一种低剖面双频Fabry-Perot谐振腔天线

一种低剖面双频fabry-perot谐振腔天线
技术领域
1.本发明属于电设备的结构零部件、电气元件组件的制造技术领域，涉及天线，尤其涉及一种低剖面双频fabry-perot谐振腔天线。


背景技术：

2.天线作为无线通信中发射接收信号的设备，是无线通信系统的重要组成部分。随着无线通信技术的快速发展，对于天线的性能要求也逐渐提高。
3.fabry-perot谐振腔（法布里-珀罗谐振腔）天线由于其简单的馈电结构和高增益特性，在现代无线通信中得到越来越广泛地重视和应用。fabry-perot谐振腔天线主要由三部分组成，分别为馈源结构、金属接地板和部分反射层（prs）。馈源辐射的电磁波入射到部分反射层，能量在两板之间来回多次反射，当两板腔体的间距达到谐振条件时，可以使部分反射层中各位置处透射出的电磁波在口径面上同相叠加，达到提高天线增益辐射、锐化波束宽度的效果。
4.如何在保证fabry-perot谐振腔天线高增益辐射特性的前提下，有效降低腔体的剖面高度，并在此基础上增加工作频段，成为该类天线研究领域的重要方向之一。目前，fabry-perot谐振腔天线的低剖面特性是靠改变部分反射层和接地板的反射相位来实现的。如：ying liu等人在论文“low-profile high-gain slot antenna with fabry-p
é
rot cavity and mushroom-like electromagnetic band gap structures”通过加载人工磁导体表面及电磁带隙结构将天线剖面降低至0.19λ，但所设计天线的谐振腔结构及馈源结构均较为复杂，且增益较低。al-tarifi m5 anagnostou d等人在论文“two-cavity model for creating two high-directivity bands of the resonant cavity antenna with flexible and dynamic control”中采用双层介质板作为部分反射层，与接地板之间形成两个谐振腔结构，达到两个频率的谐振条件，虽然实现了双频的性能，但天线剖面较高，不利于应用。kuigen cao等人在论文“low-profile dual-band fabry-perot resonator antenna”中采用单馈电点偏置的贴片天线作为馈源，在部分反射层及接地板加载超表面，这种方式在降低剖面的基础上，增加天线的工作频段，但天线的尺寸较大，不利于设备集成。因此，研究一种能解决上述问题的低剖面双频fabry-perot谐振腔天线具有重要的意义。


技术实现要素：

5.为解决在保证高增益辐射特性的前提下，如何有效降低谐振腔腔体的剖面高度并在此基础上增加工作频段的技术问题，本发明提供了一种加载人工磁导体表面的低剖面双频fabry-perot谐振腔天线。
6.本发明公开了一种低剖面双频fabry-perot谐振腔天线，包括部分反射层和接地板层；部分反射层，包括顶层介质基板、上反射结构和下反射结构，上反射结构和下反射结构分别蚀刻于顶层介质基板的上、下表面上，上反射结构包括均以矩形阵列分布的第一金
属贴片和第二金属贴片，每四个第一金属贴片包围一个第二金属贴片且相临接；第一金属贴片为菱形环，第二金属贴片由同心设置的圆环和圆形片组成，圆形片位于圆环中间，二者之间设有间隔；下反射结构包括均以矩形阵列分布的第三金属贴片和第四金属贴片，每四个第三金属贴片包围一个第四金属贴片且相间隔；第三金属贴片为菱形片，第四金属贴片为圆环；接地板层，包括底层介质基板和人工磁导体表面，人工磁导体表面蚀刻于底层介质基板的上表面上，人工磁导体表面包括均以矩形阵列分布的第五金属贴片和第六金属贴片，每四个第五金属贴片包围一个第六金属贴片且相间隔，第五金属贴片为十字形片，第六金属贴片为圆形片，底层介质基板的上表面的中央还蚀刻有矩形微带贴片，矩形微带贴片上设置有两条相平行的条形缝隙形成双频辐射贴片，两条条形缝隙之间设有馈电点，底层介质基板中穿置固定有与馈电点相连接的sma接头，底层介质基板的下表面上蚀刻有金属接地面；部分反射层位于接地板层上方，部分反射层通过尼龙螺柱与接地板层相连接，且部分反射层与接地板层之间设有作为谐振腔的间隔。
7.部分反射层和接地板层之间形成谐振腔，尼龙螺柱作为连接件，能使顶层介质基板和底层介质基板之间保持谐振腔的空气高度。部分反射层中，第一金属贴片为菱形环，第二金属贴片由同心设置的圆环和圆形片组成，第三金属贴片为菱形片，第四金属贴片为圆环，其中特殊的排布方式构成的部分反射表面可以更大范围地调整部分反射层的反射特性。人工磁导体表面上设置周期排布的第五金属贴片和第六金属贴片，能够抑制表面波且实现同相反射特性。采用sma接头给双频辐射贴片馈电，为谐振腔提供激励。
8.优选的，第一金属贴片、第三金属贴片和第五金属贴片上下位置对应，第二金属贴片、第四金属贴片和第六金属贴片上下位置对应。这样使得部分反射层和接地板层的反射相位对应，透射出去的电磁波同相叠加，提高天线的增益。
9.优选的，部分反射层和接地板层的四个角上均开有用于穿置固定尼龙螺柱的通孔。这样设置结构合理。
10.优选的，顶层介质基板的相对介电常数为2.55且厚度为2mm，底层介质基板的相对介电常数为2.2且厚度为2mm。如此可以降低成本并且便于加工。
11.优选的，矩形微带贴片上设置有两条相平行的条形缝隙是在原有7 ghz的谐振点基础上增加了12 ghz的谐振点，形成了双频辐射贴片。
12.优选的，矩形微带贴片的长边s1为11.8mm，短边y1为11.3mm，矩形微带贴片上的两条条形缝隙的长边sl为9.2mm，短边sw为0.55mm，馈电点到矩形微带贴片下边的距离yf为0.85mm，靠下的条形缝隙到矩形微带贴片下边的距离sh为4.8mm。这样设置结构合理。
13.优选的，第一金属贴片、第二金属贴片、第三金属贴片、第四金属贴片、第五金属贴片和第六金属贴片均为铜贴片且厚度相等均为0.035mm，金属接地面的长宽与底层介质基板的长宽一致，金属接地面材质为铜且厚度为0.035mm。这样设置结构合理。本发明提供的技术方案与现有技术相比具有如下优点：本发明所述谐振腔天线在矩形微带贴片天线上蚀刻两个对称的条形缝隙，以此来实现fabry-perot谐振腔天线的双频性能，每个频段独立地实现其功能，避免了现有技术中频段之间相互影响的缺陷。
14.本发明所述谐振腔天线在顶层介质基板的上、下表面分别加载第一金属贴片、第二金属贴片、第三金属贴片和第四金属贴片，以此产生双频响应，避免了现有技术中采用双层部分反射层来产生双频响应，减小了fabry-perot谐振腔天线的整体体积，有利于天线的
小型化；在底层介质基板印刷了周期性排列的第五金属贴片和第六金属贴片构成的人工磁导体表面，人工磁导体表面降低了fabry-perot谐振腔天线的剖面高度，并且增强了基于双频辐射贴片的增益，为fabry-perot谐振腔天线增益的提高和回波损耗的改善打下了基础。
附图说明
15.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
16.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1为本发明所述一种低剖面双频fabry-perot谐振腔天线的三维结构示意图；图2为本发明所述一种低剖面双频fabry-perot谐振腔天线的纵向剖视图；图3为所述部分反射层的上表面结构示意图；图4为所述部分反射层的下表面结构示意图；图5为所述接地板层的上表面结构示意图；图6为所述矩形微带贴片的尺寸示意图；图7为所述第一金属贴片的尺寸示意图；图8为所述第二金属贴片的尺寸示意图；图9为所述第三金属贴片的尺寸示意图；图10为所述第四金属贴片的尺寸示意图；图11为所述第五金属贴片的尺寸示意图；图12为所述第六金属贴片的尺寸示意图；图13为本发明具体实施例中所述fabry-perot谐振腔天线仿真的|s11|曲线；图14为本发明具体实施例中所述fabry-perot谐振腔天线在7ghz处的归一化辐射e面方向图；图15为本发明具体实施例中所述fabry-perot谐振腔天线在7ghz处的归一化辐射h面方向图；图16为本发明具体实施例中所述fabry-perot谐振腔天线在12ghz处的归一化辐射e面方向图；图17为发明具体本实施例中所述fabry-perot谐振腔天线在12ghz处的归一化辐射h面方向图；图18为本发明具体实施例中所述fabry-perot谐振腔天线的增益曲线图。
18.图中：1、部分反射层；2、接地板层；3、顶层介质基板；4、上反射结构；5、下反射结构；6、第一金属贴片；7、第二金属贴片；8、第三金属贴片；9、第四金属贴片；10、底层介质基板；11、人工磁导体表面；12、第五金属贴片；13、第六金属贴片；14、矩形微带贴片；15、条形缝隙；16、馈电点；17、sma接头；18、金属接地面；20、谐振腔；21、通孔。
具体实施方式
19.为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面将对本发明的方案
进行进一步描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
20.在描述中，需要说明的是，术语
ꢀ“
第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
21.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施；显然，说明书中的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
22.下面结合附图1至图18对本发明的具体实施例进行详细说明。
23.在一个实施例中，如图1至图12所示，公开了一种加载人工磁导体表面的低剖面双频fabry-perot谐振腔天线，包括部分反射层1和接地板层2；部分反射层1，包括顶层介质基板3、上反射结构4和下反射结构5，上反射结构4和下反射结构5分别蚀刻于顶层介质基板3的上、下表面上，上反射结构4包括均以矩形阵列分布的第一金属贴片6和第二金属贴片7，每四个第一金属贴片6包围一个第二金属贴片7且相临接；第一金属贴片6为菱形环，第二金属贴片7由同心设置的圆环和圆形片组成，圆形片位于圆环中间，二者之间设有间隔；下反射结构5包括均以矩形阵列分布的第三金属贴片8和第四金属贴片9，每四个第三金属贴片8包围一个第四金属贴片9且相间隔；第三金属贴片8为菱形片，第四金属贴片9为圆环；接地板层2，包括底层介质基板10和人工磁导体表面11，人工磁导体表面11蚀刻于底层介质基板10的上表面上，人工磁导体表面11包括均以矩形阵列分布的第五金属贴片12和第六金属贴片13，每四个第五金属贴片12包围一个第六金属贴片13且相间隔，第五金属贴片12为十字形片，第六金属贴片13为圆形片，底层介质基板10的上表面的中央还蚀刻有矩形微带贴片14，矩形微带贴片14上设置有两条相平行的条形缝隙15两条相平行的条形缝隙15关于矩形微带贴片14的中线对称，在原有7 ghz的谐振点基础上增加了12 ghz的谐振点，形成了双频辐射贴片，为谐振腔20提供激励，使得fabry-perot谐振腔20天线产生双频性能；两条条形缝隙15之间设有馈电点16，底层介质基板10中穿置固定有与馈电点16相连接的sma接头17，底层介质基板10的下表面上蚀刻有金属接地面18，矩形微带贴片14的长边s1为11.8mm，短边y1为11.3mm，矩形微带贴片14上的两条条形缝隙15的长边sl为9.2mm，短边sw为0.55mm，馈电点16到矩形微带贴片14下边的距离yf为0.85mm，靠下的条形缝隙15到矩形微带贴片14下边的距离sh为4.8mm；顶层介质基板3由f4b255构成，其相对介电常数为2.55且厚度为2mm，底层介质基板10由f4b220构成，其相对介电常数为2.2且厚度为2mm；部分反射层1位于接地板层2上方，第一金属贴片6、第三金属贴片8和第五金属贴片12上下位置对应，第二金属贴片7、第四金属贴片9和第六金属贴片13上下位置对应；部分反射层1通过尼龙螺柱与接地板层2相连接，部分反射层1和接地板层2的四个角上均开有用于穿置固定尼龙螺柱的通孔21，且部分反射层1与接地板层2之间设有作为谐振腔20的间隔。第一金属贴片6、第二金属贴片7、第三金属贴片8、第四金属贴片9、第五金属贴片12和第六金属贴片13均为铜贴片且厚度相等均为0.035mm，金属接地面18的长宽与底层介质基板10的长宽一致，金属接地面
18材质为铜且厚度为0.035mm。这样设置结构合理。作为第一金属贴片6的菱形环为正方形环体，作为第三金属贴片8的菱形片为正方形片，菱形环的外环边长与菱形片的边长相等；第二金属贴片7中圆形片的直径与第四金属贴片9的圆环内径相等，第二金属贴片7中圆环的内径与第四金属贴片9的圆环外径相等；第五金属贴片12的两条条形片的长宽相等。具体实施例中，菱形环的内环边长a1为4.24mm，菱形环的外环边长a2为7.07mm；第二金属贴片7的圆形片的直径r1为2.67mm，第二金属贴片7的圆环内径r2为4.60mm，外径r3为4.95mm；菱形片的边长a2为7.07mm；第四金属贴片9的圆环的内径r1为2.67mm，外径r2为4.60mm；作为第五金属贴片12的十字形片具体由两个等长条形片相叠交叉而成，条形片的长度l为9.40mm，条形片的宽度w为0.5mm，作为第六金属贴片13的圆形片的直径r4为4.20mm。
24.部分反射层1和接地板层2之间形成谐振腔20，尼龙螺柱作为连接件，能使顶层介质基板3和底层介质基板10之间保持谐振腔20的空气高度。部分反射层1中，第一金属贴片6为菱形环，第二金属贴片7由同心设置的圆环和圆形片组成，第三金属贴片8为菱形片，第四金属贴片9为圆环，其中特殊的排布方式构成的部分反射表面可以更大范围地调整部分反射层1的反射特性。人工磁导体表面11上设置周期排布的第五金属贴片12和第六金属贴片13，能够抑制表面波且实现同相反射特性。采用sma接头17给双频辐射贴片馈电，为谐振腔20提供激励。
25.具体实施例中，利用cst微波工作室对上述实施例进行仿真。本发明的部分反射表面在7 ghz和12 ghz处的反射相位分别为-90
°
和-122
°
，人工磁导体表面11在7 ghz和12 ghz处的反射相位分别为120
°
和163
°
。图13是本实施例中fabry-perot谐振腔天线仿真的|s11|曲线，由图13可知，fabry-perot谐振腔20天线工作的频点为7 ghz和12 ghz，fabry-perot谐振腔20天线实现了双频特性。在传统fabry-perot谐振腔天线的设计中，其谐振腔高度一般为空间波长的一半，而所设计的fabry-perot谐振腔天线，由于添加了人工磁导体表面，其谐振腔20高度分别达到了0.035λ0(7ghz)、0.06λ1(12ghz)，其中λ0、λ1分别为7ghz和12 ghz处的空间波长，表明了本发明所述加载人工磁导体表面11的低剖面双频fabry-perot谐振腔天线极大地降低了fabry-perot谐振腔天线的剖面高度。
26.图14和图15是本实施例中fabry-perot谐振腔20天线在7ghz处的归一化辐射方向图，图14为e面方向图，图15为h面方向图，表明增益达到了13.59 dbi。图16和图17是本实施例中天线在12 ghz处的归一化辐射方向图，图16为e面方向图，图17为h面方向图，增益为14.07 dbi，表明本发明加载人工磁导体表面11的低剖面双频fabry-perot谐振腔20天线具有良好的辐射性能，天线的增益曲线如图18所示，天线在两个频段处的最大增益分别是14.1 dbi以及16.52 dbi，实现了fabry-perot谐振腔20天线的高增益特性。
27.以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。尽管参照前述各实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离各实施例技术方案的范围，其均应涵盖权利要求书的保护范围中。

技术特征：
1.一种低剖面双频fabry-perot谐振腔天线，其特征在于，包括部分反射层（1）和接地板层（2）；部分反射层（1），包括顶层介质基板（3）、上反射结构（4）和下反射结构（5），上反射结构（4）和下反射结构（5）分别蚀刻于顶层介质基板（3）的上、下表面上，上反射结构（4）包括均以矩形阵列分布的第一金属贴片（6）和第二金属贴片（7），每四个第一金属贴片（6）包围一个第二金属贴片（7）且相临接；第一金属贴片（6）为菱形环，第二金属贴片（7）由同心设置的圆环和圆形片组成，圆形片位于圆环中间，二者之间设有间隔；下反射结构（5）包括均以矩形阵列分布的第三金属贴片（8）和第四金属贴片（9），每四个第三金属贴片（8）包围一个第四金属贴片（9）且相间隔；第三金属贴片（8）为菱形片，第四金属贴片（9）为圆环；接地板层（2），包括底层介质基板（10）和人工磁导体表面（11），人工磁导体表面（11）蚀刻于底层介质基板（10）的上表面上，人工磁导体表面（11）包括均以矩形阵列分布的第五金属贴片（12）和第六金属贴片（13），每四个第五金属贴片（12）包围一个第六金属贴片（13）且相间隔，第五金属贴片（12）为十字形片，第六金属贴片（13）为圆形片，底层介质基板（10）的上表面的中央还蚀刻有矩形微带贴片（14），矩形微带贴片（14）上设置有两条相平行的条形缝隙（15）形成双频辐射贴片，两条条形缝隙（15）之间设有馈电点（16），底层介质基板（10）中穿置固定有与馈电点（16）相连接的sma接头（17），底层介质基板（10）的下表面上蚀刻有金属接地面（18）；部分反射层（1）位于接地板层（2）上方，部分反射层（1）通过尼龙螺柱与接地板层（2）相连接，且部分反射层（1）与接地板层（2）之间设有作为谐振腔（20）的间隔。2.根据权利要求1所述的一种低剖面双频fabry-perot谐振腔天线，其特征在于，第一金属贴片（6）、第三金属贴片（8）和第五金属贴片（12）上下位置对应，第二金属贴片（7）、第四金属贴片（9）和第六金属贴片（13）上下位置对应。3.根据权利要求2所述的一种低剖面双频fabry-perot谐振腔天线，其特征在于，部分反射层（1）和接地板层（2）的四个角上均开有用于穿置固定尼龙螺柱的通孔（21）。4.根据权利要求1至3任一项所述的一种低剖面双频fabry-perot谐振腔（20）天线，其特征在于，顶层介质基板（3）的相对介电常数为2.55且厚度为2mm，底层介质基板（10）的相对介电常数为2.2且厚度为2mm。5.根据权利要求4所述的一种低剖面双频fabry-perot谐振腔天线，其特征在于，矩形微带贴片（14）上设置有两条相平行的条形缝隙（15）是在原有7ghz的谐振点基础上增加了12ghz的谐振点，形成了双频辐射贴片。6.根据权利要求5所述的一种低剖面双频fabry-perot谐振腔天线，其特征在于，矩形微带贴片（14）的长边s1为11.8mm，短边y1为11.3mm，矩形微带贴片（14）上的两条条形缝隙（15）的长边sl为9.2mm，短边sw为0.55mm，馈电点（16）到矩形微带贴片（14）下边的距离y
f
为0.85mm，靠下的条形缝隙（15）到矩形微带贴片（14）下边的距离sh为4.8mm。7.根据权利要求6所述的一种低剖面双频fabry-perot谐振腔天线，其特征在于，第一金属贴片（6）、第二金属贴片（7）、第三金属贴片（8）、第四金属贴片（9）、第五金属贴片（12）和第六金属贴片（13）均为铜贴片且厚度相等均为0.035mm，金属接地面（18）的长宽与底层介质基板（10）的长宽一致，金属接地面（18）材质为铜且厚度为0.035mm。8.根据权利要求7所述的一种低剖面双频fabry-perot谐振腔天线，其特征在于，作为
第一金属贴片（6）的菱形环为正方形环体，作为第三金属贴片（8）的菱形片为正方形片，菱形环的外环边长与菱形片的边长相等；第二金属贴片（7）中圆形片的直径与第四金属贴片（9）的圆环内径相等，第二金属贴片（7）中圆环的内径与第四金属贴片（9）的圆环外径相等；第五金属贴片（12）的两条条形片的长宽相等。

技术总结
本发明属于电设备的结构零部件、电气元件组件的制造技术领域，涉及一种低剖面双频Fabry-Perot谐振腔天线，解决了背景技术中的问题，其包括部分反射层和接地板层；部分反射层包括顶层介质基板、上反射结构和下反射结构，上反射结构和下反射结构分别蚀刻于顶层介质基板的上、下表面上；接地板层包括底层介质基板和人工磁导体表面，人工磁导体表面蚀刻于底层介质基板的上表面上，底层介质基板上表面的中央蚀刻有矩形微带贴片，矩形微带贴片上设置有两条条形缝隙形成双频辐射贴片，底层介质基板的下表面上蚀刻有金属接地面。人工磁导体表面降低了天线剖面高度，部分反射层增强了双频辐射贴片的增益，为天线增益的提高和回波损耗的改善打下了基础。耗的改善打下了基础。耗的改善打下了基础。


技术研发人员：刘宇峰 徐磊 朱乐乐 张文梅 高扬 仝宗伟
受保护的技术使用者：山西大学
技术研发日：2023.07.13
技术公布日：2023/8/14