CN111600124A - 一种低剖面超宽带超表面天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低剖面超宽带超表面天线，包括金属馈电微带结构、底层介质基板、金属地馈电缝隙结构、上层介质基板、超表面辐射贴片；所述底层介质基板下表面附着金属馈电微带结构，所述底层介质基板上表面附着金属地馈电缝隙结构；所述上层介质基板下表面紧贴金属地馈电缝隙结构，所述上层介质基板上表面附着超表面辐射贴片；所述金属地馈电缝隙结构为在金属地面上刻蚀矩形缝隙。在传统微带天线设计基础上，开展与超表面技术相结合的研究。优化超表面微带单元辐射贴片的尺寸和布局，设计缝隙馈电结构，使天线单元具有良好的带宽和低剖面特性。

Description

一种低剖面超宽带超表面天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，具体为一种低剖面超宽带超表面天线。
背景技术
随着无线通信系统技术的快速发展，为了实现灵活、方便的通信手段，需要天线具有体积小、重量轻、功能全的特点，对天线性能的要求也不断提高，常规天线已不能完全满足现代通信要求。在现代通信中需要在相同空间内装备更多的通信设备，那么需要相应增加天线的数量，这样就使得各个天线间的耦合直接影响到天线的电气指标，从而最终影响通信质量；因此，需要一种天线满足更高的传输性能。传统微带天线具有增益高，剖面低的优点，但其阻抗带宽太窄，一般只有2％-5％左右，发展超宽带与微带天线结合的技术能有效展宽阻抗带宽。
发明内容
微带天线是在介质基片上，一面附上金属薄层作为接地板，另一面用光刻腐蚀方法制成金属贴片，利用馈电结构对金属贴片馈电构成的天线。如果把接地板刻出缝隙，而在介质基片另一面印制出微带线时用缝隙馈电则构成微带缝隙天线，采用缝隙馈电能有效展宽天线带宽。本发明的目的在于提供一种低剖面超宽带超表面天线，包括金属馈电微带结构、底层介质基板、金属地馈电缝隙结构、上层介质基板、超表面辐射贴片；所述底层介质基板下表面附着金属馈电微带结构，所述底层介质基板上表面附着金属地馈电缝隙结构；所述上层介质基板下表面紧贴金属地馈电缝隙结构，所述上层介质基板上表面附着超表面辐射贴片；所述金属地馈电缝隙结构为在金属地面上刻蚀矩形缝隙。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述金属馈电微带结构包括电性连接的馈电微带线和扇形匹配结构。
所述超表面辐射贴片包括开圆孔的中心辐射贴片及对角线开窄缝的边缘辐射贴片。
所述超表面辐射贴片由4*4矩形辐射贴片纵横平行分布，其中心4个矩形贴片为开圆孔的中心辐射贴片，其外围12个矩形贴片为对角线开窄缝的边缘辐射贴片。
所述底层介质基板厚度为0.8mm。
所述上层介质基板厚度为2mm。
本发明中各实施例的技术方案可进行组合，实施例中的技术特征亦可进行组合形成新的技术方案。
有益效果，本发明提出一种低剖面超宽带超表面单元，利用缝隙耦合馈电实现覆盖8-12GHz的宽频带，天线剖面低于0.1倍中心频率波长。具有低剖面、宽频带的特点。能广泛应用于现代通信系统。
在传统微带天线设计基础上，开展与超表面技术相结合的研究。优化超表面微带单元辐射贴片的尺寸和布局，设计缝隙馈电结构。使天线单元具有良好的带宽和低剖面特性。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是馈电微带结构的示意图；
图3是金属地耦合缝隙的示意图；
图4是超表面辐射贴片的示意图；
图5是低剖面超宽带超表面天线回波损耗仿真结果；
图6是低剖面超宽带超表面天线8GHz方向图；
图7是低剖面超宽带超表面天线10GHz方向图；
图8是低剖面超宽带超表面天线12GHz方向图；
图9是低剖面超宽带超表面天线增益曲线图。
附图标记中：1、金属馈电微带结构；2、底层介质基板；3、金属地馈电缝隙结构；4、上层介质基板；5、超表面辐射贴片；101、馈电微带线；102、扇形匹配结构；501、开圆孔的中心辐射贴片；502、对角线开窄缝的边缘辐射贴片。
具体实施方式
下面将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。
本发明的说明书和权利要求书的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)或“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”是用于区别类似的对象或便于本发明的结构描述，而不必用于描述特定的顺序或先后次序以及限制本发明的结构技术特征。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例，例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
如图1所示；为本发明的整体结构示意图。包括金属馈电微带结构1、底层介质基板2、金属地馈电缝隙结构3、上层介质基板4、超表面辐射贴片5。馈电微带结构1包括馈电微带线101、扇形匹配结构102。金属地馈电缝隙结构3为在金属地面上刻蚀矩形缝隙。超表面辐射贴片5包括开圆孔的中心辐射贴片501及对角线开窄缝的边缘辐射贴片502。底层介质基板2板材为Rogers4350B，介电常数3.66，基板厚度0.8mm。底层介质基板2下表面附着金属馈电微带结构1，上表面附着金属地馈电缝隙结构3。上层介质基板4板材为Rogers4350B，介电常数3.66，基板厚度2mm。上层介质基板4紧贴金属地馈电缝隙结构3位于上方，上表面附着超表面辐射贴片5。
超材料是具有天然材料所不具备的超越物理性质的人工复合材料，电磁超材料一般由周期性结构组成，超表面是超材料在二维平面上的投射。超表面广泛应用于微带电路和微带天线以改善电性能且具有良好的效果。将超表面用作微带天线的金属贴片能大幅度提升天线电性能。低剖面天线指天线剖面高度小的天线，其轮廓低，风阻小，易于实现与载体共形等特点。
如图2所示；是低剖面超宽带超表面天线回波损耗仿真结果，运用全波仿真软件CST进行仿真分析，在8-12GHz频率范围内，天线回波损耗低于-10dB。具有40％的阻抗带宽，实现超宽带应用。
如图3所示；是低剖面超宽带超表面天线典型频点方向图,分别为8GHz、10GHz、12GHz频点E面和H面的方向图。在H面呈现全向性，E面具有良好的方向性辐射。
如图4所示；是低剖面超宽带超表面天线增益曲线图，在8-12GHz频率范围内增益在7.5dBi以上，在11.8GHz达到带宽范围内最大增益10.25dBi。在整个频带内保持较高的增益。
每个天线都有中心工作频率，在偏离中心工作频率时，天线的某些电性能会下降，天线在满足指标的频率范围称为天线的有效工作带宽。超宽带天线指绝对带宽超过500MHz或相对带宽超过20％的天线。若天线的上限工作频率为fH，下限工作频率为fL，绝对带宽定义为fH-fL，相对带宽定义为2*(fH-fL)/(fH+fL)。
在本发明所述天线中，超表面天线最上层的超表面辐射贴片起主要的辐射作用，采用高介电常数的介质基板有效降低天线剖面，应用异形超表面达到展宽天线带宽的目的，配合微带馈电线末端扇形匹配结构、耦合缝隙结构达到宽频带高增益的效果，可在8GHz-12GHz频段内馈电网络的回波损耗小于-10dB，相对带宽40％。全频带内增益在7.5dBi以上。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种低剖面超宽带超表面天线，其特征在于：包括金属馈电微带结构(1)、底层介质基板(2)、金属地馈电缝隙结构(3)、上层介质基板(4)、超表面辐射贴片(5)；所述底层介质基板(2)下表面附着金属馈电微带结构(1)，所述底层介质基板(2)上表面附着金属地馈电缝隙结构(3)；所述上层介质基板(4)下表面紧贴金属地馈电缝隙结构(3)，所述上层介质基板(4)上表面附着超表面辐射贴片(5)；所述金属地馈电缝隙结构(3)为在金属地面上刻蚀矩形缝隙。
2.根据权利要求1所述的低剖面超宽带超表面天线，其特征在于：所述金属馈电微带结构(1)包括电性连接的馈电微带线(101)和扇形匹配结构(102)。
3.根据权利要求1所述的低剖面超宽带超表面天线，其特征在于：所述超表面辐射贴片(5)包括开圆孔的中心辐射贴片(501)及对角线开窄缝的边缘辐射贴片(502)。
4.根据权利要求3所述的低剖面超宽带超表面天线，其特征在于：所述超表面辐射贴片(5)由4*4矩形辐射贴片纵横平行分布，其中心4个矩形贴片为开圆孔的中心辐射贴片(501)，其外围12个矩形贴片为对角线开窄缝的边缘辐射贴片(502)。
5.根据权利要求1-4任一所述的低剖面超宽带超表面天线，其特征在于：所述底层介质基板(2)厚度为0.8mm。
6.根据权利要求1-4任一所述的低剖面超宽带超表面天线，其特征在于：所述上层介质基板(4)厚度为2mm。
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