CN113540778A - 一种超表面覆盖的垂直极化平面宽带端射天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及微波天线技术领域，具体涉及一种超表面覆盖的垂直极化平面宽带端射天线，包括自上而下依次设置的第一介质基板、第二介质基板和地板，所述第一介质基板的上表面设置有顶层贴片阵列和两个矩形贴片阵列，所述第二介质基板的上表面设置有串联馈线和偶极子贴片阵列，偶极子贴片的右侧设置有短路探针阵列，所述地板底部设置有SMA接头，激励探针的底端穿过第二介质基板与SMA接头连接。本发明能够激励起垂直极化表面波在介质中传播并在竖直短路探针阵列结构中产生等效磁流，进而在宽频带范围内向外辐射出端射方向图，并最终实现了平面端射天线的垂直极化、宽频带、高增益以及结构紧凑的全面性能。

Description

一种超表面覆盖的垂直极化平面宽带端射天线
技术领域
本发明涉及微波天线技术领域，具体涉及一种超表面覆盖的垂直极化平面宽带端射天线。
背景技术
在长距离通信系统中，需要发射与接收天线具有高方向性与低损耗的特性。众所周知，垂直极化波相对于水平极化波在传播过程中具有较小的衰减损耗，而平面端射天线在方向性等性能上具有良好的性能属性。因此，在过去的几十年内，研究者们研究并提出了很多垂直极化平面端射天线的设计，如磁偶极子阵列、折叠缝隙天线及阵列、平面喇叭天线以及漏波天线等。这些设计均能实现良好的垂直极化端射效果，然而折叠缝隙天线及阵列与漏波天线的带宽相对较窄，磁偶极子阵列往往具有较大的结构尺寸，而平面喇叭天线的增益往往相对较低。因此，实现兼具宽频带、高增益与紧凑结构性能的垂直极化平面端射天线具有非常重要的应用需求与研究意义。
为了能够同时实现端射天线的垂直极化与宽带性能，现有技术中提出了一种在磁偶极子阵列天线的设计基础之上引入了多谐振技术，由此来展宽天线的阻抗带宽，所设计天线的阻抗带宽达28.6％(5.0～6.7GHz)；该设计在端射天线的极化、增益与宽带上均展现了良好的性能，然而天线的整体尺寸偏大，中心频率处的电尺寸达1.4λ0×1.4λ0(λ0为中心频率处的自由空间波长)。这主要是由磁偶极子的长度所决定的，因为所设计的磁偶极子的相位常数总是小于介质中的波数。
因此，要让平面端射天线同时具备宽频带、高增益、低剖面、垂直极化与紧凑结构等性能，仍然具有很大的设计挑战，而这些性能在实际的军事与商业应用中往往具有迫切的需求。为此，本发明在现有垂直极化端射天线的设计基础之上，提出一种能够扩展天线的阻抗带宽、辐射增益以及整体尺寸等性能的超表面覆盖的垂直极化平面宽带端射天线。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种超表面覆盖的垂直极化平面宽带端射天线，利用了磁偶极子阵列所产生的垂直极化电磁波在竖直探针阵列上形成等效磁流并进一步向外辐射形成垂直极化端射效果，为垂直极化端射天线的设计提供了一种新的结构与方法，并最终实现了平面端射天线的垂直极化、宽频带、高增益以及结构紧凑的全面性能，可实施应用于点对点及长距离通信系统、以及用于实现目标测距与定位功能的智能驾驶与智能泊车系统。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种超表面覆盖的垂直极化平面宽带端射天线，包括自上而下依次设置的第一介质基板、第二介质基板和地板，所述第一介质基板的上表面设置有顶层贴片阵列和两个矩形贴片阵列，所述矩形贴片阵列对称设置在顶层贴片阵列的两侧，矩形贴片阵列中的矩形贴片通过竖直探针与地板连接，所述第二介质基板的上表面设置有串联馈线和偶极子贴片阵列，偶极子贴片的右侧设置有短路探针阵列，短路探针阵列中的短路探针穿过第二介质基板与地板连接，所述偶极子贴片通过对应的短路探针阵列与地板连接，所述串联馈线的一端与偶极子贴片阵列中的偶极子贴片依次串联连接，串联馈线的另一端与激励探针的顶端连接，所述地板底部设置有SMA接头，所述激励探针的底端穿过第二介质基板与SMA接头连接。
进一步地，所述竖直探针依次穿过第一介质基板和第二介质基板，同一侧的竖直探针构成竖直探针阵列。在实际使用过程中，顶层贴片阵列、第一介质基板构成超表面部分，偶极子贴片阵列、串联馈线、短路探针阵列、第二介质基板和地板构成磁偶极子阵列部分，矩形贴片阵列、竖直探针构成竖直探针阵列部分，天线通过SMA接头探针馈电，激励信号通过激励探针传输到串联馈线上形成谐振与辐射，并且所产生的电磁波被束缚在顶层贴片阵列与地板之间进行横向传播，最终在竖直探针阵列上形成等效磁流并进一步向外辐射形成端射方向图。
进一步地，所述矩形贴片与竖直探针一一对应设置。
进一步地，所述顶层贴片阵列包括3*10的顶层贴片。
进一步地，所述矩形贴片阵列包括14*1的矩形贴片。所述矩形贴片阵列内矩形贴片依次首尾相连设置。
进一步地，所述偶极子贴片阵列包括1*4的偶极子贴片。
进一步地，所述短路探针阵列包括16*1的短路探针。
进一步地，所述串联馈线从偶极子贴片的中部穿过，所述短路探针对称设置在串联馈线的两侧。本发明天线利用串馈形式的磁偶极子阵列作为源天线，实现了4.3～5.5GHz频带内的阻抗匹配，中心相对带宽达25.5％；2-dB增益频带宽度为4.5～5.6GHz，中心相对带宽达21.8％，该带宽内可实现增益高于8.5dBi，最高辐射增益达10.4dBi，增益平坦度小于2dB；另一方面，本发明天线利用超表面加载能够有效降低磁偶极子阵列的归一化相位常数，使得其高于介质中的波数，进而实现了磁偶极子结构尺寸的减缩，优选设计天线的口径尺寸约为1.67λ0×0.67λ0，剖面高度仅为0.067λ0。
进一步地，所述顶层贴片为长宽比为1:1的金属贴片。
进一步地，所述偶极子贴片为长宽比为3:1的金属贴片。优选地，所述顶层贴片、矩形贴片阵列和偶极子贴片之间的长度比为8.8:40:25，所述矩形贴片阵列的长宽比为40:1。
进一步地，所述矩形贴片、顶层贴片、偶极子贴片分别印刷在对应的介质基板上。
本发明的有益效果是：本发明超表面覆盖的垂直极化平面宽带端射天线，利用了磁偶极子阵列所产生的垂直极化电磁波在竖直探针阵列上形成等效磁流并进一步向外辐射形成垂直极化端射效果，为垂直极化端射天线的设计提供了一种新的结构与方法；同时本发明天线利用串馈形式的磁偶极子阵列作为源天线，实现了4.3～5.5GHz频带内的阻抗匹配，中心相对带宽达25.5％；2-dB增益频带宽度为4.5～5.6GHz，中心相对带宽达21.8％，该带宽内可实现增益高于8.5dBi，最高辐射增益达10.4dBi，增益平坦度小于2dB；另一方面，本发明天线利用超表面加载能够有效降低磁偶极子阵列的归一化相位常数，使得其高于介质中的波数，进而实现了磁偶极子结构尺寸的减缩，优选设计天线的口径尺寸约为1.67λ0×0.67λ0，剖面高度仅为0.067λ0；此外，本发明最终实现了平面端射天线的垂直极化、宽频带、高增益以及结构紧凑的全面性能，可实施应用于点对点及长距离通信系统、以及用于实现目标测距与定位功能的智能驾驶与智能泊车系统。
附图说明
图1为本发明垂直极化平面宽带端射天线的侧视图；
图2为本发明垂直极化平面宽带端射天线的俯视图；
图3为图1中的AA截面的俯视示意图；
图4为本发明垂直极化平面宽带端射天线的仰视图；
图5为本发明垂直极化平面宽带端射天线的反射系数随频率变化曲线；
图6为本发明垂直极化平面宽带端射天线在4.5GHz频率上xoz平面与yoz平面内的仿真辐射方向图；
图7为本发明垂直极化平面宽带端射天线在5.0GHz频率上xoz平面与yoz平面内的仿真辐射方向图；
图8为本发明垂直极化平面宽带端射天线在5.5GHz频率上xoz平面与yoz平面内的仿真辐射方向图；
图9为本发明垂直极化平面宽带端射天线的仿真可实现增益随频率变化曲线；
图10为本发明垂直极化平面宽带端射天线的仿真总效率随频率变化曲线。；
图中，1、第一介质基板；2、第二介质基板；3、顶层贴片；4、矩形贴片；5、竖直探针；6、偶极子贴片；7、串联馈线；8、短路探针；9、地板；10、激励探针；11、SMA接头。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1～4所示，一种超表面覆盖的垂直极化平面宽带端射天线，包括自上而下依次设置的第一介质基板1、第二介质基板2和地板9，所述第一介质基板1的上表面设置有顶层贴片3阵列和两个矩形贴片4阵列，所述矩形贴片4阵列对称设置在顶层贴片3阵列的两侧，矩形贴片4阵列中的矩形贴片4通过竖直探针5与地板9连接，所述第二介质基板2的上表面设置有串联馈线7和偶极子贴片6阵列，偶极子贴片6的右侧设置有短路探针8阵列，短路探针8阵列中的短路探针8穿过第二介质基板2与地板9连接，所述偶极子贴片6通过对应的短路探针8阵列与地板9连接，所述串联馈线7的一端与偶极子贴片6阵列中的偶极子贴片6依次串联连接，串联馈线7的另一端与激励探针10的顶端连接，所述地板9底部设置有SMA接头11，所述激励探针10的底端穿过第二介质基板2与SMA接头11连接。
具体地，所述竖直探针5依次穿过第一介质基板1和第二介质基板2，同一侧的竖直探针5构成竖直探针5阵列。在实际使用过程中，顶层贴片3阵列、第一介质基板1构成超表面部分，偶极子贴片6阵列、串联馈线7、短路探针8阵列、第二介质基板2和地板9构成磁偶极子阵列部分，矩形贴片4阵列、竖直探针5构成竖直探针阵列部分，天线通过SMA接头11探针馈电，激励信号通过激励探针10传输到串联馈线7上形成谐振与辐射，并且所产生的电磁波被束缚在顶层贴片3阵列与地板9之间进行横向传播，最终在竖直探针5阵列上形成等效磁流并进一步向外辐射形成端射方向图。
具体地，所述矩形贴片4与竖直探针5一一对应设置。
在一个优选实施例中，如图2～10所示，天线的顶层贴片3阵列包括3*10的顶层贴片3；所述矩形贴片4阵列包括14*1的矩形贴片4；所述偶极子贴片6阵列包括1*4的偶极子贴片6；所述短路探针5阵列包括16*1的短路探针5；所述串联馈线7从偶极子贴片6的中部穿过，所述短路探针8对称设置在串联馈线7的两侧。本发明天线利用串馈形式的磁偶极子阵列作为源天线，实现了4.3～5.5GHz频带内的阻抗匹配，中心相对带宽达25.5％；2-dB增益频带宽度为4.5～5.6GHz，中心相对带宽达21.8％，该带宽内可实现增益高于8.5dBi，最高辐射增益达10.4dBi，增益平坦度小于2dB；另一方面，本发明天线利用超表面加载能够有效降低磁偶极子阵列的归一化相位常数，使得其高于介质中的波数，进而实现了磁偶极子结构尺寸的减缩，优选设计天线的口径尺寸约为1.67λ0×0.67λ0，剖面高度仅为0.067λ0；所述顶层贴片为长宽比为1:1的金属贴片；所述偶极子贴片为长宽比为3:1的金属贴片；所述矩形贴片阵列的长宽比为40:1。
其中，图2为垂直极化平面宽带端射天线的俯视图，对应的是超表面部分中的顶层贴片阵列3与介质基板1以及竖直探针阵列部分中的矩形贴片4和竖直探针5阵列；顶层贴片阵列3以周期形式排列在第一介质基板1的上表面。
图3为图1中的AA截面的示意图，对应的是磁偶极子阵列部分包括偶极子贴片阵列6、串联馈线7、短路探针阵列8、第二介质基板2以及竖直探针阵列部分中的竖直探针5阵列；偶极子贴片6阵列以等间距的形式排列在第一介质基板1的下表面，即第二介质基板2的上表面。
图4为垂直极化平面宽带端射天线的仰视图，对应的是磁偶极子阵列部分中的短路探针8阵列与地板9、竖直探针阵列部分中的竖直探针5阵列、以及激励探针10。
图5为垂直极化平面宽带端射天线的反射系数随频率变化曲线，可以看出所述垂直极化平面宽带端射天线具有较宽的阻抗匹配带宽(4.3GHz～5.5GHz)，中心相对带宽为25.5％。
图6为垂直极化平面宽带端射天线在4.5GHz频率上xoz平面与yoz平面内的仿真辐射方向图，从图中可以看出，所述垂直极化平面宽带端射天线在4.5GHz处具有高增益端射辐射方向图与较低的交叉极化。
图7为垂直极化平面宽带端射天线在5.0GHz频率上xoz平面与yoz平面内的仿真辐射方向图，从图中可以看出，所述垂直极化平面宽带端射天线在5.0GHz处具有高增益端射辐射方向图与较低的交叉极化。
图8为垂直极化平面宽带端射天线在5.5GHz频率上xoz平面与yoz平面内的仿真辐射方向图，从图中可以看出，所述垂直极化平面宽带端射天线在5.5GHz处具有高增益端射辐射方向图与较低的交叉极化。
图9为垂直极化平面宽带端射天线的仿真可实现增益随频率变化曲线，从图中可以看出，所述垂直极化平面宽带端射天线在4.5～5.6GHz频带内具有较高的增益(8.5～10.4dBi)且增益平坦度小于2dB。
图10为垂直极化平面宽带端射天线的仿真总效率随频率变化曲线，从图中可以看出，所述垂直极化平面宽带端射天线在4.3～5.5GHz频带内的总效率高于90％。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种超表面覆盖的垂直极化平面宽带端射天线，其特征在于，包括自上而下依次设置的第一介质基板、第二介质基板和地板，所述第一介质基板的上表面设置有顶层贴片阵列和两个矩形贴片阵列，所述矩形贴片阵列对称设置在顶层贴片阵列的两侧，矩形贴片阵列中的矩形贴片通过竖直探针与地板连接，所述第二介质基板的上表面设置有串联馈线和偶极子贴片阵列，偶极子贴片的右侧设置有短路探针阵列，短路探针阵列中的短路探针穿过第二介质基板与地板连接，所述偶极子贴片通过对应的短路探针阵列与地板连接，所述串联馈线的一端与偶极子贴片阵列中的偶极子贴片依次串联连接，串联馈线的另一端与激励探针的顶端连接，所述地板底部设置有SMA接头，所述激励探针的底端穿过第二介质基板与SMA接头连接。
2.根据权利要求1所述的一种超表面覆盖的垂直极化平面宽带端射天线，其特征在于，所述竖直探针依次穿过第一介质基板和第二介质基板，同一侧的竖直探针构成竖直探针阵列。
3.根据权利要求1所述的一种超表面覆盖的垂直极化平面宽带端射天线，其特征在于，所述矩形贴片与竖直探针一一对应设置。
4.根据权利要求1所述的一种超表面覆盖的垂直极化平面宽带端射天线，其特征在于，所述顶层贴片阵列包括3*10的顶层贴片。
5.根据权利要求1所述的一种超表面覆盖的垂直极化平面宽带端射天线，其特征在于，所述矩形贴片阵列包括14*1的矩形贴片。
6.根据权利要求1所述的一种超表面覆盖的垂直极化平面宽带端射天线，其特征在于，所述偶极子贴片阵列包括1*4的偶极子贴片。
7.根据权利要求1所述的一种超表面覆盖的垂直极化平面宽带端射天线，其特征在于，所述短路探针阵列包括16*1的短路探针。
8.根据权利要求1所述的一种超表面覆盖的垂直极化平面宽带端射天线，其特征在于，所述串联馈线从偶极子贴片的中部穿过，所述短路探针对称设置在串联馈线的两侧。
9.根据权利要求1所述的一种超表面覆盖的垂直极化平面宽带端射天线，其特征在于，所述顶层贴片为长宽比为1:1的金属贴片。
10.根据权利要求1所述的一种超表面覆盖的垂直极化平面宽带端射天线，其特征在于，所述偶极子贴片为长宽比为3:1的金属贴片。
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