CN110311214B - 基于单层人工表面等离激元的宽带高隔离度双圆极化天线 - Google Patents

基于单层人工表面等离激元的宽带高隔离度双圆极化天线 Download PDF

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Abstract

本发明属于微波天线技术领域，公开了一种基于单层人工表面等离激元的宽带高隔离度双圆极化天线；包括：一个辐射器、两个垂直放置的差分馈电巴伦和一个金属反射板；辐射器位于地板上方，两个巴伦的上端与辐射器连接、巴伦的下端穿过金属地板和馈电的同轴线相连接。辐射器由四个偶极子、两对馈电线和四个寄生金属环构成。两对馈电线包括一对共面带线和一对基于奇模的人工表面等离激元传输线。对设计的天线进行了全波电磁仿真和加工测试，验证该天线在设计的频段内能够实现宽带高隔离度的双圆极化辐射。本发明具有隔离度高，轴比带宽宽，口径效率高和易加工等特点，有着广阔的应用前景。

Description

基于单层人工表面等离激元的宽带高隔离度双圆极化天线
技术领域
本发明属于微波天线技术领域，尤其涉及一种基于单层人工表面等离激元的宽带高隔离度双圆极化天线。
背景技术
目前，最接近的现有技术：一类是使用一条弯折的微带线，在地板刻蚀两个相互正交的槽，两个槽之间的微带线距离为四分之一个波导波长，以此保证缝隙之间的馈电相位相差90度。由于这种结构几何上的对称性，天线能够在两个端口分别馈电时形成双圆极化。但是由于每个缝隙上的馈电幅度不均匀，导致大约40％左右的低的天线口径效率。另外还有将辐射缝隙替换为辐射贴片结构的双圆极化天线，天线的结构有所简化，增益有所提高，但口径效率仍然不高。第二类是采用共用的串联馈电贴片阵列结构，在共口径下实现双圆极化，但这种天线由于各个单元之间存在强的电连接，导致仅有12dB左右的端口隔离度。第三类是一类在几何结构上对称的单极子和缝隙天线，这类天线能实现高的端口隔离度，但是由于没有反射地板，导致天线的辐射方向图是双向的，不能实现定向的方向图，限制了这类天线的应用。第四类是对双线极化天线集成3-dB电桥设计，分别将双极化的两个线极化端口与3-dB电桥的两个输出端口相连接，从而形成双圆极化辐射，这类天线有良好的性能，但是需要额外的馈电网络，增加了设计的复杂度。
综上所述，现有技术存在的问题是：现有的双圆极化天线口径效率低、隔离度低、结构复杂。
解决上述技术问题的难度：实现共口径的双圆极化辐射的难点在于在有限的尺寸范围内同时达到高口径效率，高隔离度，宽带等特点。
解决上述技术问题的意义：人工表面等离激元传输线在本发明中的作用是引入圆极化形成所需的90度相差，并且不增加额外的延时结构，因此用来展宽隔离度带宽的寄生环可以加载，最终实现宽带、高隔离度、高口径效率的共口径双圆极化天线。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于单层人工表面等离激元的宽带高隔离度双圆极化天线。
本发明是这样实现的，一种基于单层人工表面等离激元的宽带高隔离度双圆极化天线，所述基于单层人工表面等离激元的宽带高隔离度双圆极化天线包括：一个辐射器、两个集成的差分馈电巴伦和一个金属反射板，结构中对应的参数分别是Wg＝161mm,H＝40mm,s_w＝85mm,d_l＝71.8mm,p_w＝2mm,p_l＝21mm,p_gap＝2.6mm,cps_gap＝1.3mm,cps_gap＝2.6mm,f_w1＝1.4mm,f_w2＝1.88mm,f_w3＝0.3mm,f_l1＝16mm,f_l2＝25.8mm,f_l3＝16mm.其中，包含了人工表面等离激元传输线的辐射器，能实现共口径的双圆极化辐射。加载在辐射体上的四个寄生环，能实现宽带的双圆极化的端口隔离度。两个正交放置的差分馈电巴伦，能激励辐射体，同时由于差分信号的使用，宽带内的稳定方向图得以实现。
辐射器放置在金属反射板上方；辐射器由一对共面带线、一对基于单层人工表面等离激元的传输线、四个偶极子和四个寄生环构成；
两个相互正交放置的差分馈电巴伦在辐射器和金属反射板之间，差分馈电巴伦的上端和辐射器相连接，下端穿过金属反射板，和馈电的同轴线相连接。
进一步，所述辐射器印刷在单面覆铜介质板上，垂直差分馈电巴伦印刷在双面覆铜介质板上。
进一步，在一对共面带线和一对基于单层人工表面等离激元的传输线之间，由于人工表面等离激元的延时效应，相位差能够实现。
进一步，两对传输线组成的馈电结构关于天线的几何中心对称，四个偶极子可以被分成两对，分别被两对馈电线激励。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述基于单层人工表面等离激元的宽带高隔离度双圆极化天线的无线通信系统。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明利用本征模计算方法分析了奇模单层人工表面等离激元的模式特性以及相对应模式的色散特性。同时对于设计的天线进行了全波仿真和加工测试，验证了该天线在所设计的频段内能实现15dB以上的隔离度和小于3dB的轴比的双圆极化辐射。该双圆极化天线具有结构简单、宽带、和高口径效率高的特点。同时引入的人工表面等离激元新型电磁结构能够在不增加额外延时结构的情况下，实现延时，从而给寄生结构的加载留下空间，进一步实现高的隔离度。如对比表格所示，相比较于现有的双圆极化天线，本设计拥有86％的口径效率，38％带宽内端口隔离度大于15dB，以及50％的双圆极化轴比带宽。同时，所设计的天线实现了稳定的定向方向图，增加了应用场景范围。
参考文献 轴比带宽 增益 隔离带宽 辐射方向
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[2] 80.7％ 4.5dBi >14.7dB,80.7％ 双向
[3] 17.2％ 13.7dBi >15dB,18.2％ 定向
[4] 16％ 9.8dBi >10dB,19％ 定向
[5] 12.4％ 7.3dBi >15dB,12.4％ 定向
[6] 22.5％ 7dBi >15dB,29.3％ 定向
本发明 50％ 9.7dBi >15dB,38.4％ 定向
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本发明使用集成的奇模单层人工表面等离激元结构与传统共面带线传输线共同使用，能够在不增加额外延时结构的情况下实现90度相位差。由于单层对称结构的使用，实现了共口径的双圆极化工作。进一步为了提高两个圆极化模式端口的隔离度，四个寄生环被引入以提高隔离度。最终，一个共口径具有高的隔离度和宽带特性的双圆极化天线实例被设计出来。
与现有技术相比，本发明的优势是：
1、本发明利用奇模的单层人工表面等离激元结构实现相移，可以在不增加额外延时线的情况下实现圆极化于集成其他用于提高性能的结构。
2、本发明所涉及的双圆极化天线实现了共口径的双圆极化辐射，同时实现了高的口径效率。
3、本发明所使用的寄生环结构，实现了38％的隔离度带宽(>15dB)和50％的3-dB轴比带宽，显示了其宽带和高隔离度的高性能特性。
4、在本发明中，设计的天线均采用印刷介质板的方式，结构简单，易于加工。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于单层人工表面等离激元的宽带高隔离度双圆极化天线的结构示意图；
图中：1、辐射器；2、差分馈电巴伦；3、金属反射板；4、支撑柱。
图2是本发明实施例提供的基于单层人工表面等离激元的宽带高隔离度双圆极化天线的原理示意图。
图3是本发明实施例提供的奇模单层人工表面等离激元单元和共面带线单元所对应的结构和色散曲线对比示意图。
图4是本发明实施例提供的双圆极化天线的S参数的仿真和测试结果图。
图5是本发明实施例提供的双圆极化天线的轴比和增益仿真和测试结果图(分别对应左旋圆极化模式和右旋圆极化模式)。
图6是本发明实施例提供的双圆极化天线在中心频点的辐射方向图；
图中：(a)左旋端口激励；(b)右旋端口激励。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提出的基于奇模单层人工表面等离激元的宽带高隔离度双圆极化天线，达到了高的口径效率，宽的端口隔离度以及定向辐射，大大提高了双圆极化天线的应用范围。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的基于单层人工表面等离激元的宽带高隔离度双圆极化天线包括：辐射器1、差分馈电巴伦2、金属反射板3、支撑柱4。
一个辐射器1、两个垂直放置的差分馈电巴伦2和一个金属反射板3；辐射器1位于金属反射板3上方，两个差分馈电巴伦2的上端与辐射器1连接、差分馈电巴伦2的下端穿过金属反射板3和馈电的同轴线相连接；辐射器1由四个偶极子、两对馈电线和四个寄生金属环构成。两对馈电线包括一对共面带线和一对基于奇模的人工表面等离激元传输线。
下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。
本发明实施例提供的基于单层人工表面等离激元的宽带高隔离度双圆极化天线包括：一个辐射器1、两个集成的差分馈电巴伦2和一个金属反射板3；
辐射器1放置在金属反射板3上方；辐射器1由一对共面带线、一对基于单层人工表面等离激元的传输线、四个偶极子和四个寄生环构成；
两个相互正交放置的差分馈电巴伦2在辐射器1和金属反射板3之间，差分馈电巴伦2的上端和辐射器1相连接，下端穿过金属反射板3，和馈电的同轴线相连接。
辐射器1印刷在单面覆铜介质板上，垂直差分馈电巴伦2印刷在双面覆铜介质板上。
在一对共面带线和一对基于单层人工表面等离激元的传输线之间，由于人工表面等离激元的慢波效应，传输相位差存在于两种馈电线之间，合理设计人工表面等离激元单元的结构，可以产生90度的相位差，以此激励圆极化辐射。
两对传输线组成的馈电结构关于天线的几何中心对称，四个偶极子可以被分成两对，分别被两对馈电线激励。
证明部分：如图3所示的仿真和测试的S参数结果，测试结果和仿真结果吻合的很好，表明所设计的天线在所工作带宽内，|S11|<-10dB，|S21|<-15dB，说明天线在所设计的带宽内能良好工作。图5给出了天线的轴比和增益测试结果，测试结果表明，该天线在工作频段内轴比小于3dB，具有良好的圆极化性能，同时增益较稳定。图6是当天线分别处于两个圆极化模式下中心频点处的辐射方向图，可以看到，辐射方向图对称，并且两个圆极化状态的方向图具有良好的一致性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于单层人工表面等离激元的宽带高隔离度双圆极化天线，其特征在于，所述基于单层人工表面等离激元的宽带高隔离度双圆极化天线包括：一个辐射器、两个集成的差分馈电巴伦和一个金属反射板；
辐射器放置在金属反射板上方；辐射器由一对共面带线、一对基于单层人工表面等离激元的传输线、四个偶极子和四个寄生环构成；
两个相互正交放置的差分馈电巴伦在辐射器和金属反射板之间，差分馈电巴伦的上端和辐射器相连接，下端穿过金属反射板，和馈电的同轴线相连接；
所述辐射器印刷在单面覆铜介质板上，垂直差分馈电巴伦印刷在双面覆铜介质板上；
在一对共面带线和一对基于单层人工表面等离激元的传输线之间，由于人工表面等离激元的延时效应，相位差为90°能够实现；
两对传输线组成的馈电结构关于天线的几何中心对称，四个偶极子被分成两对，分别被两对馈电线激励。
2.一种应用权利要求1所述基于单层人工表面等离激元的宽带高隔离度双圆极化天线的无线通信系统。
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