CN112366456A - 一种5g通信用基于人工电磁超材料的超宽带天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种5G通信用基于人工电磁超材料的超宽带天线，包括辐射器和人工电磁超材料，所述的超宽带天线放置在人工电磁超材料的边缘处，辐射器和人工电磁超材料的上层贴片共面；辐射器为偶极子型的具有宽带特性的领结型天线，所述领结型天线由两条臂组成，两条臂都刻蚀在介质基板顶面，其中一条臂连接到馈电微带，而另一臂通过金属过孔连接到介质基板下表面的地线；人工电磁超材料为蘑菇型人工电磁超材料，其结构由上层金属贴片，中间的介质基板，下层的接地平面和将上层金属贴片连接到下层接地平面的金属通孔组成。本发明提供的提出了一种5G通信用基于人工电磁超材料的超宽带天线，克服了传统微带天线带宽窄的缺陷。

Description

一种5G通信用基于人工电磁超材料的超宽带天线
技术领域
本发明属于通信设备技术领域，具体涉及一种5G通信用基于人工电磁超材料的超宽带天线。
背景技术
随着现代无线通信系统的快速发展，宽带天线的需求日益增长。尽管微带天线窄阻抗带宽的缺点，但微带贴片天线由于其外形小，重量轻，成本低，因此在当今军用和民用方面作用日益突出，应用也越来越广泛。到目前为止，已经报道了许多技术来克服固有的窄带宽的缺点，包括使用容性探针馈电、L型探针馈电、缝隙耦合、U/E型缝贴片以及层叠式贴片，对于采用同轴馈电的探针长度的增加所带来的电感增加，通常获得的带宽展宽小于10％。通过在贴片上刻一个U形槽引入补偿电容，带宽展宽可增加到30％。结合单独的孔径耦合结构，可以实现25％的带宽展宽。L型探头和背腔式耦合微带天线分别可实现36％和40％的带宽展宽。在这些解决方案中基本的是需要使用低介电常数的厚介质基板，因而很难让天线做到低剖面，剖面高不利于系统的集成。因此拓宽微带天线的带宽受到了研究者的广泛关注，在不断探索的过程中，近几年来以复合右手/左手(CRLH)传输线(TL)理论为分析基础的电磁超材料以其独特性能为开发微波电路和天线开辟了新途径。
现有技术中，在未采用人工电磁超材料的情况下，天线的辐射器与天线地之间的距离不可能达到本设计的0.85mm，这是因为天线地对于电磁波的完全反相反射的缘故，同时也因为这个原因，一般天线的带宽不超过10％，这是平面微带天线固有的窄带特性。而另一方面，即使将人工电磁超材料应用到了天线设计中，但是由于天线结构设计不合理，例如仅仅简单设计一个条带状的偶极子天线置于人工电磁超材料之上，人工电磁超材料的同相位反射特性未能充分利用，因此天线的带宽特性也不理想，甚至带宽特性非常差。
发明内容
为了解决上述存在的技术问题，本发明提供一种5G通信用基于人工电磁超材料的超宽带天线。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
一种5G通信用基于人工电磁超材料的超宽带天线，包括辐射器和人工电磁超材料，所述的超宽带天线放置在人工电磁超材料的边缘处，辐射器和人工电磁超材料的上层贴片共面；
所述辐射器为偶极子型的具有宽带特性的领结型天线，所述领结型天线由两条臂组成，两条臂都刻蚀在介质基板顶面，其中一条臂连接到馈电微带，而另一臂通过金属过孔连接到介质基板下表面的地线，该结构与传统的领结型天线两条臂分别置于介质板上下表面的设计具有结构上的创新，传统的领结型天线或者微带型的偶极子天线设计其两条臂分别与上层的微带馈电及下层的天线地相连，这导致了两条臂不在同一平面上，本发明中领结型天线的共面设计使得天线具有更好的共形能力，更易于系统集成；
所述人工电磁超材料为蘑菇型人工电磁超材料，其结构由上层金属贴片，中间的介质基板，下层的接地平面和将上层金属贴片连接到下层接地平面的金属通孔组成。
具体地，所述介质基板的相对介电常数εr为3.55，损耗角正切tanδ为0.0027，介质厚度h为3.25mm。
由以上的技术方案可知，本发明的有益效果是：
本发明提供的提出了一种5G通信用基于人工电磁超材料的超宽带天线，克服了传统微带天线带宽窄的缺陷。传统天线的辐射器与天线地之间的距离做不到紧凑放置，而本发明中领结型天线辐射器与蘑菇型人工电磁超材料可以做到紧凑放置，两者间的距离仅为0.85mm，这为紧凑性场合下的应用提供了广阔的应用前景。5G通信用基于人工电磁超材料的超宽带天线有效克服了传统微带天线带宽拓展方法所带来的天线本身结构复杂、馈电结构复杂、需要使用厚的介质基板等缺点。本发明提供的5G通信用基于人工电磁超材料的超宽带天线，易于实现，制作加工简单、天线性能稳定。
附图说明
图1为蘑菇型人工电磁超材料一个单元的结构示意图。
图2为蘑菇型人工电磁超材料一个单元同相位反射特性的HFSS建模方法示意图。
图3为5G通信用基于人工电磁超材料的超宽带天线结构示意图。
图4为三种配置下的领结型天线结构示意图，其中图4(a)为自由空间中的领结型天线(case 1)，图4(b)为靠近金属表面的领结型天线(case 2)，图4(c)为在金属表面的领结型天线(case 3)。
图5为图4三种配置下的领结型天线结构的回波损耗。
图6(a)为靠近蘑菇型结构的领结型天线，图6(b)为靠近带有接地平面的领结型天线。
图7靠近蘑菇型结构的领结型天线(a)和靠近带有接地平面的领结型天线的回波损耗(b)。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。
实施例1
一种5G通信用基于人工电磁超材料的超宽带天线，包括辐射器和人工电磁超材料，所述的超宽带天线放置在人工电磁超材料的边缘处，辐射器和人工电磁超材料的上层贴片共面；
所述辐射器为偶极子型的具有宽带特性的领结型天线，所述领结型天线由两条臂组成，两条臂都刻蚀在介质基板顶面，其中一条臂连接到馈电微带，而另一臂通过金属过孔连接到介质基板下表面的地线，该结构与传统的领结型天线两条臂分别置于介质板上下表面的设计具有结构上的创新，传统的领结型天线或者微带型的偶极子天线设计其两条臂分别与上层的微带馈电及下层的天线地相连，这导致了两条臂不在同一平面上，本发明中领结型天线的共面设计使得天线具有更好的共形能力，更易于系统集成，所述介质基板的相对介电常数εr为3.55，损耗角正切tanδ为0.0027，介质厚度h为3.25mm。
人工电磁超材料为蘑菇型人工电磁超材料，其结构由上层金属贴片，中间的介质基板，下层的接地平面和将上层金属贴片连接到下层接地平面的金属通孔组成。
其中蘑菇型人工电磁超材料一个单元如图1所示，其中Wx，Wy分别为蘑菇单元上层贴片在x方向和y方向的尺寸，gx，gy分别为蘑菇单元与x方向和y方向相邻蘑菇单元的间距，Dvia为金属通孔直径。h为介质的厚度，εr为介质的相对介电常数。通过HFSS软件对该蘑菇型人工电磁超材料单元的同相位特性进行研究。所采用的建模方法如图2所示，对蘑菇型人工电磁超材料一个单元的四个侧面施加周期性边界条件(Maste/Slave边界条件)，在辐射边界的上表面施加Floquet激励，边界高度为hf(hf＝0.13λ0，λ0是中心频率4GHz处自由空间中的工作波长)。在全波仿真中Floquet端口距离蘑菇单元贴片的高度对同相位特性的仿真结果的准确性有较大的关系，在上图所示的模型中使用Floquet端口向蘑菇单元模型的延伸长度为hi来调整反射系数的相位。经过对数据的分析，Floquet端口向模型延伸的距离设置hi＝0.05λ0可以获得较为准确的同相位反射特性曲线。蘑菇单元所使用的介质为Rogers4003，相对介电常数εr为3.55，损耗角正切tanδ为0.0027，介质厚度为h，蘑菇型人工电磁超材料一个单元的尺寸参数如下表1所示：
表1蘑菇型单元几何参数值(mm)
Figure BDA0002757154500000051
本实施例中5G通信用基于人工电磁超材料的超宽带天线的模型图如图3所示，其几何参数值如下表2所示：
表2基于蘑菇型人工电磁超材料超宽带天线几何参数值(mm)
Figure BDA0002757154500000061
本实施例的原理为：
虽然领结型天线非常靠近蘑菇型人工电磁超材料放置，但是由于蘑菇型超材料的同相位反射特性，有效提升了领结型天线的性能。众所周知半波长偶极天线在自由空间中能够有效辐射。而当将其放置在介质基板(PEC)接地平面周围时，在接地平面上会感应出表面电流，当偶极子的位置非常靠近介质基板接地平面时，无论是在顶部还是在边缘附近，感应电流的辐射都将抵消偶极子的辐射，从而导致辐射效率低下。领结型结构从结构上看可以看成是偶极子天线的变形，因此当将领结型天线靠近介质基板仿真时，其辐射特性将类似于偶极子天线。为了说明领结型天线在自由空间中以及靠近介质基板平面时的辐射性能，使用HFSS软件模拟了三种配置下的领结型天线的性能：(a)自由空间中的领结型天线、(b)理想导体接地平面边缘附近的领结型天线以及(c)理想导体接地平面上方的领结型天线，如图4所示。在仿真中，领结型天线的馈电直接使用集总端口的间隙源，而不再使用微带线进行馈电。
图5给出了图4所示的三种情形下的回波损耗。从图5的结果可得出，领结型天线(a)在自由空间中的中心频率附近实现了良好的辐射，中心频率点的回波损耗达到-20dB，但相对带较窄，17％；而当领结型天线放置在理想导体接地平面上方(b)时，回波损耗接近零，这意味着在这种情况下辐射出的能量很小，原因是来自理想导体的反相镜像电流的辐射抵消了原始领结型天线的辐射，领结型天线未能有效辐射，反射系数极差；当领结型天线放在介质基板接地平面的边缘附近(c)时，由于没有完全的反向镜像电流，在接地平面上的感应电流产生的辐射部分抵消了来自领结型天线的辐射，因此反射系数比领结型天线放置在理想导体上的情况要好。因此可以得出结论，由于理想导体表面的反相镜像电流使得领结型天线的辐射性能相比于自由空间中的辐射性能恶化，且相对带宽极窄为1％。
最后给出蘑菇型结构边缘附近和介质基板接地平面边缘附近的领结型天线辐射性能对比。图6给出了两种天线结构模型，其中图6(a)即图3所示的应用于5G的基于蘑菇型人工电磁超材料同相位反射特性的领结型超宽带高增益天线模型(实施例1)。图6(b)所示模型，则将图3(a)模型的蘑菇型结构上层贴片阵列替换为了理想导体表面，并将蘑菇型结构中连接上层贴片和下层地的金属过孔去除，这里两种天线结构都只给出了顶视图结构，两天线的地结构完全相同并如图3(b)所示。图7显示了两种天线结构模型的回波损耗特性。
从图7的结果可以看到，靠近蘑菇型结构的领结型天线回波损耗特性(a)及带宽显着提高并且可在超宽带频率范围内工作(4.02GHz-5.38GHz，相对带宽达29％)。该结果有效证实了蘑菇型结构接地平面具有增强领结型天线辐射的能力。
综上，本发明提出的一种5G通信用基于人工电磁超材料的超宽带天线，具体表述为利用人工电磁超材料的同相位反射特性，将偶极子型辐射器紧密靠近于人工电磁超材料的边缘放置，通过微带线激励偶极子型天线，人工电磁超材料部署在馈电微带的两侧。该方法可有效使得超宽带天线的变为可能。
以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

Claims (2)

1.一种5G通信用基于人工电磁超材料的超宽带天线，其特征在于，包括辐射器和人工电磁超材料，所述的超宽带天线放置在人工电磁超材料的边缘处，辐射器和人工电磁超材料的上层贴片共面；
所述辐射器为偶极子型的具有宽带特性的领结型天线，所述领结型天线由两条臂组成，两条臂都刻蚀在介质基板顶面，其中一条臂连接到馈电微带，而另一臂通过金属过孔连接到介质基板下表面的地线；
所述人工电磁超材料为蘑菇型人工电磁超材料，其结构由上层金属贴片，中间的介质基板，下层的接地平面和将上层金属贴片连接到下层接地平面的金属通孔组成。
2.根据权利要求1所述一种5G通信用基于人工电磁超材料的超宽带天线，其特征在于，所述介质基板的相对介电常数εr为3.55，损耗角正切tanδ为0.0027，介质厚度h为3.25mm。
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