CN108511897A - 一种低剖面宽带电磁超表面方向图可调天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低剖面宽带电磁超表面方向图可调天线，在天线第一介质基板上表面印制辐射贴片和偏置馈电结构，辐射贴片包括电磁超表面、寄生贴片，偏置馈电结构包括隔交电感和直流偏置线，电磁超表面中第一排和最后一排贴片单元与相邻寄生枝节跨接有PIN开关，并配接有各自对应的接入了隔交电感的直流偏置线以控制PIN开关进行方向图可调。第一介质基板下层印制刻蚀有矩形缝隙的金属接地板。第二介质基板与第一介质基板紧密粘合，矩形微带馈线印制在第二介质基板下层，微带馈线通过矩形缝隙对天线的辐射贴片进行耦合馈电。本发明解决了方向图可重构天线带宽窄、增益低以及剖面较高的问题，可应用于无线通信。

Description

一种低剖面宽带电磁超表面方向图可调天线

技术领域

本发明属于电子技术领域，涉及低剖面宽带方向图可调天线技术，特别涉及一种电磁超表面可调天线的设计，可以应用于无线通信系统。

背景技术

随着科技的发展，无线通信领域对具有智能化、可调性的天线的需求日益增长。方向图可重构天线可以实现辐射方向图改变而其他特性保持不变；其可调的最大波束可以有效避开环境干扰并增加无线通信系统的容量；可以通过更好的指向目标方向以节约能源。随着通信系统容量不断增大，对于天线工作带宽和增益要求越来越高。紧凑的通信系统需求天线剖面更低。因此，低剖面、高增益的宽带方向图可重构天线是研究热点。

发明内容

本发明的目的在于克服了现有技术的不足和缺陷，通过电磁超表面的加载，提出了一种宽带、高增益、剖面极低，可以在三个不同辐射方向图切换的可重构天线。该方向图可重构天线仅需一组电磁超表面和两组偏置枝节，通过两组开关即可实现方向图的可重构。与现有设计相比，该天线有着低剖面、宽带宽、高增益、易于加工等多个优点。

本发明是通过下述技术方案来实现的。

一种低剖面宽带电磁超表面方向图可调天线，包括上下相互粘合堆叠的第二介质基板和第一介质基板，其中：

在第一介质基板下层印制有金属接地板，位于其中心位置刻蚀有一矩形缝隙；

第二介质基板下层印制有微带馈线，在第二介质基板上层印制有呈N×N周期排布的金属贴片单元，构成电磁超表面单元，每个电磁超表面单元尺寸相同，相邻电磁超表面单元间隔相同；

所述电磁超表面单元外侧的相邻金属贴片单元之间用电感连接，并且左侧单元配接有各自对应的直流偏置线，两个直流偏置线上各自接有电感；

在电磁超表面单元外侧分别排布有寄生贴片单元，每组寄生贴片左侧单元配接有各自对应的直流偏置线，两个直流偏置线上各自接有电感；

寄生贴片单元与电磁超表面单元之间通过PIN开关连接；通过直流偏置线以控制PIN开关工作状态；微带馈线通过金属接地板刻蚀的缝隙对电磁超表面耦合馈电。

对于上述技术方案，本发明还有进一步优化的技术方案：

进一步，第二介质基板下层印制的微带馈线，微带馈线为矩形，其一边与第二介质基板对齐，另一边延伸至第二介质基板中心处。

进一步，所述寄生贴片单元分别排布在金属超表面单元两侧，每组寄生贴片单元由1×N排布的矩形金属贴片构成，其中每组寄生贴片单元宽度边长与电磁超表面边长相同，沿长度方向边长短于电磁超表面边长。

进一步，所述第1排与第N排的金属贴片相邻单元之间用隔交电感连接，对于直流电而言，第一排N个单元相互电连接，第N排N个单元相互电连接；对于交流电而言，所有金属贴片独立均未电连接。

进一步，所述直流偏置线分别印制在第1排、第N排电磁超表面单元左侧和两组寄生贴片单元左侧。

进一步，每个PIN开关两端分别跨接在构成寄生贴片单元的矩形金属贴片和距其最近的构成电磁超表面单元的正方形金属贴片单元上。

本发明通过加载PIN开关控制辐射单元尺寸改变天线方向图。其中寄生枝节的尺寸可以改变，当其尺寸增大或是减小时，相应方向图也会改变。在PIN开关进行不同的组合开关时，天线工作在不同状态下：

当所有开关断开时，寄生贴片与电磁超表面贴片相互独立，寄生贴片均作为天线的引向器，天线最大辐射方向对准0°；

当其中任选一个开关连通而另一个开关断开时，可以形成两组工作模式，天线最大辐射方向可分别对准+20°和-20°。

本发明通过微带馈线激励缝隙，进一步耦合激励上层电磁超表面产生相应电场来实现辐射。

与现有的技术相比，本发明具有如下优点：

本发明使用电磁超表面设计天线，其中通过微带馈线与缝隙耦合激励上层电磁超表面，实现天线宽带、低剖面和高增益特性。

本发明的PIN开关设置在电磁超表面结构层，其中PIN开关的加载对天线性能没有产生额外的恶化作用，天线具有较好的鲁棒性。

本发明由于采用印刷天线的结构，均印制在介质基板上，结构简单紧凑，加工方便，成本低。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1为本发明的结构示意图，也是实施例1的正视图；

图2为本发明的结构示意图，也是实施例1的侧视图；

图3为本发明的结构示意图，也是实施例1的仰视图；

图4为本发明的结构示意图，也是实施例1中金属接地板层俯视图；

图5为实施例1设计天线在第一种工作模式的S₁₁曲线图；

图6为实施例1设计天线在第二种工作模式的S₁₁曲线图；

图7为实施例1设计天线在第三种工作模式的S₁₁曲线图；

图8为实施例1设计天线在3.8GHz谐振频点处第一种工作模式方向图；

图9为实施例1设计天线在3.8GHz谐振频点处第二种工作模式方向图；

图10为实施例1设计天线在3.8GHz谐振频点处第三种工作模式方向图。

图中：1、第一介质基板；2、第二介质基板；3、金属接地板；3-1、矩形缝隙；4、微带馈线；5、电磁超表面；6A、上寄生贴片单元；6B、下寄生贴片单元；7A、上PIN开关；7B、下PIN开关；8A、第一直流偏置线；8B、第二直流偏置线；8C、第三直流偏置线；8D、第四直流偏置线；9A、上部第一隔交电感；9B、上部第二隔交电感；9C、下部第二隔交电感；9D、下部第一隔交电感。

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，以下结合实施例及附图，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。

如图1、2、3、4所示，本发明实施例的低剖面电磁超表面方向图可重构天线设计包括第一介质基板1、第二介质基板2、刻蚀有缝隙的金属接地板3、微带馈线4、4×4的电磁超表面5、寄生贴片6(图中为上、下寄生贴片6A、6B)、PIN开关7(图中为上、下PIN开关7A、7B)、直流馈线8(图中为第一直流偏置线8A、第二直流偏置线8B、第三直流偏置线8C、第四直流偏置线8D)、隔交电感9(图中为上部第一隔交电感9A、上部第二隔交电感9B、下部第二隔交电感9C、下部第一隔交电感9D)。

第一介质基板1厚度1mm，尺寸140mm×100mm，其下层印制有金属接地板3，刻蚀一条矩形缝隙3-1，缝隙位于金属接地板中心处，尺寸30mm×4mm。第二介质基板2放置在第一介质基板1上，两个介质基板用胶粘合。第二介质基板2上层印制有呈4×4周期排布的金属贴片单元，构成电磁超表面单元5，每个电磁超表面单元5尺寸相同，相邻电磁超表面单元间隔相同。

电磁超表面5由4×4排布的相同尺寸金属贴片组成，每个金属贴片尺寸为18mm×18mm。在电磁超表面单元外侧分别排布有寄生贴片单元(图中为上、下寄生贴片6A、6B)，每组寄生贴片左侧单元配接有各自对应的直流偏置线，两个直流偏置线上各自接有电感。其中：

上寄生贴片单元6A中相邻金属贴片单元间跨接上部第一隔交电感9A，上寄生贴片单元6A中最左侧金属贴片单元与第一直流偏置线8A间跨接上部第一隔交电感9A，第一直流偏置线8A延伸至介质基板边沿。下寄生贴片单元6B中相邻金属贴片单元间跨接下部第一隔交电感9D，下寄生贴片单元6B中最左侧金属贴片单元与第四直流馈线8D间跨接下部第一隔交电感9D，第四直流偏置线8D延伸至介质基板边沿。

中部相邻矩形结构电磁超表面5不连接，电磁超表面5中第一排金属贴片中的相邻金属贴片间跨接上部第二隔交电感9B，第一排最左侧金属贴片与第二直流偏置线8B电连接间跨接上部第二隔交电感9B，第一排金属贴片与距其最近的寄生贴片间跨接有上PIN开关7A，第二直流偏置线8B延伸至介质基板边沿。电磁超表面5中第四排金属贴片中的相邻金属贴片间跨接下部第二隔交电感9C，第四排最左侧金属贴片与第三直流偏置线8C电连接间跨接下部第二隔交电感9C，第四排金属贴片与距其最近的寄生贴片间跨接有下PIN开关7B，第三直流偏置线8C延伸至介质基板边沿。

第二介质基板2与第一介质基板1使用热胶粘合。第二介质基板2厚度1mm，尺寸140mm×100mm。第二介质基板下层印制有微带馈线4，其尺寸为72mm×2mm。一边与第二介质基板对齐，另一边延伸至第二介质基板中心处。

对两组PIN开关进行不同的组合开关时，天线工作在三种不同模式下。

模式一：当所有PIN开关均断开时，寄生贴片与电磁超表面贴片相互独立，寄生贴片均作为天线的引向器，该天线的最大辐射方向指向0°。

模式二：当一组上PIN开关7A导通，另一组下PIN开关7B断开时，上寄生贴片单元6A与电磁超表面未连接，下寄生贴片单元6B与电磁超表面连接。该天线在此工作模式下最大辐射方向指向-20°。

模式三：当一组上PIN开关7A导通，另一组下PIN开关7B连接时，上寄生贴片单元6A与电磁超表面连接，下寄生贴片单元6B与电磁超表面未连接。该天线在此工作模式下最大辐射方向指向+20°。

在确定上述相关参数前提下，经电磁仿真，对该天线的工作特性进一步说明：

在第一种工作模式下，天线的阻抗匹配频段为：3.43GHz-4.03GHz，如图5所示。设工作频点3.8GHz，其方向图如图8所示。

在第二种工作模式下，天线的阻抗匹配频段为：3.42GHz-4.05GHz，如图6所示。设工作频点3.8GHz，其方向图如图9所示。

在第三种工作模式下，天线的阻抗匹配频段为：3.43GHz-4.05GHz，如图7所示。设工作频点3.8GHz，其方向图如图10所示。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种低剖面宽带电磁超表面方向图可调天线，包括上下相互粘合堆叠的第二介质基板和第一介质基板，其特征在于：

在第一介质基板下层印制有金属接地板，位于其中心位置刻蚀有一矩形缝隙；

第二介质基板下层印制有微带馈线，在第二介质基板上层印制有呈N×N周期排布的金属贴片单元，构成电磁超表面单元，每个电磁超表面单元尺寸相同，相邻电磁超表面单元间隔相同；

所述电磁超表面单元外侧的相邻金属贴片单元之间用电感连接，并且左侧单元配接有各自对应的直流偏置线，两个直流偏置线上各自接有电感；

在电磁超表面单元外侧分别排布有寄生贴片单元，每组寄生贴片左侧单元配接有各自对应的直流偏置线，两个直流偏置线上各自接有电感；

寄生贴片单元与电磁超表面单元之间通过PIN开关连接；通过直流偏置线以控制PIN开关工作状态；微带馈线通过金属接地板刻蚀的缝隙对电磁超表面耦合馈电。

2.根据权利要求1所述的低剖面宽带电磁超表面方向图可调天线，其特征在于：第二介质基板下层印制的微带馈线，微带馈线为矩形，其一边与第二介质基板对齐，另一边延伸至第二介质基板中心处。

3.根据权利要求1所述的低剖面宽带电磁超表面方向图可调天线，其特征在于：所述寄生贴片单元分别排布在金属超表面单元两侧，每组寄生贴片单元由1×N排布的矩形金属贴片构成，其中每组寄生贴片单元宽度边长与电磁超表面边长相同，沿长度方向边长短于电磁超表面边长。

4.根据权利要求3所述的低剖面宽带电磁超表面方向图可调天线，其特征在于：所述第1排与第N排的金属贴片相邻单元之间用隔交电感连接，对于直流电而言，第一排N个单元相互电连接，第N排N个单元相互电连接；对于交流电而言，所有金属贴片独立均未电连接。

5.根据权利要求3所述的低剖面宽带电磁超表面方向图可调天线，其特征在于：所述直流偏置线分别印制在第1排、第N排电磁超表面单元左侧和两组寄生贴片单元左侧。

6.根据权利要求1所述的低剖面宽带电磁超表面方向图可调天线，其特征在于：每个PIN开关两端分别跨接在构成寄生贴片单元的矩形金属贴片和距其最近的构成电磁超表面单元的正方形金属贴片单元上。

7.一种权利要求1-6任一项所述天线的低剖面宽带电磁超表面方向图可调方法，其特征在于：PIN开关进行不同的组合开关时，天线工作在不同状态下：

当所有开关断开时，寄生贴片与电磁超表面贴片相互独立，寄生贴片均作为天线的引向器，天线最大辐射方向对准0°；

当其中任选一个开关连通而另一个开关断开时，可以形成两组工作模式，天线最大辐射方向可分别对准+20°和-20°。