CN112615148B - 基于新型混合馈电网络的超宽带圆极化超表面天线 - Google Patents

基于新型混合馈电网络的超宽带圆极化超表面天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于新型混合馈电网络的超宽带圆极化超表面天线，包含三层金属层和两层介质层，由上至下依次是顶层金属层、上层介质层、中间层金属层、下层介质层和底层金属层。顶层金属层是超表面阵列，中间层金属层是设有正交矩形缝隙的金属层；底层金属层为设计的新型混合馈电网络，包含三个等分二端口功分器和两组由处于不同移相周期耦合线构成的超宽带移相器，两组移相器以结构中轴线为中心呈180°旋转对称，混合馈电网络的四个端口为四个相移为0°、90°、180°和270°的超宽带微带端口，这是实现超宽带圆极化的关键。本发明能使得超表面天线获得超宽带圆极化性能，满足了无线通信因频段增加而对圆极化带宽更高的要求。

Description

基于新型混合馈电网络的超宽带圆极化超表面天线
技术领域
本发明涉及一种基于新型混合馈电网络的超宽带圆极化超表面天线，属于微波天线领域。
背景技术
随着无线通信数据量的不断增加，被使用的电磁波频段越来越多，因此对天线带宽的需求也越来越大，超表面在微波天线中的应用使得天线呈现显著的宽带特性，这带来了很多相关的研究。
无线通信中的信号衰落可以用多径效应解释，线极化天线辐射的线极化波受多径衰落影响明显，尤其在天气恶劣时，而圆极化天线辐射的圆极化波能够显著改善多径效应带来的信号衰落。
近年来，出现了许多在超表面天线基础上研究圆极化的结构，但是这些结构产生的效果中，圆极化所覆盖的频率范围明显小于天线的带宽，这使得天线的带宽利用率较低，削弱了引入超表面而产生宽带的作用，所以在超表面天线的基础上进一步探索更宽的圆极化带宽是值得研究的问题。
发明内容
发明目的：为了解决背景技术中提到的技术问题，本发明目的在于提供一种基于新型混合馈电网络的超宽带圆极化超表面天线，通过使用新型的混合馈电网络展宽圆极化的带宽，从而提高天线带宽的利用率。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于新型混合馈电网络的超宽带圆极化超表面天线，包括顶层金属层、上层介质基板，中间层金属层、下层介质基板和底层金属层；所述上层介质基板上表面是顶层金属层，所述顶层金属层由方形金属构成超表面阵列，是天线的辐射面；所述上层介质基板下表面是中间层金属层，所述中间层金属层的中间设有两条正交放置呈×型的矩形缝隙，用于激发超表面的一组正交的简并模；
所述下层介质基板的下表面是底层金属层，所述底层金属层包含混合馈电网络，所述混合馈电网络包括三个等分二端口功分器和两组移相器；第一等分二端口功分器把一端口输入微带线分成两部分，第一部分接第二等分二端口功分器，第二等分二端口功分器的两个端口接由设有处于不同移相周期的耦合线的第一组移相器后再引出两个端口；第二部分接上180°的延迟线后接第三等分二端口功分器，第三等分二端口功分器的两个端口接由设有处于不同移相周期的耦合线的第二组移相器后再引出两个端口；同一组移相器中的两条耦合线在同一直线上，相对设置，其中较长的耦合线长度是较短的耦合线的两倍，使得同一组移相器的两个输出端口具有宽带90°相移；两组移相器沿中心点180°旋转对称，对称中心与×型缝隙中心，以及超表面阵列中心在同一竖直线上；两组移相器引出的共四个端口以微带线形式存在，相邻两个端口互相垂直，四个端口对应的微带线在中间层金属层的投影与两条矩形缝隙呈45°夹角且投影点距离矩形缝隙的交点分别相等。
所述方形金属的个数和间距大小根据设计指标确定。作为优选，所述顶层金属层由16个方形金属组成，按照4×4的位置摆放，每个方形金属和相邻方形金属的间距均相等，顶层金属层的中心与上层介质基板上表面中心重合，顶层金属层的每个边与上层介质基板上表面的四个边均呈45°夹角。
作为优选，所述中间层金属层的大小与上层介质基板下表面一样，两条矩形缝隙的交点位于中间层金属层的中心，该交点同时也是两条矩形缝隙的长边的中点，两条矩形缝隙与中间层金属层的四个边的夹角均为45°。
作为优选，所述混合馈电网络中的微带线和端口的阻抗均为50欧姆。
作为优选，混合馈电网络输出的四个端口的相对相位差为0°，90°，180°和270°
有益效果：本发明采用以上技术方案与现有的技术相比，具有以下技术效果：首先，与普通的延迟线构成的微带移相器相比，本发明使用了宽带移相网络，是实现宽带圆极化的重要保证；其次，与传统的宽带移相网络相比，本发明设计处于不同移相周期的耦合线移相网络，该移相网络能够以较小的耦合系数实现同样带宽的移相效果，这为仿真和实际加工都提供了方便；最后，该移相网络第一次与超表面天线相结合，宽带的移相网络为更宽的圆极化带宽提供了可能，这能够明显提高超表面天线带宽的利用率，解决了背景技术中提到的问题。
附图说明
图1是本发明实施例的三维结构示意图。
图2是本发明实施例中上层介质基板上表面示意图。
图3是本发明实施例中上层介质基板的下表面示意图。
图4是本发明实施例中下层介质基板的下表面示意图。
图5是本发明实施例中矩形缝隙与混合馈电网络叠加示意图。
图6是本发明实施例的仿真和实测的S参数图。
图7是本发明实施例的仿真和实测的轴比图和增益图。
图8是本发明实施例的仿真和实测的方向图。其中图(a)和(b)是3.4GHz处，phi＝45°和phi＝135°截面的共极化和交叉极化方向图；其中图(c)和(d)是4GHz处，phi＝45°和phi＝135°截面的共极化和交叉极化方向图；其中图(e)和(f)是4.6GHz处，phi＝45°和phi＝135°截面的共极化和交叉极化方向图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明实施例提供一种基于新型混合馈电网络的超宽带圆极化超表面天线，结构示意如图1到图5所示，包括顶层金属层1、上层介质基板2，中间层金属层3、下层介质基板5和底层金属层4，层与层之间紧密贴合，没有距离，两层介质基板除了厚度不同，其他尺寸均相同。顶层金属层1位于上层介质层2的上表面，中间层金属层3位于上层介质层2的下表面，由于层与层之间没有间隙，所以也可以说中间层金属层3也在下层介质层5的上表面，底层金属层4位于下层介质层5的下表面。
图2示意了顶层金属层1的结构和位置，这种摆放形式是为了馈电的方便，每个方形金属的大小和方形金属间的间距都是影响天线工作频率的重要因素。本实施例中，顶层金属层1由16个方形金属组成，按照4×4的位置摆放，每个方形金属和相邻方形金属的间距均相等，顶层金属层1的中心与上层介质基板2上表面中心重合，顶层金属层1的每个边与上层介质基板2上表面的四个边均呈45°夹角，构成超表面阵列，是天线的最终辐射面。
图3显示出中间层金属层3的结构，中间层金属层3的大小与上层介质基板1下表面一样，中间层金属层3的中间含有两条正交放置呈×型的矩形缝隙7，两条矩形缝隙7相交且交点位于中间层金属层的中心，该交点同时也是两条矩形缝隙的长边的中点，矩形缝隙7的长边与中间层金属层3的边夹角为45°，缝隙正交能够使得该缝隙激发顶层金属层1的一对正交简并模，当这对正交简并模激发的相位差为90°时，顶层金属层1会辐射出圆极化波，而相位差则由底层金属层4产生，如图4所示，相位差越宽，圆极化带宽越宽。
如图4、5所示，底层金属层4的混合馈电网络包括三个等分二端口功分器9和两组移相器10。第一等分二端口功分器把一端口输入微带线分成两部分，第一部分接第二等分二端口功分器，第二等分二端口功分器的两个端口接由设有处于不同移相周期的耦合线的第一组移相器后再引出两个端口；第二部分接上180°的延迟线后接第三等分二端口功分器，第三等分二端口功分器的两个端口接由设有处于不同移相周期的耦合线的第二组移相器后再引出两个端口；两组移相器沿中心点180°旋转对称，对称中心与×型缝隙中心，以及超表面阵列中心在同一竖直线上；两组移相器引出的共四个端口以微带线形式存在，相邻两个端口互相垂直，四个端口对应的微带线在中间层金属层的投影与两条矩形缝隙呈45°夹角且投影点距离矩形缝隙的交点分别相等。
本实施例中的等分二端口功分器为二等分的Wilkinson功分器，一共使用了3个同样尺寸的功分器，和一对处在不同移相周期的耦合移相器，其中较长的耦合线长度是较短耦合线的两倍，耦合线长度影响移相频率，在实施例所使用的尺寸下，这种结构输出的两个端口具有宽带90°相移现象，与其旋转对称的一组移相器在功分器之前多出180°延迟线，因此，最终的四端口相对的相移为0°，90°，180°和270°；同一条矩形缝隙对应的两个微带端口方向相反，而这两个端口相位差为180°，因此在同一条矩形缝隙上激发的是同相位同方向的电磁波，相对应的另一条矩形缝隙激发的相位相对于另一条矩形缝隙为90°；矩形缝隙会辐射一组正交且超宽带相位差的电磁波，在空间中呈现为超宽带的圆极化波，达到超宽带圆极化的目的。
实施例中的关键参数为：上层介质基板是FR-4(相对介电常数4.3，损耗角正切0.025)，厚度3mm，下层介质基板是Rogers4003C(相对介电常数3.55，损耗角正切0.0027)，厚度0.813mm；顶层金属层方形金属边长9.7mm，间距0.62mm；中间层金属层上的矩形缝隙长边为17.5mm，短边为4mm；底层金属层中较短耦合线长度为11.9mm，较长耦合线长度为23.8mm，耦合线的耦合间距均为0.48mm；180°延迟线长度为22.93mm。
实施例的仿真和测量结果如图5到图7所示，其中S参数小于-10dB的仿真带宽为2.8GHz-5GHz(56.4％)，测量带宽为2.32GHz-4.87GHz(71％)；轴比小于3dB的仿真带宽为3GHz-5GHz(50％)，测量带宽为2.8GHz-4.87GHz(54％)；轴比带宽内增益为2.5dBi-6dBi。54％在实施例的频段上属于超宽带范围，说明本发明结构实现了超宽带圆极化超表面天线的目的。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在该技术方案上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于新型混合馈电网络的超宽带圆极化超表面天线，其特征在于，包括顶层金属层、上层介质基板，中间层金属层、下层介质基板和底层金属层；所述上层介质基板上表面是顶层金属层，所述顶层金属层由方形金属构成超表面阵列，是天线的辐射面；所述上层介质基板下表面是中间层金属层，所述中间层金属层的中间设有两条正交放置呈×型的矩形缝隙，用于激发超表面的一组正交的简并模；
所述下层介质基板的下表面是底层金属层，所述底层金属层包含混合馈电网络，所述混合馈电网络包括三个等分二端口功分器和两组移相器；第一等分二端口功分器把一端口输入微带线分成两部分，第一部分接第二等分二端口功分器，第二等分二端口功分器的两个端口接由设有处于不同移相周期的耦合线的第一组移相器后再引出两个端口；第二部分接上180°的延迟线后接第三等分二端口功分器，第三等分二端口功分器的两个端口接由设有处于不同移相周期的耦合线的第二组移相器后再引出两个端口；同一组移相器中的两条耦合线在同一直线上，相对设置，其中较长的耦合线长度是较短的耦合线的两倍，使得同一组移相器的两个输出端口具有宽带90°相移；两组移相器沿中心点180°旋转对称，对称中心与×型缝隙中心，以及超表面阵列中心在同一竖直线上；两组移相器引出的共四个端口以微带线形式存在，相邻两个端口互相垂直，四个端口对应的微带线在中间层金属层的投影与两条矩形缝隙呈45°夹角且投影点距离矩形缝隙的交点分别相等。
2.根据权利要求1所述的基于新型混合馈电网络的超宽带圆极化超表面天线，其特征在于，所述方形金属的个数和间距大小根据设计指标确定。
3.根据权利要求1所述的基于新型混合馈电网络的超宽带圆极化超表面天线，其特征在于，所述顶层金属层由16个方形金属组成，按照4×4的位置摆放，每个方形金属和相邻方形金属的间距均相等，顶层金属层的中心与上层介质基板上表面中心重合，顶层金属层的每个边与上层介质基板上表面的四个边均呈45°夹角。
4.根据权利要求1所述的基于新型混合馈电网络的超宽带圆极化超表面天线，其特征在于，所述中间层金属层的大小与上层介质基板下表面一样，两条矩形缝隙的交点位于中间层金属层的中心，该交点同时也是两条矩形缝隙的长边的中点，两条矩形缝隙与中间层金属层的四个边的夹角均为45°。
5.根据权利要求1所述的基于新型混合馈电网络的超宽带圆极化超表面天线，其特征在于，所述混合馈电网络中的微带线和端口的阻抗均为50欧姆。
6.根据权利要求1所述的基于新型混合馈电网络的超宽带圆极化超表面天线，其特征在于，混合馈电网络输出的四个端口的相对相位差为0°，90°，180°和270°。
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