CN113659323A - 一种多频圆极化天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多频圆极化天线，包括沿水平方向平行设置的介质板a、介质板b和介质板c，且介质板a和介质板b之间存在空气层；介质板b的顶面刻蚀有第一天线子阵、第二天线子阵和第三天线子阵，第一天线子阵、第二天线子阵和第三天线子阵呈品字型放置；介质板b的底面刻蚀有地板；介质板a的顶面刻蚀有第一超构表面、第二超构表面和第三超构表面，介质板c的设置有第一馈线终端、第二馈线终端和第三超馈线终端；第一天线子阵、第二天线子阵和第三天线子阵结构相同且尺寸大小不同，第一超构表面、第二超构表面和第三超构表面结构相同且尺寸大小不同，第一馈线终端、第二馈线终端和第三超馈线终端结构相同且尺寸大小不同。具有体积小的特点。

Description

一种多频圆极化天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，涉及一种多频圆极化天线。
背景技术
5G无线网络技术引领第四次工业革命，作为无线通信的终端，对于5G天线的研究也一直是热点话题。目前，5G的商用频段大多数集中在sub-6频段，其中应用最为广泛的是n41/n78和n79频段。受于安装平台的尺寸限制，对于天线的小型化的研究一直方兴未艾，其次，从降低成本和实现天线的多功能化方面来考虑，在一个天线上实现多个频段的同时或者分时工作也是十分必要的，第三，圆极化天线可以缓解在无线通信中经常遇到的多径衰落，与线性极化天线相比是更好的选择，因此，对于小型化多频圆极化天线的研究一直受到研究人员的关注。
作为一种新型发展的技术，超构表面在天线领域的应用越来越多，包括实现宽带，提高增益，波束控制，极化旋转等等，超构表面对于提升天线性能是十分有效的，非常多的学者在设计基片集成波导多频圆极化天线的研究中取得积极的成果。但是，在设计多频天线阵列时，为了避免出现栅瓣，单元之间的距离必须满足一定的要求，这样无形中会增大天线的整体尺寸，所以尽可能减小天线尺寸，最大限度的实现天线小型化仍然是目前天线设计中需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种多频圆极化天线，具有体积小的特点。
本发明所采用的技术方案是，一种多频圆极化天线，包括沿水平方向平行设置的介质板a、介质板b和介质板c，且介质板a和介质板b之间存在空气层；介质板b位于介质板a和介质板c之间；
介质板b的顶面刻蚀有第一天线子阵、第二天线子阵和第三天线子阵，第一天线子阵、第二天线子阵和第三天线子阵呈品字型放置；介质板b的底面刻蚀有地板；
介质板a的顶面刻蚀有第一超构表面、第二超构表面和第三超构表面，第一超构表面与第一天线子阵相对，第二超构表面与第二天线子阵相对，第三超构表面与第三天线子阵相对；
介质板c的设置有第一馈线终端、第二馈线终端和第三超馈线终端；第一馈线终端与第一天线子阵相对，第二馈线终端与第二天线子阵相对，第三超馈线终端与第三天线子阵相对；第一馈线终端与第一天线子阵相连接，第二馈线终端与第二天线子阵相连接，第三超馈线终端与第三天线子阵相连接对；
第一天线子阵、第二天线子阵和第三天线子阵结构相同且尺寸大小不同，第一超构表面、第二超构表面和第三超构表面结构相同且尺寸大小不同，第一馈线终端、第二馈线终端和第三超馈线终端结构相同且尺寸大小不同。
本发明的特点还在于：
第一天线子阵包括四个辐射贴片，四个辐射贴片相邻组成一个正方形，辐射贴片上刻蚀条带性缝隙，辐射贴片上设置有馈电端口，辐射贴片的四个侧边上均开有若干通孔，且第一天线子阵、第二天线子阵和第三天线子阵上的通孔大小尺寸相同，通孔与地板相连。
辐射贴片均采用同轴线馈电。
第一天线子阵与第二天线子阵、第三天线子阵相邻的侧壁之间共享金属通孔，第二天线子阵与第一天线子阵、第三天线子阵相邻的侧壁之间共享金属通孔。
第一馈线终端包括四个输入端口，四个输入端口相位分别是0°，90°，180°和270°，四个输入端口顺序旋转放置。
介质板a和介质板b之间的空气层高度为1mm。
介质板a、介质板b和介质板c均采用介电常数2.65的F4b介质板。
本发明的有益效果是：本发明一种多频圆极化天线，具有体积小的特点。阵列由三个独立的子阵构成，分别实现2.5/3.5/4.8频段的圆极化性能。在缩小75％尺寸的基础上展宽了工作带宽。
附图说明
图1是本发明一种多频圆极化天线的结构示意图
图2是本发明一种多频圆极化天线中子阵的结构示意图；
图3是本发明一种多频圆极化天线中子阵的单元结构示意图；
图4是本发明一种多频圆极化天线中传统的四分之一模基片集成波导天线和本发明一种多频圆极化天线的S11对比图；
图5是本发明一种多频圆极化天线中传统的中子阵的单元电流示意图；
图6是本发明一种多频圆极化天线中传统的中缝隙的参数学习示意图；
图7是本发明一种多频圆极化天线中传统的中馈电结构示意图；
图8是本发明一种多频圆极化天线中传统的中馈电结构的s参数图和相位示意图；
图9是本发明一种多频圆极化天线中第一天线子阵S的参数的对比示意图；
图10是本发明一种多频圆极化天线中第一天线子阵的平面方向示意图；
图11是本发明一种多频圆极化天线中第二天线子阵的S参数的对比示意图；
图12是本发明一种多频圆极化天线中第二天线子阵的平面方向示意图；
图13是本发明一种多频圆极化天线中第三天线子阵的S参数的对比示意图；
图14是本发明一种多频圆极化天线中第三天线子阵的平面方向示意图；
图15是本发明一种多频圆极化天线的S参数的对比示意图；
图16是本发明一种多频圆极化天线中天线阵列轴比和增益随频率变化曲线示意图；
图17是本发明一种多频圆极化天线中天线阵列工作在2.5GHz时的仿真和实测的平面方向示意图。
图18是本发明一种多频圆极化天线中天线阵列工作在3.5GHz时的仿真和实测的平面方向示意图。
图19是本发明一种多频圆极化天线中天线阵列工作在4.8GHz时的仿真和实测的平面方向示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种多频圆极化天线，如图1所示，包括沿水平方向平行设置的介质板a、介质板b和介质板c，且介质板a和介质板b之间存在空气层；介质板b位于介质板a和介质板c之间；介质板b的顶面刻蚀有第一天线子阵、第二天线子阵和第三天线子阵，第一天线子阵、第二天线子阵和第三天线子阵呈品字型放置；介质板b的底面刻蚀有地板；介质板a的顶面刻蚀有第一超构表面、第二超构表面和第三超构表面，第一超构表面与第一天线子阵相对，第二超构表面与第二天线子阵相对，第三超构表面与第三天线子阵相对；介质板c的设置有第一馈线终端、第二馈线终端和第三超馈线终端；第一馈线终端与第一天线子阵相对，第二馈线终端与第二天线子阵相对，第三超馈线终端与第三天线子阵相对；第一馈线终端与第一天线子阵相连接，第二馈线终端与第二天线子阵相连接，第三超馈线终端与第三天线子阵相连接对；第一天线子阵、第二天线子阵和第三天线子阵结构相同且尺寸大小不同，第一超构表面、第二超构表面和第三超构表面结构相同且尺寸大小不同，第一馈线终端、第二馈线终端和第三超馈线终端结构相同且尺寸大小不同。第一天线子阵包括四个辐射贴片，四个辐射贴片相邻组成一个正方形，辐射贴片上刻蚀条带性缝隙，辐射贴片上设置有馈电端口，辐射贴片的四个侧边上均开有若干通孔，且第一天线子阵、第二天线子阵和第三天线子阵上的通孔大小尺寸相同，通孔与地板相连。辐射贴片均采用同轴线馈电。第一天线子阵与第二天线子阵、第三天线子阵相邻的侧壁之间共享金属通孔，第二天线子阵与第一天线子阵、第三天线子阵相邻的侧壁之间共享金属通孔。第一馈线终端包括四个输入端口，四个输入端口相位分别是0°，90°，180°和270°，四个输入端口顺序旋转放置。介质板a和介质板b之间的空气层高度为1mm。介质板a、介质板b和介质板c均采用介电常数2.65的F4b介质板。
本发明一种多频圆极化天线，如图2所示，第一天线子阵由三层介质板和四层金属层构成，其中超构表面刻蚀在厚度为1.5mm的介质板顶面，缝隙表面和地面分别刻蚀在厚度为1.5mm的介质板的两面，由直径Dsiw，间距Psiw的金属化通孔连接贴片和地板。馈电网络刻蚀在厚度为0.6mm的介质板的背面，馈线的终端通过金属孔与贴片连接，进行馈电，最上层介质基板和中间的介质基板之间有1mm的空气层。以上所有的介质板均使用介电常数2.65的F4b介质板。
第一天线子阵中的主辐射体，也就是介质板b和刻蚀在它两面的金属面部分，是有四个顺序旋转放置改进的四分之一模基片集成波导单元组成了对应的输入端口相位分别是0°，90°，180°和270°，四分之一模基片集成波导单元的结构图如图3所示，直径Dsiw，间距Psiw的金属化通孔连接贴片和地板，天线单元采取同轴线馈电的形式。关于四分之一模基片集成波导的原理和使用分析，很多研究人员做了大量的工作，取得了非常丰富的成果，典型的四分之一模基片集成波导天线虽然极大的减小了天线的尺寸，但是普遍存在工作带宽较窄的不足，为了进一步增大天线的工作带宽，提高天线的可用性，如图3所示，我本发明一种多频圆极化天线的单元结构是在一个典型的四分之一模基片集成波导天线的基础上，刻蚀条带性缝隙而形成的改进型天线结构。整个单元结构简单，易加工，融合了基片集成波导结构的优点，并且兼顾了工作带宽。
在之前的工作中人们发现，对于四分之一模基片集成波导来说，右上的金属边缘相当于磁壁，而左下的被金属通孔隔开的边缘可以等效为电壁，电壁可以有效的减小能量的流失，为我们下一步共享金属通孔的研究提供基础。众所周知，在辐射贴片上刻蚀缝隙，附加寄生模式是宽带天线常用得到手段。在图3中，本发明一种多频圆极化天线将整个金属贴片视为四分之一模基片集成波导，条带性缝隙将贴片分为两个相近的部分，其中右下部分的三角形可以等效为八分之一模式的基片集成波导，那么本发明一种多频圆极化天线就在四分之一模式的基础上，附加的八分之一模式，这两种模式共同作用，从而增大了天线单元的工作带宽。
如图4所示，通过加载条带性缝隙结构，单元的带宽有了较大的提升，工作带宽由20MHz(2.49GHz-2.51GHz)增加到120MHz(2.5GHz-2.62GHz)，为了分析单元的工作原理，图5给出了本发明一种多频圆极化天线的单元在两个谐振点，也就是2.52GHz和2.6GHz的表面电流图，从图5中可以看到，在2.52GHz，表面电流集中在右下方区域，而2.6GHz时，表面电流在整体贴片上分布，这说明，单元工作频段的低频部分主要由八分之一模式贡献，而基模主要影响高频部分。
图5和图6分别针对于缝隙的参数进行参数学习，如图5所示，随着W1增加，低频的谐振点逐渐向高频靠拢，而高频基本保持不变，这说明缝隙宽度改变并没有影响天线本身的辐射模式，只是单纯的对于附加模式，也就是八分之一模式起调节作用，通过选取适当的W1值，就可以调整工作带宽。图6给出了缝隙边缘距离L5随频率变化曲线，随着L5的增大，两个谐振点均向中间靠拢，并且阻抗特性变好。这说明缝隙改变了原有的电流分布，随着L5增大，右下部分的三角形尺寸变小，谐振频率上升，所以低频向高频偏移，这也印证了图5中低频谐振点是由附加模式产生的推论。另一方面，L5的变化也造成了左边三角形变化，改变了表面电流的长度，从而影响了高频模式的谐振频率，通过观察L5的变化规律，本发明一种多频圆极化天线最终选取L5＝1.8mm。
图7给出了第一天线子阵的馈电网络结构示意图，由50Ω和70.7Ω组成的微带线位于介质板的底面，介质板正面是金属地板，端口2、端口3、端口4和端口5的输入相位分别相差90°，构成了顺序旋转圆极化阵列所需的馈电形式，相位角度差由50Ω微带线的长度调节，值得说明的是端口4和端口5相比于端口2和端口3相差180°，这个相位差由呈几字形微带线的长度来调节。每个端口的金属探针与单元相接，以保证第一天线子阵的馈电。图7中，总的尺寸L6＝37.5,L7＝7.2,L8＝17,L9＝13.2,L10＝11.1,L11＝16.3,L12＝9.8,L13＝7.5,L14＝8.1,W2＝1.66and W3＝0.9,单位是mm。
图8给出了馈电网络的S参数的幅度和相位随频率变化曲线，由图7中第一个变化曲线看到，馈电网络在2.2-3GHz范围内S11<-10dB,S12～S15幅度几乎相等，从图8中第二个变化曲线看到在2.5GHz附近频带内4个端口的相位差都在90°附近，以上说明本发明一种多频圆极化天线的馈电网络满足天线子阵的设计需要。
以往研究工作中，超构表面的一类重要的应用是进一步扩展工作带宽，通过在原始的主辐射体上面附加新的辐射模式，进而产生新的谐振频点，最终达到增加工作带宽的目的。在本发明一种多频圆极化天线的第一天线子阵中，引入了超构表面的结构，如图2所示，超构表面位于介质板a的顶面，由四个四分之一模基片集成波导单元组成的阵列进行辐射，可以进一步增加天线的工作带宽。为了进一步验证设计思路的正确性，对天线的第一天线子阵进行了加工测试和分析。第一天线子阵的S参数的对比图，如图9第一个S参数对比图所示，加载超构表面之后，天线工作带宽由140MHz(2.53-2.67GHZ)增加到290MHz(2.42-2.71GHz)，并且可以清楚的看到由超构表面结构引入的谐振点主要影响低频的性能。实测的工作带宽260MHz(2.44-2.70GHz)，实测S参数和仿真值相差不多，带宽的差异主要是由于加工误差造成的。图9第二个S参数对比图给出了增益对比图，本发明一种多频圆极化天线的第一天线子阵在整个频带范围内增益较为稳定，对比于没有超构表面的天线，本发明一种多频圆极化天线在低频端增益有较大程度的提升，而在共有频段的增益提升有限，这是因为超构表面引入了新的谐振点，扩展了低频的工作带宽，从而提高了增益，而高频段增益并没有较大的变化，这说明超构表面的主要作用是增加工作带宽，对于天线增益的提升是有限的。
第一天线子阵左旋圆极化辐射，轴比和工作在2.5GHz的平面方向图如图10所示，从图10第一个方向图得出天线在2.43-2.65GHz范围内轴比小于3dB，符合圆极化辐射条件，图10第二个方向图给出了子阵1在2.5GHz时的平面方向图，可以看到仿真和实测吻合度较好，交叉极化较好，圆极化特性较好。
本发明一种多频圆极化天线阵列由工作在n41(2515-2675MHz)频段的第一天线子阵、n78(3400-3500MHz/3500-3600MHz)频段的第二天线子阵和n79(4800-4900MHz)频段的第三天线子阵合并组成；
第二天线子阵的S参数的对比图如图11第一个S参数的对比图所示，加载meta之后，天线工作带宽由310MHz(3.51-3.82GHz)增加到440MHz(3.38-3.82GHz)，实测的工作带宽400MHz(3.37-3.77GHz)，实测S参数和仿真值相差不多，带宽的差异主要是由于加工误差造成的。图11第二个S参数的对比图给出了增益对比图，本发明一种多频圆极化天线的第二天线子阵在整个频带范围内增益较为稳定，对比于没有超构表面天线，本发明一种多频圆极化天线在低频端增益有较大程度的提升，而在共有频段的增益提升有限，以上S参数和增益的变化趋势与第一天线子阵相同，进一步说明了超构表面对于工作带宽的提升效果和对于增益提升的有限性。第二天线子阵左旋圆极化辐射，轴比和工作在3.5GHz时的平面方向图如图12所示，从图12第一个方向图得出天线在3.4-3.64GHz范围内轴比小于3dB，符合圆极化辐射条件，图12第二个方向图给出了第二天线子阵在3.5GHz时的平面方向图，可以看到仿真和实测吻合度较好，交叉极化较好，圆极化特性较好。
第三天线子阵的S参数的对比图如图13第一个对比图所示，加载超构表面之后，天线工作带宽由420MHz(4.59-5.01GHz)增加到600MHz(4.39-4.99GHz)，实测的工作带宽560MHz(4.38-4.94GHz)，实测S参数和仿真值相差不多。图13第二个对比图给出了增益对比图，本发明一种多频圆极化天线的第三天线子阵在整个频带范围内增益较为稳定，第三天线子阵左旋圆极化辐射，轴比和工作在4.8GHz时的平面方向图如图14所示，从图14第一个方向图得出天线在4.46-4.8GHz范围内轴比小于3dB，符合圆极化辐射条件，图14第二个方向图给出了第三天线子阵在4.8GHz时的平面方向图，可以看到仿真和实测吻合度较好，交叉极化较好，圆极化特性较好。
对于四分之一模基片集成波导天线，金属通孔边缘相当于电壁，那么这样的话相邻单元之间的耦合必然会很小，因此考虑到Sub-6天线阵列尺寸的限制，进一步实现天线的小型化，本发明一种多频圆极化天线采用共享金属通孔。天线阵列结构图如图1所示，天线阵列由三层介质板和四层金属层组成。第一天线子阵、第二天线子阵和第三天线子阵呈品字型放置，中间相邻的单元共享金属通孔，以达到减小天线整体尺寸的目的。本发明一种多频圆极化天线的阵列S参数的对比图如图15所示，可以看到和子阵相比，整体天线阵列的S11没有较大的变化，同时S12、S13和S13在整个频带范围内均小于-20dB，说明了共享金属通孔的正确性，虽然三个子阵之间的距离较近，但是相互之间的耦合较小，独立性较强，本发明一种多频圆极化天线的实测工作带宽分别为250MHz(2.46-2.71)/230MHz(2.49-2.72GHz)、410MHz(3.39-3.80GHz)/360MHz(3.40-3.76GHz)、710MHz(4.37-5.08GHz)/700MHz(4.32-4.92GHz)。
图16给出了本发明一种多频圆极化天线阵列轴比和增益随频率变化曲线，仿真和测试值吻合度较高。本发明一种多频圆极化天线的轴比带宽多保持较宽的范围内。分别为220MHz(2.46-2.68GHz)、280MHz(3.4-3.68GHz)和410MHz(4.42-4.83GHz)。三个频带的轴比带宽均包含在阻抗频带之内。天线阵列的增益曲线的变化趋势与三个子阵增益的变化趋势相同，并且都维持在较为平稳的状态，这充分说明了共享金属通孔不仅对于工作频带的影响较小，而且对于天线辐射特性的影响也是在一个可控的范围之内的。本发明一种多频圆极化天线阵列在2.5GHz频带内增益从5.9dBi逐渐上升到6.4dBi，在3.5GHz频带内增益从6.2dBi逐渐下降到5.5dBi，在4.8GHz频带内增益范围从5.7dBi到6.3dBi，三个频带内的增益变化范围都没有超过0.7dBi，本发明一种多频圆极化天线阵列在三个频带内的增益维持在一个较为平稳的水平上。如图17、如18和图19所示，本发明一种多频圆极化天线仿真和实测值相似度较高，交叉极化都维持在较低的水平上。
本发明一种多频圆极化天线，具有体积小的特点。阵列由三个独立的子阵构成，分别实现2.5/3.5/4.8频段的圆极化性能。每个子阵的单元采用改进的于四分之一模基片集成波导，引入条带性缝隙结构，在缩小75％尺寸的基础上展宽了工作带宽。四个单元按照顺序旋转的方式排布，实现圆极化，同时，超构表面的引入进一步展宽了天线子阵的工作带宽，以2.5GHz天线为例，天线子阵实现了11.6％的阻抗带宽和8.8％的轴比带宽，同时在工作频带内维持6.2dBi的增益。同时在本发明一种多频圆极化天线阵列中相邻子阵共享金属通孔，进一步实现了天线小型化，经过加工和测试，最终天线阵列在2.5/3.5/4.8三个频段分别实现了10％/11.7％/14.8的阻抗带宽和8.8％/8.0％/8.5的轴比带宽，同时增益稳定，浮动范围小于0.7dBi。

Claims (7)

1.一种多频圆极化天线，其特征在于，包括沿水平方向平行设置的介质板a、介质板b和介质板c，且介质板a和介质板b之间存在空气层；介质板b位于介质板a和介质板c之间；
所述介质板b的顶面刻蚀有第一天线子阵、第二天线子阵和第三天线子阵，所述第一天线子阵、第二天线子阵和第三天线子阵呈品字型放置；所述介质板b的底面刻蚀有地板；
所述介质板a的顶面刻蚀有第一超构表面、第二超构表面和第三超构表面，所述第一超构表面与第一天线子阵相对，第二超构表面与第二天线子阵相对，第三超构表面与第三天线子阵相对；
所述介质板c的设置有第一馈线终端、第二馈线终端和第三超馈线终端；所述第一馈线终端与第一天线子阵相对，第二馈线终端与第二天线子阵相对，第三超馈线终端与第三天线子阵相对；所述第一馈线终端与第一天线子阵相连接，第二馈线终端与第二天线子阵相连接，第三超馈线终端与第三天线子阵相连接对；
所述第一天线子阵、第二天线子阵和第三天线子阵结构相同且尺寸大小不同，第一超构表面、第二超构表面和第三超构表面结构相同且尺寸大小不同，第一馈线终端、第二馈线终端和第三超馈线终端结构相同且尺寸大小不同。
2.如权利要求1所述的一种多频圆极化天线，其特征在于，所述第一天线子阵包括四个辐射贴片，四个辐射贴片相邻组成一个正方形，所述辐射贴片上刻蚀条带性缝隙，所述辐射贴片上设置有馈电端口，所述辐射贴片的四个侧边上均开有若干通孔，且第一天线子阵、第二天线子阵和第三天线子阵上的通孔大小尺寸相同，所述通孔与地板相连。
3.如权利要求2所述的一种多频圆极化天线，其特征在于，所述辐射贴片均采用同轴线馈电。
4.如权利要求2所述的一种多频圆极化天线，其特征在于，第一天线子阵与第二天线子阵、第三天线子阵相邻的侧壁之间共享金属通孔，第二天线子阵与第一天线子阵、第三天线子阵相邻的侧壁之间共享金属通孔。
5.如权利要求1所述的一种多频圆极化天线，其特征在于，所述第一馈线终端包括四个输入端口，四个输入端口相位分别是0°，90°，180°和270°，四个输入端口顺序旋转放置。
6.如权利要求1所述的一种多频圆极化天线，其特征在于，所述介质板a和介质板b之间的空气层高度为1mm。
7.如权利要求1所述的一种多频圆极化天线，其特征在于，所述介质板a、介质板b和介质板c均采用介电常数2.65的F4b介质板。
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