CN106384883A - 一种超材料交叉偶极子圆极化天线 - Google Patents
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Abstract
本发明属于通信技术领域，具体为一种超材料交叉偶极子圆极化天线。该天线包含一个交叉偶极子天线、超材料反射面和SMA馈电单元，所述超材料反射面由介质、介质上表面周期性分布的金属贴片和介质下表面反射地板组成。超材料反射面置于偶极子天线正下方，减小背向辐射，提高增益。天线整体具有低剖面，宽带，圆极化特性，同时结构简单，低成本，易于实现。
Description
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体地涉及一种超材料交叉偶极子圆极化天线。
背景技术
超材料是指通过严格而复杂的人工设计和加工制成的具有周期性或非周期性的人造微结构单元排列的复合型或混杂型材料。这类材料可以呈现天然材料所不具备的物理特性，如负折射率、负磁导率、负介电常数等奇异特性，可用来改变电磁波传播方向，提高天线增益、带宽等。
传统的减小天线背向辐射的方法通常是在距离天线四分之一波长处放置一块金属反射板。背向辐射的电磁波在传播四分之一个波长后到达金属反射板，被全部反射，在经过四分之波长的传输路径，此时反射回来的电磁波和正向辐射出去的电磁波相位相同，相互叠加，电磁波的极化状态也不会发生改变。
但是这种方法大大增加了天线的整体高度，同时对于减少多频段的天线的背向辐射这种方法也无能为力。本发明采用了超材料表面作为交叉偶极子天线的反射面，可以实现对入射的电磁波实现同相位反射，理想情况下超材料表面可以紧挨着偶极子天线本身，从而大大降低了天线的整体高度，提高了增益，并具有圆极化特性，同时天线结构简单易加工。
通过对现有技术文献的检索发现，中国专利“一种圆极化交叉偶极子天线及其制备方法”（申请号2013104205970）涉及一种圆极化交叉偶极子天线，即采用了常规的金属反射板来减小天线的背向辐射，造成天线整体体积较大。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足和缺陷，提供一种超材料交叉偶极子圆极化天线，天线具有低剖面、高增益、圆极化特性，同时结构简单易加工。
本发明提供的超材料交叉偶极子圆极化天线，其结构如图1、图2、图3、图4、图5所示，包括：上层金属贴片1和下层金属贴片2组成的交叉偶极子天线、超材料反射面3和SMA馈电单元；所述的超材料反射面由周期性金属表面、介质层、金属地板组成，置于交叉偶极子天线的正下方，用于减小天线的背向辐射；其中：
所述上层金属贴片1和下层金属贴片2结构相同，并为中心对称；分别刻蚀在介质基板的上表面和下表面。这里的介质基板可采用聚四氟乙烯玻璃布。
所述的超材料反射面由周期性金属表面、介质层、金属地板组成，周期性金属表面刻蚀在介质层的上表面，金属地板刻蚀在介质层的下表面。这里的介质层可采用环氧玻璃布。
本发明中，所述交叉偶极子的上层、下层金属贴片1、2分别包括两个偶极子臂，所述的两个偶极子臂之间通过金属圆环相连，所述的两个偶极子臂之间具有90度相位差。
本发明中，所述连接偶极子臂的金属圆环为切去四分之一周长的圆环。
本发明中，所述交叉偶极子上层、下层金属贴片1、2的四个偶极子臂的任意相邻两偶极子 臂之间具有90度相位差。
本发明中，所述的超材料反射面3中的周期性金属表面由M×N个矩形金属贴片组成，M、N的取值范围3~6。精确的选取矩形贴片的长度和宽度值，使得超材料反射面3在x方向和y方向反射的电磁波幅度相等，相位差接近180度，从而使反射的电磁波和入射的电磁波圆极化特性相同。
本发明中，所述的超材料反射面3置于偶极子天线正下方，距离交叉偶极子下层金属贴片2为0.01~0.04个工作波长。
本发明中，所述的超材料反射面3在中心处挖有圆形通孔，SMA馈电单元的内导体穿过所述圆形通孔并穿过交叉偶极子的介质基板与所述交叉偶极子上层金属贴片1相连，SMA馈电单元的外导体穿过所述超材料反射面3的圆形通孔，与所述的交叉偶极子下层金属贴片2相连。
本发明中，所述的介质基板和超材料反射面中的介质层均在相同的位置挖有圆形过孔，尼龙柱通过这些过孔固定整个天线。
本发明中，所述的所有金属贴片均为铜箔，铜箔厚度约0.035mm。
附图说明
图1为本发明超材料交叉偶极子圆极化天线整体示意图。
图2为本发明超材料交叉偶极子圆极化天线上层金属贴片示意图。
图3为本发明超材料交叉偶极子圆极化天线下层金属贴片示意图。
图4为本发明超材料交叉偶极子圆极化天线周期性金属表面结构示意图
图5为本发明超材料交叉偶极子圆极化天线金属地板示意图。
图6为本发明超材料交叉偶极子圆极化天线回波损耗仿真、测试结果示意图。
图7为本发明超材料交叉偶极子圆极化天线轴比仿真、测试结果示意图。
图8为本发明超材料交叉偶极子圆极化天线增益仿真、测试结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的作进一步说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本发明提供了一种基于超材料的交叉偶极子圆极化天线，天线中心频率2.45 GHz，整体尺寸113.6mm×109.6mm×5mm（长×宽×高），本实施例包括：交叉偶极子上层金属贴片1、交叉偶极子下层金属贴片2、超材料反射面3。
如图2所示，本实施例所述的交叉偶极子上层金属贴片1包括两个偶极子臂，两个偶极子臂通过金属圆环连接，所述的金属圆环为切去四分之一周长的金属圆环，所述的两个偶极子臂之间具有90度相位差，所述的90度相位差可以通过调节圆环的半径得到，当圆环的周长近似于天线中心频率对应波长的四分之一时，连接两个偶极子臂的金属圆环即起到90度相位延长线的作用，调节圆环的宽度可以展宽天线的阻抗带宽。偶极子臂的尺寸决定天线的谐振频率，初始尺寸根据经验公式得到，再经过的全波仿真软件HFSS V15优化，最终得到偶极子臂的尺寸为25.3 mm，连接的金属圆环外半径的尺寸为6.3 mm，内半径的尺寸为5.3 mm（即圆环宽度1 mm），两个偶极子臂之间的缝隙宽度1 mm。
如图3所示，本实施例所述的交叉偶极子下层金属贴片2和交叉偶极子上层金属贴片1结构相同，并关于中心对称。交叉偶极子上层金属贴片1和交叉偶极子下层金属贴片2分别刻蚀在聚四氟乙烯玻璃布介质的上表面和下表面，聚四氟乙烯玻璃布介质的半径为45mm，厚度0.5 mm，介电常数2.65，损耗正切角0.003。
如图4-5所示，本实施例所述的超材料反射面3由周期性金属贴片、介质、金属地板组成，其中金属贴片尺寸26 mm×25.2 mm。所述超材料反射面3在x方向和y方向反射的电磁波幅度相等，相位差接近180度，从而使反射的圆极化电磁波不发生极化改变。
如图4-5所示，本实施例所述的超材料反射面3的周期性金属贴片在x方向呈28.4mm的等间距分布，在y方向呈27.4 mm的等间距分布，金属贴片数量为4×4。所述周期性金属贴片刻蚀在环氧玻璃布介质的上表面，金属地板刻蚀在环氧玻璃布介质下表面，环氧玻璃布介质厚度1.5 mm，介电常数4.4，损耗正切角0.02。在实际制作的过程中可以根据需求调节交叉偶极子天线和超材料反射面的各部分尺寸，使得该天线适用于各个频段。
如图1所示，本实施例所述的超材料反射面3置于交叉偶极子天线正下方，其中周期性金属贴片距离交叉偶极子天线下层金属贴片2间距仅为3mm（即0.025个波长），大大降低了天线的整体高度，同时减小了背向辐射，提高了增益。
如图4-5所示，本实施例所述的超材料在中心处挖了圆形通孔，SMA馈电单元的内导体穿过所述圆形通孔并穿过交叉偶极子的介质基板与所述交叉偶极子上层金属贴片相连，SMA馈电单元的外导体穿过所述超材料反射面3的圆形通孔，与所述的交叉偶极子下层金属贴片2相连。
如图1-5所示，本实施例所述的聚四氟乙烯玻璃布介质和环氧玻璃布介质均在相同的位置挖了圆形过孔，尼龙柱通过这些过孔固定整个天线。所述的所有金属贴片均为铜箔, 金属厚度为铜箔厚度（约0.035mm）。
如图6所示，本实施例所述的频率特性包括回波损耗参数。其中横坐标代表频率变量，单位为GHz，纵坐标代表回波损耗变量，单位dB。本发明的超材料交叉偶极子圆极化天线实测回波损耗小于-10 dB的频率宽范围是2.26 GHz~2.745 GHz。
如图7所示，本实施例所述的频率特性包括圆极化轴比参数。其中横坐标代表频率变量，单位为GHz，纵坐标代表轴比变量，单位dB。本发明的超材料交叉偶极子圆极化天线实测轴比小于3dB的频率范围是2.425 GHz~2.65 Ghz。
如图8所示，本实施例所述的频率特性包括天线增益参数。其中横坐标代表频率变量，单位为GHz，纵坐标代表增益变量，单位dBi。本发明的超材料交叉偶极子圆极化天线实测在2.2GHz~2.5 GHz频率范围内，增益大于5 dBi。
本发明的技术方案不限于上述具体实施例，如本发明的圆极化偶极子天线为左旋圆极化天线，改变偶极子天线的排列顺序可以获得右旋圆极化特性的天线，凡是根据本发明的技术方案作出的技术变形，均落入本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种超材料交叉偶极子圆极化天线，其特征在于，包括：上层金属贴片和下层金属贴片组成的交叉偶极子天线、超材料反射面3和SMA馈电单元；所述的超材料反射面由周期性金属表面、介质层、金属地板组成，置于偶极子天线的正下方；其中：
所述上层金属贴片和下层金属贴片结构相同，并为中心对称；分别刻蚀在介质基板的上表面和下表面；
所述的超材料反射面由周期性金属表面、介质层、金属地板组成，周期性金属表面刻蚀在介质层的上表面，金属地板刻蚀在介质层的下表面。
2.根据权利要求1所述的超材料交叉偶极子圆极化天线，其特征在于，所述上层金属贴片、下层金属贴片分别包括两个偶极子臂，所述的两个偶极子臂之间通过金属圆环相连，所述的两个偶极子臂之间具有90度相位差。
3.根据权利要求2所述的超材料交叉偶极子圆极化天线，其特征在于，所述连接偶极子臂的金属圆环为切去四分之一周长的圆环。
4.根据权利要求2所述的超材料交叉偶极子圆极化天线，其特征在于，所述上层金属贴片、下层金属贴片的四个偶极子臂的任意相邻两偶极子臂之间具有90度相位差。
5.根据权利要求1、2或3所述的超材料交叉偶极子圆极化天线，其特征在于，所述超材料反射面中的周期性金属表面由M×N个矩形金属贴片组成，M、N的取值范围3~6；矩形贴片的长度和宽度值的选取，使得超材料反射面在x方向和y方向反射的电磁波幅度相等，相位差接近180度。
6.根据权利要求5所述的超材料交叉偶极子圆极化天线，其特征在于，所述的超材料反射面与交叉偶极子下层金属贴片的距离为0.01~0.04个工作波长。
7.根据权利要求1、2、3、4或6所述的超材料交叉偶极子圆极化天线，其特征在于，所述超材料反射面在中心处挖有圆形通孔，SMA馈电单元的内导体穿过所述圆形通孔并穿过交叉偶极子的介质基板与所述交叉偶极子的上层金属贴片相连，SMA馈电单元的外导体穿过所述超材料反射面的圆形通孔，与所述的交叉偶极子的下层金属贴片相连。
8.根据权利要求7所述的超材料交叉偶极子圆极化天线，其特征在于，所述介质基板和超材料反射面的介质层在相同的位置挖有圆形过孔，尼龙柱通过这些过孔固定整个天线。
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Legal Events
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| TA01 | Transfer of patent application right | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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