基于扼流槽和非均匀覆盖层的全金属FP谐振腔天线的制作方法

本发明属于fp谐振腔天线技术领域，具体涉及一种基于扼流槽和非均匀覆盖层的全金属fp谐振腔天线。

背景技术：

法布里-珀罗干涉仪(fabry-perotinterferometer)即法布里-珀罗谐振腔，是法国物理学家夏尔-法布里和阿尔弗雷德-珀罗与1897年发明的一种能实现多光束干涉的仪器。1956年，trentinigv首先将fabry-perot谐振腔理论应用于天线领域，通过在波导喇叭口上方防止一个部分反射覆层与天线底板形成谐振腔，使电磁波在其中多次反射并叠加辐射以提高天线增益。

fabry-perot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、波导喇叭等类型的天线，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以使其体积远小于这些类型的天线。fabry-perot谐振腔天线的馈电可采用单馈形式，并不需要像阵列天线那样复杂的功分馈电网络，从而使辐射效率大大提升。但由于其阻抗带宽和方向性带宽都较窄(综合导致增益带宽较窄)，fabry-perot谐振腔天线并未得到广泛应用。

例如：达到15dbi增益时，3db增益带宽仅为13％，而达到20dbi增益时，3db增益带宽仅为6％，远低于喇叭天线、微带阵列天线等传统高增益天线。而且在fabry-perot谐振腔天线中，由于四周金属壁的存在，波导馈口处激励起的表面波可以沿着金属地、金属壁和金属覆盖层传播，从而影响天线辐射，形成高旁瓣。

若能扩展高增益fabry-perot谐振腔天线的工作带宽，降低fabry-perot谐振腔天线的旁瓣，其凭借自身优势会拥有更广阔的应用前景。

技术实现要素：

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明目的在于提供一种基于扼流槽和非均匀覆盖层的全金属fp谐振腔天线。

本发明所采用的技术方案为：基于扼流槽和非均匀覆盖层的全金属fp谐振腔天线，包括基体、反射覆盖层、扼流槽和馈电结构，所述基体为腔体结构，所述基体的上表面设置有反射覆盖层，所述反射覆盖层为非均匀覆盖层，所述非均匀覆盖层与基体形成谐振腔，所述基体的底部为反射底板，所述反射底板上设置有扼流槽，所述反射底板上还连接有馈电结构。

进一步地，所述馈电结构包括波导馈口和波同转换器，所述波导馈口设置在反射底板上，所述所述波同转换器连接在反射底板上，并通过波导馈口与谐振腔连通。馈电结构是将天线与收发信机之间的电信号进行传输的结构，可以采用架空明线、同轴电缆、波导等进行馈电。在反射底板上设置有波导馈口，并在波导馈口处连接有波同转换器，当频率再增高时，由于集肤效应，同轴线内导体损耗增大，功率容量降低，因此可以取消内导体，用空心波导管传输能量。常用的馈电波导有矩形与圆形两种，在波导中传播的电磁波已经不再是横电磁波，而是横电波或横磁波，与同轴馈电线相比较，波导的优点是损耗小、功率容量大、制造简单。

进一步地，所述波同转换器上设置有馈电端口。馈电端口用于安装空心波导管等波导传输线，便于将天线的电信号及时进行传输。

进一步地，所述非均匀覆盖层为金属栅格，所述金属栅格既为左右对称结构又为上下对称结构。通过将非均匀覆盖层设置为金属栅格的形式，金属栅格之间的孔隙增强了电磁波在非均匀覆盖层上的谐振强度，提高了非均匀覆盖层的反射幅值，从而提高了fp谐振腔天线的增益。

进一步地，所述金属栅格的栅孔由正中间向两端逐渐增大。由于金属栅格由多条横筋和多条竖筋组成，横筋与竖筋形成多个栅孔，栅孔可增强电磁波之间的谐振强度，同时金属栅格作为反射覆盖层，具有反射电磁波的作用，当调节栅孔之间的大小，栅孔由中间向两端逐渐增大，可调节金属栅格作为反射面的反射相位，调节天线波束在一维方向上偏转，由于栅孔之间的大小不均匀，因此不同频率的天线波束其偏转角度也不一样，偏转后的天线波束与谐振腔内的天线波束产生谐振，且多个频率下的天线波束都可以产生谐振，以实现拓宽天线的阻抗带宽。

进一步地，所述扼流槽为圆形槽。由于在天线的微波传输时，会产生一些在主瓣的两侧对称分布的能量较小的波瓣，这些波瓣称为旁瓣，旁瓣会浪费能量、产生旁瓣假回波，为了抑制旁瓣的产生，在反射底板上设置有扼流槽，将扼流槽设置为圆环形，可以更好地在各个方向抑制旁瓣的产生。

进一步地，所述扼流槽的深度为(1/4)λ，所述λ为fp谐振腔天线所接收天线信号的波长。根据传输线原理，四分之一波长传输线具有阻抗变换原理，即当四分之一波长传输线的一端接短路负载时，另一端输入阻抗无穷大(即出于开路状态)。利用该原理，所述扼流槽深度为接收信号波长的四分之一，其底部处于短路，经过四分之一波长阻抗变换段，在扼流槽的开口处为开路，该结构设计抑制了fp谐振腔天线表面电流的传播，从而实现抑制旁瓣电流，达到降低旁瓣的目的。

进一步地，所述扼流槽的宽度≤(1/10)λ，所述λ为fp谐振腔天线所接收天线信号的波长。

进一步地，所述波导馈口为矩形孔。

进一步地，所述波导馈口的长度为23.8mm，宽度为1.86mm。

本发明的有益效果为：

1、通过设置扼流槽和非均匀覆盖层，扼流槽抑制了fp谐振腔天线表面电流的传播，从而降低全金属fp谐振腔天线的旁瓣电流，实现低旁瓣；非均匀覆盖层可调节反射面的反射相位，调节天线波束在一维方向上偏转，使偏转后的天线波束与谐振腔内的天线波束产生谐振，且多个频率下的天线波束都可以产生谐振，实现拓宽天线的阻抗带宽。

2、通过设置波导馈口和波同转换器，利用波导技术进行电信号传输，具有损耗小、功率容量大、制造简单的优点。

3、通过将扼流槽设置为圆环形，实现对微波传输时各个方向所产生的旁瓣的限制，具有更好的抑制旁瓣效果，提高信号传输效果。

4、通过将扼流槽的深度设置为(1/4)λ，λ为fp谐振腔天线所接收天线信号的波长。扼流槽深度为接收信号波长的四分之一，其底部处于短路，经过四分之一波长阻抗变换段，在扼流槽的开口处为开路，该结构设计抑制了fp谐振腔天线表面电流的传播，从而实现抑制旁瓣电流，达到降低旁瓣的目的

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的俯视图；

图3是本发明的侧视图；

图4是图1中a处剖视图；

图5是图1中b处剖视图；

图6是本发明在5.0～6.6ghz的输入反射系数|s11|仿真曲线图；

图7是本发明在5.8ghz的e面方向图；

图8是本发明在5.8ghz的h面方向图；

图9是本发明中非均匀覆盖层的示意图；

图中：1-基体；2-非均匀覆盖层；3-扼流槽；4-波导馈口；5-谐振腔；6-n型头；7-馈电端口；8-波同转换器。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步阐述。

实施例1：

如图1-5所示，基于扼流槽3和非均匀覆盖层2的全金属fp谐振腔5天线，包括基体1、反射覆盖层、扼流槽3和馈电结构，所述基体1为腔体结构，所述基体1的上表面设置有反射覆盖层，所述反射覆盖层为非均匀覆盖层2，所述非均匀覆盖层2与基体1形成谐振腔5，所述基体1的底部为反射底板，所述反射底板上设置有扼流槽3，所述反射底板上还连接有馈电结构。

本发明通过设置扼流槽3和非均匀覆盖层2，扼流槽3抑制了fp谐振腔5天线表面电流的传播，从而降低全金属fp谐振腔5天线的旁瓣电流，实现低旁瓣；非均匀覆盖层2可调节反射面的反射相位，调节天线波束在一维方向上偏转，使偏转后的天线波束与谐振腔5内的天线波束产生谐振，且多个频率下的天线波束都可以产生谐振，实现拓宽天线的阻抗带宽。

实施例2：

作为本发明的优选技术方案，在实施例1的基础上，所述非均匀覆盖层2为金属栅格，所述金属栅格既为左右对称结构又为上下对称结构。通过将非均匀覆盖层2设置为金属栅格的形式，金属栅格之间的孔隙增强了电磁波在非均匀覆盖层2上的谐振强度，提高了非均匀覆盖层2的反射幅值，从而提高了fp谐振腔5天线的增益。

所述金属栅格的栅孔由正中间向两端逐渐增大。由于金属栅格由多条横筋和多条竖筋组成，横筋与竖筋形成多个栅孔，栅孔可增强电磁波之间的谐振强度，同时金属栅格作为反射覆盖层，具有反射电磁波的作用，当调节栅孔之间的大小，栅孔由中间向两端逐渐增大，可调节金属栅格作为反射面的反射相位，调节天线波束在一维方向上偏转，由于栅孔之间的大小不均匀，因此不同频率的天线波束其偏转角度也不一样，偏转后的天线波束与谐振腔5内的天线波束产生谐振，且多个频率下的天线波束都可以产生谐振，以实现拓宽天线的阻抗带宽。

实施例3：

作为本发明的优选技术方案，在实施例1的基础上，所述扼流槽3为圆形槽。由于在天线的微波传输时，会产生一些在主瓣的两侧对称分布的能量较小的波瓣，这些波瓣称为旁瓣，旁瓣会浪费能量、产生旁瓣假回波，为了抑制旁瓣的产生，在反射底板上设置有扼流槽3，将扼流槽3设置为圆环形，可以更好地在各个方向抑制旁瓣的产生。

所述扼流槽3的深度为(1/4)λ，所述λ为fp谐振腔5天线所接收天线信号的波长。根据传输线原理，四分之一波长传输线具有阻抗变换原理，即当四分之一波长传输线的一端接短路负载时，另一端输入阻抗无穷大(即出于开路状态)。利用该原理，所述扼流槽3深度为接收信号波长的四分之一，其底部处于短路，经过四分之一波长阻抗变换段，在扼流槽3的开口处为开路，该结构设计抑制了fp谐振腔5天线表面电流的传播，从而实现抑制旁瓣电流，达到降低旁瓣的目的。

所述扼流槽3的宽度≤(1/10)λ，所述λ为fp谐振腔5天线所接收天线信号的波长。

实施例4：

如图1-5所示：基于扼流槽3和非均匀覆盖层2的全金属fp谐振腔5天线，包括基体1、反射覆盖层、扼流槽3和馈电结构，所述基体1为腔体结构，所述基体1的上表面设置有反射覆盖层，所述反射覆盖层为非均匀覆盖层2，所述非均匀覆盖层2与基体1形成谐振腔5，所述基体1的底部为反射底板，所述反射底板上设置有扼流槽3，所述反射底板上还连接有馈电结构。

所述馈电结构包括波导馈口4和波同转换器8，所述波导馈口4设置在反射底板上，所述所述波同转换器8连接在反射底板上，并通过波导馈口4与谐振腔5连通。馈电结构是将天线与收发信机之间的电信号进行传输的结构，可以采用架空明线、同轴电缆、波导等进行馈电。在反射底板上设置有波导馈口4，并在波导馈口4处连接有波同转换器8，波同转换器8上连接有n型头6，当频率再增高时，由于集肤效应，同轴线内导体损耗增大，功率容量降低，因此可以取消内导体，用空心波导管传输能量。常用的馈电波导有矩形与圆形两种，在波导中传播的电磁波已经不再是横电磁波，而是横电波或横磁波，与同轴馈电线相比较，波导的优点是损耗小、功率容量大、制造简单。

所述波同转换器8上设置有馈电端口7。馈电端口7用于安装空心波导管等波导传输线，便于将天线的电信号及时进行传输。

所述非均匀覆盖层2为金属栅格，所述金属栅格既为左右对称结构又为上下对称结构。通过将非均匀覆盖层2设置为金属栅格的形式，金属栅格之间的孔隙增强了电磁波在非均匀覆盖层2上的谐振强度，提高了非均匀覆盖层2的反射幅值，从而提高了fp谐振腔5天线的增益。

所述金属栅格的栅孔由正中间向两端逐渐增大。由于金属栅格由多条横筋和多条竖筋组成，横筋与竖筋形成多个栅孔，栅孔可增强电磁波之间的谐振强度，同时金属栅格作为反射覆盖层，具有反射电磁波的作用，当调节栅孔之间的大小，栅孔由中间向两端逐渐增大，可调节金属栅格作为反射面的反射相位，调节天线波束在一维方向上偏转，由于栅孔之间的大小不均匀，因此不同频率的天线波束其偏转角度也不一样，偏转后的天线波束与谐振腔5内的天线波束产生谐振，且多个频率下的天线波束都可以产生谐振，以实现拓宽天线的阻抗带宽。

所述扼流槽3为圆形槽。由于在天线的微波传输时，会产生一些在主瓣的两侧对称分布的能量较小的波瓣，这些波瓣称为旁瓣，旁瓣会浪费能量、产生旁瓣假回波，为了抑制旁瓣的产生，在反射底板上设置有扼流槽3，将扼流槽3设置为圆环形，可以更好地在各个方向抑制旁瓣的产生。

所述扼流槽3的深度为(1/4)λ，所述λ为fp谐振腔5天线所接收天线信号的波长。根据传输线原理，四分之一波长传输线具有阻抗变换原理，即当四分之一波长传输线的一端接短路负载时，另一端输入阻抗无穷大(即出于开路状态)。利用该原理，所述扼流槽3深度为接收信号波长的四分之一，其底部处于短路，经过四分之一波长阻抗变换段，在扼流槽3的开口处为开路，该结构设计抑制了fp谐振腔5天线表面电流的传播，从而实现抑制旁瓣电流，达到降低旁瓣的目的。

所述扼流槽3的宽度≤(1/10)λ，所述λ为fp谐振腔5天线所接收天线信号的波长。

所述波导馈口4为矩形孔。

所述波导馈口4的长度为23.8mm，宽度为1.86mm。

在金属fp谐振腔天线中，由于四周金属壁的存在，波导馈口处激励起的表面波可以沿着金属地、金属壁和金属覆盖层传播，从而影响天线辐射，形成高旁瓣。在以往的偶极子天线和喇叭天线研究中发现，扼流槽可以有效的抑制天线表面波的传播，从而减小天线的旁瓣和后瓣辐射。所以，为了降低金属fp谐振腔天线的旁瓣，本文引入了扼流槽技术。其中，扼流槽深度为15mm，宽度为3mm，内半径为48.5mm。

此外，本装置中将金属fp谐振腔天线的覆盖层设计为非均匀覆盖层，以期天线可以在多个频率下谐振，拓宽天线的阻抗带宽。如图9所示，非均匀覆盖层采用单层金属开孔周期结构实现，周期结构单元的边长lu为15mm(约0.29λ)。覆盖层关于x、y轴对称，在y轴方向上采用非均匀设计，其中方型金属孔缝宽度s1～s5分别为12.50，12.75，13.00，13.25，13.50mm。

根据射线光学法，fp谐振腔天线的谐振频率可以表示为：

其中c是自由空间波速，φg和φs是金属地和覆盖层的反射系数相位。在全金属fp谐振腔天线中，由于金属谐振腔带来的腔体模式，其谐振频率可以进一步表示为[71-73]：

其中kx，ky，kz为谐振腔内电磁场在x，y，z方向的波常数，m和n为谐振腔内在x和y方向上的本征模数，lx和ly是谐振腔在x和y轴上的长度。

非均匀覆盖层具有多个反射系数相位φs，从而得到多个fmnq。

上述的x方向是指图9中竖直向上的方向，y方向是指图9中水平向左的方向，z方向是指图9中同时垂直x和y向外的方向。

下面结合仿真实验对本发明的效果作进一步的描述。

1.仿真条件：

本发明仿真实验中的结构尺寸如下：

本全金属fp谐振腔天线的工作频率为5.8ghz，天线口径为正方形，边长为125mm，四周金属壁厚2mm。为实现更方便的馈电，天线在波导馈口的后方直接级联了波同转换结构，波导馈口的长度为23.8mm，宽度为1.86mm。

2、仿真内容与仿真结果分析：

本发明的仿真实验是利用商业仿真软件ansyshfss对参考图1中所述的基于扼流槽和非均匀覆盖层的全金属fp谐振腔天线进行建模仿真。如图6是本发明在5.0～6.6ghz的输入反射系数仿真曲线图；如图7是本发明在5.8ghz的e面方向图；如图8是本发明在5.8ghz的h面方向图。

从图中可以看出，在工作频率5.80ghz时，天线的实测|s11|为-14.88db，实测|s11|<-10db，带宽为6.03％(5.66ghz～6.01ghz)；实测增益为16.54db，辐射效率为88.41％，e面和h面的实测主旁瓣比分别为13.30db和19.45db。

本发明不局限于上述可选实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是落入本发明权利要求界定范围内的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。