CN112332087B - 基于超表面结构的差分馈电圆极化滤波天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于超表面结构的差分馈电圆极化滤波天线。本发明包括辐射结构和馈电结构两个组成部分：天线顶层的辐射结构是由周期性分布的超表面结构单元组成的超表面结构，在每个超表面结构单元的对角线上加载两个接地金属通孔；天线底层的馈电结构是由微带耦合线和U形槽线构成的滤波巴伦差分馈电结构。本发明圆极化滤波天线通带内的增益比较稳定，带外抑制明显，增益的频率选择性较好，实现了较好的滤波性能。此外，阻抗带宽和轴比带宽可以分开独立调节，使轴比频率更稳定。

Description

基于超表面结构的差分馈电圆极化滤波天线
技术领域
本发明涉及一种天线结构，尤其涉及一种基于超表面结构的差分馈电圆极化滤波天线结构。
背景技术
随着现代无线通信技术的飞速发展，天线作为无线通信系统中必不可少的一部分，对其性能和指标的要求也随之提高。圆极化天线因具有良好的抗干扰能力和发射接收极化的任意性，被广泛应用到卫星通信、雷达、射频识别系统中。但传统的圆极化天线一般是通过对天线的馈电结构进行设计来产生圆极化辐射，这种设计使得天线的整体结构比较复杂，并且轴比的中心频率易受影响。近年来，一种二维平面超材料结构----超表面结构，因具有平面化、制造成本低，且可以有效地改善天线等优点而受到关注。基于超材料结构设计的超表面天线作为一种新型天线已经得到了广泛的研究。相对于传统圆极化天线的复杂性，使用超表面技术产生圆极化，可以在紧凑的天线结构中实现，且能够更好地调节圆极化，轴比频率也更稳定。
天线和滤波器是射频系统中两个重要的前端器件，将滤波性能集成在天线当中，可以有效地使射频系统进一步小型化。目前，具有滤波效果的超表面圆极化滤波天线极少被人提及。
发明内容
为了克服传统圆极化天线的复杂性和轴比频率易受影响的不足，并在天线中融合设计滤波性能，从而实现更紧凑的射频前端，本发明提出了一种C波段的基于超表面结构的差分馈电圆极化滤波天线。
实现本发明目的的技术解决方案为：
本发明天线主要包括第一介质板、第二介质板、金属接地板、天线辐射结构、滤波馈电网络；第一介质板、金属接地板、第二介质板从上至下依次设置；
所述天线辐射结构为设置在第一介质板顶层的周期性分布的超表面结构单元构成；所述超表面结构单元加载两个接地金属通孔，上述两个接地金属通孔位于超表面结构单元对角线的两端；接地金属通孔贯穿第一介质板，用于超表面结构单元与金属接地板的连接；
作为优选，超表面结构单元沿X轴和Y轴分布的数量相同，单元间距相同；通过调整两个接地金属通孔的孔径大小和距离，产生相位差约为90°的等幅正交极化波，从而实现天线的圆极化性能。
所述滤波馈电网络是由滤波巴伦组成的差分馈电结构，滤波巴伦由微带线T1、T2、T3和U形槽U1、U2构成；
所述微带线T1、T2、T3设置在第二介质板的底层；微带线T2、T3中心对称，微带线T2、T3与T1距离相等，微带线T2、T3、T1平行设置。微带线T2、T3与T1耦合。微带线T1的中心与第二介质板的中心重合。
微带线T1的一端接50欧姆微带线作为输入端口，微带线T2的一端和微带线T3的一端分别通过另接50欧姆微带线T4、T5作为两个平衡输出端口。
所述U形槽U1、U2设置在金属接地板，两个U形槽中心对称；微带线T2、T3分别与两个U形槽耦合，T1与两个U形槽耦合。
所述金属接地板开有耦合缝隙C1、C2，C1和C2中心对称，且分别关于T2、T3另接的微带线T4、T5的中心线轴对称，C1、C2分别与两个平衡输出端口耦合。
作为优选，微带线T1大于1/2波长，U形槽为1/2波长；为了保证U形槽能更好地与微带线T1、T2、T3进行耦合，两个U形槽的其中一个长臂终端分别与微带线T1的两端位置在同一水平线上，且该长臂内侧边缘线与微带线T1的中心线重合，两个U形槽的另一个长臂的内侧边缘线分别与微带线T2、T3的中心线重合。
下面将本发明所述天线的原理进行详细说明。
信号通过耦合微带线T1一端连接的50欧姆微带线输入到滤波巴伦结构T1中，通过金属接地板N上的两个1/2波长的U形槽U1和U2耦合到微带线T2、T3中，此外，T2、T3与微带线T1耦合，T2、T3和T1的交叉耦合使天线在带外产生一个低频零点；同时两个1/2波长的U形槽作为谐振器在相应的频率产生谐振，使天线在通带内具有两个谐振极点，在带外产生一个高频零点。T2和T3作为平衡输出端口，其产生的一对等幅反相差分信号分别通过另接的50欧姆微带线输出，再由金属接地板N上的一对矩形耦合缝隙C1和C2传给第一介质板上表面的超表面结构M。超表面结构单元中沿对角线加载的两个关于超表面结构单元中心对称的接地金属通孔将接收到的信号转化为一对等幅正交的极化波，最后通过超表面结构单元将能量辐射出去，从而形成了圆极化滤波天线。
通过调整U形槽和微带耦合线T1、T2、T3的尺寸优化圆极化滤波天线的阻抗匹配特性、滤波特性和圆极化特性，其中U形槽长臂的长度和T2、T3的长度对天线的阻抗匹配程度以及天线的滤波特性影响较大。超表面单元结构中方形贴片的宽度、相邻贴片的间距以及两个接地金属通孔的距离和孔径大小都对天线的滤波性能、圆极化性能和阻抗匹配特性有影响，其中方形贴片的尺寸对天线的阻抗匹配特性和滤波特性影响较大，相邻贴片的间距以及两个接地金属通孔的距离和孔径大小对天线的圆极化特性和阻抗匹配特性影响较大。两个矩形耦合缝隙的长度和宽度影响天线的阻抗匹配特性。
本发明的有益效果为：
1.本发明在超表面结构单元的对角线上加载两个一定距离的接地金属通孔，通过调整两个金属通孔的距离以及相邻超表面结构单元的间距，使超表面天线产生轴比小于3dB的圆极化波，从而实现圆极化天线特性。本发明不需要通过馈电结构来实现圆极化特性，可简化传统圆极化天线的设计方法，从而缩短设计周期。
2.本发明采用差分馈电的方式对圆极化超表面天线进行馈电，可改善传统单端口馈电超表面天线表面电流分布不均匀的问题，从而改善天线的增益，提高天线的口径效率。
3.本发明通过对天线的馈电结构加以设计，采用滤波巴伦差分馈电的方式，实现天线的滤波效果，把射频前端两个重要的器件滤波器和天线融合在一起，实现了射频前端系统的小型化。
4.本发明可以独立地调节圆极化的轴比带宽和-10dB的阻抗带宽，使轴比的中心频率更稳定，圆极化性能好，滤波器的频率选择性与带外抑制水平较好。实现了中心频率为6.3GHz，-10dB阻抗带宽为17.4％(5.78～6.88GHz)，3dB轴比带宽为9.2％(6.02～6.60GHz)的圆极化滤波天线，其最高增益为6.3GHz处的8.9dBic。
5.本发明采用超表面结构实现圆极化的同时，对天线的馈电结构部分加以设计，实现了天线的滤波效果，可有效减小射频前端系统的尺寸，创新性强，拓宽了基于超表面结构的圆极化天线的应用范围。
附图说明
图1是基于超表面结构的圆极化滤波天线三维视图；
图2是超表面单元结构图；
图3(a)是超表面单元结构S参数的幅度图；
图3(b)是超表面单元结构S参数的相位图；
图4是滤波巴伦差分馈电结构图；
图5(a)是滤波巴伦差分馈电结构S参数图；
图5(b)是滤波巴伦差分馈电结构平衡输出端口的相位差；
图6是基于超表面结构的单端口馈电圆极化天线和差分馈电圆极化天线的增益曲线；
图7是基于超表面结构的差分馈电圆极化滤波天线的S参数图；
图8(a)本发明所述天线最大辐射方向增益关于频率的变化曲线；
图8(b)是本发明天线最大辐射方向轴比关于频率的变化曲线；
图9是本发明所述天线在6.3GHz处的辐射方向图。
具体实施方式
下面结合附图对技术方案的实施进行进一步分析：
结合图1、图2和图4，基于超表面结构的差分馈电圆极化滤波天线包括了顶层介质基板S1、底层介质基板S2、超表面结构M、金属接地板N、矩形耦合缝隙C1和C2、滤波巴伦差分馈电结构(微带耦合线T1、T2和T3以及一对开口朝向相反的U形槽U1、U2)。基于超表面结构的差分馈电圆极化滤波天线主要由两部分组成：第一部分为天线顶层基板的超表面结构，由m×m个相同的超表面单元在X轴和Y轴方向按一定的间隙进行周期排列构成。
一种基于超表面结构的差分馈电圆极化滤波天线的具体尺寸要求如下：
超表面单元结构中超表面结构单元即方形贴片的边长W为0.34λg1～0.4λg1，相邻贴片的间距g为0.066λg1～0.11λg1，金属通孔直径d为0.009λg1～0.035λg1，通孔间距dt为0.066λg1～0.093λg1，其中λg1为第一层介质基板S1的有效介质波长。
在滤波巴伦差分馈电结构中，U形槽臂部长度L1为0.24λg2～0.39λg2，耦合微带线T2、T3的长度L2为0.27λg2～0.35λg2，U形槽两臂部的间距L3为0.1λg2～0.17λg2，耦合微带线T、T2、T3的线宽W1为0.021λg2～0.036λg2，U形槽两臂部连接线线宽W2为0.015λg2～0.04λg2，U形槽臂部线宽W3为0.014λg2～0.037λg2，两U形槽的间距S为0.051λg2～0.094λg2，耦合微带线T2、T3与T1的距离S1为0.038λg2～0.054λg2。矩形耦合缝隙C1和C2的长LS为1.21λg2～1.39λg2，宽Ws为0.095λg2～0.135λg2，其中λg2为第二层介质基板S2的有效介质波长。
实施例一
如图1所示,基于超表面结构的差分馈电圆极化滤波天线的三维视图，包括了顶层介质基板S1、底层介质基板S2、超表面结构M、金属接地板N、矩形耦合缝隙C1和C2、滤波巴伦差分馈电结构(微带耦合线T1、T2和T3以及一对U形槽U1、U2)。基于超表面结构的差分馈电圆极化滤波天线主要由两部分组成：第一部分为天线顶层基板的超表面结构，由4×4个相同的超表面单元在X轴和Y轴方向按一定间隙进行周期排列构成。顶层介质基板的相对介电常数为4.4，厚度h为3mm，宽度Gl为50mm。第二部分为天线底层基板的馈电结构，底层介质基板的相对介电常数为3.55，厚度t为0.5mm。金属接地板放在底层基板和顶层基板中间，在接地板上开槽进行耦合馈电，矩形耦合缝隙的长度Ls为34.5mm(1.37λg),Ws为3.1mm(0.123λg)。
如图2所示，超表面单元结构由一个方形贴片和加载在方形贴片对角线上的两个接地金属通孔(关于单元贴片中心对称)组成，方形贴片的宽度W为8.4mm(0.37λg),贴片单元间距g为2.1mm(0.093λg),金属通孔直径d为0.6mm(0.026λg),通孔间距dt为1.7mm(0.075λg)。采用Floquet端口分析法，利用HFSS仿真软件仿真可得如图3(a)、(b)所示的超表面单元结构的S参数。超表面单元工作的中心频率在5.8GHz，在-10dB阻抗带宽下，带内插入损耗约为0.63dB，入射极化波和反射极化波产生了约90°的相位差(±5°)。
结合图1与图4所示，滤波巴伦差分馈电结构由微带耦合线和1/2波长的U形槽线组成，微带耦合线部分置于底层基板的下表面，U形槽刻在中间层的接地板上。滤波巴伦结构的尺寸如下：L1为9.1mm(0.36λg),L2为7.6mm(0.3λg),L3为3.9mm(0.15λg),W1为0.6mm(0.024λg),W2为0.7mm(0.028λg),W3为0.79mm(0.031λg),S为2.1mm(0.083λg),S1为1.15mm(0.046λg)。微带耦合线与槽线的长臂耦合，位于基板中间的微带线T1为输入端口，位于基板两侧的微带线T2和T3作为平衡输出端口。利用HFSS仿真软件仿真可得如图5(a)、(b)所示的滤波巴伦差分馈电结构性能，馈电结构的中心频率在6.0GHz，在-10dB阻抗带宽下，两个平衡输出端口的幅度一致性较好，相位不平衡度小于7°。
如图6所示，将基于超表面结构的单端口馈电圆极化天线和差分馈电圆极化天线的增益进行比较，基于差分馈电的天线增益明显高于单端口馈电的天线增益，在天线工作的中心频率6.3GHz处，差分馈电方式的增益比单端口馈电方式的增益高了1dB左右。此外，还可从图6看出差分馈电方式的天线增益曲线要比单端口馈电方式的天线增益曲线更加稳定。
利用HFSS仿真软件仿真得到如图7、图8和图9所示的基于超表面结构的差分馈电圆极化滤波天线的性能参数。
本发明所述天线的反射系数如图7所示，天线的-10dB的阻抗带宽为5.78～6.88GHz，相对带宽为17.4％。
本发明所述天线的增益随频率变化的曲线如图8(a)所示，天线在工作频带内的最大增益为6.3GHz处的8.9dBic。增益曲线在通带内比较稳定，在频带边缘下降的较快，在5.36GHz和7.48GHz处分别有一个零点，圆极化滤波天线的带外抑制比较明显，增益的频率选择性较好，实现了较好的滤波性能。图8(b)为本发明所述天线轴比随频率变化的曲线图，轴比的中心频率在6.3GHz处，3dB轴比带宽为6.02～6.60GHz，相对带宽为9.2％，实现了较好的圆极化性能。
如图9所示，本发明所述天线在E面和H面的辐射方向图都是对称的，E面和H面的交叉极化均小于-15dB，天线在工作频带内实现了良好的辐射特性。

Claims (8)

1.基于超表面结构的差分馈电圆极化滤波天线，其特征在于主要包括第一介质板、第二介质板、金属接地板、天线辐射结构、滤波馈电网络；第一介质板、金属接地板、第二介质板从上至下依次设置；
所述天线辐射结构为设置在第一介质板顶层的周期性分布的超表面结构单元构成；所 述超表面结构单元加载两个接地金属通孔，上述两个接地金属通孔位于超表面结构单元对 角线的两端；接地金属通孔贯穿第一介质板，用于超表面结构单元与金属接地板的连接；通 过调整两个接地金属通孔的孔径大小和距离，产生相位差约为
Figure 945065DEST_PATH_IMAGE002
的等幅正交极化波，从而 实现天线的圆极化性能；
所述滤波馈电网络是由滤波巴伦组成的差分馈电结构，滤波巴伦由微带线T1、T2、T3和U形槽U1、U2构成；
所述微带线T1、T2、T3设置在第二介质板的底层；微带线T2、T3与T1耦合；微带线T2、T3中心对称，微带线T2、T3与T1距离相等，微带线T2、T3、T1平行设置；微带线T1的中心与第二介质板的中心重合；
微带线T1的一端接微带线作为输入端口，微带线T2的一端和微带线T3的一端分别通过另接微带线作为两个平衡输出端口；
所述U形槽U1、U2设置在金属接地板，两个U形槽中心对称；微带线T2、T3分别与两个U形槽耦合，微带线T1与两个U形槽均耦合；
所述金属接地板开有耦合缝隙C1、C2，耦合缝隙C1、C2分别与两个平衡输出端口耦合。
2.如权利要求1所述的基于超表面结构的差分馈电圆极化滤波天线，其特征在于天线辐射结构沿X轴和Y轴分布的超表面结构单元数量相同。
3.如权利要求1或2所述的基于超表面结构的差分馈电圆极化滤波天线，其特征在于天线辐射结构中相邻超表面结构单元间距相同。
4.如权利要求1所述的基于超表面结构的差分馈电圆极化滤波天线，其特征在于耦合缝隙C1和C2中心对称。
5.如权利要求1所述的基于超表面结构的差分馈电圆极化滤波天线，其特征在于微带线T1大于1/2波长，U形槽为1/2波长。
6.如权利要求1所述的基于超表面结构的差分馈电圆极化滤波天线，其特征在于两个U形槽的其中一个长臂终端分别与微带线T1的两端位置在同一水平线上，且该长臂内侧边缘线与微带线T1的中心线重合，两个U形槽的另一个长臂的内侧边缘线分别与微带线T2、T3的中心线重合。
7.如权利要求1所述的基于超表面结构的差分馈电圆极化滤波天线，其特征在于微带线T2、T3和T1的交叉耦合使天线在带外产生一个低频零点；两个U形槽作为谐振器在相应的频率产生谐振，使天线在通带内具有两个谐振极点，在带外产生一个高频零点；T2和T3作为平衡输出端口，其产生的一对具有带通滤波效果的等幅反相差分信号分别通过另接的微带线输出，再由金属接地板N上的一对矩形耦合缝隙C1和C2传给第一介质板上表面的超表面结构M；超表面结构单元中沿对角线加载的两个接地金属通孔将接收到的信号转化为一对等幅正交的极化波，最后通过超表面结构单元将能量辐射出去，从而形成了圆极化滤波天线。
8.如权利要求1所述的基于超表面结构的差分馈电圆极化滤波天线，其特征在于超表面单元结构中超表面结构单元的边长W为0.34λ g1~ 0.4λ g1，相邻超表面结构单元的间距g为0.066λ g1~ 0.11λ g1，金属通孔直径d为0.009λ g1~ 0.035λ g1，通孔间距dt为0.066λ g1~ 0.093λ g1，其中λ g1为第一层介质基板S1的有效介质波长；
在滤波巴伦差分馈电结构中，U形槽臂部长度L1为0.24λ g2~ 0.39λ g2，微带线T2、T3的长度L2为0.27λ g2~ 0.35λ g2，U形槽两臂部的间距L3为0.1λ g2~ 0.17λ g2，微带线T1、T2、T3的线宽W1为0.021λ g2~ 0.036λ g2，U形槽两臂部连接线线宽W2为0.015λ g2~ 0.04λ g2，U形槽臂部线宽W3为0.014λ g2~ 0.037λ g2，两U形槽的间距S为0.051λ g2~ 0.094λ g2，微带线T2、T3与T1的距离S1为0.038λ g2~ 0.054λ g2；矩形耦合缝隙C1和C2的长LS为1.21λ g2~ 1.39λ g2，宽Ws为0.095λ g2~0.135λ g2；其中λ g2为第二层介质基板S2的有效介质波长。
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