CN111740213A - 基于超表面的宽带全向天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于超表面的宽带全向天线，从上至下依次包括：超表面结构、介质基板层、金属地板层；超表面结构位于介质基板层的上表面，包括四个相同的大正方形贴片构成的大方形超表面，大正方形贴片四周对称设置12个小正方形贴片作为小方形超表面，介质基板层中心设置一个圆盘状辐射贴片和与其同心的圆形非辐射贴片；金属地板层下方的同轴馈电探针6分别通过金属地板层7和介质基板层5的正中心，为顶层的超表面结构馈电；本发明的有益效果为：利用简单馈电结构实现单模式谐振宽带全向。

Description

基于超表面的宽带全向天线
技术领域
本发明涉及一种宽带全向辐射天线，属于微波通信天线应用领域。尤其涉及一种宽带超 表面全向天线。
背景技术
天线作为无线通信设备中电磁波与自由空间中电磁波转换的接口，是通信设备不可缺少 的一部分。随着高速信息时代的来临，人们对信息传递速度提出了更高的要求，宽带天线的 使用可以很好地满足人们对于信息快速传递的要求，而且可以减少无线通信系统中天线的数 量，避免多个天线之间的相互耦合，达到节省成本等效果。全向天线因为可以在某个方位面 上实现能量的均匀辐射或均匀接收来自空间的电磁波，不管在民用领域还是军事领域，都有 着巨大的需求。因此，研究具有宽带特性的全向辐射天线具有重要的现实意义。
对于传统的偶极子天线来说，虽然具有全向辐射特性，但阻抗带宽很窄，限制了在宽带 系统中的应用。为了展宽带宽，学者们开始研究由传统的全向天线组成的阵列天线，如由6 个全向天线单元组成的水平极化全向天线，达到了46.4％的带宽，但天线结构复杂。为了设 计结构简单的全向天线，一些基于超材料的天线被研究，如采用人工多负传输线的水平极化 全向环天线，虽然这种结构可以实现比较宽带宽，但是却需要很大的天线尺寸；再如采用超 表面实现水平极化的全向天线，虽然具有低剖面和宽带特性，但却需要设计复杂的馈电网络。
可以看出，利用超表面确实可以设计出小型化、宽带的全向辐射天线，但是如何巧妙地 设计超表面结构，降低馈电网络的复杂度，是一个值得探究的问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种利用超表面设计的宽带全向 天线。
为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：
一种基于超表面的宽带全向天线，从上至下依次包括：超表面结构、介质基板层5、金属 地板层7；
超表面结构位于介质基板层5的上表面，包括四个相同的大正方形贴片构成的大方形超 表面2，四个大正方形贴片关于介质基板层5中心对称设置，大正方形贴片四周对称设置12 个小正方形贴片作为小方形超表面1，大正方形贴片的边长wm大于小正方形贴片的边长 wm1，12个正方形小贴片中有8个位于大正方形贴片水平和垂直中轴线延长线上，有4个位 于大正方形贴片的对角线延长线上，介质基板层中心设置一个圆盘状辐射贴片3和与其同心 的圆形非辐射贴片4，圆形非辐射贴片4的半径大于圆盘状辐射贴片3，圆盘状辐射贴片3和 圆形非辐射贴片4用于引入电容，改善天线阻抗匹配；
金属地板层下方的同轴馈电探针6分别通过金属地板层7和介质基板层5的正中心，为 顶层的超表面结构馈电；同轴馈电探针6的内芯与顶层的圆盘状辐射贴片3直接接触，同轴 馈电探针6外层与金属地板层7连接；电磁波能量通过同轴探针输入，沿着内芯传输给超表 面结构。
作为优选方式，相邻两个大正方形贴片之间的间距为g。
作为优选方式，位于大正方形贴片水平和垂直中轴线延长线上的小正方形贴片，和与其 相邻的大正方形贴片之间的间距为g。
作为优选方式，位于大正方形贴片对角线延长线上的小正方形贴片，和与其相邻的大正 方形贴片之间沿大正方形贴片对角线方向的间距为根号
Figure BDA0002513231870000021
作为优选方式，g的长度小于0.06倍的波长，该波长是S11≤-10dB对应的最大频率下的 波长。可以获得最优的阻抗匹配效果。
作为优选方式，wm：wm1＝5∶(2.5-4)。
作为优选方式，圆盘状辐射贴片3和圆形非辐射贴片4的半径差为s。
本发明的原理：通过特征模理论来分析超表面结构。首先通过分析超表面结构不同模式 的远区场方向图确定出想要的模式，然后再根据想要模式的表面电流分布确定激励位置和激 励方式。为了讲述方便，这里引入了一个由4*4个等大小的方形贴片组成的参考天线，图1 为参考天线的结构俯视图。图2为参考天线在类单极子模式下的远区场方向图，该方向图近 似为一个中间凹陷的半圆球，说明该方向图具有水平全向辐射特点。图2为参考天线在类单 极子模式下的表面电流分布，发现其电流最强点主要集中在每条边中间两个贴片的边缘处。 因此，想要激励起该模式，需要采用复杂的馈电网络，即在每个电流最强点的位置处添加等 功率的激励信号。此外，在观察不同频率下类单极子模式的表面电流分布时，发现和图2相 似的电流分布只能在很窄的带宽内保持，即在这种等大小的超表面结构下，类单极子模式所 实现的全向辐射带宽很窄。
本发明通过在参考天线基础上将外层的12个贴片边长减小，就得到图3所示的超表面天 线。分析该天线结构的模式分布，发现在该结构下的类单极子模式能够得到和图1相同的全 向垂直极化辐射特性，且在该模式下表面电流分布如图5所示，电流最强点集中在中间四个 大的贴片上。因此，想要激励起类单极子模式只需要在中间下方加一个同轴探针即可。此外， 在类单极子模式下，图5所示的表面电流分布可以在很宽的带宽内保持，从而实现宽带全向 辐射性能。
本发明的有益效果为：利用简单馈电结构即可实现单模式谐振宽带全向。
附图说明
图1为本发明的参考天线俯视图；
图2为本发明的参考天线在类单极子模式下的远场辐射方向图；
图3为本发明的参考天线在类单极子模式下的表面电流分布；
图4-1为本发明的天线侧视图；
图4-2为本发明的天线俯视图；
图5-1为工作在5.5GHz时，本发明的天线在类单极子模式下的表面电流分布；
图5-2为工作在6.5GHz时，本发明的天线在类单极子模式下的表面电流分布；
图5-3为工作在7.5GHz时，本发明的天线在类单极子模式下的表面电流分布；
图5-4为工作在8.5GHz时，本发明的天线在类单极子模式下的表面电流分布；
图6为本发明的天线回波损耗的S11参数曲线图；
图7-1为工作在5.5GHz时，本发明的天线在phi＝0deg的辐射方向图；
图7-2为工作在6.5GHz时，本发明的天线在phi＝0deg的辐射方向图；
图7-3为工作在7.5GHz时，本发明的天线在phi＝0deg的辐射方向图；
图7-4为工作在8.5GHz时，本发明的天线在phi＝0deg的辐射方向图；
Phi角是指和X轴正半轴的夹角，逆时针为正，顺时针为负；角度变化范围为-180度到 180度。
1为小方形超表面，2为大方形超表面，3为圆形辐射贴片，4为圆形非辐射贴片，5为介 质基板层，6为同轴馈电探针，7为金属地板层。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露 的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加 以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精 神下进行各种修饰或改变。
本实施例提供一种基于超表面的宽带全向天线，从上至下依次包括：超表面结构、介质 基板层5、金属地板层7；
介质基板层的长和宽都是w，高度是h，超表面结构位于介质基板层5的上表面，包括四 个相同的大正方形贴片构成的大方形超表面2，四个大正方形贴片关于介质基板层5中心对 称设置，大正方形贴片四周对称设置12个小正方形贴片作为小方形超表面1，大正方形贴片 的边长wm大于小正方形贴片的边长wm1，12个正方形小贴片中有8个位于大正方形贴片的 水平和垂直中轴线延长线上，有4个位于大正方形贴片的对角线延长线上，介质基板层中心 设置一个圆盘状辐射贴片3和与其同心的圆形非辐射贴片4，圆形非辐射贴片4的半径大于 圆盘状辐射贴片3，圆盘状辐射贴片3和圆形非辐射贴片4用于引入电容，改善天线阻抗匹 配；
金属地板层下方的同轴馈电探针6分别通过金属地板层7和介质基板层5的正中心，为 顶层的超表面结构馈电；同轴馈电探针6的内芯与顶层的圆盘状辐射贴片3直接接触，同轴 馈电探针6外层与金属地板层7连接；电磁波能量通过同轴探针输入，沿着内芯传输给超表 面结构。
相邻两个大正方形贴片之间的间距为g。
位于大正方形贴片水平和垂直中轴线延长线上的小正方形贴片，和与其相邻的大正方形 贴片之间的间距为g。
位于大正方形贴片对角线延长线上的小正方形贴片，和与其相邻的大正方形贴片之间沿 大正方形贴片对角线方向的间距为根号
Figure BDA0002513231870000041
g的长度小于0.06倍的波长，该波长是S11≤-10dB对应的最大频率下的波长。可以获得 最优的阻抗匹配效果。
wm：wm1＝5∶(2.5-4)。
圆盘状辐射贴片3和圆形非辐射贴片4的半径差为s。
图2为本发明的参考天线也就是等大小的4*4个贴片组成的超表面结构，在类单极子模 式下的远场辐射方向图。由图可知如果激励起该模式就可实现全向辐射性能。
图3为本发明的参考结构在类单极子模式下的表面电流分布，可以看出电流最强点集中 在每条边上的中间两个贴片的边缘处。因此，想要在这种结构下激励起想要的全向辐射模式 需要采用复杂馈电网络。
图4为本实施例的天线结构，其中图4-1为本实施例的侧视图。本设计在馈电方式上采用 了同轴探针馈电，探针内芯穿过介质基板5为顶层的超表面结构馈电。在本实施例中，介质 基板5采用介电常数为3.5的Taconic RF-35(tm)板材，厚度h＝4mm，符合低剖面要求，厚度 参数可根据具体实用要求进行调节。图4-2为本发明的俯视图。超表面分为三部分，第一部 分是最外层的12个小型正方形贴片，相邻贴片之间有一定的缝隙间隔，第二部分是内层的4 个大型正方形贴片，相邻贴片之间间隔均为g＝1mm；第三部分是最内层的圆盘形辐射贴片和 圆盘形非辐射贴片叠加结构，两层贴片之间有一定的间距s，s的大小决定引入电容量的大小， 因此，通过调整可以实现更好的阻抗匹配，在本设计实例中，s＝0.5mm。这种结构的超表面 引入将想要的辐射模式的电场最大值调到中心贴片上，因此，采用简单的同轴探针中心馈电， 即可激励起想要的模式，从而简化馈电结构。
图5为在不同频率时，本发明的天线在类单极子模式的表面电流分布。在类单极子模式 下，该结构天线不仅能实现和图2相同的全向辐射方向图，且和图3相比其电流最强点集中 在中心四个贴片上。因此，只需要采用一个简单的同轴探针就可以激励起全向辐射。另外对 比图5-1到5-4，可以发现本发明天线能够在很宽的带宽内保持几乎相同的表面电流分布，说 明该天线可以实现宽带全向特性。
图6为描述天线回波损耗的S11参数曲线图，由图可知，S11＜-10dB时，天线工作带宽 为5-8.7GHz，有较好的阻抗匹配。
图7是天线在Phi＝0deg平面内的辐射方向图，图7-1、图7-2、图7-3和图7-4分别工作 在5.5GHz、6.5GHz、7.5GHz和8.5GHz。可以看出，在整个平面内的辐射方向图呈水平全向辐射特性。在不同频率下，天线具有稳定的全向辐射特性。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技 术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所 属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效 修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种基于超表面的宽带全向天线，其特征在于，从上至下依次包括：超表面结构、介质基板层(5)、金属地板层(7)；
超表面结构位于介质基板层(5)的上表面，包括四个相同的大正方形贴片构成的大方形超表面(2)，四个大正方形贴片关于介质基板层(5)中心对称设置，大正方形贴片四周对称设置12个小正方形贴片作为小方形超表面(1)，大正方形贴片的边长wm大于小正方形贴片的边长wm1，12个正方形小贴片中有8个位于大正方形贴片的水平和垂直中轴线延长线上，有4个位于大正方形贴片的对角线延长线上，介质基板层中心设置一个圆盘状辐射贴片(3)和与其同心的圆形非辐射贴片(4)，圆形非辐射贴片(4)的半径大于圆盘状辐射贴片(3)，圆盘状辐射贴片(3)和圆形非辐射贴片(4)用于引入电容，改善天线阻抗匹配；
金属地板层下方的同轴馈电探针(6)分别通过金属地板层(7)和介质基板层(5)的正中心，为顶层的超表面结构馈电；同轴馈电探针(6)的内芯与顶层的圆盘状辐射贴片(3)直接接触，同轴馈电探针(6)外层与金属地板层(7)连接；电磁波能量通过同轴探针输入，沿着内芯传输给超表面结构。
2.根据权利要求1所述的基于超表面的宽带全向天线，其特征在于：相邻两个大正方形贴片之间的间距为g。
3.根据权利要求1所述的基于超表面的宽带全向天线，其特征在于：位于大正方形贴片水平和垂直中轴线延长线上的小正方形贴片，和与其相邻的大正方形贴片之间的间距为g。
4.根据权利要求1所述的基于超表面的宽带全向天线，其特征在于：位于大正方形贴片对角线延长线上的小正方形贴片，和与其相邻的大正方形贴片之间沿大正方形贴片对角线方向的间距为根号
Figure FDA0002513231860000011
5.根据权利要求2或3或4所述的基于超表面的宽带全向天线，其特征在于：g的长度小于0.06倍的波长，该波长是S11≤-10dB对应的最大频率下的波长。
6.根据权利要求1所述的基于超表面的宽带全向天线，其特征在于：wm:wm1＝＝5:(2.5-4)。
7.根据权利要求1所述的基于超表面的宽带全向天线，其特征在于：圆盘状辐射贴片(3)和圆形非辐射贴片(4)的半径差为s。
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