CN111129765A - 一种基于超表面的多波束天线 - Google Patents

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Abstract

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种基于超表面的多波束天线。本发明的目的为了解决现有多波束天线需要复杂的波束成形网络的技术问题。一种基于超表面的多波束天线，包括从上至下同轴心依序设置的上层介质基板、超表面层、中间介质基板、馈电网络层、下层介质基板和接地板，在所述中间层介质基板和馈电网络层之间设有空气层，通过设置上层介质基板改善了天线的波束宽度和增益，通过在中间介质基板上方加超表面层，并在中间介质基板下方设置馈电网络层改善馈电网络层上方的电磁场分布，从而使波束在俯仰角平面倾斜，该天线不需要设计复杂的波束成形网络，通过使用超表面和介质基板实现多波束，结构简单，并且波束可以在方位面变化。

Description

一种基于超表面的多波束天线
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种基于超表面的多波束天线。
背景技术
多波束天线在卫星通信、雷达系统和无线局域网等各种不同的领域具有广阔的应用前景。目前，多波束天线通常使用波束成形网络对天线馈电实现，比如4×4Butler矩阵，它由四个90°耦合器，两个交叉耦合器和两个45°移项器组成，其有四个个输入和输出端口，通过一次激励一个端口，在输出端口可以形成等幅但相位不同的响应，从而形成四个指向不同的波束；(G.Tian,J.-P.Yang,and W.Wu,“Butler Matrix Based Multi-Beam BaseStation Antenna Array,”IEEE Trans.Antennas Propag.,67(2019),5372–5379)；Rotman透镜馈电的多波束天线运用准光学法来设计，替代大量移相器，将其与天线阵列相连实现宽带和多波束(K.Sakakibara,Y.Suzuki,Y.Imade,N.Kikuma.“Rotman-lens-feedingdouble-layer low-profile multibeam millimeter-wave microstrip antenna usingbow-tie waveguide microstrip connections”.IEEE Asia-Pacific Conference onApplied Electromagnetics(APACE),2016:11-13.)等。尽管如此，但是采用上面两种方式设计时，需要设计复杂的波束成形网络，使得天线结构复杂。
鉴于此，有必要设计一种不需要波束成形网络的多波束天线，以满足无线通信的需要。
发明内容
本发明的目的为了解决现有多波束天线需要复杂的波束成形网络的技术问题。提供一种基于超表面的多波束天线。为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种基于超表面的多波束天线，包括从上至下同轴心依序设置的上层介质基板、超表面层、中间介质基板、馈电网络层、下层介质基板和接地板，在所述中间层介质基板和馈电网络层之间设有空气层，通过设置上层介质基板改善了天线的波束宽度和增益，通过在中间介质基板上方加超表面层，并在中间介质基板下方设置馈电网络层改善馈电网络层上方的电磁场分布，从而使波束在俯仰角平面倾斜，实现了多波束辐射，该天线不需要设计复杂的波束成形网络，通过使用超表面和介质基板实现多波束，结构简单，并且波束可以在方位面变化；
所述超表面层包括4个超表面，每个所述超表面均由4×4的方形金属贴片阵列组成，设置成这样可以辐射4个波束；
所述馈电网络层包括4个馈电单元，每个所述馈电单元均包括依次级联的微带馈线、功分器、阻抗匹配微带线和两个一号矩形贴片，4个所述馈电单元依次绕轴心旋转90度设置，用来为4个超表面馈电，通过调整其中一个一号矩形贴片的长度可以引导波束在方位面变化，实现波束在方位面的扫描；
所述接地板包括4个二号矩形金属贴片和十字形微带线，4个所述二号矩形金属贴片通过十字形微带线连接，4个所述二号矩形金属贴片的设置方向与馈电单元一致，这种设置方式可以减小4个端口之间的耦合，改善端口之间的隔离度。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明包括从上至下同轴心依序设置的上层介质基板、超表面层、中间介质基板、馈电网络层、下层介质基板和接地板，在所述中间层介质基板和馈电网络层之间设有空气层，通过设置上层介质基板改善了天线的波束宽度和增益，通过在中间介质基板上方加超表面层，并在中间介质基板下方设置馈电网络层改善馈电网络层上方的电磁场分布，从而使波束在俯仰角平面倾斜，实现了多波束辐射，该天线不需要设计复杂的波束成形网络，通过使用超表面和介质基板实现多波束，结构简单，并且波束可以在方位面变化。
2.本发明所述超表面层包括4个超表面，每个所述超表面均由4×4的方形金属贴片阵列组成，设置成这样可以辐射4个波束；
3.本发明所述馈电网络层包括4个馈电单元，每个所述馈电单元均包括依次级联的微带馈线、功分器、阻抗匹配微带线和两个一号矩形贴片，4个所述馈电单元依次绕轴心旋转90度设置，用来为4个超表面馈电。通过调整其中一个一号矩形贴片的长度可以引导波束在方位面变化，实现波束在方位面的扫描；
4.本发明所述接地板包括4个二号矩形金属贴片和十字形微带线，4个所述二号矩形金属贴片通过十字形微带线连接，4个所述二号矩形金属贴片的设置方向与馈电单元一致，这种设置方式可以减小4个端口之间的耦合，改善端口之间的隔离度。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是三种情况下天线在φ＝0°平面的辐射方向图；
图3是本发明所提出天线的1/3端口馈电得到的方向图；
图4是本发明所提出天线的2/4端口馈电得到的方向图；
图5是本发明左下角馈电单元中左边的一号矩形贴片宽取不同值时天线在θ＝32°平面的方向图示意图；
图6是本发明的S参数示意图；
图7是本发明的增益示意图；
图中：1-上层介质基板、2-超表面层、201-超表面、3-中间介质基板、4-馈电网络层、401-馈电单元、402-微带馈线、403-功分器、404-阻抗匹配微带线、405-一号矩形贴片、5-下层介质基板、6-接地板、601-二号矩形金属贴片、602-十字形微带线。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
如图1所示，一种基于超表面的多波束天线，包括从上至下同轴心依序设置的上层介质基板1、超表面层2、中间介质基板3、馈电网络层4、下层介质基板5和接地板6，在所述中间层介质基板3和馈电网络层4之间设有空气层，所述超表面层2包括4个超表面201，每个所述超表面201均由4×4的方形金属贴片阵列组成，所述馈电网络层4包括4个馈电单元401，每个所述馈电单元401均包括依次级联的微带馈线402、功分器403、阻抗匹配微带线404和两个一号矩形贴片405，4个所述馈电单元401依次绕轴心旋转90度设置，所述接地板6包括4个二号矩形金属贴片601和十字形微带线602，4个所述二号矩形金属贴片601通过十字形微带线602连接，4个所述二号矩形金属贴片601的设置方向与馈电单元一致。
本实施例中，空气层的厚度h为3.02mm，以一个端口馈电为例分析天线的性能。
如图2所示，曲线a表示未加上层介质基板1和超表面层2时，天线在5.82GHz的辐射方向图，从图中看出主波束位于+z轴，天线的最大增益为5.91dBi，半功率波束宽度为69.5°；曲线b表示加了超表面层2后天线的辐射方向图，这种情况下主波束增益增加到7.41dBi，并且波束偏转到(θ,φ)＝(32°,0°)方向，半功率波束宽度减小为40°；曲线c表示引入上层介质基板1，主波束增益达到9.3dBi，半功率波束宽度减小为30°。
如图3所示，曲线d、e表示1/3端口分别馈电时，天线在5.82GHz处在φ＝0°平面的方向图。从图中可以看出，波束1/3的指向(θ,φ)＝(32°,0°)、(-32°,0°)。
如图4所示，曲线f、g表示2/4端口分别馈电时，天线在5.82GHz处在φ＝90°平面的方向图。从图中可以看出，波束2/4的指向(θ,φ)＝(32°,90°)、(-32°,90°)。
如图5所示，曲线h、i、j、k、m分别表示馈电网络左边贴片宽取不同值时天线在θ＝32°平面的方向图，从图中可以看出当宽分别为11.88、11.38、11.08、10.88、10.38mm，天线的方位角(φmax)分别为0°、3°、9°、12°、22°，所以改变天线的馈电网络波束的方位角可以在0°～22°之间变化，同样，当另外三个端口分别馈电时，φmax在90°～112°，180°～202°，270°～292°之间变化。这里没有一一列举。
如图6所示为天线的S参数，曲线n为天线的S11，天线的工作频率在5.82GHz，-10dB带宽为6％(5.58GHz-5.93GHz)，曲线o、p、q分别是S12、S13、S14，其隔离度均优于28dB。由于天线是中心对称结构，其他端口馈电的S参数这里没有一一列出。
如图7所示为天线的增益图，在工作频段内天线的增益在3-9.3dBi之间，在5.82GHz处达到最大值9.3dBi。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (1)

1.一种基于超表面的多波束天线，其特征在于：包括从上至下同轴心依序设置的上层介质基板(1)、超表面层(2)、中间介质基板(3)、馈电网络层(4)、下层介质基板(5)和接地板(6)，在所述中间层介质基板(3)和馈电网络层(4)之间设有空气层；
所述超表面层(2)包括4个超表面(201)，每个所述超表面(201)均由4×4的方形金属贴片阵列组成；
所述馈电网络层(4)包括4个馈电单元，每个所述馈电单元均包括依次级联的微带馈线(401)、功分器(402)、阻抗匹配微带线(403)和两个一号矩形金属贴片(404)，4个所述馈电单元依次绕轴心旋转90度设置；
所述接地板(6)包括4个二号矩形金属贴片(601)和十字形微带线(602)，4个所述二号矩形金属贴片(601)通过十字形微带线(602)连接，4个所述二号矩形金属贴片(601)的设置方向与馈电单元一致。
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