CN109638477B - 一种加载超表面的宽带低副瓣圆极化阵列天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种加载超表面的宽带低副瓣圆极化阵列天线，从上到下依次层叠有超表面、辐射贴片及馈电网络、介质层2、介质层1、接地板，辐射贴片上加载有所述超表面。天大大提高了天线的阻抗带宽和轴比带宽。辐射贴片辐射边中心处串联一段传输线。可以改善天线在谐振频率附近的输入阻抗特性，使得阻抗变化趋于稳定且为纯实数，进而方便后续的组阵。本发明将4单元顺序旋转馈电网络简化为2单元，并在X方向使用一分四路不等分功分器，这样既能优化天线的轴比，又能降低天线XZ面的副瓣电平。

Description

一种加载超表面的宽带低副瓣圆极化阵列天线
技术领域
本发明涉及一种加载超表面的宽带低副瓣圆极化阵列天线，属于通信天线技术领域。
背景技术
天线作为无线通信系统的射频前端，其性能的好坏直接决定通信质量的好坏，而高质量的通信系统对天线提出了更高要求：需要足够大的带宽以满足通信速率的需求；需要低副瓣电平以减小对接受天线的干扰；需要圆极化以抗多径效应以及雨雾干扰。
传统的圆极化单元采用方形切角贴片，但其带宽较窄，一般只有1％左右，且其输入阻抗随频率变化非常剧烈，不利于组阵，所以如何改善单元贴片性能以获得相对稳定的输入阻抗是一个难点。而在组阵时，为了获得宽带圆极化特性，传统阵列一般使用4单元顺序旋转的馈电网络，这种馈电方法需要设计一分四路等功率分配功分器，但等功分的阵列无法实现低副瓣的要求。而对于低副瓣的阵列又需要控制各个单元的功率不相等。所以既要获得宽带圆极化特性又要获得低副瓣特性本身就是一对矛盾。
传统圆极化阵列天线的馈电网络采用四单元顺序旋转的馈电结构，如图10所示：它由Z1到Z7这7段四分之波长阻抗变换段构成，其中Z2,Z4,Z6组成了一个四分之三圆，这种馈电网络结构紧凑，会使得分配到各个辐射贴片单元的电流幅度相等，而相邻两单元之间的相位差为90°，可以起到优化圆极化天线轴比，展宽轴比带宽的作用。但是，由于其电流分布是等幅分布所以起不到压低副瓣电平的作用，而且这种馈电网络的电路模型计算十分复杂，设计起来也很困难。
中国专利文献107579344A公开了一种毫米波基片集成波导双圆极化低副瓣共口径阵列天线，从上往下依次层叠：第一金属覆铜层、第一介质层、第二金属覆铜层、第二介质层、第三金属覆铜层；本发明将基于基片集成波导的90°耦合器和共口径平行板长缝阵列天线产生的两个空间正交，相位相差90°的线极化波，分别通过基片集成波导不等功分馈电网络对其各线极化自方向图的进行一维H面低副瓣赋形，由圆极化方向图合成原理，实现双圆极化方向图的两个正交面内的低副瓣，使用一维赋形技术在实现双圆极化的两个正交平面低副瓣的同时，简化馈电网络实现难度，本天线采用基片集成波导平行板长缝隙阵形式实现低副瓣双圆极化共口径生成。但是，该专利未能实现较宽的阻抗宽带和轴比带宽。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种加载超表面的宽带低副瓣圆极化阵列天线；
本发明一种加载超表面的宽带低副瓣圆极化阵列天线，中心频率为5.8GHz，非常好地克服了现有技术的不足。
术语解释：
1、超表面，是指一种厚度小于波长的人工层状材料，超表面可实现对电磁波偏振、振幅、相位、极化方式、传播模式等特性的灵活有效调控，超表面可视为超材料的二维对应。
2、辐射贴片，微带贴片天线是由很薄的金属片以远小于波长的间隔置于一接地板上，金属片与接地板之间用介质层隔开。如图7所示：从上往下依次是金属片，介质层，接地板，而最上方的金属片就是辐射贴片，电磁能量正是从辐射贴片的边缘辐射出去的，因此称其为辐射贴片。
3、馈电网络，是指把阵列天线各辐射贴片连接起来并转换到50欧姆SMA馈电接头的微带传输线网络，也就是微带功分器，如图8所示。
本发明的技术方案为：
一种加载超表面的宽带低副瓣圆极化阵列天线，从上到下依次层叠有超表面、介质层2、辐射贴片及馈电网络、介质层1、接地板，所述辐射贴片上加载有所述超表面。
天线上方加载一层超表面，由于和天线耦合产生了表面波，表面波在超表面传播会激励起额外的谐振点以及最低轴比点，因此会展宽天线的阻抗带宽和轴比带宽。
根据本发明优选的，所述辐射贴片辐射边中心处串联一段传输线，通过所述传输线连接所述馈电网络。
辐射贴片辐射边中心处串联一段传输线，可以改善天线在谐振频率附近的输入阻抗特性，使得阻抗变化趋于稳定且为纯实数，进而方便后续的组阵。依据传输线阻抗匹配原理，辐射贴片从辐射边看进去的等效输入阻抗有虚部且是正值相当于电感，而串联的一小段传输线等效为电容，电容的容抗是负值，因此，正好可以消除辐射贴片输入阻抗的虚部。
根据本发明优选的，所述传输线的长度为1.5-1.7mm；
进一步优选的，所述传输线的长度为1.685mm。
根据本发明优选的，介质层1为矩形，以右上角为坐标原点，矩形的长边为X轴，短边为Y轴。所述馈电网络包括沿X轴依次排列的四个子阵列，每个子阵列包括沿Y轴方向排列的两个辐射贴片及连接两个辐射贴片的一个一分二的等功分器，一分二的等功分器使得两个辐射贴片激励电流的幅度比为1:1，相位相差90°；四个子阵列均连接一个一分四的不等分功分器，使得在工作频率5.8GHz时四个子阵列的输出端口电流的比值为1:1.84:1.84:1，在工作频率为4GHz到6GHz时四个子阵列的输出端口电流的比值为1:1.82：1.82：1-1:1.86:1.86:1。
在X轴方向，整体组成2*4的阵列，为了压低XZ面的方向图副瓣电平，采用道尔夫-切比雪夫综合算法计算得到4单元的激励电流幅度比值。该一分四的不等分功分器使用了4段四分之波长阻抗变换段Z1，Z2，Z3，Z4。将4单元顺序旋转馈电网络简化为2单元(两个辐射贴片)，并在X轴方向使用一分四路不等分功分器，这样做既能优化天线的轴比，又能降低天线XZ面的副瓣电平；在Y方向采用顺序旋转的馈电网络优化天线的轴比，在X轴方向采用道尔夫-切比雪夫综合算法计算得到4单元的激励电流幅度比值，进而设计并馈型一分四路不等分功分器以降低XZ面的副瓣电平。两单元顺序旋转馈电较之传统四单元顺序旋转馈电结构更为简单，而对于轴比改善的不足可以通过天线上方的超表面很好地弥补。Z轴方向是指天线最大辐射方向。
根据本发明优选的，所述介质层2为厚度为0.524mm到5mm型号为RT/duriod5880的介质板；所述介质层1为厚度为0.524mm到5mm型号为RT/duriod5880的介质板，所述介质层2贴合在所述介质层1上。
进一步优选的，所述介质层2的厚度为2mm；所述介质层1的厚度为1mm。
上述介质层2、介质层1厚度的选取，综合考虑了天线的体积，损耗，带宽，不能太厚也不能太薄，太厚使得天线体积增大，损耗增大，太薄使得天线的带宽又比较窄。
根据本发明优选的，所述介质层2上设置有四个子阵列，子阵列为设置在所述介质层2上的2*1辐射贴片；在8个辐射贴片上加载有2个8*8超表面。
本发明的有益效果为：
1、本发明加载于天线上方的超表面又能大大提高天线的带宽，整个设计结构简单紧凑。
2、本发明辐射贴片只是串联一小段传输线，就能大大改善传统单元贴片输入阻抗变化剧烈的缺点。
3、本发明将4单元顺序旋转馈电网络简化为2单元，并在X方向使用一分四路不等分功分器，这样既能优化天线的轴比，又能降低天线XZ面的副瓣电平。
附图说明
图1为本发明加载超表面的宽带低副瓣圆极化阵列天线整体结构示意图；
图2为本发明辐射贴片辐射边中心处串联一段传输线的连接关系放大示意图；
图3为本发明辐射贴片的回波损耗仿真示意图；
图4为本发明加载超表面的宽带低副瓣圆极化阵列天线的回波损耗示意图；
图5为本发明加载超表面的宽带低副瓣圆极化阵列天线的轴比特性示意图；
图6为本发明加载超表面的宽带低副瓣圆极化阵列天线XZ面的方向图；
图7为传统辐射贴片的结构示意图；
图8为馈电网络的结构示意图；
图9为本发明辐射贴片与馈电网络的连接示意图；
图10为传统圆极化阵列天线的馈电网络的连接示意图；
图11为本发明馈电网络Y轴方向的连接示意图；
图12为本发明馈电网络整体的连接示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步限定，但不限于此。
实施例1
一种加载超表面的宽带低副瓣圆极化阵列天线，如图1所示，从上到下依次层叠有超表面、介质层2、辐射贴片及馈电网络、介质层1、接地板，辐射贴片上加载有超表面。
天线上方加载一层超表面，由于和天线耦合产生了表面波，表面波在超表面传播会激励起额外的谐振点以及最低轴比点，因此会展宽天线的阻抗带宽和轴比带宽。
实施例2
根据实施例1所述的一种加载超表面的宽带低副瓣圆极化阵列天线，其区别在于：
如图2所示，辐射贴片辐射边中心处串联一段传输线，通过传输线连接馈电网络。
辐射贴片辐射边中心处串联一段传输线，可以改善天线在谐振频率附近的输入阻抗特性，使得阻抗变化趋于稳定且为纯实数，进而方便后续的组阵。依据传输线阻抗匹配原理，辐射贴片从辐射边看进去的等效输入阻抗有虚部且是正值相当于电感，而串联的一小段传输线等效为电容，电容的容抗是负值，因此，正好可以消除辐射贴片输入阻抗的虚部。
传输线的长度为1.685mm。
实施例3
根据实施例1或2所述的一种加载超表面的宽带低副瓣圆极化阵列天线，其区别在于：
如图9、12所示，馈电网络包括沿X轴依次排列的四个子阵列，如图11所示，每个子阵列包括沿Y轴方向排列的两个辐射贴片及连接两个辐射贴片的一个一分二的等功分器，一分二的等功分器使得两个辐射贴片激励电流的幅度比为1:1，相位相差90°；四个子阵列均连接一个一分四的不等分功分器，使得在工作频率5.8GHz时四个子阵列的输出端口电流的比值为1:1.84:1.84:1，在工作频率为4GHz到6GHz时四个子阵列的输出端口电流的比值为1:1.82：1.82：1-1:1.86:1.86:1；
介质层2为厚度为2mm型号为RT/duriod5880的介质板；介质层1为厚度为1mm型号为RT/duriod5880的介质板，介质层2贴合在介质层1上。
上述介质层2、介质层1厚度的选取，综合考虑了天线的体积，损耗，带宽，不能太厚也不能太薄，太厚使得天线体积增大，损耗增大，太薄使得天线的带宽又比较窄。
介质层2上设置有四个子阵列，子阵列为设置在介质层2上的2*1辐射贴片；在8个辐射贴片上加载有2个8*8超表面。
图3为本实施例辐射贴片的回波损耗仿真示意图；可以看出其在中心频率5.8GHz处匹配良好，且具有从5.56GHz到6.11GHz的带宽。
图4为本实施例加载超表面的宽带低副瓣圆极化阵列天线的回波损耗示意图；可以看出其具有从4.62GHz到7GHz的宽阻抗带宽。
图5为本实施例加载超表面的宽带低副瓣圆极化阵列天线的轴比特性示意图；可以看出其具有从4.75GHz到6.93GHz的宽轴比带宽。
图6为本实施例加载超表面的宽带低副瓣圆极化阵列天线XZ面的方向图；可以看出其具有较低的副瓣电平，其中左副瓣电平低于-16dB，右副瓣电平低于-19dB。图3-6中，横坐标是指频率，纵坐标是指回波损耗。

Claims (6)

1.一种加载超表面的宽带低副瓣圆极化阵列天线，其特征在于，从上到下依次层叠有超表面、介质层二、辐射贴片及馈电网络、介质层一、接地板，所述辐射贴片上加载有所述超表面；
所述馈电网络包括沿X轴依次排列的四个子阵列，每个子阵列包括沿Y轴方向排列的两个辐射贴片及连接两个辐射贴片的一个一分二的等功分器，一分二的等功分器使得两个辐射贴片激励电流的幅度比为1:1，相位相差90°；四个子阵列均连接一个一分四的不等分功分器，使得在工作频率5.8GHz时四个子阵列的输出端口电流的比值为1:1.84:1.84:1，在工作频率为4GHz到6GHz时四个子阵列的输出端口电流的比值为1:1.82：1.82：1-1:1.86:1.86:1；
所述介质层二上设置有四个子阵列，子阵列为设置在所述介质层一上的2*1辐射贴片；在8个辐射贴片上加载有2个8*8超表面。
2.根据权利要求1所述的一种加载超表面的宽带低副瓣圆极化阵列天线，其特征在于，所述辐射贴片辐射边中心处串联一段传输线，通过所述传输线连接所述馈电网络。
3.根据权利要求2所述的一种加载超表面的宽带低副瓣圆极化阵列天线，其特征在于，所述传输线的长度为1.5-1.7mm。
4.根据权利要求2所述的一种加载超表面的宽带低副瓣圆极化阵列天线，其特征在于，所述传输线的长度为1.685mm。
5.根据权利要求1所述的一种加载超表面的宽带低副瓣圆极化阵列天线，其特征在于，所述介质层二为厚度为0.524mm-5mm型号为RT/duriod5880的介质板；所述介质层一为厚度为0.524mm-5mm型号为RT/duriod5880的介质板，所述介质层二贴合在所述介质层一上。
6.根据权利要求1所述的一种加载超表面的宽带低副瓣圆极化阵列天线，其特征在于，所述介质层二的厚度为2mm；所述介质层一的厚度为1mm。
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