CN112467390A - 带左右手及过孔复合调控的开槽嵌套形漏波天线阵 - Google Patents
带左右手及过孔复合调控的开槽嵌套形漏波天线阵 Download PDFInfo
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Abstract
带左右手及过孔复合调控的开槽嵌套形漏波天线阵，涉及漏波天线。包括n个级联于介质基板上的带左右手及过孔复合调控的开槽嵌套形周期单元，开槽嵌套形周期单元包含上下2个良导体层与5个金属化过孔；上良导体层由嵌套组合的开槽矩形金属片和左手复合折线形短路枝节构成，上开槽矩形金属片的上下两端连接的矩形微带线用于调节级联阻抗；下良导体层由开槽矩形金属片构成，并通过平衡对称感性加载过孔连接上良导体层；过孔感性加载开槽矩形金属片结构消除周期单元的寄生谐振，结合级联片、不同弯折数量的左手复合折线形短路枝节获取不同左右手复合参数。可覆盖现有5g移动通信频段，可级联多个周期单元，具有宽工作频带的特性，利于小型化设计。
Description
技术领域
本发明涉及漏波天线，尤其是涉及一种带左右手及过孔复合调控的开槽嵌套形漏波天线阵。
背景技术
“左手材料”不同于自然材料中电磁波的电场、磁场以及波矢量满足右手定律，“左手材料”中三个矢量之间满足左手定律。从本构关系上分析，是等效介电常数以及等效磁导率的实部同时为负数，也称为双负特性。正是由于双负特性，产生了新的电磁学问题也引起了新的传输特性[1-3]。
根据传输线理论，Itoh等人提出一种通过传输线形式实现左手材料的新方法，并将其命名为左手传输线[4]，相比于金属棒与开口谐振环组成的结构，这种基于高通滤波器拓扑结构的左手传输线具有带宽宽、损耗低并且易于使用的特点。随后，在此基础上C.Caloz等人又提出CRLH传输线[5]，在低频呈现左手特性、高频呈现右手特性，利用这种特性能开发出新型、高性能的微波器件[6-8]。
传统的漏波天线，例如均匀结构漏波天线只能将能量辐射到前向四分之一的区域，而利用左右手复合结构制成的漏波天线，可以扩大漏波天线的主瓣扫描角度的范围并实现侧边辐射，从而扩展漏波天线的应用范围。同时左右手复合结构的应用也为漏波天线小型化提供了新的方向，为漏波天线技术拓展了新的发展空间。
参考文献:
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发明内容
本发明目的在于提供一种拥有增益、馈电相位灵活可控，工作频带宽、波束扫描范围广的特点，能够运用于5g移动通信的带左右手及过孔复合调控的开槽嵌套形漏波天线阵。
本发明包括n个级联于介质基板上的带左右手及过孔复合调控的开槽嵌套形周期单元，所述开槽嵌套形周期单元包含上良导体层、下良导体层、5个金属化过孔；上良导体层设在上层介质基板上表面，上良导体层由嵌套组合的第一开槽矩形金属片和左手复合折线形短路枝节构成；所述第一开槽矩形金属片上下两端连接的矩形微带线用于调节阻抗；下良导体层设在双层介质基板之间，下良导体层由第二开槽矩形金属片构成，并通过平衡对称左手感性加载过孔与上良导体层相连；第一开槽矩形金属片、第二开槽矩形金属片与所述平衡对称左手感性加载过孔构成过孔感性加载开槽矩形金属片结构，消除了周期单元的寄生谐振，并结合不同弯折数量的左手复合折线形短路枝节获取不同的左右手复合参数；所述带左右手及过孔复合调控的开槽嵌套形漏波天线阵，通过设置周期单元的开槽矩形金属片结构尺寸参数调节漏波天线的工作频段覆盖现有5g移动通信频段，通过调节感性加载过孔底面圆心距开槽矩形金属片边缘的距离控制右手馈电相位，并根据增益需求级联多个周期单元。
所述带左右手及过孔复合调控的开槽嵌套形周期单元的个数n＝12～24。
所述介质基板采用矩形高性能介质基板，介质基板的厚度可为0.1～1mm，相对介电常数可为2～9，损耗角正切优于0.0025。
所述上良导体层、下良导体层均可选自铜、银金属材料。
所述折线形短路枝节中轴线与第一开槽矩形金属片中轴线重合，采用左手复合折线结构，可弯折1～5折获取不同左右手复合参数，各段长度为0.3～1.15mm，宽度为0.25～0.35mm。
所述折线形短路枝节末端通过金属化过孔与介质基板的地板相连接，过孔的圆心位于折线形短路枝节中轴线上，距枝节边缘0.12～0.25mm。
所述第一开槽矩形金属片长度为4～5mm，宽度为3.9～4.4mm；第一开槽矩形金属片中心开槽1、2；槽1、2中轴线与第一开槽矩形金属片中轴线重合，槽2上沿距第一开槽矩形金属片上沿0.161～0.24mm，槽1上沿紧邻槽2下沿；槽1、2长度为1.6～2.9mm，宽度为0.4～2.35mm；第一开槽矩形金属片顶端开槽3、4；槽3、4关于第一开槽矩形金属片中轴线对称分布，上沿距第一开槽矩形金属片上沿0.16～0.24mm；槽3、4长度为0.8～1mm，宽度为0.1～0.2mm。
所述第二开槽矩形金属片通过平衡对称感性加载过孔与所述第一开槽矩形金属片连接；第二开槽矩形金属片中轴线与第一开槽矩形金属片中轴线重合，长度为4～5mm，宽度为3.9～4.4mm；第二开槽矩形金属片中心开槽5、6，槽5、6中轴线与第二开槽矩形金属片中轴线重合，槽6上沿距第二开槽矩形金属片上沿0.16～0.24mm，槽5上沿紧邻槽6下沿；槽5，6长度为0.8～2.9mm，宽度为0.4～2.35mm。
所述平衡对称感性加载过孔关于第一开槽矩形金属片、第二开槽矩形金属片中轴线对称分布，底面圆心距第一开槽矩形金属片、第二开槽矩形金属片上沿0.08～0.12mm，距第一开槽矩形金属片、第二开槽矩形金属片两侧边缘0.12～0.9mm。
本发明通过过孔感性加载开槽矩形金属片结构消除周期单元的寄生谐振，并结合不同弯折数量的左手复合折线形短路枝节获取不同的左右手复合参数，通过设置周期单元的开槽矩形金属片结构尺寸参数调节漏波天线的工作频段覆盖现有5g移动通信频段，通过调节感性加载过孔底面圆心距开槽矩形金属片边缘的距离控制右手馈电相位，并可根据增益需求级联多个周期单元；并且由于单元结构消除了寄生谐振，级联后的漏波天线具有宽工作频带的特性，利于小型化设计。
附图说明
图1是本发明实施例中开槽嵌套形周期单元的结构示意图。
图2是本发明实施例中开槽嵌套形周期单元的右视示意图。
图3是本发明实施例中开槽嵌套形周期单元的正视示意图。
图4是本发明实施例中开槽嵌套形周期单元的色散曲线。
图5是本发明实施例中带左右手及过孔复合调控的开槽嵌套形漏波天线阵的斜视示意图。
图6是本发明实施例中带左右手及过孔复合调控的开槽嵌套形漏波天线阵的回波损耗测试结果示意图。
图7是本发明实施例中带左右手及过孔复合调控的开槽嵌套形漏波天线阵的方向图测试结果图。
图8是本发明实施例中带左右手及过孔复合调控的开槽嵌套形漏波天线阵临界频率的方向图测试结果图。
具体实施方法
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
参见图1～3，在本实施例中，该带左右手及过孔复合调控的开槽嵌套形漏波天线单元结构包括双层介质基板(1)和(2)。优选介质基板(1)介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，厚度为h1＝0.19mm；介质基板(2)介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，厚度h2＝0.91mm。所述双层介质基板的上层介质基板(1)上表面覆有上层导体层(3)，双层介质基板(1)和(2)之间覆有下良导体层(4)；上良导体层(3)与下良导体层(4)为铜层；上良导体层(3)由嵌套组合的开槽矩形金属片(7)和左手复合折线形短路枝节(6)构成，所述开槽矩形金属片(7)长cl＝4.5mm，宽cw＝4.15mm，中心开槽(11)、(12)中轴线与开槽矩形金属片(7)中轴线重合，槽(11)长度cl1＝1.8mm，宽度s2＝0.5mm，槽(12)长度s1＝2.7mm，宽度cw2＝2.15mm；槽(12)上沿距开槽矩形金属片(7)上沿gs＝0.2mm，槽(11)上沿紧邻槽(12)下沿；顶端开槽(13)和(14)关于开槽矩形金属片(7)中轴线对称分布，上沿距开槽矩形金属片(7)上沿gs＝0.2mm，槽(13)长度cl2＝0.9mm，宽度gap＝0.15mm，槽(14)长度cl2＝0.9mm，宽度gap＝0.15mm；所述开槽矩形金属片(7)上下两端连接矩形微带线(9)和(10)，用于调节阻抗，矩形微带线长度gl＝2mm，宽度gw＝0.6mm；所述折线形短路枝节(6)中轴线与开槽矩形金属片(7)中轴线重合,宽度lw＝0.3mm，枝节各段长度ll1＝0.5mm，ll2＝0.95mm，ll3＝1.05mm，ll4＝0.6mm，距离开槽矩形金属片(7)开槽边缘cgap＝0.1mm；过孔底面圆心位于折线形短路枝节(6)中轴线上，距枝节边缘hg1＝0.15mm；所述下良导体层(4)由开槽矩形金属片(8)构成，并通过平衡对称感性加载过孔(18)，(19)，(20)，(21)连接上良导体层(3)；开槽矩形金属片(8)长度cl＝4.5mm，宽度cw＝4.15mm，中轴线与开槽矩形金属片(7)中轴线重合；中心开槽(15)和(16)，槽(15)和(16)中轴线与开槽矩形金属片(8)中轴线重合，槽(15)长度cl2＝0.9mm，宽度s2＝0.5mm，槽(16)长度s1＝2.7mm，宽度cw2＝2.15mm；槽(16)上沿距开槽矩形金属片(8)上沿gs＝0.2mm，槽(15)上沿紧邻槽(16)下沿；平衡对称感性加载过孔(18)、(19)、(20)、(21)关于开槽矩形金属片(7)和(8)中轴线对称分布，底面圆心距开槽矩形金属片(7)和(8)上沿0.5×gs＝0.1mm；过孔(18)和(21)底面圆心距开槽矩形金属片(7)和(8)两侧边缘hg2＝0.15mm，平衡对称感性加载过孔(18)和(19)、平衡对称感性加载过孔(20)和(21)相距hl＝0.8mm。
参见图4，过孔感性加载开槽矩形金属片结构消除了周期单元的寄生谐振，因此级联后的漏波天线具有宽工作频带的特性。
参见图5，带左右手及过孔复合调控的开槽嵌套形漏波天线及可根据增益需求级联多个周期单元；进一步优选，级联的周期单元的数量为20。
参见图6，周期单元的数量为20的带左右手及过孔复合调控的开槽嵌套形漏波天线通带范围为2.5GHz-9.3GHz，且在整个频带内没有寄生谐振；参见图7～8，带左右手及过孔复合调控的开槽嵌套形漏波天线实现了波束从后向前的连续扫描，侧射频率为3.55GHz。此外本实例提供的漏波天线在2.86GHz、3.55GHz和5.03GHz这三个频点上的增益分别为4.45dB、6.95dB和6.76dB。
综上所述，带左右手及过孔复合调控的开槽嵌套形周期单元漏波天线及阵列，可通过设置周期单元的开槽矩形金属片结构尺寸参数调节漏波天线的工作频段覆盖现有5g移动通信频段，通过调节感性加载过孔底面圆心距开槽矩形金属片边缘的距离控制右手馈电相位，并可根据增益需求级联多个周期单元；并且由于单元结构消除了寄生谐振，级联后的漏波天线具有宽工作频带的特性，利于小型化设计。因此本发明有着广泛的应用前景。
Claims (9)
1.带左右手及过孔复合调控的开槽嵌套形漏波天线阵，其特征在于所述漏波天线阵包括n个级联于介质基板(1)和(2)上的带左右手及过孔复合调控的开槽嵌套形周期单元，所述开槽嵌套形周期单元包含上良导体层(3)、下良导体层(4)和5个金属化过孔(17)、(18)、(19)、(20)、(21)；上良导体层(3)由嵌套组合的开槽矩形金属片(7)和左手复合折线形短路枝节(6)构成；所述开槽矩形金属片(7)上下两端连接的矩形微带线(9)和(10)，开槽矩形金属片(7)用于调节阻抗；下良导体层(4)由开槽矩形金属片(8)构成，并通过平衡对称左手感性加载金属化过孔(18)、(19)、(20)、(21)连接上良导体层(3)；开槽矩形金属片(7)、开槽矩形金属片(8)、金属化过孔(18)～(21)构成过孔感性加载开槽矩形金属片结构，消除了周期单元的寄生谐振，并结合不同弯折数量的左手复合折线形短路枝节(6)获取不同的左右手复合参数；通过设置周期单元的开槽矩形金属片(7)和(8)结构尺寸参数调节漏波天线的工作频段覆盖现有5g移动通信频段，通过调节感性加载金属化过孔(18)、(19)、(20)、(21)底面圆心距开槽矩形金属片(7)和(8)边缘的距离控制右手馈电相位，并根据增益需求级联多个周期单元。
2.如权利要求1所述带左右手及过孔复合调控的开槽嵌套形漏波天线阵，其特征在于所述n＝12～24。
3.如权利要求1所述带左右手及过孔复合调控的开槽嵌套形漏波天线阵，其特征在于所述介质基板(1)和(2)均采用矩形高性能介质基板，介质基板的厚度均为0.1～1mm，相对介电常数为2～9，损耗角正切优于0.0025。
4.如权利要求1所述带左右手及过孔复合调控的开槽嵌套形漏波天线阵，其特征在于所述上良导体层(3)、下良导体层(4)均选自铜、银金属材料。
5.如权利要求1所述带左右手及过孔复合调控的开槽嵌套形漏波天线阵，其特征在于所述折线形短路枝节(6)中轴线与开槽矩形金属片(7)中轴线重合，采用左手复合折线结构，弯折1～5折获取不同左右手复合参数，各段长度为0.3～1.15mm，宽度为0.25～0.35mm。
6.如权利要求1所述带左右手及过孔复合调控的开槽嵌套形漏波天线阵，其特征在于所述折线形短路枝节(6)末端通过金属化过孔(17)与介质基板(2)的地板(5)相连接，过孔的圆心位于折线形短路枝节(6)中轴线上，距枝节边缘0.12～0.25mm。
7.如权利要求1所述带左右手及过孔复合调控的开槽嵌套形漏波天线阵，其特征在于所述开槽矩形金属片(7)长度为4～5mm，宽度为3.9～4.4mm；开槽矩形金属片(7)中心开槽(11)、(12)；槽(11)和(12)中轴线与开槽矩形金属片(7)中轴线重合，槽(12)上沿距开槽矩形金属片(7)上沿0.16～0.24mm，槽(11)上沿紧邻槽(12)下沿；槽(11)、(12)的长度为1.6～2.9mm，宽度为0.4～2.35mm；开槽矩形金属片(7)顶端开槽(13)、(14)；槽(13)和(14)关于开槽矩形金属片(7)中轴线对称分布，上沿距开槽矩形金属片(7)上沿0.16～0.24mm；槽(13)、(14)的长度为0.8～1mm，宽度为0.1～0.2mm。
8.如权利要求1所述带左右手及过孔复合调控的开槽嵌套形漏波天线阵，其特征在于所述开槽矩形金属片(8)通过平衡对称感性加载过孔(18)、(19)、(20)、(21)与所述开槽矩形金属片(7)连接，开槽矩形金属片(8)中轴线与开槽矩形金属片(7)中轴线重合，开槽矩形金属片(8)长度为4～5mm，宽度为3.9～4.4mm；开槽矩形金属片(8)中心开槽(15)和(16)，槽(15)、(16)中轴线与开槽矩形金属片(8)中轴线重合，槽(16)上沿距开槽矩形金属片(8)上沿0.16～0.24mm，槽(15)上沿紧邻槽(16)下沿；槽(15)、(16)长度为0.8～2.9mm，宽度为0.4～2.35mm。
9.如权利要求1所述带左右手及过孔复合调控的开槽嵌套形漏波天线阵，其特征在于所述金属化过孔(18)、(19)、(20)、(21)关于开槽矩形金属片(7)、(8)中轴线对称分布，底面圆心距开槽矩形金属片(7)、(8)上沿0.08～0.12mm，距开槽矩形金属片(7)、(8)两侧边缘0.12～0.9mm。
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