CN107834212A - 基于新型超表面的高增益高次模腔体阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于新型超表面的高增益高次模腔体阵列天线，该天线由3层PCB板组成，最下层为微带线到SIW的馈电结构，中间一层为TE₂₂₀腔体结构，上层为超表面结构。该天线采用基于基片集成波导的TE₂₂₀腔体高次模的馈电技术来激励2×2的天线子阵列，取代天线阵列最后几级的馈电网络，减小网络部分的损耗，提高天线阵列的增益。同时，通过加载超表面结构，增大天线的辐射口径，增强上半空间的定向性，并通过边缘补偿进一步提高天线阵列的增益，同时还保留了超表面结构的低剖面特性。

Description

基于新型超表面的高增益高次模腔体阵列天线

技术领域

本发明涉及一种阵列天线，特别是一种基于新型超表面的高增益高次模腔体阵列天线。

背景技术

在无线通信系统中，高增益天线始终是雷达、通信、遥感遥测、空间技术等诸多领域研究者们孜孜不倦追求的目标。其中，平面天线因具有较低的剖面、易于系统集成等优点，被广泛应用于各种无线通信系统中，微带天线的关注度最高。但是单个微带天线增益偏低，存在介质损耗和表面波损耗，辐射效率较低。在应用时需要较多的单元构成大型平面阵列天线，这样会使得馈电网络复杂，馈线损耗变大，最终也会造成天线增益的显著下降。因此，研究高增益的天线单元和低损耗的馈电网络对实现高效率的发射天线是非常有意义的。为进一步减小馈电网络损耗，W.Han等人提出了基于基片集成波导的TE₂₂₀腔体高次模的馈电技术来激励2×2的天线子阵列，取代天线阵列最后几级的馈电网络，减小网络部分的损耗，提高天线阵列的整体增益。

超材料在微波天线方面也有广泛的应用：利用其零折射率特性，增强天线的定向性，增大天线的增益；利用其双负材料特性或零阶谐振，可以大幅减小天线尺寸，有利于手机等移动通信设备的小型化设计；利用其电磁带隙特性，可以抑制表面波的传播，提高天线的增益，应用于多天线中还可降低表面波带来的互耦；利用其同相反射特性，可以有效降低天线的剖面等。超材料的发现和发展，为实现高增益发射天线提供了更为有效的途径。因此，探索新型超材料结构，开展超材料在提高天线单元性能和实现低损耗阵列馈电技术等方面的应用研究，具有很高的学术价值与应用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于新型超表面的高增益高次模腔体阵列天线，该天线能在较低的剖面下实现很高的天线增益。

一种基于新型超表面的高增益高次模腔体阵列天线，包括上下叠放的三层PCB板；下层PCB板包括下介质基板、SIW和分别设置于下介质基板上下端面的中层金属地板和下层金属地板，介质基板上设置若干金属过孔，下层金属地板包括微带线、SIW地板和连接二者的过渡结构，中层金属地板成方形且在位于中轴的中心处设置缝隙，SIW的每一金属柱分别设置于金属过孔内且两端分别与上金属地板和SIW地板连接；中层PCB板包括方形中层介质板、方形上层金属地板和若干金属柱，中层介质板设置于中层金属地板上端面上且沿周向设置若干金属过孔，上层金属地板设置于中层介质板上端面上且在上层金属地板上设置四条辐射缝隙，每一金属柱设置于金属过孔内，金属柱一端与上层金属地板下端面连接且另一端与中层金属地板上端面连接；上层PCB板包括上介质基板和设置于上介质基板上端面的若干方形贴片和若干矩形贴片，上介质基板设置于上层金属地板上端面，若干方形贴片成矩阵式排列，矩形贴片的宽与方形贴片的宽相同且矩形贴片设置于方形贴片阵列每一列的两端。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)本发明提出的基于新型超表面的高增益高次模腔体阵列天线，减小馈电网络损耗，采用TE₂₂₀腔体结构代替天线馈电网络最后几级，进一步减小天线整体损耗；(2)本发明提出的基于新型超表面的高增益高次模腔体阵列天线，通过在上层加载超表面结构，使天线阵列的口径分布更加一致，从而提高天线增益；(3)本发明提出的基于新型超表面的高增益高次模腔体阵列天线，采用非周期补偿方案，改善表面电流幅度与相位分布，使其分布更加一致，进一步提高天线子阵的增益；(4)本发明提出的基于新型超表面的高增益高次模腔体阵列天线，保留了人工磁导体的低剖面特性，该结构厚度仅为0.07λ(其中λ为自由空间波长)；(5)本发明提出的基于新型超表面的高增益高次模腔体阵列天线，采用3层PCB介质板，结构简单，加工容易，成本和重量都相对较小，因而可以大规模生产。

下面结合说明书附图对本发明做进一步描述。

附图说明

图1为本发明基于新型超表面的高增益高次模腔体阵列天线的整体结构示意图，其中(a)为三个PCB板分层展示示意图，(b)为剖视图。

图2为本发明基于新型超表面的高增益高次模腔体阵列天线3层PCB板材的俯视图，其中图(a)为下层PCB俯视图，图(b)为中层PCB俯视图，图(c)为上层PCB俯视图。

图3为本发明基于新型超表面的高增益高次模腔体阵列天线TE₂₂₀模式腔体场分布图。

图4为本发明基于新型超表面的高增益高次模腔体阵列天线上层超表面结构的周期单元与非周期单元示意图。

图5为本发明基于新型超表面的高增益高次模腔体阵列天线上层超表面结构在不同尺寸下的反射特性示意图，其中图(a)为改变w的结果示意图，图(b)为改变g的结果示意图。

图6本发明基于新型超表面的高增益高次模腔体阵列天线加载非周期补偿前后的增益方向图，其中图(a)为PHi＝0°的增益方向图，图(b)为PHi＝90°的增益方向图。

图7为本发明基于新型超表面的高增益高次模腔体阵列天线的S₁₁示意图。

具体实施方式

结合图1和图2，一种基于新型超表面的高增益高次模腔体阵列天线，包括上下叠放的三层PCB板；其中下层PCB板包括下介质基板(12)、SIW和分别设置于下介质基板(12)上下端面的中层金属地板(6)和下层金属地板(3)，介质基板(12)上设置若干金属过孔，下层金属地板(3)包括微带线(1)、SIW地板和连接二者的过渡结构(2)，中层金属地板(6)成方形且在位于中轴的中心处设置缝隙(4)，SIW的每一金属柱(5)分别设置于金属过孔内且两端分别与上金属地板(6)和SIW地板连接，金属柱5的作用在于将能量束缚于SIW腔体内部；中层PCB板包括方形中层介质板(13)、方形上层金属地板(9)和若干金属柱(8)，中层介质板(13)设置于中层金属地板(6)上端面上且沿周向设置若干金属过孔，上层金属地板(9)设置于中层介质板(13)上端面上且在上层金属地板(9)上设置四条辐射缝隙(7)，每一金属柱(8)设置于金属过孔内，金属柱(8)一端与上层金属地板(9)下端面连接且另一端与中层金属地板(6)上端面连接；上层PCB板包括上介质基板(14)和设置于上介质基板(14)上端面的若干方形贴片(10)和若干矩形贴片(11)，上介质基板(14)设置于上层金属地板(9)上端面，若干方形贴片(10)成矩阵式排列，矩形贴片(11)的宽与方形贴片的宽相同且矩形贴片(11)设置于方形贴片(10)阵列每一列的两端。上金属地板6覆盖上层金属地板(9)。

所述SIW地板一侧设置长方形凹槽，过渡结构(2)成等腰三角形且底边与SIW地板的长方形凹槽底边连接，微带线(1)与过渡结构(2)顶端连接，微带线1另一端与SMA接头连接，SIW的金属柱(5)与SIW地板边缘形成长方形区域。过渡结构(2)为渐变过渡，设计的目的在于阻抗匹配S₁₁小于-10dB。

本发明中，上介质基板(14)上端面的若干方形贴片(10)和矩形贴片(11)采用非周期排布，中间放置6×8片方形贴片(10)，边缘放置2×8片矩形贴片(11)，通过边缘补偿使贴片表面上的电流幅度相位分布更加均匀，从而提高增益。

介质基板(12、13、14)的介电常数ε_r均为[2.2，10.2]，厚度均为[0.01λ，0.1λ]，其中λ为自由空间波长。

方形贴片(10)有6×8片，矩形贴片(11)有2×8片。

下层PCB板的参数为：

SIW的金属柱(5)等间距排列且相邻金属柱(5)间距p₁为[0.01λ_g，0.05λ_g]，

金属柱(5)直径d为[0.005λ_g，0.025λ_g]，

SIW的腔体尺寸为w₁[0.45λ_g，0.55λ_g]，

缝隙(4)长度l₁为[0.1λ_g，0.75λ_g]，偏离腔体中心距离s₁为[0.01λ_g，0.1λ_g]。

中层PCB板的参数为：

SIW的金属柱(8)等间距排列且相邻金属柱(8)间距p₂为[0.01λ_g，0.05λ_g]，

金属柱(8)直径d为[0.005λ_g，0.05λ_g]，

SIW的腔体尺寸w₂为[0.95λ_g,1.05λ_g]，

所述四条辐射缝隙(7)以上层金属地板(9)两条轴线对称设置，每一辐射缝隙(7)到金属柱8的距离和到与辐射缝隙垂直设置的中轴线的距离相同。

辐射缝隙(7)长度l₂为[0.1λ_g，0.5λ_g]，偏离上层金属地板(9)中心距离s₂＝[0.1λ_g，0.5λ_g]，其中λ_g为介质基板的介质有效波长。

上层PCB板的参数为：

方形贴片(10)尺寸w₃为[0.03λ,0.125λ]，

矩形贴片(11)长边尺寸w₄为[0.125,0.25λ]，

贴片间的相邻间距g为[0.001λ,0.015λ]，

其中λ为自由空间波长。

中层PCB板中的金属柱(8)的直径有两种，分别为d₁∈[0.005λ_g,0.025λ_g]，d₂∈[0.01λ_g,0.05λ_g]。

该天线由微带线侧馈，再由微带线转为SIW结构并通过SIW开纵缝将能量耦合到高次模(TE₂₂₀)腔体(由中层PCB板构成)中，在TE₂₂₀腔体上方加载缝隙并在缝隙上方对称加载超表面结构，并通过非周期补偿技术使超表面结构上的电流幅度相位分布更加均匀，最终得到高增益的效果。缝隙4的目的在于让能量从下层SIW耦合至上层的TE₂₂₀腔体结构。四个辐射缝隙7的目的在于让能量从TE₂₂₀腔体结构耦合至上层超表面结构。上层PCB板设置方形贴片10和矩形贴片11的非周期补偿方案比均是正方形贴片的周期结构来讲，表面电流分布更加一致，增益更高。

结合图3，采用缝隙馈电激励起TE₂₂₀高次模，并腔体内部相位分布，交错激励4个窄型辐射缝隙，从而使所有缝隙辐射出来的能量同相位叠加，实现了无馈电网络的2×2SIW缝隙天线阵。

结合图4和图5，改变超表面的尺寸w和g可以改变超表面结构的中心频率，w变大，中心频率向低频靠近，g变大，中心频率向高频靠近。

结合图4和图6，加载非周期补偿边界条件可以明显提高该天线增益，加载周期形超表面的增益为9.89dB，加载非周期补偿的超表面的增益为11.49dB，从结果可以看到天线增益提高1.5dB左右，由方向图可以明显看出天线方向图波束宽度变窄，增益变高，定向性变好；同时可以看出加载非周期补偿技术可以有效抑制交叉极化水平。

结合图7，天线在中心频率处匹配良好。

由上可知，本发明的基于新型超表面的高增益高次模腔体阵列天线可以有效地实现高增益的特性，同时保留了超表面结构低剖面特性。

Claims (6)

1.一种基于新型超表面的高增益高次模腔体阵列天线，其特征在于，包括上下叠放的三层PCB板；其中

下层PCB板包括下介质基板(12)、SIW和分别设置于下介质基板(12)上下端面的中层金属地板(6)和下层金属地板(3)，

介质基板(12)上设置若干金属过孔，

下层金属地板(3)包括微带线(1)、SIW地板和连接二者的过渡结构(2)，中层金属地板(6)成方形且在位于中轴的中心处设置缝隙(4)，

SIW的每一金属柱(5)分别设置于金属过孔内且两端分别与上金属地板(6)和SIW地板连接；

中层PCB板包括方形中层介质板(13)、方形上层金属地板(9)和若干金属柱(8)，

中层介质板(13)设置于中层金属地板(6)上端面上且沿周向设置若干金属过孔，

上层金属地板(9)设置于中层介质板(13)上端面上且在上层金属地板(9)上设置四条辐射缝隙(7)，

每一金属柱(8)设置于金属过孔内，金属柱(8)一端与上层金属地板(9)下端面连接且另一端与中层金属地板(6)上端面连接；

上层PCB板包括上介质基板(14)和设置于上介质基板(14)上端面的若干方形贴片(10)和若干矩形贴片(11)，

上介质基板(14)设置于上层金属地板(9)上端面，

若干方形贴片(10)成矩阵式排列，

矩形贴片(11)的宽与方形贴片的宽相同且矩形贴片(11)设置于方形贴片(10)阵列每一列的两端。

2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述SIW地板一侧设置长方形凹槽，过渡结构(2)成等腰三角形且底边与SIW地板的长方形凹槽底边连接，微带线(1)与过渡结构(2)顶端连接，SIW的金属柱(5)与SIW地板边缘形成长方形区域。

3.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，介质基板(12、13、14)的介电常数ε_r均为[2.2，10.2]，厚度均为[0.01λ，0.1λ]，其中λ为自由空间波长。

4.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，上介质基板(14)上端面的若干方形贴片(10)和矩形贴片(11)采用非周期排布，中间放置6×8片方形贴片(10)，边缘放置2×8片矩形贴片(11)。

5.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，下层PCB板的参数为：

SIW的金属柱(5)等间距排列且相邻金属柱(5)间距p₁为[0.01λ_g，0.05λ_g]，金属柱(5)直径d为[0.005λ_g，0.025λ_g]，

SIW的腔体尺寸为w₁[0.45λ_g，0.55λ_g]，

缝隙(4)长度l₁为[0.1λ_g，0.75λ_g]，偏离腔体中心距离s₁为[0.01λ_g，0.1λ_g]；

中层PCB板的参数为：

SIW的金属柱(8)等间距排列且相邻金属柱(8)间距p₂为[0.01λ_g，0.05λ_g]，金属柱(8)直径d为[0.005λ_g，0.05λ_g]，

SIW的腔体尺寸w₂为[0.95λ_g,1.05λ_g]，

所述四条辐射缝隙(7)以上层金属地板(9)两条中轴线对称设置，辐射缝隙(7)长度l₂为[0.1λ_g，0.5λ_g]，偏离上层金属地板(9)中心距离s₂＝[0.1λ_g，0.5λ_g]，其中λ_g为介质基板的介质有效波长；

上层PCB板的参数为：

方形贴片(10)尺寸w₃为[0.03λ,0.125λ]，

矩形贴片(11)长边尺寸w₄为[0.125,0.25λ]，

贴片间的相邻间距g为[0.001λ,0.015λ]，

其中λ为自由空间波长。

6.根据权利要求4所述的天线，其特征在于，中层PCB板中的金属柱(8)的直径有两种，分别为d₁∈[0.005λ_g,0.025λ_g]，d₂∈[0.01λ_g,0.05λ_g]。