CN113690599B - 一种水平极化全向超表面天线 - Google Patents

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Abstract

本发明属于无线信号传输技术应用领域，具体提供一种水平极化全向超表面天线，用以同时满足宽带、小型化和结构简单的要求，包括：从下往上依次层叠设置的微带馈电结构5、下层介质基板4、金属接地板3、上层介质基板2与超表面辐射结构1；其中，超表面辐射结构1由4块正方形贴片A与12块正方形贴片B构成，所述4块正方形贴片A呈2×2阵列排布于上层介质基板的中心，所述12块正方形贴片B围绕4块正方形贴片A设置；本发明通过对超表面辐射结构的结构设计，使得水平全向极化模式的最强电流分布位置始终固定在特定贴片上，结合合理的馈电结构，以保证在宽带范围内高效激励想要的水平极化全向辐射模式。

Description

一种水平极化全向超表面天线
技术领域
本发明属于无线信号传输技术应用领域，涉及水平极化全向天线结构，具体为一种水平极化全向超表面天线。
背景技术
全向天线因其在某一平面360°方向上具有均匀的辐射特性，广泛应用于无线广播、卫星、全球定位系统、无线局域网和移动设备；如手机、无绳电话、FM调频收音机等中。水平极化全向天线是指一种能够在水平方位面上360°地均匀辐射和接收信号并且在水平面内极化的天线，它广泛地应用在雷达、卫星通信、移动通信、射频通信中，其有效覆盖范围更广。
近年来，关于水平极化全向天线的研究主要分为以下几类：Alford环天线及其变形、缝隙天线、组合环天线、旋转场天线等；Alford是典型的水平极化全向天线，拥有很小的尺寸，但其工作带宽很窄；缝隙天线包括开缝圆柱缝隙和波导缝隙天线，这类水平全向天线很容易实现低副瓣和高口径面利用率特性，但其尺寸比较大，所以很难实现宽带；组合环天线通过将多个辐射单元并联于同轴线上，模拟均匀电流环，实现水平极化全向辐射，这类天线虽然可以实现比较宽的带宽，但结构一般比较复杂；旋转场天线是由一对交叉布置的偶极子组成，它们的电流等幅而相位正交，在水平面上实现全向辐射，这类天线由于可以实现非常宽的带宽，被广泛应用于无线电广播信号发射中，但是旋转场天线对于两个端口的正交相位要求严格，所以它的馈电结构比较复杂。
上述天线类型实现水平全向极化各有优缺点，随着超表面天线的提出，出现了一种新的可以实现水平极化全向辐射的天线类型，相比前述几种天线，利用超表面天线实现水平极化全向辐射，具有同时实现结构简单、带宽宽和小型化和的优点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种水平极化全向超表面天线，用以同时满足宽带、小型化和结构简单的要求，本发明通过对超表面辐射结构的结构设计，使得水平全向极化模式的最强电流分布位置始终固定在特定贴片上，结合合理的馈电结构，以保证在宽带范围内高效激励想要的水平极化全向辐射模式。最终实现低剖面的水平极化全向超表面天线设计，该天线具有宽带特性。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种水平极化全向超表面天线，包括：从下往上依次层叠设置的微带馈电结构5、下层介质基板4、金属接地板3、上层介质基板2与超表面辐射结构1；其特征在于，所述超表面辐射结构1由4块正方形贴片A与12块正方形贴片B构成，所述4块正方形贴片A呈2×2阵列排布于上层介质基板的中心，所述12块正方形贴片B围绕4块正方形贴片A设置；所述正方形贴片A的边长为w1、正方形贴片B的边长为w2、且w2>w1；相邻之间的间距为g、相邻正方形贴片A之间的间距为g1：g1＝g+(w2-w1)、正方形贴片B与相邻正方形贴片A之间的间距为g2：g2＝g+(w2-w1)/2。
进一步的，所述水平极化全向超表面天线通过微带馈电结构5为超表面辐射结构馈电，激励水平全向辐射模式。
更进一步的，所述金属接地板上刻蚀有4条相同的矩形耦合缝隙，4条矩形耦合缝隙呈“十”字型分布、且位于上层介质基板的中线上，每条矩形耦合缝隙到中心的距离均都为Lm：Lm＝(3×g+3×w2-Lf)/2、Lf为矩形耦合缝隙的长度，该距离保证了缝隙正好处于超表面辐射结构的正方形贴片B的中间位置的正下方。
更进一步的，所述微带馈电结构为一分四功分器，将能量等幅同相耦合至四条矩形耦合缝隙，为超表面辐射结构馈电，激励水平全向辐射模式。
本发明的有益效果在于：
本发明提供一种水平极化全向超表面天线，其工作原理为通过调控超表面上水平极化模式的电流分布，使得水平极化模式在较宽的频带范围内其最强电流均至于外部贴片B上，从而通过位于贴片B下方的矩形缝隙以及一分四功分器，在比较宽的一个范围内激励起水平极化全向辐射模式。
具体的，对于一个典型的4×4等大小正方形超表面阵列，可以通过特征模分析找到一个水平极化模式。根据能量耦合关系，馈电结构应置于该水平极化模式的电流分布最强的位置，才能有效激励起该模式。但典型4×4等大小正方形超表面阵列的水平极化模式，其强电流分布的位置会随频率改变，很难通过一个确定的馈电方式，实现宽带水平全向辐射。因此，为获得宽带的水平全向辐射特性，本发明通过改变超表面贴片的形状，来改变超表面上的模式的电流分布。与原始的4×4正方形贴片阵列相比，本发明所提出的超表面通过将中间四个正方形贴片的边长变短，改变了水平全向辐射模式的电长度，实现对其电流分布的调控。该调控使得超表面结构的最强电流位置在很宽的带宽内保持在同一个位置，即外围边沿的8个贴片B上。根据该模式电流分布特性，可以通过四个等幅同相馈电的地板缝隙对其进行激励，实现宽带水平极化全向辐射。
综上所述，本发明能够使得水平极化全向超表面天线具有稳定的宽带辐射特性。
附图说明
图1为本发明水平极化全向超表面天线的结构示意图。
图2为本发明水平极化全向超表面天线的超表面辐射结构的示意图。
图3为本发明水平极化全向超表面天线的金属接地板结构示意图。
图4为本发明水平极化全向超表面天线的微带馈电结构示意图。
图5为本发明实施例中水平极化全向超表面天线所参照的原始超表面结构示意图。
图6为本发明实施例中水平极化全向超表面天线所参照的原始超表面天线的水平极化全向辐射模式在5GHz、6GHz和6.8GHz频率下的表面电流分布图。
图7为本发明实施例中水平极化全向超表面天线的水平极化全向辐射模式在5GHz、6GHz和6.8GHz频率下的表面电流分布图。
图8为本发明实施例中水平极化全向超表面天线的S参数图。
图9为本发明实施例中水平极化全向超表面天线工作在5.2GHz、6GHz和6.8GHz下时，端口在phi＝0deg的方向图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效；本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
实施例1
本实施例提供一种水平极化全向超表面天线，其结构如图1所示，包括：超表面辐射结构1、上层介质基板2、金属接地板3、下层介质基板4以及微带馈电结构5，所述超表面辐射结构1设置于上层介质基板2的上表面，金属接地板3设置于上层介质基板2的下表面，下层介质基板4设置于金属接地板3的下表面，微带馈电结构5设置于下层介质基板4的下表面。
本实施例中，上层介质基板2采用介电常数为3.5的Arlon TC350板材，厚度为t1＝4mm，下层介质基板4采用介电常数为2.6的Neltec NY9260(IM)板材，厚度为t2＝0.8mm；两层介质基板的总厚度不超过5mm，符合低剖面要求，厚度参数可根据具体实用要求进行调节；上层介质基板2、开有缝隙的金属地板3以及下层介质基板4的边长都为W＝70mm；
上层介质基板2上表面的超表面辐射结构1如图2所示；超表面辐射结构1包括两种辐射贴片结构：分别是中心的正方形贴片A，其边长w1＝6mm，相邻正方形贴片A之间的间距为g1＝4.5mm；四周的正方形贴片B，边长为w2＝9mm，相邻正方形贴片B之间的间距为g＝1.5mm；正方形贴片B与其边沿邻接的正方形贴片A之间的间距为g2＝3mm；
上层介质基板2下表面的金属接地板如图3所示；开有缝隙的金属接地板3上刻蚀了4条相同的矩形耦合缝隙，其中矩形耦合缝隙M和M1的平行于长边的中垂线与x轴重合，另外两条矩形耦合缝隙N和N1的平行于长边的中垂线与y轴重合，参见图3。矩形耦合缝隙的长度为lf＝14mm，宽为wf＝0.5mm。每条矩形耦合缝隙到坐标原点的距离都为lm＝8.75mm，该距离保证了矩形耦合缝隙正好处于其上方超表面结构1中相邻正方形贴片B的中间位置的正下方。
下层介质基板4下表面的微带馈电结构5如图4所示，为等幅同相的一分四功分器，该功分器通过金属地板层的四条矩形耦合缝隙为超表面辐射结构1馈送能量，从而激励起水平极化全向辐射模式。
以下通过对比原始4×4等大小正方形超表面阵列的模式，与本发明天线所提出的超表面阵列的模式，详细阐述本发明天线的工作原理：
如图5所示为本发明天线所参照的原始超表面结构图，即一个4×4等大小正方形超表面阵列，正方形贴片的边长都是是w2＝9mm。对该原始阵列进行特征模式分析，可以找到一个水平全向极化模式；如图6所示展示了该模式在5GHz、6GHz和6.8GHz下的模式电流分布图；从图中可以看出，该模式的最强电流时而在分布在外部的正方形贴片B上，时而分布在中间4个正方形贴片A上；根据能量耦合关系，馈电结构应置于电流分布最强的位置；如果要很好地激励该水平极化全向辐射模式，需要在不同频率下在不同位置处放置合适的馈电结构，显然这种想法是复杂的且不易实现的；因此，为获得理想的辐射特性，本发明通过改进超表面贴片的形状，来改变超表面上水平极化全向辐射模式的电流分布，进而将该全向辐射模式的最强电流在较宽的带宽内固定在一个位置。
本发明改进后的超表面结构图如图2所示，与原始的4×4正方形贴片阵列相比，本发明所提出的超表面通过减小中间的四个正方形贴片的边长，改变了水平极化全向模式的电长度，实现对电流分布的改变；可以看到，如图7所示的本发明天线的水平全向极化模式，其最强电流分布始终在外层正方形贴片B上，且更多集中在除四个角之外的其余8个外围正方形贴片B上；通过图3和图4所示的一分四等幅微带馈电结构以及地板上的四条矩形耦合缝隙，很容易在宽带范围内很好地激励起该模式。
如图8所示为本实施例中本发明天线端口的S参数，在5-7GHz范围内，该发明天线的S11<-10dB。
如图9所示为实施例中本发明天线工作在5GHz、6GHz和6.8GHz下时，该发明天线在phi＝0deg的方向图。可以看出，该发明天线具有稳定的宽带全向辐射效果。
综上，本发明的天线在原始均匀的4×4正方形贴片阵列基础上，利用特征模分析找出想要的水平极化全向辐射模式，进而通过观察模式电流分布特点，降低中间四个正方形贴片A的边长，从而保证该想要模式的最强电流在较宽的频带内始终保持在外围边沿上的8个正方形贴片B上。然后选择位于外围边沿上8个正方形贴片B下方的矩形耦合缝隙以及一分四馈电结构为本发明天线的超表面结构馈电，最终实现稳定的宽带水平极化全向辐射效果。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (3)

1.一种水平极化全向超表面天线，包括：从下往上依次层叠设置的微带馈电结构(5)、下层介质基板(4)、金属接地板(3)、上层介质基板(2)与超表面辐射结构(1)；其特征在于，所述超表面辐射结构(1)由4块正方形贴片A与12块正方形贴片B构成、且呈4×4阵列排布，所述4块正方形贴片A呈2×2阵列排布于上层介质基板的中心，所述12块正方形贴片B围绕4块正方形贴片A设置；所述正方形贴片A的边长为w1、正方形贴片B的边长为w2、且w2>w1；相邻正方形贴片B之间的间距为g、相邻正方形贴片A之间的间距为g1：g1＝g+(w2-w1)、正方形贴片B与相邻正方形贴片A之间的间距为g2：g2＝g+(w2-w1)/2；
所述金属接地板上刻蚀有4条相同的矩形耦合缝隙，4条矩形耦合缝隙呈“十”字型分布、且位于上层介质基板的中线上，每条矩形耦合缝隙到中心的距离均为Lm：Lm＝(3×g+3×w2-Lf)/2、Lf为矩形耦合缝隙的长度，该距离保证了缝隙正好处于超表面辐射结构的正方形贴片B的中间位置的正下方。
2.按权利要求1所述水平极化全向超表面天线，其特征在于，所述水平极化全向超表面天线通过微带馈电结构(5)为超表面辐射结构馈电，激励水平全向辐射模式。
3.按权利要求1所述水平极化全向超表面天线，其特征在于，所述微带馈电结构为一分四功分器，将能量等幅同相耦合至四条矩形耦合缝隙，为超表面辐射结构馈电，激励水平全向辐射模式。
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