CN111799549A - 基于差分介质谐振器馈电的宽带超表面天线 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于差分介质谐振器馈电的宽带超表面天线，包括上下层叠的第一矩形介质板和第二矩形介质板，以及矩形介质谐振器；所述第一介质板的上表面印制有4x3个周期性排布的矩形金属贴片，移除中心部位的两个矩形金属贴片，形成超表面辐射体；所述超表面辐射体四个角位置的矩形金属贴片蚀刻有线性缝隙，所述矩形通孔长边侧翼的矩形金属贴片蚀刻有开放式缝隙；所述第二矩形介质板的上表面印制有金属地板；矩形介质谐振器侧面印制有金属条带并在附近设置有馈电探针，所述馈电探针通过金属条带与矩形介质谐振器连接并差分馈电。本发明在保证超表面天线具有较小后向辐射的基础上，拓展天线的带宽。

Description

基于差分介质谐振器馈电的宽带超表面天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，涉及一种差分宽频带的超表面天线，可直接整合到差分电路并用于宽带无线通信系统中。

背景技术

相对传统单端口天线，差分天线具备可以抗噪声、抗共模干扰的优良特性；其次，由于差分天线可直接与差分电路集成，避免使用巴伦，从而减小设备的整体体积、提高射频前端的集成度、降低传输损耗并提高效率。此外，差分馈电还可以降低天线的交叉极化电平并保证天线方向图的对称性。因此，对于差分天线的研究成为一个热门。然而，由于差分天线需要馈电的双端口的两路信号之间等幅度且反相，其有源阻抗相比传统单端馈电天线更难匹配，而这限制了差分天线的工作带宽。另一方面，宽带是无线通信系统的最基本核心的要求，因为宽带天线可以覆盖多个无线通信频段来替代多个窄带天线，这样可以提高通信系统的效率并减少天线数量、降低制造成本、减小多天线之间严重的互相耦合干扰。综上，目前差分天线的带宽还有待进一步提高。

超表面由于其多谐振态的巨大优点，被用来提高微带天线带宽；此外超表面还具备重量轻、成本低、结构简单、低剖面、易于集成、独特的电磁特性等众多优良特性，这都符合了现代无线通信的发展趋势。所以，宽带的超表面天线具备很好的应用前景。为了适应无线通信系统对天线宽带化的需求，寻求新的方法来进一步拓宽超表面天线的带宽很有必要。这类超表面天线需要在附近外置天线作为馈源提供稳定的激励，这样馈源和超表面共同作为辐射体形成多模宽带。所以这类天线要实现宽带首先依赖于一个宽带的馈源，此外还需要超表面的多谐振态特性。

目前，超表面馈源多采用微带馈电缝隙耦合的形式给超表面耦合馈电，利用了缝隙耦合馈电具有宽带和低剖面的优点，例如，申请公布号为CN110994163A，名称为“一种基于超表面的低剖面宽带微带天线”的专利申请，公开了一种宽带的超表面天线，该发明利用CPW馈电渐变缝隙耦合的方式给超表面馈电，在极低剖面下(单层介质板)实现了52％的相对带宽，但是其采用地板上开缝隙耦合馈电，较大的后向辐射(约-10dB)难以避免。再如，申请公布号为CN109994830A，名称为“基于超表面的宽频差分天线”的专利申请，公开了一种宽带差分超表面天线，该发明利用十字型馈电和U字型馈电馈电以及地板上缝隙耦合来完成差分馈电，但是其只能实现18.7％的带宽，带宽太窄。综上所述，目前超表面天线的仍存在带宽不够宽和后向辐射较大的问题，可以进一步提高。

另一方面，目前对于超表面具有多模式这个巨大潜能的挖掘仍不足够。这主要受限于超表面高次模式的电流分布紊乱、方向图畸形以及交叉极化恶劣。因此, 目前对于超表面通常多集中在其电流同相分布的主模(对应边射方向图)。综上，超表面的高次模式由于方向图畸形而难以加入带内拓展带宽。

综上，同时兼顾较低的后向辐射还要提高差分天线的带宽还有很多工作要做，因此需要设计新型馈源降低后向辐射的同时为超表面提供宽带激励，此外还应该研究超表面高次模式，利用超表面具有多模式的优点进一步展宽带宽。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出了一种基于差分介质谐振器馈电的宽带的，旨在保证超表面天线具有较小后向辐射的基础上，拓展天线的带宽。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于差分介质谐振器馈电的宽带超表面天线，包括上下层叠的第一矩形介质板1和第二矩形介质板2，以及矩形介质谐振器3；

第一介质板1的上表面印制有4x3个周期性排布的矩形金属贴片4，移除中心部位的两个矩形金属贴片，形成超表面辐射体，在该第一介质板1移除两个矩形金属贴片的位置设置有矩形通孔；所述超表面辐射体四个角位置的矩形金属贴片4长边中点的连线上蚀刻有与平面直角坐标系XOY的Y轴平行的线性缝隙，所述矩形通孔长边侧翼的两块矩形金属贴片4短边中点的连线与X轴之间的区域，蚀刻有与X轴平行的开放式缝隙；

第二矩形介质板2的上表面印制有金属地板5；

矩形介质谐振器3放置在第一介质板1上设置的矩形通孔内，靠近矩形介质谐振器3两个短边所在的侧面附近设置有贯穿第二矩形介质板2的馈电探针6，所述馈电探针6通过印制在矩形介质谐振器3短边所在侧面上的金属条带7，与矩形介质谐振器3连接。

上述基于差分介质谐振器馈电的宽带的超表面天线，所述平面直角坐标系 XOY，其原点位于第一介质板1的中心法线上。

上述基于差分介质谐振器馈电的宽带的超表面天线，所述第一介质板1上设置的矩形通孔的中心，位于第一介质板1的中心法线上，所述矩形通孔的长边，与平面直角坐标系XOY的Y轴平行。

上述基于差分介质谐振器馈电的宽带的超表面天线，所述靠近矩形介质谐振器3两个短边所在的侧面附近设置的贯穿第二矩形介质板2的馈电探针6，通过印制在第二矩形介质板2下表面的馈电网络8进行差分馈电，或分别通过连接一个端口直接进行差分馈电。

上述基于差分介质谐振器馈电的宽带的超表面天线，所述超表面辐射体的中心，位于第一介质板1的中心法线上。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1、本发明通过差分介质谐振器馈电向超表面辐射体进行耦合馈电，差分矩形介质谐振器模式能够在足够宽频带内稳定地为周围的超表面贴片提供同相激励，且差分矩形介质谐振器由于有三个维度，具备更高的设计灵活度，其充当馈源使得可以更灵活地控制矩形介质谐振器的尺寸来分配工作频段以尽量展宽带宽，与现有技术相比，在实现较低后向辐射的同时，有效拓宽了天线的带宽。

2、本发明超表面辐射体包括的金属贴片的形状为矩形，且四个角位置的矩形金属贴片长边中点的连线上蚀刻有与Y轴平行的线性缝隙，矩形通孔长边侧翼的两块矩形金属贴片短边中点的连线与X轴之间的区域蚀刻有与X轴平行的开放式缝隙，开放式缝隙能够降低侧翼贴片上反相电流的相对幅度，从而减小了副瓣，矩形金属贴片的短边平行于Y向，可等效为减小了Y向阵元间距，进一步抑制了副瓣，线性缝隙，使得四角贴片上的X向电流分量减小，减小了方向图四角凸起，解决了高次模式由于方向图畸形而难以加入带内拓展带宽的问题，与现有技术相比，进一步拓宽了天线的带宽。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明第一介质板上表面的俯视图

图3是图1沿XOZ面结构剖面图；

图4是图1沿YOZ面所截的结构剖面图；

图5是本发明矩形介质谐振器及第二介质板的结构示意图；

图6是本实施例的馈电网络的结构示意图；

图7是本发明实施例的S₁₁-频率仿真测试结果图；

图8是本发明实施例的增益-频率仿真测试结果图；

图9(a)是本发明实施例在4.6GHz下YOZ面和XOZ面的辐射方向图；

图9(b)是本发明实施例在5.6GHz下YOZ面和XOZ面的辐射方向图；

图9(c)是本发明实施例在6.6GHz下YOZ面和XOZ面的辐射方向图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述：

参照图1，本发明包括上下层叠的第一矩形介质板1和第二矩形介质板2，以及矩形介质谐振器3；所述平面直角坐标系XOY，其原点位于第一介质板1的中心法线上，所述第一矩形介质板1和第二矩形介质板2均为正方形，边长W＝52 mm，所述第一介质板1厚度为H＝4mm，所述第二介质板2厚度为T＝0.5mm，都采用F4B材料，相对介电常数为3.5，损耗角正切值为0.001；在所述第二矩形介质板2上，位于馈电探针6的位置，预留两个直径为0.6mm的过孔，用于插入所述馈电探针6。所述矩形介质谐振器3，其结构尺寸如图5所示，长a＝14.1mm，宽b＝8.3mm，高d＝8.3mm，采用Al₃O₄的材料，相对介电常数9.5，损耗角正切值0.001，其长边平行于Y轴且正好居于第二介质板2上的两个过孔中间，其短边平行于X轴。所述矩形介质谐振器3，放置在第一介质板1上设置的矩形通孔内，矩形介质谐振器3的长边所在侧面与金属地板5通过涂抹AB胶粘连，使得矩形介质谐振器3的底面与金属地板5紧密贴合，并能够使得矩形介质谐振器3固定在金属地板5的中心位置上；所述矩形介质谐振器3通过两个馈电探针差分馈电，激励出矩形介质谐振器的

模式，

模式的辐射可等效为X轴上的一条磁流，通过X轴上的磁流产生的场来耦合激励出超表面辐射体上的Y 向电流，矩形介质谐振器的第一阶模式(

模)和第二阶模式(

模)分别工作在5.6GHz和8.4GHz,两个模式的工作频点间隔足够远即第一阶模式(

模)的模式带宽足够宽，能够在宽带内稳定地为超表面辐射体提供同相激励；矩形介质谐振器由于有三个维度，具备更高的设计灵活度，其充当馈源使得可以更灵活地控制矩形介质谐振器的尺寸来分配工作频段以尽量展宽带宽；与现有的地板缝隙耦合馈电形式相比，具有较低的后向辐射，与微带天线馈电方式相比，拓宽了带宽。

所述超表面辐射体，其结构如图2所示，所述第一介质板1的上表面印制有 4x3个周期性排布的矩形金属贴片4，移除中心部位的两个矩形金属贴片，形成超表面辐射体；所述矩形金属贴片4，长为Px-gx＝8.2mm，宽为Py-gy＝6.5mm；其长边平行于X轴，沿着X轴方向等间距分布有3个相同尺寸的矩形金属贴片 4,沿着X轴方向的间距即周期性为Px＝9mm，相邻贴片间隔gx＝0.8mm；其短边为平行于Y轴，沿着Y轴方向等间距分布有4个相同尺寸的矩形金属贴片4，沿着Y轴方向的间距即周期性为Py＝7.6mm，相邻贴片间隔gy＝1.1mm。所述矩形金属贴片4为矩形且矩形短边平行于Y向，即相较于方形金属贴片，金属贴片在 Y向的周期性被缩短，这可以等效于减小边缘两排电流组成的二元阵的阵元间距，从而抑制副瓣。所述超表面辐射体四个角位置的矩形金属贴片4长边中点的连线上蚀刻有与平面直角坐标系XOY的Y轴平行的线性缝隙41；所述线性缝隙41，其长度等于矩形金属贴片4短边的长度Py-gy＝6.5mm，宽度为W2＝0.5mm；超表面辐射体四个角位置的矩形金属贴片长边中点的连线上蚀刻的Y向线性缝隙，使得高次模式下四角矩形金属贴片上的X向电流分量减小，修复高次模式下方向图四角凸起的畸形，进而改善法向增益在高次模式频点处的陷落，最后改善法向增益在带内的平坦度。所述矩形通孔长边侧翼的两块矩形金属贴片4短边中点的连线与X轴之间的区域，蚀刻有与X轴平行的开放式缝隙42，其长S1＝3.44mm，宽W1＝0.2mm；以平行于X轴的方向蚀刻在贴片上位于靠近X轴间距D＝2.17mm 的位置上。由于高次模式下的方向图副瓣是由矩形通孔长边侧翼矩形金属贴片上的电流与超表面辐射体上Y向最边缘两排贴片电流方向相反造成的；在矩形通孔长边侧翼矩形金属贴片上蚀刻X向开放式缝隙，使得侧翼贴片上Y向电流沿着X 向开放式缝隙曲流，而X向开放式缝隙两侧的电流彼此反向从而互相抵消，因此能够降低侧翼贴片上电流的相对幅度，进而减小副瓣。

所述金属地板5，如图5所示，印制在所述第二矩形介质板2的上表面；位于馈电探针6的位置，预留两个直径为0.6mm的过孔，为了获得一个更合适的过孔阻抗以保证阻抗匹配在过孔处的连续性，且便于插入所述馈电探针6，在金属地板5上面位于馈电探针6的位置处，预留两个过孔。过孔大小要大于所述金属馈电探针7，其直径为2.3mm，这样保证通路上50Ω的特性阻抗在过孔位置保持连续，从而保证了带内的阻抗匹配。

所述馈电探针6，如图4所示，设置在靠近矩形介质谐振器3两个短边所在的侧面附近并贯穿第二矩形介质板2；如图3所示，所述馈电探针6通过印制在矩形介质谐振器3短边所在侧面上的金属条带7，与矩形介质谐振器3连接；所述馈电探针6为金属柱，直径W0＝0.5mm，高度L0＝2.4mm；所述金属条带7印制在矩形介质谐振器3短边所在侧面上垂直于金属地板5的中心线上，宽Ws＝0.2 mm，高度Ls＝7mm；两个金属条带7分别与两个馈电探针6相切且紧密贴合。馈电探针6的直径和高度可以改变矩形介质谐振器3的阻抗匹配，而金属条带7 可以进一步改善由于馈电探针直接激励矩形介质谐振器3而带来的阻抗带宽窄的问题，金属条带7的宽度和高度对于调节匹配带宽效果明显；总之，馈电探针 6和金属条带7在完成将激励信号传递给矩形介质谐振器3的同时，能够极大程度上调节匹配带宽。

所述矩形通孔，如图1所示，设置在该第一介质板1移除两个矩形金属贴片的位置，所述第一介质板1上设置的矩形通孔的中心，位于第一介质板1的中心法线上，所述矩形通孔的长边，与平面直角坐标系XOY的Y轴平行；矩形通孔的长Lh＝15.8mm,宽Wh＝9.1mm；矩形通孔用来容纳矩形介质谐振器3。

所述馈电网络，其结构如图6所示，所述靠近矩形介质谐振器3两个短边所在的侧面附近设置的贯穿第二矩形介质板2的馈电探针6，通过印制在第二矩形介质板2下表面的馈电网络8进行差分馈电，或分别通过连接一个端口直接进行差分馈电；由于本发明属于差分天线，需要两个端口输入幅度相等且相位差为 180度的信号，而为了便于直接连接矢量网络分析仪进行实物测试验证本发明的有效性，本发明的具体实施实例中设计了馈电网络，即威尔金斯功分器以及180 度宽带移相器来产生一对差分信号，而在实际使用中本发明可以直接整合进差分电路无需功分器和移相器。所述第二介质板2的下表面印制的馈电网络，其中的威尔金斯功分器的四分之波长阻抗变换器的末端跨接100Ω的隔离电阻，其中的宽带180度宽带移相器的两个八分之波长的短路枝节末端位置各有一个直径为0.6mm的金属化过孔以实现枝节的短路。本实例通过同轴线进行馈电，同轴线的内芯与馈电网络的输入端口焊接，外皮与金属地板5焊接。与单端口馈电方式相比，本发明由于采用差分馈电的技术，具备抗噪声、抗共模干扰等优点，可直接与差分电路集成，减小设备的整体体积、提高射频前端的集成度、降低传输损耗并提高效率，还能够降低天线的交叉极化电平并保证天线方向图的对称性。

以下结合仿真实验和实际测试，对本发明的技术效果作进一步说明：

1、仿真条件和内容：

1.1利用商业仿真软件HFSS_18.0对上述实施例的S₁₁参数-频率进行仿真计算，使用矢量网络分析仪对对上述实施例的S₁₁参数-频率进行测试，其结果如图 7所示。

1.2利用商业仿真软件HFSS_18.0对上述实施例的增益-频率进行仿真计算，在微波暗室对上述实施例的增益-频率进行测试，其结果如图8所示。

1.3利用商业仿真软件HFSS_18.0对上述实施例的远场辐射方向图进行仿真计算以及在微波暗室对上述实施例的远场辐射方向图进行测试，其结果如图9 所示，其中：图9(a)为实施例天线在4.6GHz的YOZ面(E面)和XOZ面(H 面)归一化增益方向图，图9(b)为实施例天线在5.6GHz的YOZ面(E面) 和XOZ面(H面)归一化增益方向图，图9(c)为实施例天线在6.6GHz的YOZ 面(E面)和XOZ面(H面)归一化增益方向图；本实例最大辐射方向垂直于金属地板5，取Z轴正向为最大辐射方向。

2、仿真测试结果

参照图7，以S₁₁<＝-10dB为标准，实施实例中天线的仿真阻抗带宽为4.4GHz～7.4GHz，相对带宽为51％；实施实例中天线的仿真阻抗带宽为4.6GHz～7.6GHz，相对带宽为50％；由于介质板介电常数的波动，测试数据相对仿真数据整体向高频偏移0.2GHz,但是整体趋势一致，测试数据与与仿真数据基本吻合，验证了仿真的有效性。

参照图8，实施实例中天线在工作频带内的增益为5～9dB(仿真)，实施实例中天线在工作频带内的法向可实现增益为4.5～9.6dB(测试)。由于测试过程中矢量网络分析仪和天线之间馈线较长产生的传输损耗以及频率向高频频偏导致了低频段和中频段测试增益比仿真的稍低，但差值在1dB以内；又由于频率整体向高频频偏以及增益随着频率增加而增加，所以高频段测试增益略微高于仿真增益；总体上测试增益和仿真增益趋势一致，增益在带内波动较小且过渡平滑。

参照图9，图9(a)为实施实例4.6GHz的YOZ面(E面)和XOZ面(H面) 归一化增益方向图，图9(b)为实施实例天线在5.6GHz的YOZ面(E面)和 XOZ面(H面)归一化增益方向图，图9(c)为实施实例天线在6.6GHz的YOZ 面(E面)和XOZ面(H面)归一化增益方向图。实施实例中的整个带内各频点的辐射方向图都为边射最大增益为9dBi；低频和中频段方向图完好无副瓣，高频段(超表面高次模式)的副瓣得到大幅度缩减，副瓣都在-7dB以内；带内各频点仿真测试方向图的前后比都优于15dB即后向辐射较小；带内各频点仿真结果中交叉极化都小于-30dB，测试结果交叉极化小于-20dB；带内各频点E面H 面的方向图都对称良好。

以上仿真和测试结果说明，差分天线工作良好，具备较宽的带宽且在宽带内稳定地保持了边射、较低的交叉极化电平以及较小的后向辐射。

以上描述仅是本发明的一个实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于差分介质谐振器馈电的宽带超表面天线，其特征在于，包括上下层叠的第一矩形介质板(1)和第二矩形介质板(2)，以及矩形介质谐振器(3)；

所述第一介质板(1)的上表面印制有4x3个周期性排布的矩形金属贴片(4)，移除中心部位的两个矩形金属贴片，形成超表面辐射体，在该第一介质板(1)移除两个矩形金属贴片的位置设置有矩形通孔；所述超表面辐射体四个角位置的矩形金属贴片(4)长边中点的连线上蚀刻有与平面直角坐标系XOY的Y轴平行的线性缝隙(41)，所述矩形通孔长边侧翼的两块矩形金属贴片(4)短边中点的连线与X轴之间的区域，蚀刻有与X轴平行的开放式缝隙(42)；

所述第二矩形介质板(2)的上表面印制有金属地板(5)；

所述矩形介质谐振器(3)放置在第一介质板(1)上设置的矩形通孔内，靠近矩形介质谐振器(3)两个短边所在的侧面附近设置有贯穿第二矩形介质板(2)的馈电探针(6)，所述馈电探针(6)通过印制在矩形介质谐振器(3)短边所在侧面上的金属条带(7)，与矩形介质谐振器(3)连接。

2.根据权利要求1所述的基于差分介质谐振器馈电的宽带的超表面天线，其特征在于：所述平面直角坐标系XOY，其原点位于第一介质板(1)的中心法线上。

3.根据权利要求1所述的基于差分介质谐振器馈电的宽带的超表面天线，其特征在于：所述第一介质板(1)上设置的矩形通孔的中心，位于第一介质板(1)的中心法线上，所述矩形通孔的长边，与平面直角坐标系XOY的Y轴平行。

4.根据权利要求1所述的基于差分介质谐振器馈电的宽带的超表面天线，其特征在于：所述靠近矩形介质谐振器(3)两个短边所在的侧面附近设置的贯穿第二矩形介质板(2)的馈电探针(6)，通过印制在第二矩形介质板(2)下表面的馈电网络(8)进行差分馈电，或分别通过连接一个端口直接进行差分馈电。

5.根据权利要求1所述的基于差分介质谐振器馈电的宽带的超表面天线，其特征在于：所述超表面辐射体的中心，位于第一介质板(1)的中心法线上。

Images