CN111224228B - 一种双层非均匀超表面结构的阶梯型孔径耦合宽带天线 - Google Patents

一种双层非均匀超表面结构的阶梯型孔径耦合宽带天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双层非均匀超表面结构的阶梯型孔径耦合宽带天线，包括沿水平方向平行设置的介质板a和介质板b，且介质板a和介质板b之间存在空气腔；介质板a的顶面均匀放置缺少四个角的矩形辐射贴片a；介质板b的顶面均匀放置缺少四个角的矩形辐射贴片b；介质板b的底面设有分别设有共面波导和阶梯型耦合孔径，共面波导在阶梯型耦合孔径中进行耦合。本发明改善了微带天线的低增益和窄带的特性，实现了天线的小型化、高增益和宽带特性。

Description

一种双层非均匀超表面结构的阶梯型孔径耦合宽带天线
技术领域
本发明属于电磁场与微波技术领域，涉及一种双层非均匀超表面结构的阶梯型孔径耦合宽带天线。
背景技术
通信技术不断发展，频谱资源日益紧张，宽带技术有利于提高频谱利用率以及信号传输速率，已成为现代无线通信系统发展的必然趋势之一。其中，宽带天线的设计难点主要在于克服现有天线结构上固有的弱点，以及实现宽带同时也要符合实际通信系统在应用上的其他性能要求，超材料的出现恰好可以解决这些问题。
超表面是指一种厚度小于波长的人工层状材料。超表面可实现对电磁波偏振、振幅、相位、极化方式、传播模式等特性的灵活有效调控。
微带天线具有固有的窄带特性，将超表面应用于微带天线，可以实现在保持天线低剖面特性的基础上，増加天线带宽。通常，加载超表面可将微带天线阻抗带宽提升至30％左右，这对宽带无线通信系统来说显然是不够的。
发明内容
本发明的目的是提供一种双层非均匀超表面结构的阶梯型孔径耦合宽带天线，该天线结构改善了微带天线的低增益和窄带的特性，实现了天线的小型化、高增益和宽带特性。
本发明所采用的技术方案是，一种双层非均匀超表面结构的阶梯型孔径耦合宽带天线，包括沿水平方向平行设置的介质板a和介质板b，且介质板a和介质板b之间存在空气腔；
介质板a的顶面均匀放置缺少四个角的矩形辐射贴片a；介质板b的顶面均匀放置缺少四个角的矩形辐射贴片b；介质板b的底面设有分别设有共面波导和阶梯型耦合孔径，共面波导在阶梯型耦合孔径中进行耦合。
本发明的特点还在于，
介质板b的底面中心处设有馈电微带线，馈电微带线的起始端与介质板b的边缘对齐，馈电微带线末端的相对两侧分别对称设有阶梯型耦合孔径，馈电微带线的相对两侧分别设有共地面，馈电微带线与共地面之间存在间隙，馈电微带线、共地面及间隙共同构成共面波导。
阶梯型耦合孔径包括三台阶梯，朝着馈电微带线的方向，阶梯高度依次减小。
介质板a的材料为Rogers RO4003C。
介质板b的材料为F4b-2。
介质板a和介质板b之间通过塑料螺丝连接。
本发明的有益效果是，本发明通过两层非均匀的超表面与设计的阶梯型孔径耦合，实现宽带和高增益的特性，并且该宽带天线的3dB增益包含整个X波段(8-12GHz)。该宽带天线分为上下两层，天线尺寸小巧，结构简单，便于加工和无线设备集成，制作工艺成熟，自动化程度高，节省成本，能够很好地应用在工作在4.8-13.6GHz的宽带系统中，市场前景良好。
附图说明
图1是本发明一种双层非均匀超表面结构的阶梯型孔径耦合宽带天线的侧视图；
图2是本发明一种双层非均匀超表面结构的阶梯型孔径耦合宽带天线介质板a的正面结构示意图；
图3是本发明一种双层非均匀超表面结构的阶梯型孔径耦合宽带天线介质板b的正面结构示意图；
图4是本发明一种双层非均匀超表面结构的阶梯型孔径耦合宽带天线介质板b的背面结构示意图；
图5是本发明一种双层非均匀超表面结构的阶梯型孔径耦合宽带天线的反射系数结果曲线；
图6是本发明一种双层非均匀超表面结构的阶梯型孔径耦合宽带天线的增益曲线；
图7是本发明一种双层非均匀超表面结构的阶梯型孔径耦合宽带天线工作在5GHz的E面和H面的方向图；
图8是本发明一种双层非均匀超表面结构的阶梯型孔径耦合宽带天线工作在7GHz的E面和H面的方向图；
图9是本发明一种双层非均匀超表面结构的阶梯型孔径耦合宽带天线工作在9GHz的E面和H面的方向图；
图10是本发明一种双层非均匀超表面结构的阶梯型孔径耦合宽带天线工作在11GHz的E面和H面的方向图。
图中，1.介质板a，2.塑料螺丝，3.介质板b，4.超表面矩形贴片a，5.超表面矩形贴片b，6.阶梯型耦合孔径，7.馈电微带线，8.共面地。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种双层非均匀超表面结构的阶梯型孔径耦合宽带天线，如图1所示，包括沿水平方向平行设置的介质板a1和介质板b3，介质板a1和介质板b3之间通过塑料螺丝2连接；在介质板a1和介质板b3之间留有空气腔。
如图2所示，介质板a1的顶面均匀放置缺少四个角的5×5的21个矩形辐射贴片a4；
如图3所示，在介质板b3的顶面均匀放置缺少四个角的5×5的21个矩形辐射贴片b5；
如图4所示，介质板b3的底面中心处设有馈电微带线7，馈电微带线7的起始端与介质板b3的边缘对齐，馈电微带线7末端的相对两侧分别对称设有阶梯型耦合孔径6，馈电微带线7的相对两侧分别设有共地面8，馈电微带线7与共地面8之间存在间隙s，馈电微带线7、共地面8及间隙s共同构成共面波导。
阶梯型耦合孔径6包括三台阶梯，朝着馈电微带线7的方向，阶梯高度依次减小。
介质板a1的长度和宽度L3为30mm±0.1mm，厚度为H1为0.508mm±0.1mm；
超表面矩形贴片a4的长度和宽度L1为4.9mm±0.1mm，相邻两个超表面矩形贴片a4之间的距离D1为0.6mm±0.1mm；
介质板a1和介质板b3之间的空气腔高度Hair为5mm±0.1mm；
介质板b3的长度和宽度L3为30mm±0.1mm，厚度为H2为3.52mm±0.1mm；
超表面矩形贴片b5的长度和宽度L2为4.5mm±0.1mm，相邻两个超表面矩形贴片b5之间的距离D2为0.9mm±0.1mm；
馈电微带线7的长度L4为19.3mm±0.1mm，宽度为W1为1.8mm±0.1mm；
阶梯型耦合孔径6的长度L5为13.4mm±0.1mm，宽度W2为1mm±0.1mm；
馈电微带线7与共面地8之间的间隔s为0.3mm±0.1mm；
阶梯型耦合孔径6的阶梯一的长度L6为2.3mm±0.1mm，宽度W3为0.4mm±0.1mm；
阶梯型耦合孔径6的阶梯二的长度L7为2.5mm±0.1mm，宽度W4为0.3mm±0.1mm；
介质板a1优选Rogers RO4003C材料制作。介电常数3.55，损耗角正切为0.0027，厚度为0.508mm。
介质板b3优选F4b-2材料制作。介电常数3.55，厚度为3.52mm。
图5为本发明一种双层非均匀超表面结构的阶梯型孔径耦合宽带天线的输入反射系数，天线的输入反射系数是天线的一个主要性能特征。从图5可见，天线的工作带宽为4.8-13.6GHz(8.8GHz)，相对带宽为95.6％。
图6是本发明一种双层非均匀超表面结构的阶梯型孔径耦合宽带天线的增益曲线，增益也是天线的一个主要性能特征。从图6可见，天线的增益峰值可以达到9.1dBi。
结合图5和图6，可以得到本发明一种双层非均匀超表面结构的阶梯型孔径耦合宽带天线的3dB带宽为7.9-12.0GHz(4.1GHz)，3dB带宽的相对带宽为41.2％。包含了整个X波段(8-12GHz)。
图7是本发明一种双层非均匀超表面结构的阶梯型孔径耦合宽带天线工作在5GHz的E面和H面的方向图；图8是本发明一种双层非均匀超表面结构的阶梯型孔径耦合宽带天线工作在7GHz的E面和H面的方向图；图9是本发明一种双层非均匀超表面结构的阶梯型孔径耦合宽带天线工作在9GHz的E面和H面的方向图；图10是本发明一种双层非均匀超表面结构的阶梯型孔径耦合宽带天线工作在11GHz的E面和H面的方向图，通过图7、图8、图9、图10四个频段天线E面和H面的方向图可以看出该天线具有很好的辐射特性，有较好的信号接收范围。
本发明一种双层非均匀超表面结构的阶梯型孔径耦合宽带天线工作在4.8GHz-13.6GHz，3dB带宽为7.9-12.0GHz(包含X波段)，改善了微带天线的低增益和窄带的特性，实现了天线的小型化、高增益和宽带特性。

Claims (3)

1.一种双层非均匀超表面结构的阶梯型孔径耦合宽带天线，其特征在于：包括沿水平方向平行设置的介质板a和介质板b，且介质板a和介质板b之间存在空气腔；
介质板a的顶面均匀放置缺少四个角的矩形辐射贴片a；介质板b的顶面均匀放置缺少四个角的矩形辐射贴片b；介质板b的底面设有分别设有共面波导和阶梯型耦合孔径，共面波导在阶梯型耦合孔径中进行耦合；
所述介质板b的底面中心处设有馈电微带线，馈电微带线的起始端与介质板b的边缘对齐，馈电微带线末端的相对两侧分别对称设有阶梯型耦合孔径，馈电微带线的相对两侧分别设有共地面，馈电微带线与共地面之间存在间隙，馈电微带线、共地面及间隙共同构成共面波导；
所述阶梯型耦合孔径包括三台阶梯，朝着馈电微带线的方向，阶梯高度依次减小；
所述介质板a和介质板b之间通过塑料螺丝连接。
2.根据权利要求1所述的一种双层非均匀超表面结构的阶梯型孔径耦合宽带天线，其特征在于：所述介质板a的材料为Rogers RO4003C。
3.根据权利要求1所述的一种双层非均匀超表面结构的阶梯型孔径耦合宽带天线，其特征在于：所述介质板b的材料为F4b-2。
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