CN107257027B - 一种应用于宽带圆极化天线的零折射率超材料透镜 - Google Patents

一种应用于宽带圆极化天线的零折射率超材料透镜 Download PDF

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Abstract

本发明属于天线技术领域，公开了一种应用于宽带圆极化天线的零折射率超材料透镜，包括：介质基板；印刷于介质基板上表面的多个圆极化谐振单元。本发明不影响宽带圆极化天线本身结构，能够改善天线的轴比带宽，在宽频带范围内提高圆极化天线的增益。采用本发明的透镜的带反射板平面等角螺旋天线的3dB轴比带宽为44％(从6.9GHz到10.8GHz)，明显宽于传统不加透镜的带反射板平面等角螺旋天线。比较工作带宽上的增益情况，采用本发明的透镜的带反射板平面等角螺旋天线比传统不加透镜的带反射板平面等角螺旋天线的增益在整个工作频带内都有所提高，在绝大多数频率上的增益提高可达2dB。

Description

一种应用于宽带圆极化天线的零折射率超材料透镜
技术领域
本发明属于天线技术领域，尤其涉及一种应用于宽带圆极化天线的零折射率超材料透镜。
背景技术
随着无线通信技术的飞速发展，诸如宽带点对点通信系统的应用在人们日常生活中的需求日益增加。这类系统对天线有宽频带、圆极化以及高增益的苛刻要求，为了保证设备的移动灵活性，要求天线的尺寸尽量小型化。由于平面天线具备低剖面、小型化且易于加工制作等优点，因此成为这类应用中的普遍选择，但是平面天线单元固有的增益不高的缺点限制了系统的性能。传统的提高增益的手段为采用若干天线单元组成天线阵列，但是该手段需要额外的馈电结构设计，馈电结构本身也会存在损耗；并且，组成天线阵列所占用的口径面积过大，往往是系统所不能接受的。近年来，零折射率超材料透镜的应用已经被证明是一种提高平面天线增益的有效手段。然而，绝大多数已经发表的零折射率超材料透镜结构仅能适用于线极化天线并且作用频带很窄。文献(Y.Lv,F.Meng,J.Hua and M.Chen,“Awideband zero index metamaterial lens for directive emission based on z-shaped meta-atom,”5th Global Symposium on Millimeter Waves(GSMM),pp.418-421,May 2012.)中，为了展宽适用于线极化天线的零折射率超材料透镜的作用频带，提出了一种Z形单元结构。文献(K.Louertain and T.H.Chio,“Low-profile broadband spiralantenna with meta-materials,”IEEE Antennas and Propagation SocietyInternational Symposium(APSURSI),pp.1331-1332,July 2014.)中，为了实现螺旋天线的单向辐射并在宽频带范围内保持圆极化特征，设计了一种超材料吸波结构，由于后向辐射被吸收掉了，所以天线的增益较低。文献(C.KIM,H.Ahn,D.S.Elles,M.Machado andY.K.Yoon,“A high gain circular polarization antenna using metamaterialslabs,”IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium(APSURSI),pp.1-4,July 2010.)中，提出了一种能够提高圆极化天线增益的零折射率超材料透镜结构，然而，该透镜只适用于窄带圆极化天线。
综上所述，现有技术存在的问题是：目前提高平面天线增益的零折射率超材料透镜存在仅能适用于线极化天线或者窄带圆极化天线的问题。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种应用于宽带圆极化天线的零折射率超材料透镜。
本发明是这样实现的，一种零折射率超材料透镜，所述零折射率超材料透镜包括：
介质基板；
印刷于介质基板上表面的多个圆极化谐振单元；
所述零折射率超材料透镜从内向外沿半径方向令圆极化谐振单元的尺寸保持不变或者逐渐变大，从内向外沿半径方向令圆极化谐振单元之间的间距逐渐增大。
进一步，印刷于介质基板上表面的69个圆极化谐振单元；圆极化谐振单元结构参数为l1＝3.1mm，l2＝0.8mm，l3＝2.2mm，w1＝0.3mm，w2＝0.6mm，w3＝0.2mm，w4＝0.4mm。
进一步，所述圆极化谐振单元以从内向外逐渐增大的间距进行排布，中心单元与外围单元间距依次为d1＝4.2mm，d2＝4.9mm，d3＝5.4mm，d4＝5.7mm。
本发明的另一目的在于提供一种安装有所述零折射率超材料透镜的宽带圆极化天线，所述零折射率超材料透镜位于宽带圆极化天线的最上部；
所述宽带圆极化天线中间部分为天线层，底部为圆形金属反射板层以及给天线馈电的同轴锥削巴伦。
进一步，所述宽带圆极化天线下方放置一个圆形金属反射板，圆形金属反射板与介质基板平行放置，圆心上下对齐。
进一步，所述宽带圆极化天线采用同轴锥削巴伦馈电；同轴锥削巴伦直径为r＝2mm，锥削高度为b＝7.3mm。
进一步，所述零折射率超材料透镜与天线层之间相隔18.3mm，用四个支柱支撑；天线层与圆形金属反射板层之间相隔8.1mm，用四个支柱支撑；同轴线在圆心处穿过圆形金属反射板及天线层的介质板，同轴锥削巴伦的芯线及外皮在天线层分别与平面等角螺旋线的两臂相接。
本发明的优点及积极效果为：不影响宽带圆极化天线本身结构，能够改善天线的轴比带宽，在宽频带范围内提高圆极化天线的增益。采用本发明的透镜的带反射板平面等角螺旋天线的3dB轴比带宽为44％(从6.9GHz到10.8GHz)，明显宽于传统不加透镜的带反射板平面等角螺旋天线。比较工作带宽上的增益情况，采用本发明的透镜的带反射板平面等角螺旋天线比传统不加透镜的带反射板平面等角螺旋天线的增益在整个工作频带内都有所提高，在绝大多数频率上的增益提高可达2dB。
附图说明
图1是本发明实施例提供的应用于宽带圆极化天线的零折射率超材料透镜结构示意图；
图2是本发明实施例提供的圆极化谐振单元结构图。
图3是本发明实施例提供的圆极化谐振单元排布示意图。
图4是本发明实施例提供的平面等角螺旋天线和同轴锥削馈电巴伦结构示意图；
图中：(a)平面等角螺旋天线；(b)同轴锥削馈电巴伦结构图。
图5是本发明实施例提供的加载透镜前后的天线电压驻波比图。
图6是本发明实施例提供的加载透镜前后的天线轴比图。
图7是本发明实施例提供的加载透镜前后的天线增益图。
图中：1、介质基板；2、圆极化谐振单元。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的应用于宽带圆极化天线的零折射率超材料透镜包括：介质基板1、圆极化谐振单元2。
印刷于介质基板1上表面的圆极化谐振单元2，圆极化谐振单元2为正方形，内部谐振尺寸确保其工作于圆极化模式。
所述圆极化谐振单元2的形状保持一致，从内向外沿半径方向令圆极化谐振单元2的尺寸保持不变或者逐渐变大，从内向外沿半径方向令圆极化谐振单元2之间的间距逐渐增大。所有圆极化谐振单元2以特定的排布方式印刷在同一个低损耗介质基板上，构成所述零折射率超材料透镜。
下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。
本发明实施例提供的零折射率超材料透镜作用于一副带反射板平面等角螺旋天线，其工作的中心频率为8.4GHz。整个结构分为四部分，位于最上部的透镜层，位于中间部分的天线层，位于底部的圆形金属反射板层，以及给天线馈电的同轴锥削巴伦。
本发明实施例提供的零折射率超材料透镜的结构如图1所示，包含69个圆极化谐振单元2，所有的圆极化谐振单元2印刷在一块圆形介质基板1上，介质基板1的材料是介电常数为4.4的FR4，基板厚度为1mm。本发明实施例中的零折射率超材料透镜所采用的所有圆极化谐振单元2尺寸相同，圆极化谐振单元2的结构及尺寸如图2所示，该单元是一种特殊的谐振结构，其结构参数为l1＝3.1mm，l2＝0.8mm，l3＝2.2mm，w1＝0.3mm，w2＝0.6mm，w3＝0.2mm，w4＝0.4mm。圆极化谐振单元以从内向外逐渐增大的间距进行排布，如图3所示，中心单元与外围单元间距依次为d1＝4.2mm，d2＝4.9mm，d3＝5.4mm，d4＝5.7mm。
本发明实施例中的平面等角螺旋天线印刷在介电常数为4.4的FR4介质基板上，基板厚度为1mm，结构如图4(a)所示，平面等角螺旋天线的参数为r1＝3.2mm，r2＝17.3mm，a＝1.1mm。在天线下方放置了一个圆形金属反射板，该反射板与天线所在的介质基板平行放置，圆心上下对齐。
天线采用同轴锥削巴伦馈电，同轴锥削巴伦的结构示意图如图4(b)，直径为r＝2mm，锥削高度为b＝7.3mm。
最上部的透镜层与中间的天线层之间相隔18.3mm，用四个支柱支撑。中间的天线层与位于底部的圆形金属反射板层之间相隔8.1mm，用四个支柱支撑。同轴线在圆心处穿过圆形金属反射板及天线层的介质板，同轴锥削巴伦的芯线及外皮在天线层分别与平面等角螺旋线的两臂相接。
下面结合仿真对本发明的应用效果作详细的描述。
采用电磁仿真软件进行建模仿真，把加载了本发明所述透镜的带反射板平面等角螺旋天线与不带透镜的带反射板平面等角螺旋天线进行比较。
图5给出了加载透镜前后的天线电压驻波比图，可以看出加载透镜后天线仍具有很宽的阻抗带宽。
图6给出了加载透镜前后的天线轴比图，可以看出加载透镜明显改善了天线的轴比特性，使天线的3dB轴比带宽达到44％(从6.9GHz到10.8GHz)。
图7给出了加载透镜前后的天线增益图，可以看出，通过加载透镜，使工作频带内的天线增益均得到了不同程度的提高，绝大多数频率上天线的增益提高达到2dB。
现有的适用于圆极化天线的零折射率超材料透镜把圆极化谐振单元以相同的尺寸均匀排布，仅能在窄带内提高圆极化天线的增益。本发明基于渐变的电磁结构能够展宽工作频带的特点，把尺寸不变或者尺寸渐变的圆极化谐振单元以渐变的间距排布构成圆极化零折射率超材料透镜，该透镜能够改善天线的轴比带宽，在宽频带范围内提高圆极化天线的增益。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种零折射率超材料透镜，其特征在于，所述零折射率超材料透镜包括：
介质基板；
印刷于介质基板上表面的69个圆极化谐振单元；
所述圆极化谐振单元为内嵌枝节的方环形结构，在方环的上边和下边的中心位置分别相向伸出T形枝节，在方环的左边和右边的中心位置分别相向伸出横向宽枝节；左右两边的横向宽枝节之间留有空隙，上下两边上的T形枝节被横向宽枝节分隔开来，谐振单元呈现上下对称和左右对称结构；
所述圆极化谐振单元结构参数为l1＝3.1mm，l2＝0.8mm，l3＝2.2mm，w1＝0.3mm，w2＝0.6mm，w3＝0.2mm，w4＝0.4mm；方环的外围边长为l1，环宽为w1，T形枝节的柱高为l2，T形枝节的柱宽为w4，T形枝节的顶长为l3，横向宽枝节的宽度为w2，左右两个横向宽枝节的末端间隙为w3；
所述圆极化谐振单元的分布，以位于圆形介质基板圆心处的圆极化谐振单元作为中心单元，从内向外逐层沿着边长逐渐变大的正方形的周边分布，每层圆极化谐振单元的中心都位于相应的正方形的四条边或四个顶点上，从内向外逐层令圆极化谐振单元的尺寸保持不变或者逐渐变大，从内向外逐层令圆极化谐振单元之间的间距逐渐增大；
所述圆极化谐振单元的分布，以位于圆形介质基板圆心处的圆极化谐振单元作为中心单元，从内向外逐层沿着边长逐渐变大的正方形的周边分布，第1层单元所对应正方形的半对角线长度为d1＝4.2mm，第2层单元与第1层单元所对应正方形的半对角线长度之差为d2＝4.9mm，第3层单元与第2层单元所对应正方形的半对角线长度之差为d3＝5.4mm，第4层单元与第3层单元所对应正方形的半对角线长度之差为d4＝5.7mm, 第4层单元中正方形四个顶点处的接近或超出圆形介质基板边缘的12个单元被去掉。
2.一种安装有权利要求1所述零折射率超材料透镜的宽带圆极化天线，其特征在于，所述零折射率超材料透镜位于宽带圆极化天线的最上部；
所述宽带圆极化天线中间部分为天线层，底部为圆形金属反射板层以及给天线馈电的同轴锥削巴伦。
3.如权利要求2所述的宽带圆极化天线，其特征在于，所述宽带圆极化天线下方放置一个圆形金属反射板，圆形金属反射板与介质基板平行放置，圆心上下对齐。
4.如权利要求2所述的宽带圆极化天线，其特征在于，所述宽带圆极化天线采用同轴锥削巴伦馈电；同轴锥削巴伦直径为r＝2mm，锥削高度为b＝7.3mm。
5.如权利要求2所述的宽带圆极化天线，其特征在于，所述零折射率超材料透镜与天线层之间相隔18.3mm，用四个支柱支撑；天线层与圆形金属反射板层之间相隔8.1mm，用四个支柱支撑；同轴线在圆心处穿过圆形金属反射板及天线层的介质板，同轴锥削巴伦的芯线及外皮在天线层分别与平面等角螺旋线的两臂相接。
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