CN108899636B - 一种基于双层超表面的低剖面小型宽带天线 - Google Patents

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Abstract

本发明一种基于双层超表面的低剖面小型宽带天线，属于天线领域；所要解决的技术问题是提供了一种展宽了带宽同时提高了增益的基于双层超表面的低剖面小型宽带天线；解决该技术问题采用的技术方案为：包括从上到下依序设置的超表面辐射器、上层介质基板、圆环形辐射贴片、下层介质基板和超表面接地板，超表面辐射器包括若干个方形超表面单元，单个方形超表面单元上蚀刻了四个圆弧形缝隙和一个菱形缝隙，圆弧形缝隙两两交错；本发明可广泛应用于无线通信领域。

Description

一种基于双层超表面的低剖面小型宽带天线
技术领域
本发明一种基于双层超表面的低剖面小型宽带天线，属于天线技术领域。
背景技术
随着无线通信技术的快速发展，要求天线要同时兼顾低剖面、小型化、宽带等优良的性能。而超表面可通过多个微小单元来实现，可以灵活有效的调控电磁波相位、极化方式、传播模式等特性，已被广泛应用于平面天线的设计之中。
近年来，众多学者提出了多种基于超表面的微带天线的设计方法。比如，利用渐变的矩形贴片组合成为超表面单元(G. R. Feng etc, “Broadband surface-wave antennawith a novel nonuniform tapered metasurface,” IEEE Antennas Wireless Propag.Lett., 16 (2017), 2902-2905.)；引入可调谐的人造磁导体材料(C. P. Scarboroughetc, “Compact low-profile tunable metasurface-enabled antenna with near-arbitrary polarization,” IEEE Trans. Antennas Propag., 64 (2016), 2775-2783.)；采用极化转换的方式形成超表面(M. Long etc, “Wideband RCS reductionusing polarization conversion metasurface and partially reflecting surface,”IEEE Antennas Wireless Propag. Lett., 16 (2017), 2534-2537.)等。但是，上述天线一般在辐射单元与超表面单元之间都含有空气层，剖面高，体积较大，且带宽较窄。
发明内容
本发明为了解决现有超表面天线体积较大，且带宽较窄等技术问题，提出一种基于双层超表面的低剖面小型宽带天线。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于双层超表面的低剖面小型宽带天线，包括从上到下依序设置的超表面辐射器、上层介质基板、圆环形辐射贴片、下层介质基板和超表面接地板，超表面辐射器包括若干个方形超表面单元，单个方形超表面单元上蚀刻了四个圆弧形缝隙和一个菱形缝隙，圆弧形缝隙两两交错，圆环形辐射贴片上的辐射场转换为表面波在超表面辐射器上传播，当表面波传播至圆弧形缝隙时，被截断而产生辐射，形成多个临近的谐振及一个较宽的阻抗带宽。
进一步，所述超表面辐射器贴装于所述上层介质基板的上表面，所述圆环形辐射贴片和所述超表面接地板分别贴装于所述下层介质基板的上表面和下表面。
进一步，所述超表面辐射器包括六个按照2×3方式排列的方形超表面单元；所述圆弧形缝隙为四分之一圆弧缝隙，四个四分之一的所述圆弧形缝隙分别以方形超表面单元的四个顶点为圆心，相邻的四分之一的所述圆弧形缝隙相互交错，所述菱形缝隙位于方形超表面单元中心。
进一步，所述圆环形辐射贴片包括一个圆环形辐射器、一条阻抗变换器和一条微带馈线；微带馈线的一端与阻抗变换器连接，阻抗变换器的另一端与圆环形辐射器连接。
进一步，所述超表面接地板由六个正方形环状金属带单元构成；六个正方形环状金属带单元按照2×3的方式排列。
进一步，所述超表面辐射器的底端、所述微带馈线的底端和所述超表面接地板的底端均位于和上层介质基板垂直的同一垂直面上，所述方形超表面单元的轴线与所述正方形环状金属带单元的轴线重合。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：本发明通过在接地板上引入正方形环状金属带超表面单元，实现了小型化(0.33λ0×0.22λ0×0.014λ0 at 2.57 GHz)，通过在超表面辐射器的方形超表面单元上蚀刻交错的四分之一圆弧形缝隙，改善了阻抗匹配，展宽了带宽，同时提高了增益。本发明的-10-dB阻抗带宽为2.57 - 4.12 GHz，相对带宽为46.3 %。本发明结构合理，有效解决了现有超表面天线尺寸较大、剖面较高、带宽较窄等技术问题，适用于无线通信。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是超表面辐射器的结构示意图。
图3是圆环形辐射贴片的结构示意图。
图4是超表面接地板的结构示意图。
图5是本发明的反射系数示意图。
图6是本发明的增益示意图。
图7是频率为2.6 GHz时本发明的辐射方向示意图。
图8是频率为4 GHz时本发明的辐射方向示意图。
图中, 1-超表面辐射器，2-上层介质基板，3-圆环形辐射贴片，4-下层介质基板，5-超表面接地板，6-方形超表面单元，7-圆弧形缝隙，8-菱形缝隙，9-圆环形辐射器，10-阻抗变化器，11-微带馈线，12-正方形环状金属带单元。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
如图1至图4所示，本发明一种基于双层超表面的低剖面小型宽带天线，包括超表面辐射器1、上层介质基板2、圆环形辐射贴片3、下层介质基板4和超表面接地板5，超表面辐射器1贴装于上层介质基板2的上表面，圆环形辐射贴片3和超表面接地板5分别贴装于下层介质基板4的上表面和下表面；
超表面辐射器1由六个方形超表面单元6构成，六个方形超表面单元6按照2×3的方式排列；各方形超表面单元6上蚀刻了四个四分之一的圆弧形缝隙7和一个菱形缝隙8，四个四分之一的圆弧形缝隙7分别以方形超表面单元6的四个顶点为圆心，相邻的四分之一的圆弧形缝隙7相互交错，菱形缝隙8位于方形超表面单元6中心；相邻方形超表面单元6上的四分之一的圆弧形缝隙7可以合并为一个完整的圆形缝隙；
圆环形辐射贴片3由一个圆环形辐射器9、一条阻抗变换器10和一条微带馈线11构成；阻抗变换器10位于圆环形辐射器9与微带馈线11之间；
超表面接地板5由六个正方形环状金属带单元12构成；六个正方形环状金属带单元12按照2×3的方式排列；超表面接地板5作为本发明的接地板；
超表面辐射器1的底端、微带馈线11的底端和超表面接地板5的底端均位于同一垂直面上；方形超表面单元6的轴线与正方形环状金属带单元12的轴线重合；
上层介质基板2和下层介质基板4是紧密贴合在一起的，中间没有空气层。
本发明的工作原理如下：圆环形辐射贴片3上的辐射场转换为表面波在超表面辐射器1上传播，由于超表面辐射器1上交错的圆弧形缝隙7是不连续结构，其阻抗是变化的，当表面波传播至圆弧形缝隙7时，被截断而产生辐射，同时，渐变的圆弧使得表面波传播的路径也是渐变的，因此该发明可以形成多个临近的谐振，从而形成一个较宽的阻抗带宽。
如图5所示，曲线a表示没有引入超表面辐射器和超表面接地板时天线的反射系数，曲线b表示仅引入超表面接地板后天线的反射系数，曲线c表示同时引入超表面辐射器和超表面接地板后天线的反射系数。通过图5可以看出：没有超表面辐射器和超表面接地板时，天线的-10-dB阻抗带宽较窄，为3.71 - 4.27 GHz。引入超表面接地板后，4.05 GHz处的谐振减小至3.5 GHz，实现了小型化，4.5 GHz处又产生一个新的谐振，两个分离的频带相距较远。同时引入超表面辐射器和超表面接地板后，天线的阻抗匹配得到改善，-10-dB阻抗带宽为2.37 - 4.02 GHz，被大大展宽。
如图6所示，曲线d表示没有引入超表面辐射器和超表面接地板时天线的增益，曲线e表示引入超表面辐射器和超表面接地板后天线的增益。通过图6可以看出：没有引入超表面辐射器和超表面接地板时，天线在2.4 - 3.2 GHz频率范围内的增益较低，小于1 dBi。引入超表面辐射器和超表面接地板后，该频段的增益提高至3 dBi。同时，3.6 - 4.4 GHz频率范围内的增益也提高至4 dBi。最大增益为4.4 dBi，出现在4.3 GHz处。
如图7所示，曲线f、g分别表示频率为2.6 GHz时天线E面主极化、交叉极化，曲线h、i分别表示H面主极化、交叉极化。通过图7可以看出：天线在E面的辐射呈“8”字形，在H面具有全向的辐射。同时，E面和H面的交叉极化都比较小，小于-35 dB。
如图8所示，曲线j、k分别表示频率为4 GHz时天线E面主极化、交叉极化，曲线l、m分别表示H面主极化、交叉极化。通过图8可以看出：天线在E面的辐射呈“8”字形，在H面具有全向的辐射。虽然H面的交叉极化较大，但依然满足小于-20 dB。
本发明通过在接地板上引入正方形环状金属带超表面单元，实现了小型化(0.33λ0× 0.22λ0× 0.014λ0 at 2.57 GHz)，通过在超表面辐射器的方形超表面单元上蚀刻交错的四分之一圆弧形缝隙，改善了阻抗匹配，展宽了带宽，同时提高了增益。本发明的-10-dB阻抗带宽为2.57 - 4.12 GHz，相对带宽为46.3 %。
尽管已经参照其示例性实施例具体显示和描述了本发明，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节上的各种改变。

Claims (6)

1.一种基于双层超表面的低剖面小型宽带天线，其特征在于：包括从上到下依序设置的超表面辐射器（1）、上层介质基板（2）、圆环形辐射贴片（3）、下层介质基板（4）和超表面接地板（5），超表面辐射器（1）包括若干个方形超表面单元（6），单个方形超表面单元（6）上蚀刻了四个圆弧形缝隙（7）和一个菱形缝隙（8），圆弧形缝隙（7）两两交错，圆环形辐射贴片（3）上的辐射场转换为表面波在超表面辐射器（1）上传播，当表面波传播至圆弧形缝隙（7）时，被截断而产生辐射，形成多个临近的谐振及一个较宽的阻抗带宽。
2.根据权利要求1所述的一种基于双层超表面的低剖面小型宽带天线，其特征在于：所述超表面辐射器（1）贴装于所述上层介质基板（2）的上表面，所述圆环形辐射贴片（3）和所述超表面接地板（5）分别贴装于所述下层介质基板（4）的上表面和下表面。
3.根据权利要求1所述的一种基于双层超表面的低剖面小型宽带天线，其特征在于：所述超表面辐射器（1）包括六个按照2×3方式排列的方形超表面单元（6）；所述圆弧形缝隙（7）为四分之一圆弧缝隙，四个四分之一的所述圆弧形缝隙（7）分别以方形超表面单元（6）的四个顶点为圆心，相邻的四分之一的所述圆弧形缝隙（7）相互交错，所述菱形缝隙（8）位于方形超表面单元（6）中心。
4.根据权利要求1所述的一种基于双层超表面的低剖面小型宽带天线，其特征在于：所述圆环形辐射贴片（3）包括一个圆环形辐射器（9）、一条阻抗变换器（10）和一条微带馈线（11）；微带馈线（11）的一端与阻抗变换器（10）连接，阻抗变换器（10）的另一端与圆环形辐射器（9）连接。
5.根据权利要求1所述的一种基于双层超表面的低剖面小型宽带天线，其特征在于：所述超表面接地板（5）由六个正方形环状金属带单元（12）构成；六个正方形环状金属带单元（12）按照2×3的方式排列。
6.根据权利要求1-5任一所述的一种基于双层超表面的低剖面小型宽带天线，其特征在于：所述超表面辐射器（1）的底端、所述微带馈线（11）的底端和所述超表面接地板（5）的底端均位于和上层介质基板（2）垂直的同一垂直面上；所述方形超表面单元（6）的轴线与所述正方形环状金属带单元（12）的轴线重合。
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