CN109326878B - 一种基于表面波波导和高阻抗表面的宽带端射天线 - Google Patents

一种基于表面波波导和高阻抗表面的宽带端射天线 Download PDF

Info

Publication number
CN109326878B
CN109326878B CN201811181857.2A CN201811181857A CN109326878B CN 109326878 B CN109326878 B CN 109326878B CN 201811181857 A CN201811181857 A CN 201811181857A CN 109326878 B CN109326878 B CN 109326878B
Authority
CN
China
Prior art keywords
patch
array
surface wave
medium substrate
high impedance
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201811181857.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN109326878A (zh
Inventor
程友峰
丁霄
廖成
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Southwest Jiaotong University
Original Assignee
Southwest Jiaotong University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Southwest Jiaotong University filed Critical Southwest Jiaotong University
Priority to CN201811181857.2A priority Critical patent/CN109326878B/zh
Publication of CN109326878A publication Critical patent/CN109326878A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109326878B publication Critical patent/CN109326878B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/36—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith
    • H01Q1/38—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith formed by a conductive layer on an insulating support
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/48—Earthing means; Earth screens; Counterpoises
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/50—Structural association of antennas with earthing switches, lead-in devices or lightning protectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/06—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
    • H01Q21/061—Two dimensional planar arrays
    • H01Q21/065—Patch antenna array

Landscapes

  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Abstract

本发明涉及微波天线技术领域，具体涉及一种基于表面波波导和高阻抗表面的宽带端射天线，包括第一介质基板、第二介质基板、表面波波导部分、高阻抗表面部分和表面波激励器部分。本发明的平板端射天线，利用表面波波导和高阻抗表面分别对于表面波的传导与抑制功能实现了端射效果，具有良好的辐射增益、前后比以及增益平坦度等特性；本发明能够激励起表面波波导内的两个谐振模式，采用了具有宽阻带特性的高阻抗表面，实现了端射天线的宽带功能，相对中心带宽达到33.5％；本发明实现了平板天线的端射辐射性能和宽带阻抗带宽功能，结构简单、易于实施与集成，能有效增强雷达、通信、遥感遥测、电子对抗等应用中天线的性能。

Description

一种基于表面波波导和高阻抗表面的宽带端射天线
技术领域
本发明涉及微波天线技术领域，具体涉及一种基于表面波波导和高阻抗表面的宽带端射天线。
背景技术
由于具有强方向性和高增益等优点，平板端射天线在当代军事与民用应用中显示了良好的性能并发挥着重要的作用。传统的平板端射天线主要包括有平板偶极子阵列、八木偶极子阵列，对数周期偶极子阵列、Vivaldi天线以及其他的一些设计，这些设计或因其阻抗带宽很窄，或因其在带宽内辐射增益平坦度较差，在实际应用中往往受到诸多限制。因此，拓宽天线的阻抗带宽并且保证带宽内的增益平坦度是平板端射天线研究与设计的难点，并且具有非常重大的现实意义。
近年来，利用表面波技术的平板端射天线逐渐吸引研究者们的注意。电磁表面波是一种附着在两种传输煤质之间表面的特殊波，在偏离表面方向上呈指数衰减。文献“Horizontal Dipole Located Close to Ground Plane With Bidirectional EndfireRadiation，(Mei Li，Shao-Qiu Xiao，Jiang Xiong and Bing-Zhong Wang，IEEE Antennasand Wireless Propagation Letters，2014， 13:1144-1147)”通过将水平偶极子放置在周期表面波波导之上提出了一种具有双端射辐射性能的平板天线。所设计的表面波波导能够激励其TE模式的表面波并在波导两侧的不连续处产生辐射，从而形成双端射方向图。然而，该设计的弊端是无法形成单向端射方向图，并且天线的阻抗带宽很窄，很难满足大多数实际应用的需求。
文献“A Yagi-Uda Plasma Monopole Array，(F.Sadeghikia，F.Hodjat-Kashani，J. Rashed-Mohassel，A.A.Lotfi and J.Ghayoomeh-Bozorgi，Journal ofElectromagnetic Waves and Applications，2012，26:885-894)”提出了一种基于表面波的八木单极子阵列天线，其可以在保证天线的增益与方向性几乎不变的前提之下通过改变等离子体单极子的激励功率实现天线谐振频率的重构(重构范围为中心频率的0.6倍频到1.6倍频)，从而展宽该端射天线的工作带宽。然而，该天线较高的设计复杂度以及宽带实现方式成为了其在实际应用中的障碍。
从上述文献中可以看出，宽带平板端射天线在实际应用具有非常重要的研究意义与价值，因此需要在设计简单的基础之上大幅展宽平板端射天线的带宽。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于表面波波导和高阻抗表面的宽带端射天线的设计方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种基于表面波波导和高阻抗表面的宽带端射天线，包括第一介质基板、第二介质基板、表面波波导部分、高阻抗表面部分和表面波激励器部分，所述第一介质基板设置在第二介质基板的上方，所述表面波波导部分包括上层矩形贴片阵列和下层矩形贴片阵列，所述上层矩形贴片阵列设置在第一介质基板的上表面，所述下层矩形贴片阵列设置在第二介质基板的下表面，所述高阻抗表面部分包括上层十字形贴片阵列、中层方形贴片阵列、探针阵列、下层地板贴片，所述上层十字形贴片阵列设置在第一介质基板的上表面，所述中层方形贴片阵列设置在第一介质基板和第二介质基板之间，所述下层地板贴片设置在第二介质基板的下表面，所述探针阵列贯穿第一介质基板，且探针阵列的两端分别与上层十字形贴片阵列、中层方形贴片阵列连接，所述表面波激励器部分包括激励贴片、激励探针和探针接头，所述激励贴片设置在第一介质基板和第二介质基板之间，所述探针接头设置在下层矩形贴片阵列的底部，并构成射频输入，所述激励探针贯穿第二介质基板，且激励探针的两端分别与激励贴片和探针接头连接，射频信号由探针接头馈入并由激励探针传导至表面波激励器。
进一步地，所述上层矩形贴片阵列、激励贴片、下层矩形贴片阵列自上而下依次对应设置。
进一步地，所述上层十字形贴片阵列、中层方形贴片阵列、下层地板贴片自上而下依次对应设置。
进一步地，所述上层矩形贴片阵列由3×3个矩形贴片周期排布组成。
进一步地，所述上层十字形贴片阵列由2×3个十字形贴片周期排布组成。
进一步地，所述十字形贴片由方形贴片四角刻蚀四分之一圆形缝隙得到，且十字形贴片相互无缝连接。
进一步地，所述中层方形贴片阵列由2×3个方形贴片周期排布组成，并且方形贴片相互之间存在缝隙。
进一步地，所述下层矩形贴片阵列的结构与上层矩形贴片阵列的结构相同，在xoy平面上位置相同，在z方向上的距离为第一介质基板的厚度加上第二介质基板的厚度。
本发明的工作原理：天线通过SMA接头探针馈电，激励信号通过激励探针传输到激励贴片上，使得激励贴片形成偶极子电流分布，在表面波波导内部激励起表面波；天线的辐射性能主要来源于表面波辐射，在表面波波导中的表面波沿着±x两个方向传播，其中沿+x方向传播的表面波由于右侧高阻抗表面的带阻特性而被抑制传播，沿着-x方向传播的表面波则在表面波波导的左侧边缘由于结构的不连续性向外辐射，因而形成了向-x方向的端射辐射性能；天线的宽带性能主要来源于多个模式表面波的协同工作，在表面波波导中，TE1和TE2模式的表面波能够被激励起，这两个模式分别工作在4.5GHz和5.5GHz频率处，两个谐振模式相结合便形成了宽带效应，相对中心带宽达到33.5％；所述高阻抗表面采用的是三层结构，等效电容串联的结构能够减小其等效电路模型的整体等效电容，进而增强了高阻抗表面的阻带带宽，目的是让其阻带带宽必须覆盖所述天线的阻抗带宽以达到抑制整个谐振带宽内朝-x 方向传播的表面波的效果。
本发明的有益效果是：
(1)本发明提出了一种新型的平板端射天线，不同于常见的平板端射天线，其主要是利用表面波波导和高阻抗表面分别对于表面波的传导与抑制功能实现了端射效果，具有良好的辐射增益、前后比以及增益平坦度等特性；
(2)本发明能够激励起表面波波导内的两个谐振模式，并且采用了一种具有宽阻带特性的高阻抗表面，成功地实现了端射天线的宽带功能，相对中心带宽达到33.5％；
(3)本发明最终实现了平板天线的端射辐射性能和宽带阻抗带宽功能，同时具有结构简单易于实施与集成的优点。通过本发明的实施，能有效增强雷达、通信、遥感遥测、电子对抗等应用中天线的性能。
附图说明
图1为本发明天线的侧视图；
图2为本发明天线的俯视图；
图3为图1中的AA截面的示意图；
图4为本发明天线的仰视图；
图5为本发明天线的反射系数的仿真曲线；
图6为本发明天线的4.5GHz频率上的xoz平面和xoy平面内的仿真辐射方向图；
图7为本发明天线的5.5GHz频率上的xoz平面和xoy平面内的仿真辐射方向图；
图8为本发明天线在带宽内仿真增益随频率的变化曲线；
图中，1-第一介质基板，2-第二介质基板，3-上层矩形贴片阵列，4-下层矩形贴片阵列， 5-上层十字形贴片阵列，6-中层方形贴片阵列，7-探针阵列，8-下层地板贴片，9-激励贴片， 10-激励探针，11-探针接头。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
本实施例提供一种基于表面波波导和高阻抗表面的宽带端射平板天线，其侧视图如图1 所示，能够在保证良好的远场端射性能的同时实现较宽的阻抗带宽(中心相对带宽为33.5％)，包括第一介质基板1、第二介质基板2、表面波波导部分、高阻抗表面部分和表面波激励器部分，所述第一介质基板1设置在第二介质基板2的上方，所述表面波波导部分包括上层矩形贴片阵列3和下层矩形贴片阵列4，所述上层矩形贴片阵列3设置在第一介质基板1的上表面，所述下层矩形贴片阵列4设置在第二介质基板2的下表面，所述高阻抗表面部分包括上层十字形贴片阵列5、中层方形贴片阵列6、探针阵列7、下层地板贴片8，所述上层十字形贴片阵列5设置在第一介质基板1的上表面，所述中层方形贴片阵列6设置在第一介质基板 1和第二介质基板2之间，所述下层地板贴片8设置在第二介质基板2的下表面，所述探针阵列7贯穿第一介质基板1，且探针阵列7的两端分别与上层十字形贴片阵列5、中层方形贴片阵列6连接，所述表面波激励器部分包括激励贴片9、激励探针10和探针接头11，所述激励贴片9设置在第一介质基板1和第二介质基板2之间，所述探针接头11设置在下层矩形贴片阵列4的底部，并构成射频输入，所述激励探针10贯穿第二介质基板2，且激励探针10的两端分别与激励贴片9和探针接头11连接，射频信号由探针接头11馈入并由激励探针10传导至表面波激励器。
所述第一介质基板1、第二介质基板2为绝缘材料制成，所述上层矩形贴片阵列3、下层矩形贴片阵列4、上层十字形贴片阵列5、中层方形贴片阵列6、探针阵列7、下层地板贴片 8、激励贴片9、激励探针10和探针接头11均为金属导电材料制成。
宽带超表面天线的俯视结构如图2所示，对应的是表面波波导部分的上层矩形贴片阵列 3、高阻抗表面部分的上层十字形贴片阵列5、探针阵列7、以及第一介质基板1；上层矩形贴片阵列3由3×3个矩形贴片周期排布组成，上层十字形贴片阵列5由2×3个十字形贴片周期排布组成，这些十字形贴片由方形贴片四角刻蚀四分之一圆形缝隙得到，且这些十字形贴片相互连接，中间并无缝隙，具体形状结构如图2所示。
图1中的AA截面的示意图如图3所示，对应的是高阻抗表面部分的中层方形贴片阵列 6、探针阵列7、表面波激励器部分的激励贴片9、激励探针10、以及第二介质基板2；中层方形贴片阵列6由2×3个方形贴片周期排布组成，并且方形贴片之间存在缝隙，激励探针10的作用是为激励贴片9提供射频激励，从而在表面波波导内激励起表面波。
宽带超表面天线的仰视结构如图4所示，对应的是表面波波导部分的下层矩形贴片阵列 4、高阻抗表面部分的下层地板贴片8、以及介质基板3；下层矩形贴片阵列4在结构上与上层矩形贴片阵列3完全相同，在xoy平面上位置相同，在z方向上的距离为第一介质基板1 的厚度加上第二介质基板2的厚度。优选地，所述上层矩形贴片阵列3、激励贴片9、下层矩形贴片阵列4自上而下依次对应设置；所述上层十字形贴片阵列5、中层方形贴片阵列6、下层地板贴片8自上而下依次对应设置。
图5是宽带平板端射天线的反射系数的仿真曲线；从图中可以看出，所述天线的-10dB 谐振带宽为4.08GHz～5.72GHz，中心相对带宽为33.5％。
图6是宽带平板端射天线在4.5GHz处的仿真辐射方向图，从图中可以看出，所述天线在该频率处的辐射增益为6.64dBi，前后比为-15.3dB，且在边射方向上的交叉极化分量非常低。
图7是宽带平板端射天线在5.5GHz处的仿真辐射方向图，从图中可以看出，所述天线在该频率处的辐射增益为7.56dBi，前后比为-12.3dB，且在边射方向上的交叉极化分量非常低。
图8 是宽带平板端射天线在带宽内仿真增益随频率的变化曲线，从图中可以看出，在谐振频率内，所述天线的辐射增益的变化范围为6.53dBi～7.67dBi，所述天线具有良好的增益平坦度(±0.6dB)。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于表面波波导和高阻抗表面的宽带端射天线，其特征在于，包括第一介质基板、第二介质基板、表面波波导部分、高阻抗表面部分和表面波激励器部分，所述第一介质基板设置在第二介质基板的上方，所述表面波波导部分包括上层矩形贴片阵列和下层矩形贴片阵列，所述上层矩形贴片阵列设置在第一介质基板的上表面，所述下层矩形贴片阵列设置在第二介质基板的下表面，所述高阻抗表面部分包括上层十字形贴片阵列、中层方形贴片阵列、探针阵列、下层地板贴片，所述上层十字形贴片阵列设置在第一介质基板的上表面，所述中层方形贴片阵列设置在第一介质基板和第二介质基板之间，所述下层地板贴片设置在第二介质基板的下表面，所述探针阵列贯穿第一介质基板，且探针阵列的两端分别与上层十字形贴片阵列、中层方形贴片阵列连接，所述表面波激励器部分包括激励贴片、激励探针和探针接头，所述上层矩形贴片阵列、激励贴片、下层矩形贴片阵列自上而下依次对应设置；所述上层十字形贴片阵列、中层方形贴片阵列、下层地板贴片自上而下依次对应设置；射频信号由探针接头馈入并由激励探针传导至表面波激励器，激励探针的两端分别与激励贴片和探针接头连接，所述激励贴片设置在第一介质基板和第二介质基板之间，所述探针接头设置在下层矩形贴片阵列的底部，所述激励探针贯穿第二介质基板。
2.根据权利要求1所述的一种基于表面波波导和高阻抗表面的宽带端射天线，其特征在于，所述上层矩形贴片阵列由3×3个矩形贴片周期排布组成。
3.根据权利要求1所述的一种基于表面波波导和高阻抗表面的宽带端射天线，其特征在于，所述上层十字形贴片阵列由2×3个十字形贴片周期排布组成。
4.根据权利要求3所述的一种基于表面波波导和高阻抗表面的宽带端射天线，其特征在于，所述十字形贴片由方形贴片四角刻蚀四分之一圆形缝隙得到，且十字形贴片相互无缝连接。
5.根据权利要求1所述的一种基于表面波波导和高阻抗表面的宽带端射天线，其特征在于，所述中层方形贴片阵列由2×3个方形贴片周期排布组成，且方形贴片相互之间存在缝隙。
6.根据权利要求1所述的一种基于表面波波导和高阻抗表面的宽带端射天线，其特征在于，所述下层矩形贴片阵列的结构与上层矩形贴片阵列的结构相同，在xoy平面上位置相同，在z方向上的距离为第一介质基板的厚度加上第二介质基板的厚度。
CN201811181857.2A 2018-10-11 2018-10-11 一种基于表面波波导和高阻抗表面的宽带端射天线 Active CN109326878B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811181857.2A CN109326878B (zh) 2018-10-11 2018-10-11 一种基于表面波波导和高阻抗表面的宽带端射天线

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811181857.2A CN109326878B (zh) 2018-10-11 2018-10-11 一种基于表面波波导和高阻抗表面的宽带端射天线

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109326878A CN109326878A (zh) 2019-02-12
CN109326878B true CN109326878B (zh) 2019-10-08

Family

ID=65261722

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201811181857.2A Active CN109326878B (zh) 2018-10-11 2018-10-11 一种基于表面波波导和高阻抗表面的宽带端射天线

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109326878B (zh)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109904605B (zh) * 2019-03-05 2020-07-17 电子科技大学 基于混合his的宽带极化可重构天线及高性能天线阵列
CN113063994B (zh) * 2021-03-24 2022-06-14 中国人民解放军国防科技大学 有源超表面强辐照场性能测试装置及系统
CN113540778B (zh) * 2021-07-02 2022-11-22 西南交通大学 一种超表面覆盖的垂直极化平面宽带端射天线
CN116886062B (zh) * 2023-07-26 2024-01-23 北京星英联微波科技有限责任公司 高阻表面波导限幅器

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107611575A (zh) * 2017-08-29 2018-01-19 电子科技大学 一种基于表面波波导与超表面吸收器复合结构的端射天线
CN108429010A (zh) * 2018-04-09 2018-08-21 重庆大学 一种基于调制超表面的超宽带双端射天线

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107611575A (zh) * 2017-08-29 2018-01-19 电子科技大学 一种基于表面波波导与超表面吸收器复合结构的端射天线
CN108429010A (zh) * 2018-04-09 2018-08-21 重庆大学 一种基于调制超表面的超宽带双端射天线

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Suppression of End-fired Emission for a Miniaturized-Element Frequency-Selective Shielding Surface with Finite Size Using EBG;Yi-Min Yu;《2015 IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility (EMC)》;20150914;全文 *
一种基于一维调制超表面的双端射表面波天线设计;张艺曼;《2017年全国微波毫米波会议论文集（中册）》;20170730;全文 *
基于EBG的低剖面准端射可重构天线设计;肖绍球;《2013年全国微波毫米波会议论文集（上集）》;20130531;全文 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN109326878A (zh) 2019-02-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109326878B (zh) 一种基于表面波波导和高阻抗表面的宽带端射天线
Bai et al. Wide-angle scanning phased array with pattern reconfigurable elements
Buerkle et al. Compact slot and dielectric resonator antenna with dual-resonance, broadband characteristics
Wu et al. On the performance of printed dipole antenna with novel composite corrugated-reflectors for low-profile ultrawideband applications
CN110492242A (zh) 一种超薄半壁短路圆极化顶端辐射天线
Prakasam et al. Rectangular micro strip patch array antenna with corporate feed network for wireless communication applications
Li et al. Design of leaky wave antenna with wide angle backfire to forward beam scanning based on generalized pattern synthesis
Prinsloo et al. Design of an active dual-mode antenna with near hemispherical field of view coverage
Chen et al. Combined triangle quarter-wavelength patches and their application to high-gain CP antenna
Li et al. Compact, low-profile, HIS-based pattern-reconfigurable antenna for wide-angle scanning
Chen et al. A conformal cavity-backed supergain slot antenna
Liu et al. Double-side radiating leaky-wave antenna based on composite right/left-handed coplanar-waveguide
Mitra et al. Design of a Novel Micro-strip MIMO Antenna System With Improved Isolation
Song et al. Dual-polarized antenna based on metal ring and microstrip patch
Lin et al. Wide beamwidth quadifilar helix antenna with cross dipoles
Wang Broadband planar traveling-wave arrays (twa) with 2-d elements
Karoui et al. A compact inexpensive UWB-modified elliptic antenna including a slotted ground plane for an indoor positioning system
Markad et al. Probe Feed Microstrip Patch Antenna Computer Aided Design Methodology
Chen et al. Bandwidth enhancement of substrate integrated waveguide (SIW) slot antenna with parasitic dipole
Sahu Design and analysis of polarization reconfigurable microstrip patch antennas
Cheng et al. A wideband planar yagi antenna array for 5g millimeter-wave applications
Zhang et al. Compact SIW microstrip magnetic Yagi antenna
Jian et al. Design of A Wide Axis Ratio Beam Width Circularly Polarized Dielectric Resonator Antenna
Yu et al. Design of a Broadband Planar Equiangular LPDA
Da-cheng et al. Design a wide-scan angle phased-array antenna with circular polarization using a new cross-dipole

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant