全文摘要
本实用新型公开了一种加载人工电磁结构的增益增强型圆极化频扫天线。该天线包括上下两层结构，下层结构包括介质板，介质板上下表面覆盖金属面，下表面为金属地面，上表面刻蚀有八组周期线性排列的缝隙单元，每个单元由相互垂直的一对横槽和一条纵槽组成，介质板沿缝隙单元两侧均匀刻蚀两排金属通孔，上表面两端连接锥型渐变微带线；上层结构包括介质板以及设置于介质板上下表面的不同尺寸圆形贴片阵，两侧贴片阵对应整齐排列；上下层结构对正放置，沿四角对应开有圆孔，由螺钉相互连接，上下层结构之间由空气层隔开。本实用新型天线结构简单，具有高增益、圆极化以及波束扫描的优点。
主设计要求
1.一种加载人工电磁结构的增益增强型圆极化频扫天线，其特征在于，包括由空气层隔开的下层馈电结构和上层辐射结构；下层馈电结构包括下层介质板，下层介质板上、下表面分别覆盖金属面、金属地，金属面刻蚀有周期线性排列的正交缝隙，每个正交缝隙由相互垂直的一对横槽和一条纵槽组成，下层介质板上对应于正交缝隙位置两侧均匀刻蚀两排金属通孔，金属面两端分别连接锥型渐变微带线；上层辐射结构包括上层介质板，以及设置于上层介质板上、下表面的圆形贴片阵，两侧圆形贴片阵呈周期性阵列排布。
设计方案
1.一种加载人工电磁结构的增益增强型圆极化频扫天线，其特征在于，包括由空气层隔开的下层馈电结构和上层辐射结构；
下层馈电结构包括下层介质板，下层介质板上、下表面分别覆盖金属面、金属地，金属面刻蚀有周期线性排列的正交缝隙，每个正交缝隙由相互垂直的一对横槽和一条纵槽组成，下层介质板上对应于正交缝隙位置两侧均匀刻蚀两排金属通孔，金属面两端分别连接锥型渐变微带线；
上层辐射结构包括上层介质板，以及设置于上层介质板上、下表面的圆形贴片阵，两侧圆形贴片阵呈周期性阵列排布。
2.根据权利要求1所述的加载人工电磁结构的增益增强型圆极化频扫天线，其特征在于，所述下层馈电结构包括下层介质板(2)、金属地(1)、金属面(5)、微带渐变线(6)、正交缝隙(7)和金属化通孔(3)，所述下层介质板(2)的下表面设置金属地(1)，下层介质板(2)的上表面覆有金属面(5)，金属面(5)两端分别与微带渐变线(6)相接，微带渐变线(6)上设置有馈电探针，微带渐变线(6)与金属面(5)中心轴在一条直线上，且馈电探针位于该直线上；所述金属面(5)上沿中心轴方向均匀刻蚀八组正交缝隙(7)，每组正交缝隙(7)由一对横槽和一个纵槽正交放置，所述纵槽平行于中心轴；下层介质板(2)上对应于正交缝隙(7)位置两侧均匀刻蚀两排金属化通孔(3)，每个金属化通孔(3)上、下两端分别与下层介质板(2)上、下表面连接，每排金属化通孔(3)的始末两端分别与金属面(5)边界连接。
3.根据权利要求1或2所述的加载人工电磁结构的增益增强型圆极化频扫天线，其特征在于，所述上层辐射结构包括上层介质板(9)、第一圆形贴片阵(8)和第二圆形贴片阵(11)，所述上层介质板(9)的下表面设有第一圆形贴片阵(8)，上层介质板(9)的上表面上设有第二圆形贴片阵(11)。
4.根据权利要求3所述的加载人工电磁结构的增益增强型圆极化频扫天线，其特征在于，所述下层介质板(2)和上层介质板(9)对正放置，沿四角分别对应开设下层介质板圆形空气通孔(4)和上层介质板圆形空气通孔(10)，下层介质板圆形空气通孔(4)和上层介质板圆形空气通孔(10)由螺钉相互连接，下层介质板(2)和上层介质板(9)由空气层隔开。
5.根据权利要求4所述的加载人工电磁结构的增益增强型圆极化频扫天线，其特征在于，所述第二圆形贴片阵(11)包括8*32个金属贴片，沿上层介质板(9)上表面中心轴对称放置，半径为1.1mm，沿长轴等周期间隔排列，纵向周期间隔为4mm；沿短轴渐变间隔排列，由中间向两边间隔分别为4mm，4.2mm，4.4mm，4,6mm；
所述第一圆形贴片阵(8)包括8*32个金属贴片，半径为1.2mm，设置在上层介质板(9)下表面，排列方式和第二圆形贴片阵(11)相同。
6.根据权利要求4或5所述的加载人工电磁结构的增益增强型圆极化频扫天线，其特征在于，所述金属地(1)、金属面(5)、金属化通孔(3)、第一圆形贴片阵(8)和第二圆形贴片阵(11)的金属贴片均为铜皮材质；所述下层介质板(2)和上层介质板(9)为同种介质板，介电常数3.66，损耗角正切0.004，厚度1.524mm；所述下层介质板(2)尺寸为40mm*137.2mm，上层介质板(9)尺寸为48mm*140mm。
设计说明书
技术领域
本实用新型涉及平面波束扫描天线技术领域，特别是一种加载人工电磁结构的增益增强型圆极化频率扫描天线。
背景技术
随着科技的不断发展进步，无线通信系统对于天线的性能要求越来越高，在定波束天线之外，具有波束扫描功能的天线在无线通信系统中的应用越来越广泛，例如雷达探测、遥感探测和卫星通信系统等领域。早期通过机械装置控制天线辐射方向改变的机械扫描天线系统具有机械故障率较高以及波束扫描成型较慢的缺点，因此发展受到一定的限制；频率扫描天线的产生克服了该缺点，天线采用电控扫描，通过改变工作频率得到不同的辐射方向，因此具有更快的扫描速度和更好的稳定性。然而随着实际应用对此类天线性能的要求越来越高，将圆极化、宽波束扫描范围、高增益等多性能综合在一起将成为此类天线发展的趋势。
因此，如何设计具有高增益的圆极化频扫天线，具有重要的意义。此类天线的意义在于，通过设计新的天线模型结构，使高增益、宽扫描范围、圆极化甚至多种极化方式等性能集中于一个简单的天线结构上，避免使用多个天线带来的复杂度与困难。目前的频率扫描天线多围绕单一性能进行探究，并且对线极化频扫天线的设计研究较多，结构复杂、辐射效率较低、增益较低。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种结构简单、高增益、并具有波束扫描功能的圆极化频扫天线。
实现本实用新型目的的技术解决方案为：一种加载人工电磁结构的增益增强型圆极化频扫天线，包括由空气层隔开的下层馈电结构和上层辐射结构；
下层馈电结构包括下层介质板，下层介质板上、下表面分别覆盖金属面、金属地，金属面刻蚀有周期线性排列的正交缝隙，每个正交缝隙由相互垂直的一对横槽和一条纵槽组成，下层介质板上对应于正交缝隙位置两侧均匀刻蚀两排金属通孔，金属面两端分别连接锥型渐变微带线；
上层辐射结构包括上层介质板，以及设置于上层介质板上、下表面的圆形贴片阵，两侧圆形贴片阵呈周期性阵列排布。
作为一种具体示例，所述下层馈电结构包括下层介质板、金属地、金属面、微带渐变线、正交缝隙和金属化通孔，所述下层介质板的下表面设置金属地，下层介质板的上表面覆有金属面，金属面两端分别与微带渐变线相接，微带渐变线上设置有馈电探针，微带渐变线与金属面中心轴在一条直线上，且馈电探针位于该直线上；所述金属面上沿中心轴方向均匀刻蚀八组正交缝隙，每组正交缝隙由一对横槽和一个纵槽正交放置，所述纵槽平行于中心轴；下层介质板上对应于正交缝隙位置两侧均匀刻蚀两排金属化通孔，每个金属化通孔上、下两端分别与下层介质板上、下表面连接，每排金属化通孔的始末两端分别与金属面边界连接。
作为一种具体示例，所述上层结构包括上层介质板、第一圆形贴片阵和第二圆形贴片阵，所述上层介质板的下表面设有第一圆形贴片阵，上层介质板的上表面上设有第二圆形贴片阵。
作为一种具体示例，所述下层介质板和上层介质板对正放置，沿四角分别对应开设下层介质板圆形空气通孔和上层介质板圆形空气通孔，下层介质板圆形空气通孔和上层介质板圆形空气通孔由螺钉相互连接，下层介质板和上层介质板由空气层隔开。
作为一种具体示例，所述第二圆形贴片阵包括8*32个金属贴片，沿上层介质板上表面中心轴对称放置，半径为1.1mm，沿长轴等周期间隔排列，纵向周期间隔为4mm；沿短轴渐变间隔排列，由中间向两边间隔分别为4mm，4.2mm，4.4mm，4,6mm；
所述第一圆形贴片阵包括8*32个金属贴片，半径为1.2mm，设置在上层介质板下表面，排列方式和第二圆形贴片阵相同。
作为一种具体示例，所述金属地、金属面、金属化通孔、第一圆形贴片阵和第二圆形贴片阵的金属贴片均为铜皮材质；所述下层介质板和上层介质板为同种介质板，介电常数3.66，损耗角正切0.004，厚度1.524mm；所述下层介质板尺寸为40mm*137.2mm，上层介质板尺寸为48mm*140mm。
本实用新型与现有技术相比，其显著优点为：(1)通过在馈电结构上方加载一层人工电磁结构，在不影响扫描范围和圆极化辐射特性的基础上，显著的提升了频扫天线的增益；(2)设计具有高增益的圆极化频扫天线，使得天线拥有降低极化失配、对抗雨雾干扰和多径反射现象的能力。
附图说明
图1为本实用新型加载人工电磁结构的增益增强型圆极化频扫天线的结构示意图。
图2为本实用新型加载人工电磁结构的增益增强型圆极化频扫天线的侧视图。
图3为本实用新型加载人工电磁结构的增益增强型圆极化频扫天线的俯视图。
图4为本实用新型实施例中的反射系数曲线图。
图5为本实用新型实施例中的增益曲线图。
图6为本实用新型实施例中的轴比曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步详细说明。
结合图1～3，一种加载人工电磁结构的增益增强型圆极化频扫天线，包括由空气层隔开的下层馈电结构和上层辐射结构；
下层馈电结构包括下层介质板，下层介质板上、下表面分别覆盖金属面、金属地，金属面刻蚀有周期线性排列的正交缝隙，每个正交缝隙由相互垂直的一对横槽和一条纵槽组成，下层介质板上对应于正交缝隙位置两侧均匀刻蚀两排金属通孔，金属面两端分别连接锥型渐变微带线；
上层辐射结构包括上层介质板，以及设置于上层介质板上、下表面的圆形贴片阵，两侧圆形贴片阵呈周期性阵列排布。
作为一种具体示例，所述下层馈电结构包括下层介质板2、金属地1、金属面5、微带渐变线6、正交缝隙7和金属化通孔3，所述下层介质板2的下表面设置金属地1，下层介质板2的上表面覆有金属面5，金属面5两端分别与微带渐变线6相接，微带渐变线6上设置有馈电探针，微带渐变线6与金属面5中心轴在一条直线上，且馈电探针位于该直线上；所述金属面5上沿中心轴方向均匀刻蚀八组正交缝隙7，每组正交缝隙7由一对横槽和一个纵槽正交放置，所述纵槽平行于中心轴；下层介质板2上对应于正交缝隙7位置两侧均匀刻蚀两排金属化通孔3，每个金属化通孔3上、下两端分别与下层介质板2上、下表面连接，每排金属化通孔3的始末两端分别与金属面5边界连接。
作为一种具体示例，所述上层结构包括上层介质板9、第一圆形贴片阵8和第二圆形贴片阵11，所述上层介质板9的下表面设有第一圆形贴片阵8，上层介质板9的上表面上设有第二圆形贴片阵11。
作为一种具体示例，所述下层介质板2和上层介质板9对正放置，沿四角分别对应开设下层介质板圆形空气通孔4和上层介质板圆形空气通孔10，下层介质板圆形空气通孔4和上层介质板圆形空气通孔10由螺钉相互连接，下层介质板2和上层介质板9由空气层隔开。
作为一种具体示例，所述第二圆形贴片阵11包括8*32个金属贴片，沿上层介质板9上表面中心轴对称放置，半径为1.1mm，沿长轴等周期间隔排列，纵向周期间隔为4mm；沿短轴渐变间隔排列，由中间向两边间隔分别为4mm，4.2mm，4.4mm，4,6mm；
所述第一圆形贴片阵8包括8*32个金属贴片，半径为1.2mm，设置在上层介质板9下表面，排列方式和第二圆形贴片阵11相同。
作为一种具体示例，所述金属地1、金属面5、金属化通孔3、第一圆形贴片阵8和第二圆形贴片阵11的金属贴片均为铜皮材质；所述下层介质板2和上层介质板9为同种介质板，介电常数3.66，损耗角正切0.004，厚度1.524mm；所述下层介质板2尺寸为40mm*137.2mm，上层介质板9尺寸为48mm*140mm。
进一步地，所述下层馈电结构通过调节金属化通孔3的尺寸，使其具有良好的导波特性，调节正交缝隙7的尺寸、间距，使其在工作频段获得良好的圆极化波束辐射扫描特性；调节微带渐变线6的宽度，使其满足在工作频率下具有50欧姆的输入阻抗特性；上层辐射结构通过调节第一圆形贴片阵8和第二圆形贴片阵11的单元尺寸、周期间距、单元数量以及渐变距离等因素，得到具有最高增益、3dB增益带宽和增益平坦度的圆极化频扫增益特性。上层介质板9的加载高度距离下层介质板2不少于二分之一波长，中间由空气层隔开，保证谐振腔的正常工作；下层介质板2和上层介质板9具有相同的材料属性，高度也相同，使其实现天线具有较好的辐射特性以及较宽的工作带宽。上下层介质板的四个底角分别设有上层介质板圆形空气通孔10和下层介质板圆形空气通孔4，通过螺钉来连接固定。
实施例1
结合图1～3，本实用新型一种加载人工电磁结构的增益增强型圆极化频扫天线，包括下层馈电结构和上层辐射结构；所述下层馈电结构包括下层介质板2、金属地1、金属面5、微带渐变线6、正交缝隙7和金属化通孔3，所述上层结构包括上层介质板9、第一圆形贴片阵8和第二圆形贴片阵11，其中：
所述下层介质板2的下表面设置金属地1，下层介质板2的上表面覆有金属面5，金属面5两端分别与微带渐变线6相接，微带渐变线6上设置有馈电探针，微带渐变线6与金属面5中心轴在一条直线上，且馈电探针位于该直线上；
所述金属面5上沿轴线方向均匀刻蚀八组正交缝隙7，每组正交缝隙7由一对横槽和一个纵槽正交放置；下层介质板2上正交缝隙7位置两侧均匀刻蚀两排金属化通孔3，金属化通孔3上下两侧分别与下层介质板2上下表面连接，金属化通孔3左右两侧分别与金属面5边界连接；
所述上层介质板9的下表面设有第一圆形贴片阵8，上层介质板9的上表面上设有第二圆形贴片阵11；
所述下层介质板2和上层介质板9对正放置，沿四角分别对应开有下层介质板圆形空气通孔4和上层介质板圆形空气通孔10，由螺钉相互连接，下层介质板2和上层介质板9由空气层隔开。
进一步地，所述第二圆形贴片阵11包括8*32个金属贴片，沿上层介质板9上表面中心轴对称放置，半径为1.1mm，沿长轴等周期间隔排列，纵向周期间隔为4mm；沿短轴渐变间隔排列，由中间向两边间隔分别为4mm，4.2mm，4.4mm，4,6mm；所述第一圆形贴片阵8包括8*32个金属贴片，半径为1.2mm，设置在上层介质板9下表面，排列方式和第二圆形贴片阵11相同。
进一步地，所述金属地1、金属面5、金属化通孔3、第一圆形贴片阵8和第二圆形贴片阵11的金属贴片均为铜皮材质；所述下层介质板2和上层介质板9为同种介质板，介电常数3.66，损耗角正切0.004，厚度1.524mm；所述下层介质板2尺寸为40mm*137.2mm，上层介质板9尺寸为48mm*140mm。
加载人工电磁结构的增益增强型圆极化频扫天线的工作过程如下：能量由馈电探针馈入，通过微带渐变线6传输到由金属地1、金属面5和两排金属化通孔3构成的SIW传输结构中，能量从周期的正交缝隙7中辐射出去在空间产生圆极化波；由低频到高频，天线的波束辐射方向由后向辐射经边射到前向辐射的连续波束扫描，产生圆极化频扫天线。下层馈电结构和上层辐射结构作为部分反射面的单层双面的人工电磁结构一起构成FP谐振腔天线，因此在整个工作频段内圆极化频扫天线的增益有很大的提高。
结合图4、图5、图6，本实用新型的加载人工电磁结构的增益增强型圆极化频扫天线的阻抗带宽、波束扫描范围以及3dB轴比带宽，基本保持了下层馈电结构的圆极化波束扫描天线特性，-10dB阻抗带宽为5.2GHz(45.2％)；波束扫描范围-36°～28°；3dB轴比带宽3.2GHz(27.8％)；天线最大圆极化增益是16dBic，工作中心频率为11.5GHz，相比于未加载的下层天线，圆极化增益提高大约1.8～6.6dB。
本实用新型通过在馈电结构上方加载一层人工电磁结构，在不影响馈电层扫描范围和圆极化辐射特性的基础上，显著的提升了频扫天线的增益；通过调节下层馈源尺寸、空气层高度，人工电磁结构单元形状、尺寸，设计具有高增益的圆极化频扫天线，使得天线具有稳定的宽带圆极化高增益波束辐射扫描，具有降低极化失配、对抗雨雾干扰和多径反射现象的能力。
设计图
相关信息详情
申请码:申请号:CN201920122405.0
申请日:2019-01-24
公开号:公开日:国家:CN
国家/省市:84(南京)
授权编号:CN209709170U
授权时间:20191129
主分类号:H01Q1/50
专利分类号:H01Q1/50;H01Q1/38;H01Q13/10;H01Q21/06;H01Q21/08;H01Q3/22
范畴分类:38G;
申请人:中国人民解放军陆军工程大学
第一申请人:中国人民解放军陆军工程大学
申请人地址:210007 江苏省南京市秦淮区海福巷1号
发明人:马文宇;曹文权;曹玉凡;曾志远;杨晓琴
第一发明人:马文宇
当前权利人:中国人民解放军陆军工程大学
代理人:薛云燕
代理机构:32203
代理机构编号:南京理工大学专利中心 32203
优先权:关键词:当前状态:审核中
类型名称:外观设计