CN110034413A - 一种加载超表面的无遮挡波束偏转天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种加载超表面的无遮挡波束偏转天线，涉及通信天线技术领域，加载超表面的无遮挡波束偏转天线，其包括接地板和覆盖于接地板上的底层介质板，底层介质板上设置有微带天线，底层介质板的正上方间隔设置有顶层介质板，顶层介质板上设置有超表面，超表面位于微带天线的斜上方。本方案中的波束偏转天线体积小、功耗低，能够适用于小型飞行器中，且能够极大地降低了微带天线辐射的损耗，提高波束偏转天线的增益。

Description

一种加载超表面的无遮挡波束偏转天线
技术领域
本发明涉及通信天线技术领域，特别是涉及一种加载超表面的无遮挡波束偏转天线。
背景技术
高效灵活地实现天线波束扫描是天线设计领域中重要的研究课题。传统的波束扫描手段包括机械扫描、反射阵列、模拟/数字波束形成、寄生偏转、集成透镜天线、行波天线等。上述方法在实际应用中各有不足，如低扫描速率、低扫描分辨率、大量引入移相器放大器、高插损、大尺寸、成本高等。由人工周期结构组成的超材料拥有自然材料无法提供的电磁特性，超材料的亚波长结构单元，即超构原子(meta-Atom)在入射工作波长条件下可做出异常电磁响应并呈现整体有效参数，如负磁导率和负折射率。超表面是超材料的二维对应，超表面通常是借助相位梯度超表面(phase-gradient metasurface)来实现的，其基本原理是超表面的超构原子可以使入射波发生不同的相位偏移，根据广义斯奈尔定律，入射波会在超表面上产生异常传播或反射，从而实现波束偏转。
相控阵雷达天线是现有最常用的波束偏转天线，其最大的优点在于可扫描大范围的区域以便发现目标，同时由于相控阵雷达体积较大、功耗较大等缺点，其无法适用于小型无人机防撞雷达等应用中。
发明内容
针对现有技术中的上述问题，本发明提供了一种加载超表面的无遮挡波束偏转天线，解决了现有技术中的波束偏转天线体积大、功耗大不适用于小型飞行器的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
提供一种加载超表面的无遮挡波束偏转天线，其包括接地板和覆盖于接地板上的底层介质板，底层介质板上设置有微带天线，底层介质板的正上方间隔设置有顶层介质板，顶层介质板上设置有超表面，超表面位于微带天线的斜上方。
进一步地，超表面与微带天线在竖直方向上无重叠，且在水平方向上间隔设置。使得天线辐射的正上方无金属遮挡，尽可能的降低超表面对微带天线辐射性能的影响。
进一步地，超表面与微带天线的水平间距为1.10～1.35mm。水平间距在1.10～1.35mm内超表面对微带天线波束影响最大。
进一步地，超表面位于微带天线的右侧。应用超表面实现波束偏转的原理在于超表面处的折射率要远小于介质板的折射率，超表面位于微带天线的右侧，当微带天线辐射的电磁波透过超表面时，其路径会向右进行偏转。而微带天线的辐射方向图是左右对称的，最终导致微带天线的波束向左偏转。
进一步地，超表面与微带天线均为超薄二维平面，均可集成到介质板上。加工时只需要将超表面和微带天线光刻到介质板上即可，安装只需要固定两块介质板即可完成波束偏转天线的安装，使加工和安装更加便利。
进一步地，接地板、底层介质板和顶层介质板的形状和大小相同。顶层介质板与底层介质板、接地板形状和大小相同是为了将微带天线辐射的电磁波全部覆盖，且便于安装和固定。
进一步地，顶层介质板与底层介质板的垂直间距为0.8～1.3mm。此间距内对微带天线波束影响最大。
进一步地，微带天线的馈电线为矩形微带线。矩形微带线也是超薄二维结构，便于加工和安装，通过控制插入位置易于与微带天线实现阻抗匹配，且拥有相当简单的模型。
本发明的有益效果为：本方案中的波束偏转天线通过将超表面加载在天线的上方，能够大大提高天线的带宽，使整个设计结构简单紧凑、功耗低，能够适用于小型飞行器防撞雷达等应用中；超表面设置在微带天线的斜上方，使微带天线正上方无金属遮挡，只存在介质，极大地降低了微带天线辐射的损耗，提高波束偏转天线的增益。
附图说明
图1为加载超表面的无遮挡波束偏转天线的结构示意图。
图2为未加载超表面时微带天线的方向图。
图3为加载超表面5后微带天线3的方向图。
图4为加载超表面的无遮挡波束偏转天线的S11图。
图5为加载超表面的无遮挡波束偏转天线的VSWR图。
其中，1、接地板；2、底层介质板；3、微带天线；4、顶层介质板；5、超表面。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
实施例1
如图1所示，一种加载超表面的无遮挡波束偏转天线包括接地板1和覆盖于接地板1上的底层介质板2，底层介质板2上设置有微带天线3，底层介质板2的正上方间隔设置有顶层介质板4，顶层介质板4上设置有超表面5，超表面5位于微带天线3的斜上方。
实施例2
根据实施例1所述的一种加载超表面的无遮挡波束偏转天线，其区别在于：
超表面5与微带天线3在竖直方向上无重叠，且在水平方向上间隔设置，水平间距优选为1.10～1.35mm之间，优选地，超表面5位于微带天线3的右侧。
超表面5与微带天线3均为超薄二维平面，以方便加工和安装。接地板1、底层介质板2和顶层介质板4的形状和大小相同，使整个波束偏转天线结构更简单、规整，方便安装。顶层介质板4与底层介质板2的垂直间距为0.8～1.3mm。微带天线3由矩形微带线进行馈电。
图2为未加载超表面5时微带天线3的方向图，由图中可知其增益为7.34dBi。
图3为加载超表面5后微带天线3的方向图，由于超表面5的折射率大于顶层介质板4的折射率，故波束会向X方向偏转，H面方向图偏转38°，增益增大为8.60dBi，比未加载超表面5的增益提高17.2％。
图4为加载超表面的无遮挡波束偏转天线的S11图，从图中可以看出，本波束偏转天线的频点位于77.15GHz，在频点处的S11＝-24.54dB，-10dB波束宽度为2.5GHz(75.94GHz-78.44GHz)。
图5为加载超表面的无遮挡波束偏转天线的VSWR图，可以看出在天线的频带内VSWR(电压驻波比)均小于2。

Claims (8)

1.一种加载超表面的无遮挡波束偏转天线，其特征在于，包括接地板(1)和覆盖于接地板(1)上的底层介质板(2)，所述底层介质板(2)上设置有微带天线(3)，所述底层介质板(2)的正上方间隔设置有顶层介质板(4)，所述顶层介质板(4)上设置有超表面(5)，所述超表面(5)位于所述微带天线(3)的斜上方。
2.根据权利要求1所述的加载超表面的无遮挡波束偏转天线，其特征在于，所述超表面(5)与所述微带天线(3)在竖直方向上无重叠，且在水平方向上间隔设置。
3.根据权利要求2所述的加载超表面的无遮挡波束偏转天线，其特征在于，所述超表面(5)与所述微带天线(3)的水平间距为1.10～1.35mm。
4.根据权利要求3所述的加载超表面的无遮挡波束偏转天线，其特征在于，所述超表面(5)位于所述微带天线(3)的右侧。
5.根据权利要求1～4任一所述的加载超表面的无遮挡波束偏转天线，其特征在于，所述超表面(5)与所述微带天线(3)均为超薄二维平面。
6.根据权利要求1所述的加载超表面的无遮挡波束偏转天线，其特征在于，所述接地板(1)、底层介质板(2)和顶层介质板(4)的形状和大小相同。
7.根据权利要求1所述的加载超表面的无遮挡波束偏转天线，其特征在于，所述顶层介质板(4)与所述底层介质板(2)的垂直间距为0.8～1.3mm。
8.根据权利要求1所述的加载超表面的无遮挡波束偏转天线，其特征在于，所述微带天线(3)的馈电线为矩形微带线。
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