CN110148834A - 基于非谐振式超界面的高增益对数周期天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于非谐振式超界面的高增益对数周期天线，包括Rogers RT5880介质基板、上层金属层、下层金属层及金属半圆环；本发明在Rogers RT5880介质基板的正反两面刻蚀两层金属贴片，使两层的偶极子阵列呈镜像对称排列，且每层的偶极子阵列都由倾斜馈线相连接。馈电方式为基片集成波导馈电。非谐振式超界面由金属半圆环贴片组成，在27‑40GHz工作频段内可等效成折射率恒为1.5的梯度透镜，将其设置在对称排列的偶极子中间时，天线的低频带增益得到显著提高，缩小了与高频带增益的差量；将其加载在偶极子的上方时，天线增益在整个工作频段内均得到了提高。将前两种排布方式相结合，该超界面对数周期天线的增益提高了1‑4dB，且低频段与高频段的增益值分布更均匀，增益浮动量由5.3dB降低至3.4dB,使其在无线通讯系统中具有较强的应用价值。

Description

基于非谐振式超界面的高增益对数周期天线

技术领域

本发明涉及通讯设备技术领域，尤其是一种基于非谐振式超界面的高增益对数周期天线。

背景技术

宽频带定向性天线是无线通信前端系统中的重要器件，随着时代的需求而不断地发展和改进。宽频带天线也被称为非频变天线，即该类天线在特定较宽的频率范围内，其重要特性，包括方向图、极化、阻抗等保持不变。对数周期偶极子阵列天线就是广泛应用的非频变天线的一种，自二十世纪六十年代被提出以来便得到了广泛的关注。由于传统的对数周期天线方向性低且尺寸较大，因此如何提高天线增益并减小尺寸成为对数周期天线的研究重点。而提高天线增益最普遍的方法是构建阵列，但是该方法毫无疑问将会增大天线的体积，使得设计变得复杂并提升了制作成本。

最近几年超界面由于其奇异的电磁性质而被广泛应用于微波器件和天线中。其中零折射率材料在改善天线增益方面有着突出的作用，被大量应用于贴片天线以及定向性天线中。存在的问题是，零折射率结构基于材料的谐振特性，损耗较大，且色散强，限制了其在通信领域中的应用。如何在超界面结构通过远离谐振点方式，产生非谐振响应，从而避免损耗大的问题，因此非谐振超界面的研究将显得十分必要。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种基于非谐振式超界面的高增益对数周期天线，本发明采用在Rogers RT5880介质基板的正反两面分别刻蚀上层金属层及下层金属层，在上层金属层及下层金属层上设置偶极子阵列，且偶极子阵列沿中轴反对称设置，采用将数件金属半圆环按M行N列排列构成非谐振超界面，非谐振超界面分别刻蚀在Rogers RT5880介质基板的正反两面的偶极子阵列的周边，两面的非谐振超界面沿中轴反对称设置；本发明有效的提高了宽频带天线的增益，并减小了整个频带上的增益差量，有利于该定向天线在无线通信中的应用。而且该结构可直接刻蚀在天线的基板上，没有带来任何加工负担，也无需增大天线的体积，实现了高增益天线的小型化。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种基于非谐振式超界面的高增益对数周期天线，其特点包括Rogers RT5880介质基板、上层金属层、下层金属层及金属半圆环；

所述上层金属层由一条倾斜馈线与一块矩形基片构成，倾斜馈线上设有数条水平偶极子构成偶极子阵列，矩形基片上设有中轴，沿中轴线在矩形基片上方设有第一梯形微带线、下方设有第二梯形微带线及延伸微带线，倾斜馈线的底部与矩形基片的第一梯形微带线连接；

所述下层金属层与上层金属层的倾斜馈线及数条水平偶极子相同设置，下层金属层与上层金属层矩形基片上的第一梯形微带线相同设置；

所述上层金属层及下层金属层分别刻蚀在Rogers RT5880介质基板的正反两面，且上层金属层及下层金属层沿中轴反对称设置；

所述金属半圆环为数件，按M行N列排列构成非谐振超界面，非谐振超界面设置在偶极子阵列的周边，并分别刻蚀在Rogers RT5880介质基板的正反两面，非谐振超界面沿中轴反对称设置；

所述Rogers RT5880介质基板、上层金属层及下层金属层之间设有通孔，所述通孔为两排，分别沿中轴设于矩形基片第一梯形微带线与第二梯形微带线的两侧。

所述上层金属层、下层金属层及金属半圆环的材质均为铜。

所述上层金属层、下层金属层及金属半圆环采用掩膜刻蚀法生成在RogersRT5880介质基板上。

所述通孔的内壁设有铜膜。

本发明采用在Rogers RT5880介质基板的正反两面分别刻蚀上层金属层及下层金属层，在上层金属层及下层金属层上设置偶极子阵列，且偶极子阵列沿中轴反对称设置，采用将数件金属半圆环按M行N列排列构成非谐振超界面，非谐振超界面分别刻蚀在RogersRT5880介质基板的正反两面的偶极子阵列的周边，两面的非谐振超界面沿中轴反对称设置；本发明有效的提高了宽频带天线的增益，并减小了整个频带上的增益差量，有利于该定向天线在无线通信中的应用。而且该结构可直接刻蚀在天线的基板上，没有带来任何加工负担，也无需增大天线的体积，实现了高增益天线的小型化。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1的俯视图；

图3为图1的仰视图；

图4为本发明上层金属层的结构示意图；

图5为本发明下层金属层的结构示意图；

图6为金属半圆环的结构示意图；

图7为非谐振超界面在偶极子阵列中部排布的结构示意图；

图8为非谐振超界面在偶极子阵列上部排布的结构示意图；

图9为非谐振超界面在偶极子阵列中部及上部排布的结构示意图；

图10为非谐振超界面结构的折射率值n曲线示意图；

图11为未加载非谐振超界面及加载不同排列方式超界面结构的馈电端口S₁₁曲线示意图；

图12为未加载非谐振超界面及加载不同排列方式超界面结构的天线增益曲线示意图。

具体实施方式

参阅图1、图2、图3，本发明包括Rogers RT5880介质基板1、上层金属层2、下层金属层3及金属半圆环4；

参阅图1、图2、图4，所述上层金属层2由一条倾斜馈线21与一块矩形基片22构成，倾斜馈线21上设有数条水平偶极子构成偶极子阵列211，矩形基片22上设有中轴，沿中轴线在矩形基片22上方设有第一梯形微带线221、下方设有第二梯形微带线222及延伸微带线223，倾斜馈线21的底部与矩形基片22的第一梯形微带线221连接；

参阅图1、图3、图5，所述下层金属层3与上层金属层2的倾斜馈线21及数条水平偶极子211相同设置，下层金属层3与上层金属层2矩形基片22上的第一梯形微带线221相同设置；

参阅图1、～图5，所述上层金属层2及下层金属层3分别刻蚀在Rogers RT5880介质基板1的正反两面，且上层金属层2及下层金属层3沿中轴反对称设置；

参阅图1、图2、图6，所述金属半圆环4为数件，按M行N列排列构成非谐振超界面41，非谐振超界面41设置在偶极子阵列211的周边，并分别刻蚀在Rogers RT5880介质基板1的正反两面，非谐振超界面41沿中轴反对称设置；

所述Rogers RT5880介质基板1、上层金属层2及下层金属层3之间设有通孔5，所述通孔5为两排，分别沿中轴设于矩形基片22第一梯形微带线221与第二梯形微带线222的两侧。

参阅图4、图5、图6，所述上层金属层2、下层金属层3及金属半圆环4的材质均为铜。

参阅图1、图2、图3，所述上层金属层2、下层金属层3及金属半圆环4采用掩膜刻蚀法生成在Rogers RT5880介质基板1上。

参阅图2、图3，所述通孔5的内壁设有铜膜。

参阅图7、图8、图9，本发明的金属半圆环4按M行N列排列构成非谐振超界面41，金属半圆环4采用不同的排列方式，即可改善宽频带天线的不同的增益响应。

参阅图7、图8、图9，本发明将金属半圆环4构成的非谐振超界面41，通过非谐振超界面用于设计恒折射率透镜，实现对入射波波前的修正，实现从准柱面波和球面波向平面波的转换，进而改善天线的方向性，而且非谐振的性质满足了宽频带低损耗的需求。即可获得不同频率点的增益增量值。

参阅图6、图7、图8、图9，为提高宽频带天线的增益响应，本发明采用将数件金属半圆环4按M行N列排列构成的非谐振超界面41结构，该结构在Ka波段表现为非谐振特性，损耗很小。金属半圆环4可按照一定排列直接刻蚀在Rogers RT5880介质基板1的正反两面沿中轴反对称设置，将非谐振超界面41设置在偶极子阵列211的不同位置，有效的提高了宽频带天线的增益，并减小了整个频带上的增益差量，使得天线在不改变其他参数的情况下，明显改善了宽频带天线的增益响应。

参阅图4、图5，本发明将上层金属层2及下层金属层3分别刻蚀在Rogers RT5880介质基板1的正反两面，且上层金属层2及下层金属层3沿中轴反对称设置，即上层金属层2与下层金属层3的倾斜馈线21形似一对“钳模型”，倾斜馈线21上设有数条水平偶极子构成偶极子阵列211，倾斜馈线21用于将波传输到每一对偶极子阵列中，通过偶极子阵列211将电磁波辐射到自由空间，与双元印刷对数周期天线相比，本发明在明显减少偶极子数量的情形下，具有与双元对数周期天线相似的性质。

参阅图2、图3，本发明在Rogers RT5880介质基板1、上层金属层2及下层金属层3之间设有通孔5，所述通孔5为两排，分别沿中轴设于矩形基片22第一梯形微带线221与第二梯形微带线222的两侧，且通孔5的内壁设有铜膜，两排通孔5设置，构成矩形波导的金属壁。

参阅图2、图3，本发明在上层金属层2的矩形基片22上设有中轴，沿中轴线在矩形基片22上方设有第一梯形微带线221、下方设有第二梯形微带线222及延伸微带线223；在下层金属层3上设置了与上层金属层2矩形基片22上相同的第一梯形微带线221；第一梯形微带线221、第二梯形微带线222的设置以实现波从延伸微带线223馈线结构到倾斜馈线21的阻抗匹配。

本发明的工作频段适用于27GHz-40GHz，非谐振超界面结构在工作频段内其等效介电常数为2.1，折射率为1.5。

本发明选用的Rogers RT5880介质基板1的相对介电常数为2.2，厚度为0.508mm。

实施例1

参阅图7、图12，将非谐振超界面41按3行排列，加载在偶极子阵列211中部，仿真与测试结果表明，加载该非谐振超界面41的结构，天线增益在低频段27-29GHz内得到明显提高,改善了低频时的增益值，减小了其与高频点的增益差量，有利于其在无线通讯系统中的应用，其增益结果见图12中的case 2；原天线的结果见图12中的case 1。

实施例2

参阅图8、图12，将非谐振超界面41按6行3列加6行列排列，加载在偶极子阵列211上部，仿真与测试结果表明，加载该非谐振超界面41的结构，天线增益值在整个频带上提高了1-1.85dB, 其增益结果见图12中的case 3。

实施例3

参阅图9、图11、图12，将非谐振超界面41按6行3列加6行列排列，加载在偶极子阵列211上部，将非谐振超界面41按3行排列，加载在偶极子阵列211中部，仿真与测试结果表明，加载该非谐振超界面41的结构，不仅减小了低频段与高频段的增益差量，也提高了所有频率点的增益值，其增益结果见图11、图12，增益增量最高可达到4dB,且增益浮动量也由5.3dB降至3.4dB。

参阅图11，本发明实施例1、2及3的馈电端口S₁₁满足整个工作带宽在-10dB 以下。

参阅图10，本发明非谐振超界面41在27GHz-40GHz工作带宽内，其折射率n实部及图中实线趋近为1、虚部及图中虚线趋近为0，保证了由超界面41所构成的透镜折射率的基本恒定。

Claims (4)

1.一种基于非谐振式超界面的高增益对数周期天线，其特征在于，它包括RogersRT5880介质基板（1）、上层金属层（2）、下层金属层（3）及金属半圆环（4）；

所述上层金属层（2）由一条倾斜馈线（21）与一块矩形基片（22）构成，倾斜馈线（21）上设有数条水平偶极子构成偶极子阵列（211），矩形基片（22）上设有中轴，沿中轴线在矩形基片（22）上方设有第一梯形微带线（221）、下方设有第二梯形微带线（222）及延伸微带线（223），倾斜馈线（21）的底部与矩形基片（22）的第一梯形微带线（221）连接；

所述下层金属层（3）与上层金属层（2）的倾斜馈线（21）及数条水平偶极子（211）相同设置，下层金属层（3）与上层金属层（2）矩形基片（22）上的第一梯形微带线（221）相同设置；

所述上层金属层（2）及下层金属层（3）分别刻蚀在Rogers RT5880介质基板（1）的正反两面，且上层金属层（2）及下层金属层（3）沿中轴反对称设置；

所述金属半圆环（4）为数件，按M行N列排列构成非谐振超界面（41），非谐振超界面（41）设置在偶极子阵列（211）的周边，并分别刻蚀在Rogers RT5880介质基板（1）的正反两面，非谐振超界面（41）沿中轴反对称设置；

所述Rogers RT5880介质基板（1）、上层金属层（2）及下层金属层（3）之间设有通孔（5），所述通孔（5）为两排，分别沿中轴设于矩形基片（22）第一梯形微带线（221）与第二梯形微带线（222）的两侧。

2.根据权利要求1所述的基于非谐振式超界面的高增益对数周期天线，其特征在于，所述上层金属层（2）、下层金属层（3）及金属半圆环4的材质均为铜。

3.根据权利要求1所述的基于非谐振式超界面的高增益对数周期天线，其特征在于，所述上层金属层（2）、下层金属层（3）及金属半圆环（4）采用掩膜刻蚀法生成在Rogers RT5880介质基板（1）上。

4.根据权利要求1所述的基于非谐振式超界面的高增益对数周期天线，其特征在于，所述通孔（5）的内壁设有铜膜。