CN112909529B - 一种宽频大角度扫描的二维多波束超表面天线 - Google Patents

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Abstract

本发明属于无线通信领域，具体涉及一种宽频大角度扫描的二维多波束超表面天线，适用于无线通信，它包括从上至下依次设置的辐射层、介质基板和接地板；其中，辐射层刻蚀在介质板的上表面，包括超表面和馈电网络；超表面由T形缝隙单元和十字形缝隙单元组成，馈电网络上设置有一个非对称隔离缝隙、四个馈电孔和M个短路过孔。本发明设计的多波束天线剖面低、端口隔离度高，可以在9.44GHz～12.77GHz范围内实现水平方向‑75°～75°和垂直方向‑75°～75°范围的高增益波束扫描，解决了现有多源多波束天线需要较大面积波束成形网络，波束扫描方式单一，工作频带窄或波束扫描角度小的问题。

Description

一种宽频大角度扫描的二维多波束超表面天线
技术领域
本发明属于无线通信领域，具体涉及一种宽频大角度扫描的二维多波束超表面天线。
背景技术
高效灵活的实现天线波束扫描在现代通信技术中具有很重要的应用价值，可以广泛应用于移动通信网络、多目标雷达系统和卫星通信等。目前，多波束天线形成的手段通常有机械扫描、反射阵列、集成透镜、电调谐等。上述方法在实际应用中各有不足，如低扫描速率、窄扫描角度、大量引入移相器放大器、高插损、大尺寸、成本高等。超表面作为一种人工设计结构，具有自然材料无法提供的电磁特性，可以用于实现多波束扫描，如M.Mencagli,Jr.,C.D.Giovampaola,and S.Maci,A closedform representation of isofrequencydispersion curve and group velocity for surface waves supported byanisotropic and spatially dispersive metasurfaces,IEEE Trans.AntennasPropag.,2016，64,2319–2327.等。然而，现有的超表面多波束天线仅能实现一维方向的波束扫描或在较小的范围内实现二维方向波束扫描。
鉴于此，有必要提出一种可以实现宽频大角度扫描的二维多波束超表面天线，且各馈源之间隔离度较高的低剖面多波束天线，以满足无线通信的发展需求。
发明内容
本发明为解决目前超表面多波束天线扫描方式单一，扫描角度小，馈源间隔离度差的问题，提供了一种基于超表面低剖面、宽频、大角度扫描的二维多波束超表面天线。
为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：
一种宽频大角度扫描的二维多波束超表面天线，包括从上至下依次设置的辐射层、介质基板和接地板，所述辐射层、介质基板和接地板均为正方形，轴心位于同一条直线，且大小相同；
所述辐射层刻蚀在介质基板的上表面，所述辐射层由超表面和馈电网络组成，所述超表面为刻蚀T型缝隙单元的金属层，所述T型缝隙单元N×N等间距阵列分布，N为正整数，且每个T型缝隙单元的头部朝向超表面的中心，所述超表面的对角线上为十字型缝隙单元，所述超表面的对角线上为十字型缝隙单元，所述馈电网络设置在辐射层中心的一个方形区域内，包括一个非对称隔离缝隙、四个馈电孔和M个短路过孔，所述四个馈电孔分别设置在馈电网络所在方形区域四条边的边缘处，且贯穿辐射层至接地板，所述M个短路过孔设置在馈电网络所在方形区域四角，且M个短路过孔贯穿辐射层至接地板，且每个短路过孔呈直角型等距排列，M为正整数，所述非对称隔离缝隙位于四个馈电孔和M个短路过孔围成的区域内。
进一步，所述非对称隔离缝隙由四条水平方向的长方形缝隙、四条垂直方向的长方形缝隙和五条45°方向等距排列的长方形缝隙组成，所述四条水平方向的长方形缝隙分别为缝隙a、缝隙b、缝隙c、缝隙d，所述垂直方向的长方形缝隙分别为缝隙e、缝隙f、缝隙g、缝隙h，所述缝隙a的一端与缝隙g的一端垂直连接，所述缝隙g的另一端与缝隙d的一端垂直连接，且缝隙d的方向与缝隙a方向一致，所述缝隙e的一端与缝隙c的一端垂直连接。缝隙c与缝隙g垂直相交，所述缝隙c的另一端与缝隙h的一端垂直连接，且缝隙h的方向与缝隙e的方向一致，所述缝隙f的一端垂直连接在缝隙c与缝隙g垂直相交的左侧缝隙上，缝隙f的另一端向下且不与缝隙d相交，所述缝隙b的一端垂直连接在缝隙c与缝隙g垂直相交的上侧缝隙上，缝隙b的另一端向右且不与缝隙h相交，所述五条45°方向等距排列的长方形缝隙位于缝隙c与缝隙g垂直相交的右下区域，且五条沿45°方向等距排列的长方形缝隙的一端朝向缝隙c与缝隙g垂直相交的左上区域。
工作时，由某一馈电孔馈入的信号在超表面上产生后向辐射的电磁波，由M个短路过孔产生的低电位有助于改善馈电网络所在金属区域表面电流的分布；同时，非对称隔离缝隙的存在将电流束缚在馈源周围，此时仅在靠近馈源的超表面口径面上产生感应电流，电流通过T型缝隙单元向空间辐射，由于不同频点的感应电流途径T型缝隙单元时的相位不同，从而实现高隔离度的扫频多波束。而对不同馈电孔馈电时，可以在不同的方位上形成定频多波束。与现有超表面多波束天线相比，本发明所述的一种宽频大角度扫描的二维多波束超表面天线不仅结构简单、剖面低，而且各端口之间隔离度高，可以在9.44GHz～12.77GHz范围内实现水平方向-75°～75°和垂直方向-75°～75°范围的高增益波束扫描。
本发明结构合理、设计巧妙，有效解决了现有多波束超表面天线波束扫描方式单一，馈电孔之间隔离度较差，工作频带窄，波束扫描范围小等问题，适用于无线通信。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为馈电网络的局部放大图；
图3为本发明的俯视图；
图4为本发明所述的宽频大角度扫描的二维多波束超表面天线馈电孔①或馈电孔②馈电时的S参数曲线；
图5为本发明所述的宽频大角度扫描的二维多波束超表面天线馈电孔③或馈电孔④馈电时的S参数曲线；
图6为10.0GHz、10.5GHz、11.0GHz和11.5GHz处本发明所述的宽频大角度扫描的二维多波束超表面天线馈电孔①馈电时的辐射方向图；
图7为10GHz处本发明所述的宽频大角度扫描的二维多波束超表面天线馈电孔①、馈电孔②、馈电孔③和馈电孔④馈电时的辐射方向图；
图8为10.5GHz处本发明所述的宽频大角度扫描的二维多波束超表面天线馈电孔①或馈电孔②馈电时的增益曲线；
图9为10.5GHz处本发明所述的宽频大角度扫描的二维多波束超表面天线馈电孔③或馈电孔④馈电时的增益曲线；
图中，1-辐射层，2-介质基板，3-接地板，4-超表面，5-馈电网络，6-T型缝隙单元，7-十字形缝隙单元，8-非对称隔离缝隙，9-馈电孔①，10-短路过孔，五条45°方向等距排列的长方形缝隙-11；
此外，馈电孔②、馈电孔③和馈电孔④为与9处于同等位置且按顺时针依次排列的馈电孔、缝隙a-81、缝隙b-82、缝隙c-83、缝隙d-84、缝隙e-85、缝隙f-86、缝隙g-87、缝隙h-88。
具体实施方式
如图1、2、3所示，本发明宽频大角度扫描的二维多波束超表面天线，包括从上至下依次设置的辐射层1、介质基板2和接地板3，所述辐射层1、介质基板2和接地板3均为正方形，轴心位于同一条直线，且大小相同；
所述辐射层1刻蚀在介质基板2的上表面，所述辐射层1由超表面4和馈电网络5组成，所述超表面4为刻蚀T型缝隙单元6的金属层，所述T型缝隙单元6N×N等间距阵列分布，N为正整数，且每个T型缝隙单元6的头部朝向超表面4的中心，所述超表面4的对角线上为十字型缝隙单元7，所述馈电网络5设置在辐射层1中心的一个方形区域内，包括一个非对称隔离缝隙8、四个馈电孔9和M个短路过孔10，所述四个馈电孔9分别设置在馈电网络5所在方形区域四条边的边缘处，且贯穿辐射层1至接地板3，所述M个短路过孔10设置在馈电网络5所在方形区域四角，且M个短路过孔10贯穿辐射层1至接地板3，且每个短路过孔10呈直角型等距排列，M为正整数，所述非对称隔离缝隙8位于四个馈电孔9和M个短路过孔10围成的区域内。所述非对称隔离缝隙8由四条水平方向的长方形缝隙、四条垂直方向的长方形缝隙和五条45°方向等距排列的长方形缝隙11组成，所述四条水平方向的长方形缝隙分别为缝隙a81、缝隙b82、缝隙c83、缝隙d84，所述垂直方向的长方形缝隙分别为缝隙e85、缝隙f86、缝隙g87、缝隙h88，所述缝隙a81的一端与缝隙g87的一端垂直连接，所述缝隙g87的另一端与缝隙d84的一端垂直连接，且缝隙d84的方向与缝隙a81方向一致，所述缝隙e85的一端与缝隙c83的一端垂直连接。缝隙c83与缝隙g87垂直相交，所述缝隙c83的另一端与缝隙h88的一端垂直连接，且缝隙h88的方向与缝隙e85的方向一致，所述缝隙f86的一端垂直连接在缝隙c83与缝隙g87垂直相交的左侧缝隙上，缝隙f86的另一端向下且不与缝隙d84相交，所述缝隙b82的一端垂直连接在缝隙c83与缝隙g87垂直相交的上侧缝隙上，缝隙b82的另一端向右且不与缝隙h88相交，所述五条45°方向等距排列的长方形缝隙位于缝隙c83与缝隙g87垂直相交的右下区域，且五条沿45°方向等距排列的长方形缝隙的一端朝向缝隙c83与缝隙g87垂直相交的左上区域。
辐射层1的长×宽为207mm×207mm；介质基板2的长×宽×高为207mm×207mm×2mm，介电常数为4.3，损耗角正切值为0.025；接地板3的长×宽×高为207mm×207mm×0.1mm；超表面4的长×宽为207mm×207mm，包含有480个T型缝隙单元6和40个十字形单元缝隙7，其中T型缝隙单元6的“-”尺寸为6mm×2mm，“|”尺寸为2mm×2mm，T型缝隙单元6的中心间距为9mm；十字形单元缝隙7的长×宽为6mm×6mm；馈电网络5的长×宽为27mm×27mm；缝隙c83和缝隙g87的长×宽为17mm×1.0mm，缝隙a81、缝隙e85、缝隙d84、缝隙h88的长×宽为8mm×1.0mm，缝隙b、缝隙f的长×宽为2.0mm×1.0mm，缝隙b82距离缝隙a81右端5mm，缝隙f86距离缝隙e85下端5mm，五条45°方向等距排列的长方形缝隙11中的每条缝隙的长×宽为6mm×0.8mm，间距为0.3mm；馈电孔9的中心距离边缘4.25m，四个馈电孔9均匀分布在边缘中心，孔径为0.3mm，短路过孔10的半径为0.3mm，距离馈电网络5所在金属区域边缘为0.3mm，相互之间的距离为1.1mm。
图4为本发明宽频大角度扫描的二维多波束超表面天线馈电孔①或馈电孔②馈电时的S参数的响应特性，其中横坐标代表频率变量，单位为GHz，纵坐标代表幅度变量，单位为dB。S11(S22)<-10dB的阻抗带宽为9.4GHz～13.0GHz，各馈电孔之间的相互隔离度小于-13dB。
图5为本发明宽频大角度扫描的二维多波束超表面天线馈电孔③或馈电孔④馈电时的S参数的响应特性，其中横坐标代表频率变量，单位为GHz，纵坐标代表幅度变量，单位为dB。S33(S33)<-10dB的阻抗带宽为9.44GHz～12.77GHz，各馈电孔之间的相互隔离度小于-13dB。
图6给出了10.0GHz、10.5GHz、11.0GHz和11.5GHz处本发明所述的宽频大角度扫描的二维多波束超表面天线馈电孔①馈电时的辐射方向图。此时天线的辐射方向图位于
Figure BDA0002941133940000071
平面，10.0GHz、10.5GHz、11.0GHz和11.5GHz处的波束指向分别为
Figure BDA0002941133940000072
和(38°,0°)，实现了随频率变化的波束扫描，最大波束扫描角达到了75°。根据对称性原则，该宽频大角度扫描的二维多波束超表面天线馈电孔②馈电时，天线的辐射方向图位于
Figure BDA0002941133940000073
平面，10.0GHz、10.5GHz、11.0GHz和11.5GHz处的波束指向分别为
Figure BDA0002941133940000074
和(-38°,270°)；该宽频大角度扫描的二维多波束超表面天线馈电孔③馈电时，天线的辐射方向图位于
Figure BDA0002941133940000075
平面，10.0GHz、10.5GHz、11.0GHz和11.5GHz处的波束指向分别为
Figure BDA0002941133940000076
和(-38°,180°)；该宽频大角度扫描的二维多波束超表面天线馈电孔四馈电时，天线的辐射方向图位于
Figure BDA0002941133940000077
平面，10.0GHz、10.5GHz、11.0GHz和11.5GHz处的波束指向分别为
Figure BDA0002941133940000078
和(38°,90°)。
图7给出了10GHz处本发明所述的宽频大角度扫描的二维多波束超表面天线馈电孔①、馈电孔②、馈电孔③和馈电孔④馈电时的辐射方向图。此时波束的俯仰角均为68°，波束指向分别为
Figure BDA0002941133940000079
Figure BDA00029411339400000710
和(68°,90°)，实现了定频多波束辐射。
图8为本发明宽频大角度扫描的二维多波束超表面天线馈电孔①或馈电孔②馈电时的增益曲线。其中横坐标代表频率变量，单位为GHz，纵坐标代表幅度变量，单位为dBi，天线的增益范围是8.6dBi-12.29dBi，最大增益达到了12.29dBi。
图9为本发明宽频大角度扫描的二维多波束超表面天线馈电孔③或馈电孔④馈电时的增益曲线。其中横坐标代表频率变量，单位为GHz，纵坐标代表幅度变量，单位为dBi，天线的增益范围是8.85dBi-11.22dBi，最大增益达到了11.22dBi。
以上所述仅为本发明的若干具体实施方式和/或实施例，不应该构成对本发明的限制。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明基板思想的前提下，还可以做出若干改进和润饰，而这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种宽频大角度扫描的二维多波束超表面天线，其特征在于，包括从上至下依次设置的辐射层(1)、介质基板(2)和接地板(3)，所述辐射层(1)、介质基板(2)和接地板(3)均为正方形，轴心位于同一条直线，且大小相同；
所述辐射层(1)刻蚀在介质基板(2)的上表面，所述辐射层(1)由超表面(4)和馈电网络(5)组成，所述超表面(4)为刻蚀T型缝隙单元(6)的金属层，所述T型缝隙单元(6)N×N等间距阵列分布，N为正整数，且每个T型缝隙单元(6)的头部朝向超表面(4)的中心，所述超表面(4)的对角线上为十字型缝隙单元(7)，所述馈电网络(5)设置在辐射层(1)中心的一个方形区域内，包括一个非对称隔离缝隙(8)、四个馈电孔(9)和M个短路过孔(10)，所述四个馈电孔(9)分别设置在馈电网络(5)所在方形区域四条边的边缘处，且贯穿辐射层(1)至接地板(3)，所述M个短路过孔(10)设置在馈电网络(5)所在方形区域四角，且M个短路过孔(10)贯穿辐射层(1)至接地板(3)，且M个短路过孔(10)在方形区域的每个角呈直角型等距排列，M为正整数，所述非对称隔离缝隙(8)位于四个馈电孔(9)和M个短路过孔(10)围成的区域内。
2.根据权利要求1所述的一种宽频大角度扫描的二维多波束超表面天线，其特征在于，所述非对称隔离缝隙(8)由四条水平方向的长方形缝隙、四条垂直方向的长方形缝隙和五条45°方向等距排列的长方形缝隙(11)组成，所述四条水平方向的长方形缝隙分别为缝隙a(81)、缝隙b(82)、缝隙c(83)、缝隙d(84)，所述垂直方向的长方形缝隙分别为缝隙e(85)、缝隙f(86)、缝隙g(87)、缝隙h(88)，所述缝隙a(81)的一端与缝隙g(87)的一端垂直连接，所述缝隙g(87)的另一端与缝隙d(84)的一端垂直连接，且缝隙d(84)的方向与缝隙a(81)方向一致，所述缝隙e(85)的一端与缝隙c(83)的一端垂直连接，缝隙c(83)与缝隙g(87)垂直相交，所述缝隙c(83)的另一端与缝隙h(88)的一端垂直连接，且缝隙h(88)的方向与缝隙e(85)的方向一致，所述缝隙f(86)的一端垂直连接在缝隙c(83)与缝隙g(87)垂直相交的左侧缝隙上，缝隙f(86)的另一端向下且不与缝隙d(84)相交，所述缝隙b(82)的一端垂直连接在缝隙c(83)与缝隙g(87)垂直相交的上侧缝隙上，缝隙b(82)的另一端向右且不与缝隙h(88)相交，所述五条45°方向等距排列的长方形缝隙位于缝隙c(83)与缝隙g(87)垂直相交的右下区域，且五条沿45°方向等距排列的长方形缝隙的一端朝向缝隙c(83)与缝隙g(87)垂直相交的左上区域。
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