CN110854527A - 基于超表面的双极化高性能宽带天线及其阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于超表面的双极化天线及其阵列，属于微波天线技术领域。该天线包括第一介质基板、金属地板、第二介质基板，第一介质基板上表面周期设置有辐射贴片，外侧一圈辐射贴片通过金属柱与地板连接；地板刻蚀有十字形槽与矩形槽；第二介质基板下表面设置有微带馈电结构。本发明通过在外侧辐射贴片加载金属柱，能够抑制表面波的传播，改善天线的辐射性能。相对于有金属柱加载的双极化超表面天线，无金属柱加载的容性超表面天线能够减小引入天线的等效电感，从而展宽天线的工作带宽。将本发明提出的天线单元组阵，且在单元之间加载条形蘑菇结构，能够提高端口间的隔离度，实现高增益、低交叉极化的双极化天线阵列设计。

Description

基于超表面的双极化高性能宽带天线及其阵列
技术领域
本发明属于微波天线技术领域，具体涉及一种基于超表面的双极化高性能宽带天线及其阵列。
背景技术
双极化天线具有增加系统的容量，减少多径干扰等优点，从而被广泛应用于现代雷达系统和无线通信系统。微带贴片天线具有低剖面、低成本等优点，被广泛用于双极化天线的设计。在2008年，I.Ac′imovic在论文“Dual-polarized microstrip patch planararray antennas with improved port-to-port isolation”中采用微带和缝隙耦合的混合馈电方法，实现了高隔离度的双极化微带天线设计。在2018年，W.Y.Qin在论文“Dual-polarized and wide-angle scanning microstrip phased array”中采用耦合馈电技术，设计了一种应用于大角度扫描相控阵的微带天线。但对于传统的微带天线，由于高品质因数的影响，其带宽较窄，从而不能满足现代无线通信系统的需求。
为了展宽传统双极化微带天线的工作带宽，许多技术得到了发展和应用。Z.Y.Tang在论文“A wideband differentially fed dual-polarized stacked patchantenna with tuned slot excitations”中采用加载寄生结构，激励新的谐振点，从而展宽了天线的工作带宽；H.Wang在论文“Design of dual-polarized l-probe patchantenna arrays with high isolation”中采用L形探针耦合馈电，通过引入电容抵消天线的电感，使得微带天线的工作带宽得到展宽；X.L.Jiang在论文“A planar wideband dual-polarized array for active antenna system”中采用缝隙耦合馈电和加载金属短路柱，不仅能够展宽天线的工作带宽，同时也能改善天线的辐射性能。基于以上的技术能够展宽天线的工作带宽，但增加了天线的剖面高度，同时使得天线的结构更复杂，加工更困难。
超表面(Metasurface,MS)天线作为一种新型的天线结构，在低剖面、宽带和高增益等天线中被广泛研究。在2014年，W.Liu首次在论文“Metamaterial-based low-profilebroadband mushroom antenna”中利用蘑菇结构实现了宽带的高增益超表面天线；其次，在2015年的论文“Metamaterial-based low-profile broadband aperture-coupled grid-slotted patch antenna”中分析了传统的超表面天线，通过激励相邻的两个工作模式，也实现了超表面天线的宽带特性。总体而言，超表面天线具有宽带、低剖面和良好的辐射等优点，但单一的超表面天线在整个工作频段约有3dB的增益波动，同时极化性能单一，不利于在现代的无线通信系统中的应用。
为了满足现代无线通信系统的需求，基于超表面的双极化天线在近年也得到了相应的研究。在2018年，W.C.Yang在论文“Low-profile wideband dual-circularlypolarized metasurface antenna array with large beamwidth”中采用非对称的微带馈电结构实现了双圆极化的超表面天线阵列，但极化端口间的隔离度仅仅大于15dB，且交叉极化比也仅仅大于13dB，很难满足无线通信的性能需求。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的缺陷，提供一种基于超表面的双极化宽带高性能天线及其阵列，本发明天线基于超表面实现了双极化特性，同时在组成阵列时，加载的矩形蘑菇结构，提高了端口之间的隔离度。
本发明所提出的技术问题是这样解决的：
一种基于超表面的双极化宽带天线，包括尺寸相同且紧密贴合的上层第一介质基板、中层金属地板、下层第二介质基板，所述第一介质基板上表面设置有N×N个等间距均匀排布的正方形辐射贴片；所述地板刻蚀有十字形槽与矩形槽，所述十字形槽的中心与地板中心重合且十字形槽的两条槽分支分别与地板的两条边平行；所述第二介质基板下表面设置有微带馈电结构，所述微带馈电结构包括两个结构相同且相互垂直的第一馈电结构、第二馈电结构，所述第一馈电结构、第二馈电结构均包括50欧姆微带线、四分之一的阻抗变换器和L形微带线，50欧姆微带线从底部中心向上延伸，末端连接反向设置的两个阻抗变换器，两个阻抗变换器另一端分别连接一段L形微带线；所述第一馈电结构、第二馈电结构有且仅在L形微带线处有一个交错点，所述地板上设置的矩形槽位于该交错点正下方，其中一条L形微带线在该交错点设置有U形弯折，与地板以及另一条L形微带线没有直接接触。
所述N×N个辐射贴片最外侧的一周辐射贴片中心点处设置有连接地板的金属柱，这一周的金属柱与天线结构的辐射贴片单元相连接，等效为一维的电磁带隙结构，能够抑制表面波的传播，从而降低天线的交叉极化，改善天线的辐射性能。
所述N的取值范围为4～10。
所述辐射贴片为4×4个均匀排布的正方形辐射贴片。
将所述的一种基于超表面的双极化天线作为天线单元，天线单元排成一维1×4阵列，相邻两天线单元的中心距为dis。为了提高天线阵列端口间的隔离度，相邻天线单元之间设置有间距相同的M个矩形辐射贴片，M个矩形辐射贴片分为两列，其中一列矩形辐射贴片的一侧设置有连通地板的金属柱，另一列矩形辐射贴片的另一侧设置有连通地板的金属柱。所述天线阵列的第二介质基板下表面还设置有两个一分四的T形功分器，两个一分四的T形功分器的末端分别连接一个天线单元的微带馈电结构。
将所述的一种基于超表面的双极化天线作为天线单元，天线单元排成二维2×2阵列，相邻两天线单元的中心距为dis，相邻天线单元之间设置有间距相同的M个矩形辐射贴片，M个矩形辐射贴片分为两列，其中一列矩形辐射贴片的一侧设置有连通地板的金属柱，另一列矩形辐射贴片的另一侧设置有连通地板的金属柱。天线阵列中心位置处还设置有一正方形辐射贴片，该正方形辐射贴片的中心位置设置有连通地板的金属柱。所述天线阵列的第二介质基板下表面还设置有两个一分4的T形功分器，两个一分四的T形功分器的末端分别连接一个天线单元的微带馈电结构。
本发明的有益效果是：
(1)本发明所述的基于超表面的双极化天线，通过采用周期排布的方形辐射贴片，并在最外层的一周辐射贴片中心点处设置有连接地板的金属柱，连接金属柱的辐射贴片能够形成一维的电磁带隙表面，从而抑制表面波的传播，降低天线的交叉极化，提高天线的辐射增益，且天线结构简单，易于加工和集成。
(2)本发明所述的基于超表面的双极化天线，能够通过减小辐射贴片间的间距，来改变引入的电容量，从而减小天线的结构尺寸，实现天线的小型化。
(3)本发明采用的非对称馈电结构，能够提高端口之间的隔离度。
(4)本发明所述的双极化天线阵列，通过在单元之间加载一维的矩形蘑菇结构，能够提高端口之间的隔离度。
(5)本发明所述的天线应用于平面二维阵列，能够实现宽带、高增益、高分辨率等性能。
(4)本发明所述的基于超表面的双极化天线，最外侧的一周辐射贴片中心点处所设置的连接地板的金属柱被移除时，能够减小天线引入的等效电感，展宽天线的工作带宽，实现具有良好性能的双极化天线，进而利用该双极化天线单元组成阵列，能够实现高隔离、低交叉极化的双极化天线阵列。该天线剖面低，结构简单，易于实现，且具有良好的辐射性能。
附图说明
图1为实施例一所述基于混合超表面的双极化天线的结构示意图，其中(a)俯视图；(b)侧视图；(c)背视图；
图2为实施例一中所述天线的单元结构的色散图；
图3为实施例一中所述天线的性能示意图，其中(a)S参数；(b)法向增益；
图4为实施例一中所述天线的TM10模的工作形式，(a)仿真的电场分布；(b)工作原理；
图5为实施例一中所述天线的TM20模的工作形式，(a)仿真的电场分布；(b)工作原理；
图6为实施例一中所述天线在5.5GHz频点的电流分布示意图，其中(a)Port1；(b)Port2；
图7为实施例一中所述天线在5.5GHz频点的辐射方向图示意图，其中(a)Port1；(b)Port2；
图8为实施例二中所述天线阵列的结构示意图，其中(a)俯视图；(b)背视图；
图9为实施例二中所述天线阵列的S参数示意图；
图10为实施例二中所述天线阵列的阵列辐射方向图；(a)Port1；(b)Port2；
图11为实施例三中所述2×2天线阵列的示意图，其中(a)阵列天线的俯视图；(b)天线阵列的馈电网络；
图12为实施例三中所述2×2天线阵列的性能示意图，其中(a)S参数；(b)边射增益；
图13为实施例三中所述2×2天线阵列在5GHz频点的辐射方向图示意图，其中(a)Port1；(b)Port2；
图14为实施例三中所述2×4天线阵列的结构示意图，其中(a)阵列天线的俯视图；(b)天线阵列的馈电网络；
图15为实施例三中所述2×4天线阵列在5GHz频点的辐射方向图；
图16为实施例四所述双极化超表面天线的结构示意图，其中(a)俯视图；(b)侧视图；(c)背视图；
图17为例四所述双极化超表面天线的S参数；
图18为实施例五所述1×4双极化超表面天线阵列的结构示意图，其中(a)俯视图；(b)背视图；
图19为实施例五所述1×4天线阵列的性能示意图，其中(a)S参数；(b)边射增益随频率的变化；
图20为实施例五所述1×4天线阵列在5GHz的辐射方向图，其中(a)Port1；(b)Port2；
图21为实施例五所述2×2天线阵列的结构示意图，其中(a)天线结构；(b馈电网络；
图22为实施例五所述2×2天线阵列在5GHz频点的辐射方向图，其中(a)Port1；(b)Port2。
附图标号说明：1为辐射贴片，2为金属柱，3为十字形槽，4为地板，5为第一介质基板，6为第二介质基板，7与8分别为垂直和水平极化的微带馈电结构；垂直极化馈电结构7包括50欧姆的微带馈线7-0、一个四分之一阻抗变化器7-1和2个L形微带线7-2；水平极化馈电结构8包括50欧姆微带线8-0、一个四分之一的阻抗变化器8-1和2个L型微带线8-2；十字形槽3包括分别平行于X轴与Y轴的矩形槽3-1和3-2；位于地板4上的矩形槽3-3；矩形蘑菇结构9由8个矩形辐射贴片9-0，四个连接地板的金属柱9-1和四个连接地板的金属柱9-2。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明。
实施例一
本实施例提供一种基于超表面的双极化天线，其结构示意图如图1所示，天线包括三层结构，其中包括尺寸相同且紧密贴合的上层第一介质基板5、中层地板4、下层第二介质基板6，所述第一介质基板5上表面设置有4×4个等间距均匀排布的正方形辐射贴片1；所述地板4刻蚀有十字形槽3与矩形槽3-3，所述十字形槽3的中心与地板4中心重合且十字形槽3的两条槽分支分别与地板的两条边平行；所述第二介质基板6下表面设置有微带馈电结构，所述微带馈电结构包括两个结构相同且相互垂直的第一馈电结构、第二馈电结构，所述第一馈电结构、第二馈电结构均包括50欧姆微带线、四分之一的阻抗变换器8-1和L形微带线，50欧姆微带线从底部中心向上延伸，末端连接反向设置的两个阻抗变换器，两个阻抗变换器另一端分别连接一段L形微带线；所述第一馈电结构、第二馈电结构有且仅在L形微带线处有一个交错点，所述地板上设置的矩形槽位于该交错点正下方，其中一条L形微带线在该交错点设置有U形弯折，与地板以及另一条L形微带线没有直接接触。其中，第一介质基板5和第二介质基板6都为聚四氟乙烯F4BM，相对介电常数为4.4，损耗正切角为0.0027；第一介质基板5的厚度为3.25mm，第二介质基板6的厚度为0.5mm；两介质基板的尺寸相同，均为Lg＝40mm，Wg＝40mm；正方形辐射贴片1的尺寸p＝7.2mm，辐射贴片的间距g＝0.5mm。
为了分析超表面天线的工作特性，首先基于传输线模型，通过以下方程对天线进行谐振频点的理论计算：
Figure BDA0002263869240000051
Figure BDA0002263869240000052
Figure BDA0002263869240000053
4βupx/π＝1-2βeΔL/π TM10 mode (4)
2βupx/π＝1-2βeΔL/πTM20 mode (5)
其中，h为第一介质板5的厚度，εr为介质板的相对介电常数，εre为介质板的等效介电常数，Wp为4×4辐射贴片的整体尺寸，ΔL为天线的有效延伸长度，βe为电磁波在介质板中等效的传播常数，βu为电磁波在周期结构中的传播常数，f为天线的工作频率，c为电磁波在真空中传播的速度。
仿真的色散曲线和方程式(4)与(5)的结果如图2所示，TM10与TM20模式的谐振频率分别为4.96GHz和5.75GHz。
为了验证基于超表面的双极化天线性能的优异性，对双极化天线进行仿真分析，其反射系数和法向的辐射增益如图3所示，由图可知，该天线的谐振频点分别为5.12GHz和5.85GHz，工作带宽为4.96-6.02GHz，隔离度大于18dB，法向增益大于6.8dBi，对比理论结果，两者吻合较好。为了更好的说明该天线的工作原理，天线在谐振频点5.12GHz和5.85GHz的电场分布如图4(a)和5(a)所示，该电场分布与传统微带贴片天线的TM10与TM20模式的电场分布相同，但该天线是通过辐射贴片之间的间隙辐射，辐射方式与传统贴片天线存在本质上的差异。在5.5GHz频点的地板电流分布如图6可知，该天线的电流分布主要集中于地板中心，因此，该结构能够抑制表面波沿地板表面的传播；如图3可知，基于超表面的双极化天线具有宽频带和良好的辐射性能；双极化天线设计的难点之一在于低交叉极化的实现，由图7可知，本发明采用的天线结构能够实现一个低交叉极化的辐射。
实施例二
本实施例提供一种基于超表面的双极化一维天线阵列，将实施例一中的天线作为天线单元，排成1×4的一维平面阵列，其结构如图8所示，相邻双极化天线单元之间的中心间距为dis＝40mm，为了提高阵列天线端口间的隔离度，超表面单元间的中心加载条形蘑菇结构，其结构组成包括两列矩形辐射贴片9-0，其中一列矩形辐射贴片的一侧设置有连通地板的金属柱，另一列矩形辐射贴片的另一侧设置有连通地板的金属柱，两列矩形辐射贴片间的边缘间距gs＝0.2mm。加载该结构，能够降低单元之间的耦合，从而提高天线端口之间的隔离度。用电磁仿真软件CST对阵列天线进行仿真分析，其仿真结果如图9所示，天线单元之间的隔离度在工作频段内(|S11|<-10dB)大于20dB，且天线阵列能够实现一个较高的增益，在法向方向的增益大于13.5dB；同时，如图10所示，天线阵列具有良好的辐射性能，辐射方向图的最大值在所需的法向方向，且交叉极化比大于20dB。
实施例三
本实施例提供一种基于超表面的双极化二维天线阵列，以实施例一中的基于超表面的双极化天线为天线单元，将天线单元排成2×2或2×4的二维平面阵列，结构如图11和图14所示，相邻超表面天线单元之间的中心间距为dis。用电磁仿真软件CST对阵列天线进行仿真分析，2×2阵列的S参数与增益随频率的变化如图12所示，阵列在5GHz频点的结果如图13所示。2×2阵列的辐射增益大于12.5dB，副瓣电平小于-9dB。对于2×4的二维阵列，其5GHz频点的辐射方向图如图15所示，法向增益大于13dB，副瓣电平小于-13dB，在E面3-dB波束宽度为18°因此，本发明提出的基于超表面的双极化天线，能够应用于高增益、高分辨率的天线阵列的设计。
实施例四
本实施例提供一种容性超表面天线，本实施例的容性超表面天线结构如图16所示。该天线相对于基于超表面的双极化天线，其特点在于移除双极化天线单元最外侧的一周与辐贴片中心连接地板的金属柱，从而减小天线单元的等效电感，在相同口径的有效辐射区域内，能够使该双极化天线的谐振频点向低频移动，从而展宽天线的工作带宽。用CST对该天线进行仿真分析，其S参数如图17所示，从图17可以看出，该天线相较于基于超表面的双极化天线，由于减少了等小电感的影响，其工作带宽更宽。
实施例五
本实施例提供一种基于容性超表面天线的一维和二维天线阵列，以容性超表面天线作为基本单元，将天线组成1×4和2×2的天线阵列，其结构示意图分别如图18和21所示，相邻天线单元之间的中心间距为dis，该阵列相对于双极化混合超表面阵列，其特点在于移除双极化天线单元最外侧的一周与辐贴片中心连接地板的金属柱，能够使电流的分布更均匀，从而降低天线阵列的旁瓣电平。用电磁仿真软件CST对阵列天线进行仿真分析，1×4的天线阵列S参数和增益随频率的变化如图19所示，在工作频带内(|S11|<-10dB)，端口之间的隔离度大于20dB，边射增益大于12.5dBi。在5GHz频点的辐射方向图如图20所示，交叉极化比大于20dB，旁瓣电平低于-13dB。2×2天线阵列在5GHz频点的辐射方向图如图22所示，交叉极化比大于20dB，旁瓣电平低于-12dB。因此，本发明提出的容性超表面天线，也能够用于高增益，低交叉极化的天线阵列的设计。

Claims (6)

1.一种基于超表面的双极化宽带天线，包括尺寸相同且紧密贴合的上层第一介质基板、中层金属地板、下层第二介质基板，所述第一介质基板上表面设置有N×N个等间距均匀排布的正方形辐射贴片；所述地板刻蚀有十字形槽与矩形槽，所述十字形槽的中心与地板中心重合且十字形槽的两条槽分支分别与地板的两条边平行；所述第二介质基板下表面设置有微带馈电结构，所述微带馈电结构包括两个结构相同且相互垂直的第一馈电结构、第二馈电结构，所述第一馈电结构、第二馈电结构均包括50欧姆微带线、四分之一的阻抗变换器和L形微带线，50欧姆微带线从底部中心向上延伸，末端连接反向设置的两个阻抗变换器，两个阻抗变换器另一端分别连接一段L形微带线；所述第一馈电结构、第二馈电结构有且仅在L形微带线处有一个交错点，所述地板上设置的矩形槽位于该交错点正下方，其中一条L形微带线在该交错点设置有U形弯折，与地板以及另一条L形微带线没有直接接触。
2.如权利要求1所述的一种基于超表面的双极化宽带天线，其特征在于，所述N×N个辐射贴片最外侧的一周辐射贴片中心点处设置有连接地板的金属柱。
3.如权利要求1或2所述的一种基于超表面的双极化宽带天线，其特征在于，所述N的取值范围为4～10。
4.如权利要求3所述的一种基于超表面的双极化宽带天线，其特征在于，所述辐射贴片为4×4个均匀排布的正方形辐射贴片。
5.一种基于超表面的双极化宽带天线阵列，其特征在于，将权利要求1或2所述的一种基于超表面的双极化天线作为天线单元，天线单元排成一维1×4阵列，相邻两天线单元的中心距为dis；相邻天线单元之间设置有间距相同的M个矩形辐射贴片，M个矩形辐射贴片分为两列，其中一列矩形辐射贴片的一侧设置有连通地板的金属柱，另一列矩形辐射贴片的另一侧设置有连通地板的金属柱；所述天线阵列的第二介质基板下表面还设置有两个一分四的T形功分器，两个一分四的T形功分器的末端分别连接一个天线单元的微带馈电结构。
6.一种基于超表面的双极化宽带天线阵列，其特征在于，将权利要求1或2所述的一种基于超表面的双极化天线作为天线单元，天线单元排成二维2×2阵列，相邻两天线单元的中心距为dis，相邻天线单元之间设置有间距相同的M个矩形辐射贴片，M个矩形辐射贴片分为两列，其中一列矩形辐射贴片的一侧设置有连通地板的金属柱，另一列矩形辐射贴片的另一侧设置有连通地板的金属柱；天线阵列中心位置处还设置有一正方形辐射贴片，该正方形辐射贴片的中心位置设置有连通地板的金属柱；所述天线阵列的第二介质基板下表面还设置有两个一分4的T形功分器，两个一分四的T形功分器的末端分别连接一个天线单元的微带馈电结构。
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