＝12.00ghz時，其天線方向圖的最大指向為50°和-50°方向，增益為15.3dbi，實現(xiàn)了雙波束。

綜上所述，當諧振頻率變化時，諧振腔天線在0°～±50°內(nèi)本發(fā)明能實現(xiàn)波束重構和雙波束掃描。

以上描述僅是本發(fā)明的一個具體實施例，顯然對于本領域的專業(yè)人員來說，在了解了本發(fā)明內(nèi)容和原理后，都可能在不背離發(fā)明原理、結構的情況下，進行形式和細節(jié)上的各種修正和改變，但是這些基于本發(fā)明思想的修正和改變?nèi)栽诒景l(fā)明的權利要求保護范圍之內(nèi)。