CN109462022A - 一种共面波导馈电的宽带超表面天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及微波天线技术领域，具体涉及一种共面波导馈电的宽带超表面天线，包括第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板、电磁超表面部分、激励层部分和短路反射地板部分，利用超表面的缝隙实现天线辐射，具有良好的边射特性；其微带加载的蝶形馈电缝隙用于超表面的耦合激励，成功激励起了超表面内的三个谐振模式，相对中心带宽达到51.2％，相较于之前的超表面天线，实现了阻抗带宽的大幅提升；本发明利用短路反射地板结构，既实现了天线的背向辐射抑制，又完成了低剖面设计；本发明实现了平板天线的宽带辐射带宽性能与良好的辐射特性，能有效增强雷达、成像以及无线通信等系统中天线的性能。

Description

一种共面波导馈电的宽带超表面天线
技术领域
本发明涉及微波天线技术领域，具体涉及一种共面波导馈电的宽带超表面天线。
背景技术
在雷达、成像以及无线通信等系统中，微带天线因其成本低、剖面低、性能可靠以及易于加工与集成等特性发挥着重要作用。然而传统的微带天线的应用往往受其阻抗带宽较窄的限制，一般微带天线的相对带宽均低于10％。在过去的几十年里，大量的技术被提出以展宽微带天线的阻抗带宽，总结起来主要有容性探针馈电技术、L形探针馈电技术、口径耦合技术、U形/E形槽缝技术以及堆栈叠层贴片技术等。这些技术普遍能够使得微带天线的相对带宽提升到20％～40％，然而同时要求天线具有较高的剖面。近年来，超表面结构被广泛应用到天线的设计中，基于超表面的宽带天线的设计也相应地被提出，并且具有低剖面性能。
文献“Metamaterial-Based Low-Profile Broadband Mushroom Antenna(WeiLiu,Zhi Ning Chen and Xianming Qing,IEEE Transactions on Antennas andPropagation,2014,62(3):1165-1172)”提出了一种新型基于左右手蘑菇形超表面结构的低剖面天线，其能够激励其超表面的两个谐振模式(TM10模和TM20模)进而展宽天线的阻抗带宽。仿真与测试结果表明天线的相对带宽达到25％，并且具有高增益、低交叉极化以及低剖面的性能。然而天线的带宽仍然具有可扩展的空间，并且天线的背向辐射需要进一步降低。
文献“Compact Broadband Directive Slot Antenna Loaded With Cavitiesand Single and Double Layers of Metasurfaces,(Basudev Majumder,K.Krishnamoorthy,Jayanta Mukherjee and Kamla Prasan Ray,IEEE Transactions onAntennas and Propagation,2016,64(11):4595-4606)”为了提升天线辐射的前后比提出了一种人工磁导体表面衬底的超表面天线，其测试结果表明该天线的相对带宽为21％，但天线辐射方向图的前后比具有明显的提升。然而，由于人工磁导体表面的厚度以及人工磁导体表面与辐射体之间的缝隙显著地增加了天线的剖面，并且天线的相对带宽需要进一步地拓宽。
文献“Miniaturized Wideband Metasurface Antennas,(Wei Liu,Zhi NingChen,Xianming Qing,Jin Shi and Feng Han Lin,IEEE Transactions on Antennas andPropagation,2017,65(12):7345-7349)”研究了超表面在天线设计中的小型化与宽带化性能，并提出了一款辐射口径和剖面分别仅为0.46λ0×0.46λ0和0.06λ0的缝隙天线。测试结果表明天线的相对阻抗带宽为30％，相较于之前的超表面天线设计，其阻抗带宽已具有一定的提升，但是在很多应用中仍要求天线的带宽能够进行进一步地大幅提升。
综上所述，超表面天线能够在保证辐射特性的同时保持低剖面，并且具有拓展阻抗带宽的潜力。然而对于很多实际应用，这些设计的阻抗带宽依旧相对较窄，因此需要进一步地大幅提升超表面天线的谐振带宽。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种大幅提升超表面天线的阻抗带宽、能够共面波导馈电的能够同时激励起三个谐振模式的宽带超表面天线。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种共面波导馈电的宽带超表面天线，包括第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板、电磁超表面部分、激励层部分和短路反射地板部分，所述第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板自上而下依次设置，所述电磁超表面部分包括第一方形贴片列阵和第二方形贴片列阵，所述第一方形贴片列阵设置在第一介质基板的上表面，所述第二方形贴片列阵设置在第一介质基板、第二介质基板之间；所述激励层部分包括共面波导馈电结构和第一金属贴片，所述共面波导馈电结构、第一金属贴片分别设置在第二介质基板和第三介质基板之间，第一金属贴片上刻蚀有微带加载的蝶形馈电缝隙；所述短路反射地板部分包括短路探针和第二金属贴片，所述第二金属贴片设置在第三介质基板的下表面，所述短路探针贯穿第三介质基板，且短路探针的两端分别与第一金属贴片、第二金属贴片连接，所述第二金属贴片上刻蚀有矩形缝隙。
进一步地，所述第一方形贴片列阵由5×7个矩形金属贴片周期排布组成。
进一步地，所述第二方形贴片列阵由5×7个矩形金属贴片周期排布组成。
进一步地，所述第一方形贴片列阵的方形贴片排列列阵与第二方形贴片列阵的方形贴片排列列阵相同。
进一步地，所述短路探针包括多个单独探针组成。
进一步地，所述短路探针由4×5个单独探针组成。
本发明的工作原理：天线通过共面波导馈电，激励信号通过刻蚀在第一金属贴片上的蝶形缝隙耦合至超表面内并激励起超表面内的缝隙产生辐射；天线的辐射特性主要来源于超表面中缝隙的辐射；天线的阻抗带宽增强主要来源于微带加载的蝶形馈电缝隙能够同时激励起超表面中的三个谐振模式，分别是TM10、TM20和TM30模式，三个谐振模式的谐振带宽共同作用从而实现了宽带性能，相对中心带宽达到51.2％；天线的背向辐射通过短路反射地板部分的结构得以大幅减弱，短路探针的存在使得第一金属贴片与第二金属贴片之间的距离可以挣脱四分之一波长的束缚并大为减小，从而达到了低剖面的目的。
本发明的有益效果是：
(1)本发明提出了一种宽带超表面天线，利用超表面的缝隙实现天线辐射，具有良好的边射特性；
(2)本发明提出了一种微带加载的蝶形馈电缝隙用于超表面的耦合激励，成功激励起了超表面内的三个谐振模式，相对中心带宽达到51.2％，相较于之前的超表面天线，实现了阻抗带宽的大幅提升；
(3)本发明利用短路反射地板结构，既实现了所述天线的背向辐射抑制，又完成了低剖面设计；
(4)本发明最终实现了平板天线的宽带辐射带宽性能与良好的辐射特性，通过本发明的实施，能有效增强雷达、成像以及无线通信等系统中天线的性能。
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为图1中的BB截面的示意图；
图5为本发明天线的仰视图；
图6为本发明天线的反射系数的仿真曲线；
图7为本发明天线的6.5GHz频率上的仿真辐射方向图；
图8为本发明天线的8.0GHz频率上的仿真辐射方向图；
图9为本发明天线的9.5GHz频率上的仿真辐射方向图；
图10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-第三介质基板，4-第一方形贴片列阵，5-第二方形贴片列阵，6-第一金属贴片，7-短路探针，8-第二金属贴片，9-共面波导馈电结构。
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。
在一个具体实施例中，一种共面波导馈电的宽带超表面天线，侧视图如图1所示，能够在保证良好的辐射前后比与低剖面性能的同时实现阻抗带宽的提升(中心相对带宽为51.2％)，包括第一介质基板1、第二介质基板2、第三介质基板3、电磁超表面部分、激励层部分和短路反射地板部分，所述第一介质基板1、第二介质基板2、第三介质基板3自上而下依次设置，所述电磁超表面部分包括第一方形贴片列阵4和第二方形贴片列阵5，所述第一方形贴片列阵4设置在第一介质基板1的上表面，所述第二方形贴片列阵5设置在第一介质基板1、第二介质基板2之间；所述激励层部分包括共面波导馈电结构9和第一金属贴片6，所述共面波导馈电结构9、第一金属贴片6分别设置在第二介质基板2和第三介质基板3之间，第一金属贴片6上刻蚀有微带加载的蝶形馈电缝隙；所述短路反射地板部分包括短路探针7和第二金属贴片8，所述第二金属贴片8设置在第三介质基板3的下表面，作用是减小背向辐射，所述短路探针7贯穿第三介质基板3，且短路探针7的两端分别与第一金属贴片6、第二金属贴片8连接，所述第二金属贴片8上刻蚀有便于SMA接头焊接的矩形缝隙。
所述第一介质基板1、第二介质基板2和第三介质基板3均为绝缘材料制成，所述第一方形贴片列阵4、第二方形贴片列阵5、第一金属贴片6、短路探针7、第二金属贴片8和共面波导馈电结构9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，对应的是电磁超表面部分的第一方形贴片列阵4和第一介质基板1，第一方形贴片列阵4由5×7个矩形金属贴片周期排布组成。
图1中的AA截面的示意图如图3所示，对应的是电磁超表面部分的第二方形贴片列阵5和第二介质基板2，第二方形贴片列阵5由5×7个矩形金属贴片周期排布组成。第一方形贴片列阵4与第二方形贴片列阵5在结构上完全相同，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。
图1中的BB截面的示意图如图4所示，对应的是激励层部分共面波导馈电结构9、第一金属贴片6、第三介质基板3以及短路反射地板部分的短路探针7；第一金属贴片6上刻蚀有蝶形缝隙，该缝隙由共面波导进行馈电，再进一步耦合到电磁超表面部分；蝶形缝隙中加载有一段微带线，并连接到共面波导的内导体上。
宽带超表面天线的仰视结构如图5所示，对应的是短路反射地板部分的短路探针7、第二金属贴片8以及第三介质基板3；短路探针7由4×5个单独探针组成，加载在图4中所示的蝶形缝隙的两侧并贯穿第三介质基板3使得第一金属贴片6和第二金属贴片8相连接；一般金属反射板与辐射体之间的距离需保持为四分之一波长，以保证天线的辐射与谐振特性，短路探针7的加载使得该距离可以大大减小，从而有利于所述天线的低剖面设计；第二金属贴片8上刻蚀有一矩形缝隙，其位置对应的是图4中所示的共面波导的位置，其作用是为了便于SMA接头的焊接。
图6是宽带超表面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6.1GHz～10.3GHz，中心相对带宽为51.2％。
图7是宽带超表面天线在6.5GHz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6.62dBi，前后比为-13.9dB，且在边射方向上的交叉极化分量非常低。
图8是宽带超表面天线在8.0GHz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9.05dBi，前后比为-16.1dB，且在边射方向上的交叉极化分量非常低。
图9是宽带超表面天线在9.5GHz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8.66dBi，前后比为-12.0dB，且在边射方向上的交叉极化分量非常低。
图10是宽带超表面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6.72dBi～8.72dBi，整体来看，所述天线的辐射增益要高于一般微带天线的辐射增益；此外，在谐振带宽内，所述天线具有良好的增益平坦度(±1dB)。
综上所述，本实施例宽带超表面天线通过激励起超表面内的三个谐振模式，能够极大地扩展超表面天线的阻抗带宽，并且结合了短路反射地板的设计，保证了所述天线的低剖面特性。从仿真结果上来看，所述天线的中心相对带宽为51.2％，辐射方向图在谐振带宽内具有良好的增益平坦度、前后比和低交叉极化性能。
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 (7)

1.一种共面波导馈电的宽带超表面天线，其特征在于，包括第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板、电磁超表面部分、激励层部分和短路反射地板部分，所述第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板自上而下依次设置，所述电磁超表面部分包括第一方形贴片列阵和第二方形贴片列阵，所述第一方形贴片列阵设置在第一介质基板的上表面，所述第二方形贴片列阵设置在第一介质基板、第二介质基板之间；所述激励层部分包括共面波导馈电结构和第一金属贴片，第一金属贴片上刻蚀有微带加载的蝶形馈电缝隙；所述短路反射地板部分包括短路探针和第二金属贴片，所述第二金属贴片设置在第三介质基板的下表面，所述短路探针贯穿第三介质基板，且短路探针的两端分别与第一金属贴片和第二金属贴片连接，所述第二金属贴片上刻蚀有矩形缝隙。
2.根据权利要求1所述的一种共面波导馈电的宽带超表面天线，其特征在于，所述第一方形贴片列阵由5×7个矩形金属贴片周期排布组成。
3.根据权利要求1所述的一种共面波导馈电的宽带超表面天线，其特征在于，所述第二方形贴片列阵由5×7个矩形金属贴片周期排布组成。
4.根据权利要求1所述的一种共面波导馈电的宽带超表面天线，其特征在于，所述第一方形贴片列阵的方形贴片排列列阵与第二方形贴片列阵的方形贴片排列列阵相同。
5.根据权利要求1所述的一种共面波导馈电的宽带超表面天线，其特征在于，所述短路探针包括多个单独探针组成。
6.根据权利要求1所述的一种共面波导馈电的宽带超表面天线，其特征在于，所述短路探针由4×5个单独探针组成。
7.根据权利要求1所述的一种共面波导馈电的宽带超表面天线，其特征在于，所述共面波导馈电结构、第一金属贴片设置在第二介质基板和第三介质基板之间。
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