CN109088165B - 一种基于超表面的宽带双极化天线 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供了一种基于超表面的宽带双极化天线，使用超表面代替传统的微带贴片作为微带贴片天线的辐射元件，利用超表面上多个子贴片形成的周期性排布的对称结构，与接地板形成谐振腔，从而激发天线的多种辐射模式，展宽天线的带宽。采用两套独立的微带线馈电电路+耦合孔径的组合，形成两套互相垂直的微带线耦合馈电电路，实现了双极化。

Description

一种基于超表面的宽带双极化天线
技术领域
本发明涉及微波天线的技术领域，特别是涉及一种基于超表面的宽带双极化天线。
背景技术
目前，双极化天线大部分是基于微带贴片天线实现的，常见的如图1所示。图1为现有技术中常用的基于微带贴片的双极化天线简化示意图，该天线包括：微带辐射贴片，承载该辐射贴片的介质层1，敷贴于介质层另一面上的接地板，微带线馈电电路，以及承载该馈电电路的介质层2。
其中，微带线馈电电路采用两组独立并互相垂直的微带线进行馈电，因此能够形成一对工作频率相同且极化方式正交的电磁波，从而实现了双极化。
但是，现有技术的这种双极化天线，由于其等效电路近似于并联谐振电路，而并联谐振电路具有较高的品质因数，品质因数越高，频率谐振特性就越尖锐，相对应的带宽就越窄。因此，现有技术的这种双极化天线的带宽较窄。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种基于超表面的宽带双极化天线，以提高双极化天线的带宽。具体技术方案如下：
一种基于超表面的宽带双极化天线，包括：上层介质板(10)、下层介质板(11)、位于上层介质板和下层介质板之间带有耦合孔径的接地板(12)、设置于所述上层介质板上表面的超表面辐射元件(3)，以及设置于下层介质板下表面的两个微带线馈电电路。其中，
所述接地板(12)，与上下两层介质板无缝粘合；其中心设置有两个大小形状相同，排列方式相同，并互相垂直的耦合孔径(6)和(7)；每个耦合孔径由相同方向上的两条具有一定间距的耦合缝隙形成。
所述上层介质板上表面的超表面辐射元件(3)，包括N×N块周期性排布的子贴片；N为大于等于2的整数；超表面辐射元件(3)中心的垂直投影位置与接地板两个耦合孔径长度方向的中心线的交点位置重合；所述超表面辐射元件(3)的对角线的垂直投影位置与所述两个耦合孔径的长度方向中心线重合。
所述下层介质板下表面的两个微带线馈电电路，结构相同且相互垂直，包括：U型微带线(8)和输入端微带线(1)形成的第一端口微带线馈电电路，以及U型微带线(9)和输入端微带线(2)形成的第二端口微带线馈电电路；两个微带线馈电电路U型微带线的竖直部分的垂直投影，分别部分落入相互垂直的两个接地板耦合孔径中，且所述U型微带线竖直部分的垂直投影与其落入接地板耦合孔径互相垂直；两个微带线馈电电路的输入端微带线的长度方向分别与相互垂直的两个耦合孔径的长度方向一致。
较佳的，所述接地板(12)的各条耦合缝隙形状和尺寸相同；每条耦合缝隙均呈长方形，且每个耦合孔径的两个长方形的耦合缝隙排列在一条直线上。
较佳的，所述N为奇数时，所述超表面辐射元件(3)的中心位置具有一中心子贴片；所述中心子贴片的中心位置具有尺寸相同，且相互垂直的第一刻蚀缝隙(4)和第二刻蚀缝隙(5)。
较佳的，所述N为3，所述超表面辐射元件(3)中的子贴片为尺寸相同的正方形子贴片。
较佳的，所述N为3，所述超表面辐射元件(3)中的子贴片包括：5个尺寸相同的正方形子贴片和4个被切角的正方形子贴片；所述4个被切角的正方形子贴片位于超表面辐射元件(3)对角线的最外端。
较佳的，所述非均匀超表面辐射元件(3)的正方形子贴片边长Wp＝6.9mm，相邻子贴片的间距Ws＝1.8mm，所述4个被切角的正方形子贴片的切角长度相同，均为b＝3.37mm。
较佳的，所述两个微带线馈电电路的重叠部分采用跳线(13)隔离。
较佳的，所述上层介质板(10)和下层介质板(11)，其材质选取介电常数为3.66的射频板材。
较佳的，所述上层介质板(10)和下层介质板(11)，形状为正方形，边长相同，边长Wg＝53mm；上层介质板(10)厚度h1＝3.024mm，下层介质板(11)厚度h2＝0.762mm。
较佳的，所述非均匀超表面辐射元件(3)，所述接地板(12)，和所述微带线馈电电路，其材质均为金属。
本发明实施例提供了一种基于超表面的宽带双极化天线，这种天线通过使用超表面作为微带贴片天线的辐射元件，利用超表面辐射元件中多个子贴片形成的周期性排布的对称结构，与接地板形成谐振腔，从而激发天线的多种辐射模式，展宽了天线的带宽。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中常用的基于微带贴片的双极化天线简化示意图；
图2为本发明实施例提供的一种基于超表面的宽带双极化天线的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种基于超表面的宽带双极化天线的非均匀超表面辐射元件的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种基于超表面的宽带双极化天线的接地板及其耦合孔径的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的一种基于超表面的宽带双极化天线的两个微带线馈电电路的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的一种基于超表面的宽带双极化天线的散射参数仿真图；
图7为本发明实施例提供的一种基于超表面的宽带双极化天线的增益特性仿真图；
图8为本发明实施例提供的一种基于超表面的宽带双极化天线的辐射方向图仿真结果。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了展宽双极化天线的带宽，本发明实施例提供了一种基于超表面的宽带双极化天线。
参见图2，图2为本发明实施例提供的一种基于超表面的宽带双极化天线的结构示意图。
如图2所示，本发明实施例提供的基于超表面的宽带双极化天线，包括：上层介质板(10)、下层介质板(11)、位于上层介质板和下层介质板之间的接地板(12)、设置于所述上层介质板上表面的超表面辐射元件(3)，以及设置于下层介质板下表面的两个微带线馈电电路。其中：
接地板(12)：与上下两层介质板无缝粘合；其中心设置有两个大小形状相同，互相垂直的耦合孔径(6)和(7)；每个耦合孔径由相同方向上的两条具有一定间距的耦合缝隙形成。
超表面辐射元件(3)：位于上层介质板上表面中心，包括N×N块周期性排布的子贴片；N为大于等于2的整数；超表面辐射元件(3)中心的垂直投影位置与接地板两个耦合孔径长度方向的中心线的交点位置重合；超表面辐射元件(3)的对角线的垂直投影位置与两个耦合孔径的长度方向中心线重合。
所述下层介质板下表面的两个微带线馈电电路，结构相同且相互垂直，包括：U型微带线(8)和输入端微带线(1)形成的第一端口微带线馈电电路，以及U型微带线(9)和输入端微带线(2)形成的第二端口微带线馈电电路；两个微带线馈电电路U型微带线的竖直部分的垂直投影，分别部分落入相互垂直的两个接地板耦合孔径中，且所述U型微带线竖直部分的垂直投影与其落入接地板耦合孔径互相垂直；两个微带线馈电电路的输入端微带线的长度方向分别与相互垂直的两个耦合孔径的长度方向一致。
本发明实施例提供的基于超表面的宽带双极化天线，利用超表面作为双极化天线的辐射元件。该超表面辐射元件形成的周期性排布的特定结构，与接地板形成谐振腔，从而能够激发天线的多种辐射模式。由于不同的辐射模式对应的频率不同，因此激发出了多种辐射模式，相当于为天线拓展了多个谐振频率，从而展宽了天线的带宽。采用两套独立的微带线馈电电路+耦合孔径的组合，形成两套互相垂直的微带线耦合馈电电路，实现了双极化。
以下，举具体的实例，对本发明实施例提供的基于超表面的宽带双极化天线的超表面辐射元件进行详细说明。
参见图2和图3，图3为本发明实施例提供的一种基于超表面的宽带双极化天线的非均匀超表面辐射元件的结构示意图。
如图2和图3所示，超表面辐射元件(3)，包括设置于上层介质板(10)上表面中心的3×3块周期性排布的子贴片。
本实施例中，超表面辐射元件(3)的子贴片均为金属贴片。
如图2和图3所示，该超表面辐射元件(3)的中心位置具有一中心子贴片；在该中心子贴片的中心位置蚀刻出了尺寸相同，且相互垂直的第一刻蚀缝隙(4)和第二刻蚀缝隙(5)。
这里，中心子贴片的两条刻蚀缝隙(4)和(5)用于增强超表面辐射元件与微带线馈电电路的耦合，以及改善天线的交叉极化水平。
本领域技术人员能够理解，对于N×N块周期性排布的子贴片，只要N为大于2的奇数，都可以在中心子贴片上蚀刻出尺寸相同，且相互垂直的两条蚀刻缝隙。
如图2和图3所示，该超表面辐射元件(3)中的子贴片包括：5个尺寸相同的正方形子贴片和4个被切角的正方形子贴片；所述4个被切角的正方形子贴片位于超表面辐射元件(3)对角线的最外端。这样的超表面辐射元件，可以被称为非均匀超表面辐射元件。
本实施例中，对位于超表面辐射元件(3)对角线最外端的4个子贴片进行切角，可以改善天线的辐射方向图。
另外，在其他实施例中，超表面辐射元件(3)中的子贴片可以为尺寸相同的正方形子贴片，且相邻子贴片间的间距均相等。
本领域技术人员可以理解的是，超表面辐射元件(3)的大小尺寸，需保证每个子贴片均可以接收其下方的耦合孔径耦合来的电磁波。
较佳的，超表面辐射元件(3)的对角线长度大于接地板耦合孔径的长度。
较佳的，超表面辐射元件(3)中的正方形子贴片的边长Wp＝6.9mm，相邻子贴片间的间距Ws＝1.8mm，四个被切角的贴片的切角长度b＝3.37mm，两条刻蚀缝隙的尺寸相同，长度Wc＝9.5mm，宽度c＝0.6mm。
由上述描述可见，本实施例的这种基于超表面的宽带双极化天线，包含了超表面辐射元件(3)，由于超表面辐射元件(3)形成的周期性排布的特定结构，与接地板形成谐振腔，可以激发天线的多种辐射模式，展宽了天线的带宽。另外，本实施例中的中心子贴片具有两条刻蚀缝隙(4)和(5)，增强了超表面辐射元件与微带线馈电电路的耦合，改善了天线的交叉极化水平。同时，本实施例中对位于超表面辐射元件(3)对角线最外端的4个子贴片进行切角，改善了天线的辐射方向图。
图4是本发明实施例提供的一种基于超表面的宽带双极化天线的接地板及其耦合孔径的结构示意图。
如图2和图4所示，接地板(12)，与上下两层介质板无缝粘合；其中心设置有两个大小形状相同，互相垂直的耦合孔径(6)和(7)；每个耦合孔径由相同方向上的两条具有一定间距的耦合缝隙形成。
与现有技术相同，接地板为金属贴片，在接地板的中心进行蚀刻形成耦合缝隙。
较佳的，接地板(12)大小尺寸与上下两层介质板相同，均为正方形，正方形的边长Wg＝53mm。
较佳的，每个耦合孔径的两条耦合缝隙之间不进行蚀刻，隔开一定距离，用于提高宽带双极化天线两个端口之间的隔离度。
较佳的，每条耦合缝隙的形状和尺寸相同，每条耦合缝隙的形状为长方形，且每个耦合孔径的两个长方形的耦合缝隙排列在一条直线上。
较佳的，每条耦合缝隙的长度Lf＝10.65mm，宽度Wf＝1.8mm；每个耦合孔径的两条耦合缝隙间的间距d＝2.3mm；
图5为本发明实施例提供的一种基于超表面的宽带双极化天线的两个微带线馈电电路的结构示意图。
如图2和图5所示，两个微带线馈电电路设置在下层介质板的下表面，结构相同且相互垂直，包括：U型微带线(8)和输入端微带线(1)形成的第一端口微带线馈电电路，以及U型微带线(9)和输入端微带线(2)形成的第二端口微带线馈电电路；两个微带线馈电电路U型微带线的竖直部分的垂直投影，分别部分落入相互垂直的两个接地板耦合孔径中，且所述U型微带线竖直部分的垂直投影与其落入接地板耦合孔径互相垂直；两个微带线馈电电路的输入端微带线的长度方向分别与相互垂直的两个耦合孔径的长度方向一致。
较佳的，U型微带线(8)和(9)的横向部分与输入端微带线相交并互相垂直，相交点位于U型微带线横向部分的中点；U型微带线的横向部分与竖向部分互相垂直；
较佳的，输入端微带线(1)和(2)分别与下层介质板(11)的相邻的两个边垂直。
较佳的，两个微带线馈电电路的重叠部分采用跳线(13)进行隔离。
较佳的，输入端微带线(1)和(2)的长度L1＝15.5mm，宽度W1＝1mm；U型微带线(8)和(9)的横向部分的长度L2＝18.6mm，竖向部分的长度L3＝15.8mm，横向和竖向微带线的宽度相同，宽度W2＝0.5mm。
本发明实施例提供的基于超表面的宽带双极化天线，采用两套独立的微带线馈电电路+耦合孔径的组合，形成两套互相垂直的微带线耦合馈电电路，实现了双极化。
如图3和图5所示，超表面辐射元件(3)和两个微带线馈电电路分别位于上层介质板的上表面和下层介质板的下表面，上层介质板(10)和下层介质板(11)均为印刷电路基板。
较佳的，上层介质板(10)和下层介质板(11)大小相同且均为正方形，正方形边长与接地板形成的正方形边长相等，边长Wg＝53mm。
较佳的，上层介质板(10)和下层介质板(11)的材质选取介电常数为3.66的射频板材；上层介质板(10)厚度h1＝3.024mm，下层介质板(11)厚度h2＝0.762mm。
图6为本发明实施例提供的一种基于超表面的宽带双极化天线的散射参数仿真图。散射参数常被称为S参数，下文均用S参数代替散射参数。
如图6所示，横坐标是频率，单位是GHz；纵坐标是以dB为单位的S参数的值。其中，三条曲线分别是：第一端口输入反射系数，用S11表示；第二端口输入反射系数，用S22表示；以及双端口的隔离度，用S12表示。反射系数和端口隔离度都属于S参数。
如图6所示，第一端口反射系数S11在5.43GHz-9.13GHz的频带内小于-10dB，满足本领域要求的反射系数小于-10dB的技术要求；相对带宽为50.82％。第二端口反射系数S22在5.43GHz-9.08GHz的频带内小于-10dB，满足本领域要求的反射系数小于-10dB的技术要求；相对带宽为50.31％。双端口的隔离度S12在5.43GHz-9.13GHz工作频段内小于-24dB，满足本领域要求的隔离度小于-20dB的技术要求。
上述相对带宽计算方法为频带宽度与频带中心频率的比值。以第一端口为例，频带宽度＝9.13GHz-5.43GHz＝3.7GHz，频带中心频率＝(5.43GHz+9.13GHz)/2＝7.28GHz，二者比值＝3.7GHz/7.28GHz＝0.5082，转换为百分比为50.82％。
图7为本发明实施例提供的一种基于超表面的宽带双极化天线的增益特性仿真图，其中，横坐标为频率，单位为GHz；纵坐标为天线的增益，单位为dBi。
如图7所示，在5.43GHz-9.13GHz频带内，天线增益在6dBi以上，最大增益为9.36dBi，且天线的增益平坦度良好。
图8为本发明实施例提供的一种基于超表面的宽带双极化天线的辐射方向图仿真结果，使用极坐标展示了在空间立体角0～360°范围内天线的辐射场强以及交叉极化场强的空间分布特性。其中，径向长度是任一方向的场强值与主极化方向的最大辐射方向的场强值归一化后的值，以dB为单位。
如图8所示，3条主极化曲线表示天线的辐射场强的空间分布特性。可以看到，在6GHz，7GHz以及8.4GHz，天线的3条随空间立体角分布的辐射场强曲线较一致，辐射方向较稳定。3条交叉极化曲线表示天线交叉极化场强的空间分布特性。可以看到，在6GHz，7GHz，以及8.4GHz，3条交叉极化曲线对应的极坐标径向长度的取值，即天线的交叉极化比，均在-15dB以下，交叉极化水平性能良好。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个......”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于超表面的宽带双极化天线，其特征在于，包括：上层介质板(10)、下层介质板(11)、位于上层介质板和下层介质板之间的带有耦合孔径的接地板(12)、设置于所述上层介质板上表面的超表面辐射元件(3)，以及设置于下层介质板下表面的两个微带线馈电电路；
所述接地板(12)，与上下两层介质板无缝粘合；其中心设置有两个大小形状相同，互相垂直的耦合孔径(6)和(7)；每个耦合孔径由相同方向上的两条具有一定间距的耦合缝隙形成；
所述上层介质板上表面的超表面辐射元件(3)，包括N×N块周期性排布的子贴片；超表面辐射元件(3)中心的垂直投影位置与接地板两条耦合孔径长度方向的中心线的交点位置重合；所述超表面辐射元件(3)的对角线的垂直投影位置与两条耦合孔径的长度方向中心线重合；
所述下层介质板下表面的两个微带线馈电电路，结构相同且相互垂直，包括：U型微带线(8)和输入端微带线(1)形成的第一端口微带线馈电电路，以及U型微带线(9)和输入端微带线(2)形成的第二端口微带线馈电电路；两个微带线馈电电路U型微带线的竖直部分的垂直投影，分别部分落入相互垂直的两个接地板耦合孔径中，且所述U型微带线竖直部分的垂直投影与其落入接地板耦合孔径互相垂直；两个微带线馈电电路的输入端微带线的长度方向分别与相互垂直的两个耦合孔径的长度方向一致；
所述N为奇数时，所述超表面辐射元件(3)的中心位置具有一中心子贴片；所述中心子贴片的中心位置具有尺寸相同，且相互垂直的第一刻蚀缝隙(4)和第二刻蚀缝隙(5)。
2.根据权利要求1所述的基于超表面的宽带双极化天线，其特征在于，所述接地板(12)的各条耦合缝隙形状和尺寸相同；每条耦合缝隙均呈长方形，且每个耦合孔径的两个长方形的耦合缝隙排列在一条直线上。
3.据权利要求1所述的基于超表面的宽带双极化天线，其特征在于，所述N为3；所述超表面辐射元件(3)中的子贴片为尺寸相同的正方形子贴片。
4.据权利要求1所述的基于超表面的宽带双极化天线，其特征在于，所述N为3；所述超表面辐射元件(3)中的子贴片包括：5个尺寸相同的正方形子贴片和4个被切角的正方形子贴片；所述4个被切角的正方形子贴片位于超表面辐射元件(3)对角线的最外端。
5.据权利要求4所述的基于超表面的宽带双极化天线，其特征在于，所述超表面辐射元件(3)的正方形子贴片边长Wp＝6.9mm，相邻子贴片的间距Ws＝1.8mm，所述4个被切角的正方形子贴片的切角长度相同，均为b＝3.37mm。
6.根据权利要求1所述的基于超表面的宽带双极化天线，其特征在于，所述两个微带线馈电电路的重叠部分采用跳线(13)隔离。
7.根据权利要求1所述的基于超表面的宽带双极化天线，其特征在于，所述上层介质板(10)和下层介质板(11)，其材质选取介电常数为3.66的射频板材。
8.根据权利要求7所述的基于超表面的宽带双极化天线，其特征在于，所述上层介质板(10)和下层介质板(11)，形状为正方形，边长相同，边长Wg＝53mm；上层介质板(10)厚度h1＝3.024mm，下层介质板(11)厚度h2＝0.762mm。
9.根据权利要求1所述的基于超表面的宽带双极化天线，其特征在于，所述超表面辐射元件(3)，所述接地板(12)，和所述微带线馈电电路，其材质均为金属。
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