基于正六边形单元的宽带高增益法布里-珀罗谐振腔天线
阅读说明：本技术 基于正六边形单元的宽带高增益法布里-珀罗谐振腔天线 (Broadband high-gain Fabry-Perot resonant cavity antenna based on regular hexagonal unit ) 是由 焦永昌 关云杰 田季丰 于 2021-01-07 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于正六边形单元的宽带高增益法布里-珀罗谐振腔天线,其包括上层中下三层介质基板(2,4,7),且通过低介电常数尼龙框(9)固定为一体。该上层介质基板的上下分别为上反射表面(1)和下反射表面(3),三者形成部分反射表面结构；该中间层介质基板的下表面为寄生贴片(5),两者形成辐射体；该底层介质基板的上表面为金属地板(6),下表面为渐变型微带馈线(8),三者形成馈源,该部分上下反射表面(1,3)均采用周期性排列的正六边形单元,这些单元沿着正六边形三条相邻边的中垂线方向排列；金属地板上刻有两条用于拓宽阻抗带宽的矩形缝隙。本发明拓宽了天线的带宽,提高了增益,可用于卫星通信以及雷达系统。(The invention discloses a broadband high-gain Fabry-Perot resonant cavity antenna based on a regular hexagon unit, which comprises three layers of medium substrates (2, 4 and 7) at the upper layer, the middle layer and the lower layer, and the medium substrates are fixed into a whole through a low-dielectric-constant nylon frame (9). The upper layer medium substrate and the lower layer medium substrate are respectively an upper reflecting surface (1) and a lower reflecting surface (3) which form a partial reflecting surface structure; the lower surface of the middle layer dielectric substrate is a parasitic patch (5), and the parasitic patch form a radiator; the upper surface of the bottom layer medium substrate is a metal floor (6), the lower surface of the bottom layer medium substrate is a graded microstrip feeder (8), the metal floor, the graded microstrip feeder and the graded microstrip feeder form a feed source, the upper reflecting surface and the lower reflecting surface of the part (1, 3) both adopt regular hexagonal units which are periodically arranged, and the units are arranged along the perpendicular bisector direction of three adjacent sides of a regular hexagon; two rectangular gaps for widening impedance bandwidth are carved on the metal floor. The invention widens the bandwidth of the antenna, improves the gain and can be used for satellite communication and radar systems.)
技术领域
本发明属于天线技术领域，更进一步涉及一种法布里-珀罗谐振腔天线，可用于卫星通信以及雷达系统。
背景技术
随着现代雷达、电子对抗、当前以及下一代通信技术的迅猛发展，天线作为这些电子系统的重要系统之一，对其性能的要求也在不断提高。相比于传统高增益天线而言，法布里–珀罗谐振腔天线在高增益、高效率、低剖面、结构简单、无需复杂馈电网络，易于制造并且装配简单等方面具有明显优势，已成为国内外的研究热点之一。法布里-珀罗谐振腔天线拥有较为简单的准平面结构，其加工、维护的难度和成本低于反射面、波导喇叭等传统高增益的天线，在达到相同增益时，较高的口径效率和较低的剖面高度又可使其体积远小于此类传统的高增益天线。因此通常采用法布里–珀罗谐振腔来提高天线的增益性能。
现有的法布里–珀罗谐振腔天线由馈源、金属地板和部分反射表面三部分组成。部分反射表面与地板由于存在空气带隙会形成一个谐振腔，并当两者之间的距离满足谐振条件所要求的值时，从馈源天线辐射出去的电磁波会一部分通过部分反射表面向外透射，另一部分则继续在谐振腔内反射，而经过多次反射的电磁波则会在部分反射表面外表面上实现同相位叠加，从而提高馈源天线的增益。但由于法布里–珀罗谐振腔天线仍属于一种谐振腔结构，其3dB增益带宽和阻抗带宽都比较窄，因此如何拓宽其带宽也是对设计者的一种挑战。
为了解决上述增益带宽窄的问题，研究人员提出不少解决方法。例如M.A.Meriche,H.Attia,A.Messai,S.S.I.Mitu and T.A.Denidni在IEEE Antennas andWireless Propagation Letters,vol.18,no.9,pp.1771-1774,Sept.2019期刊上发表的论文″Directive Wideband Cavity Antenna With Single-Layer Meta-Superstrate″中提出了一款工作在12-15GHz频段内的宽带高增益法布里-珀罗谐振腔天线。其馈源采用缝隙天线，且在介质基板两侧分别蚀刻正方形贴片与正方形环作为部分反射表面，以产生一个正斜率的相位梯度，提高天线的增益带宽。但这种采用正方形单元与缝隙馈源的法布里-珀罗谐振腔天线，其3dB增益带宽仍然较窄，实验表明，该天线在工作频率范围内只有18.7％可达到3dB的增益带宽，且峰值增益为13.78dBi。所以若想进一步提高天线的3dB增益带宽，则需对馈电结构和部分反射表面做出进一步改进。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于正六边形单元的宽带高增益法布里-珀罗谐振腔天线，以提高法布里-珀罗谐振腔天线的增益带宽。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
1.一种基于正六边形单元的宽带高增益法布里-珀罗谐振腔天线，包括上层介质基板2、中间层介质基板4、底层介质基板7和支撑件9，这三个基板自下而上通过支撑件9固定为一体；该上层介质基板2的上面为部分上反射表面1，下部为部分下反射表面3，三者形成部分反射表面结构；该中间层介质基板4的下表面为寄生贴片5，两者形成辐射体结构；该底层介质基板7的上表面为金属地板6，下表面为渐变型微带馈线8，三者形成馈源结构，其特征在于：
所述部分上反射表面1和部分下反射表面3，其均采用周期性排列的正六边形单元，这些单元沿着正六边形三条相邻边的中垂线方向排列；
所述支撑件9，采用低介电常数尼龙框，以在部分下反射表面3与金属地板6之间形成法布里-珀罗谐振腔，并在寄生贴片5与金属地板6之间形成空气带隙，以抑制天线表面波激励；
所述金属地板6，其上蚀刻有两条矩形缝隙61和62，以拓宽天线的阻抗带宽。
作为优选，所述部分上反射表面1的正六边形单元，其为正六边形贴片；
作为优选，所述部分下反射表面3的正六边形单元，其为正六边形孔径和孔径内六脚分支的组合；
作为优选，所述上、下反射表面的正六边形单元的排列周期P为6mm-9mm。
作为优选，所述部分上反射表面1中正六边形贴片单元的长L1为5mm-7mm；
作为优选，部分下反射表面3中正六边形孔径的外径边长L2为5mm-7mm，正六边形孔径的内径，边长L3为4mm-6mm，六脚分支的边长L4为5mm-7mm，六脚分支的宽W为0.5mm-3.5mm。
作为优选，所述低介电常数尼龙框9，包括方形外部框架91和方形内框架92，该外部框架分为上下两层911和912，通过四个支撑柱93固定，且下层框912仅有三条边，方形内框架92固定在下层框912的中间，上层介质基板2通过镶嵌的方式固定在外部框架的上层框架911内，底层介质基板7通过支撑柱93上的两个槽口插入到外部框架的下层912，中间层介质基板4镶嵌的方式固定在方形内框架92中。
作为优选，所述方形外部框架的上下两层911和912被支撑柱93隔开形成法布里-珀罗谐振腔，该谐振腔体高度H为10mm-30mm，内部框架92与方形外部框架的下层912之间存在空气带隙，该带隙高度H0为1mm-5mm。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
第一，本发明由于在同类型宽带高增益法布里-珀罗谐振腔天线中，首次采用周期性排列的正六边形单元，该单元沿着正六边形三条相邻边的中垂线方向排列，较之传统正方形单元与圆形单元多了一个排列方向，因此单元之间的排列更为紧凑，耦合更强，其在更宽的频率范围内获得了正相位梯度；
第二，本发明由于采用双缝隙耦合贴片的馈电方式，避免了寄生贴片与馈线的接触，相较于传统的缝隙馈电，本发明的寄生贴片与馈线之间由于存在空气带隙，因此可以很好地抑表面波激励，从而有利于提高天线的阻抗带宽，并改善天线的辐射方向图；
第三，本发明由于采用低介电常数尼龙框，与传统的尼龙柱相比，不需要在介质基板上打孔，因此使天线的完整性得到保护，这不仅稳定了天线的性能，而且提高了天线的实际使用性；
附图说明
图1为本发明实施例的整体结构示意图；
图2为图1的分层结构示意图；
图3为图1中的低介电常数尼龙框示意图；
图4为图2中的部分上反射表面结构示意图；
图5为图2中的部分下反射表面结构示意图；
图6为图2中的本寄生贴片结构示意图；
图7为图2中的金属地板及金属地板上缝隙的结构示意图；
图8为图2中的渐变型馈线结构示意图；
图9为本发明实施例中的法布里-珀罗谐振腔的馈源结构示意图；
图10为本发明实施例中的各层介质基板间高度示意图；
图11为本发明实施例中的回波损耗特性曲线图；
图12为本发明实施例中在xoz面和yoz面的辐射方向图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施例和效果作进一步详细描述。
参照图1、图2和图3：本实例的宽带高增益法布里-珀罗谐振腔天线，包括部分上反射表面1、上层介质基板2、部分下反射表面3、中间层介质基板4、寄生贴片5、金属地板6、底层介质基板7、微带馈线8、低介电常数尼龙框9，其中：
所述低介电常数尼龙框9，包括方形外部框架91和方形内框架92，该外部框架分为上层911和下层912，两层之间通过四个高度为H的支撑柱93固定，且下层框912仅有三条边，方形内框架92固定在下层框912的中间，其大小为大框的三分之一，该四个支撑柱93中的前两个支撑柱下端开有槽口。
所述部分上反射表面1和部分下反射表面3分别位于上层介质基板2的上部和下部，三者形成部分反射表面结构，该反射表面结构通过镶嵌的方式固定在外部框架的上层框架911内，用于提高法布里-珀罗谐振腔天线的增益。
所述寄生贴片5位于中间层介质基板4的下表面，两者形成辐射体结构，该辐射体结构通过镶嵌的方式固定在方形内框架92中，用于为法布里-珀罗谐振腔天线提供较为平稳的辐射。
所述金属地板6和渐变型微带馈线8分别位于底层介质基板7的上表面和下表面，三者形成馈源结构，该馈源结构通过支撑柱93上的两个槽口插入到外部框架的下层912内，该内部框架92内的辐射体结构与外部框架下层912内的馈源结构之间存在空气带隙，以抑制馈源天线的表面波激励。该馈源结构与辐射体结构组成馈源天线。
所述上层介质基板2和底层介质基板4的尺寸相同，其边长L为60mm-80mm，高度H1为0.8mm-1.2mm，中间层介质基板的边长L6为15mm-20mm，高度H3为0.8mm-1.2mm，金属地板6的边长L为60mm-80mm。此外，上层介质基板2和底层介质基板4的介电常数为ε1。本实例取但不限于L为72mm、H1为1mm、L6为18mm、H3为0.8mm，ε1为3.4。
参照图4，所述部分上反射表面1由正六边形贴片周期排列所成，其排列方向为正六边形的三个邻边中垂线方向，形成任意一个正六边形贴片周围均有六个相同贴片围绕的机构形式，以极大地增强正六边形贴片之间的耦合性，从而使得正六边形单元在较宽的工作频率范围内获得正的相位梯度，其排列周期P为7mm-9mm，本实例取但不限于P为8mm，每个正六边形贴片的边长L1为5mm-7mm，本实例取但不限于L1为6mm。
参照图5：所述部分下反射表面3由正六边形单元周期排列所成，该单元由正六边形孔径和孔径内六脚分支组合而成，其排列方向为正六边形的三个邻边中垂线方向，其中正六边形孔径的作用是增强正六边形单元之间的耦合性，提高部分反射表面的反射性能，六脚分支的作用是延长电流的流通路径，以缩减正六边形单元的尺寸，使得天线更加小型化，这些单元印刻在上层介质基板2的下表面，正六边形孔径的外径边长为L2为5mm-7mm，正六边形孔径的内径边长L3为4mm-6mm，六脚分支的边长L4为5mm-7mm，六脚分支的宽W为0.5mm-3.5mm，本实例取但不限于L2为6mm，L3为5mm，L4为6mm，W为0.5mm，排列周期P与部分上反射表面1的排列周期相同。
参照图6：寄生贴片5印制在中间层介质基板4的下表面，作为法布里-珀罗谐振腔天线中的主要辐射单元，其性能的优劣直接影响着整个法布里-珀罗谐振腔天线性能的好坏，该贴片的形状为正方形，其边长L5为7mm-10mm，寄生贴片5到中间层介质基板4边缘的距离D0为4.5mm-6.5mm，本实例取但不限于L5为8mm，D0为5.5mm。
参照图7，金属地板6印制在底层介质基板7的上表面，其中间位置蚀刻有两条矩形缝隙61与62，这两个条缝隙之间的耦合能使馈源天线在工作频段范围内产生一个新的谐振点，该谐振点的出现可以拓宽法布里-珀罗谐振腔天线的工作带宽，为法布里谐振腔天线提供宽带的条件，其中，第一条矩形缝隙61的长边SL1为7mm-9mm，短边SW1为1mm-3mm；第二条矩形缝隙62的长边SL2为5mm-7mm，短边SW2为0.5mm-1.5mm；矩形缝隙61与金属地板6一边的距离D2为33mm-37mm，矩形缝隙62与金属地板6另一边的距离D3为34mm-38mm，矩形缝隙之间的距离D1为0.5mm-1.5mm。本实例取但不限于SL1为8mm，SW1为2mm，SL2为6mm，SW2为1mm，D2为35mm，D3为35mm，D1为1mm。
参照图8：渐变型微带馈线8印制在底层介质基板7的下表面，其与底层介质基板上表面的两条矩形缝隙61和62相互垂直，该微带馈线的作用主要有两个：一是负责传输射频信号，二是负责调节法布里-珀罗谐振腔天线的阻抗匹配。只有当天线的馈电单元阻抗匹配时，天线的辐射性能和辐射效率才会得到提高。该微带馈线由小阻抗微带线81与大阻抗微带线82组成，其中小阻抗微带线81的宽度W1为1mm-1.4mm，长度L7为11.5mm-13.5mm；大阻抗微带线81的宽度W2为1.5mm-3.5mm，长度L8为24mm-28mm，本实例取但不限于W1为1.2mm，L7为12.3mm，W2为1.5mm，L8为26.5mm。
参照图9：由辐射体结构与馈源结构组成的馈源天线，其为法布里-珀罗谐振腔天线的主要组成部分之一，主要为法布里-珀罗谐振腔提供电磁波辐射。
参照图10：所述上层介质基板2与底层介质基板7间的高度H3为15mm-17mm，中间层介质基板4与底层介质基板7间的高度H4为1.3mm-3.3mm，本实例取但不限于H3为16mm，H4为2.3mm。高度H3为天线谐振腔体的高度，高度H4为空气带隙的高度，这两个高度对于天线性能的影响较为明显，其中天线谐振腔体的高度对于天线的增益性能影响较为明显，空气带隙的高度对于天线的阻抗匹配性能影响较为明显，因此只有合理调节两者的高度，才会使得天线的性能达到最佳。
本发明的效果可结合仿真结果作进一步说明：
1、仿真内容：
仿真1，利用商业仿真软件HFSS_15.0对本发明实施例的回波损耗参数以及增益进行仿真计算，结果如图11所示。
从图11可见，以反射系数-10dB为标准，本实施例中馈源天线的工作带宽为8.8GHz:11.4GHz，其相对带宽为25.7％，法布里-珀罗谐振腔天线的工作带宽为8.4GHz:11.3GHz，其相对带宽为29.4％；馈源天线的最高增益为7dBi，法布里-珀罗谐振腔天线的最高增益为14dBi，且法布里-珀罗谐振腔天线的3dB增益带宽为8.4GHz:11.2GHz，相对带宽28％，馈源天线与法布里-珀罗谐振腔天线的中心频率都为10GHz。
仿真2，利用商业仿真软件HFSS_15.0对本发明实施例的远场辐射方向图进行仿真计算，结果如图12所示，其中：
图12(a)为实施例天线在8.4GHz的E面和H面辐射方向图；
图12(b)为实施例天线在9GHz的E面和H面辐射方向图；
图12(c)为实施例天线在11.2GHz时的E面和H面辐射方向图。
从图12(a)可见，本发明实施例天线工作在8.4GHz时，其E面和H面辐射方向图的最大辐射方向在0度，其副瓣电平低于-11dB。
从图12(b)可见，本发明实施例天线工作在9GHz时，其E面和H面辐射方向图的最大辐射方向在0度，其副瓣电平低于-15dB，且其在该频点的方向图关于0度线的对称性比较好。
从图12(c)可见，本发明实施例天线工作在11.2GHz时，其E面和H面辐射方向图的最大辐射方向在0度，其副瓣电平低于-13dB。
以上仿真结果说明，本发明天线在使用正六边形单元的部分反射表面时，工作带宽以及3dB增益带宽均得到了较大的展宽，最大辐射方向的增益也得到了明显提高，且其拥有良好的辐射方向图。
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