CN113708062B - 一种基于谐振环的三维高温超导超增益天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于谐振环的三维高温超导超增益天线，属于高温超导超增益天线技术领域。本发明所述天线包括辐射结构、介质基板和金属地板；介质基板立于金属地板，金属地板的形状为圆形；辐射结构位于介质基板的竖直表面，是轴对称结构，包括四个弧形单极子、单开口割圆形谐振环、两个双开口割圆形谐振环、两个矩形开口谐振环和双开口圆形谐振环。本发明所述天线使用弧形单极子对谐振环耦合馈电，输入阻抗可调，具有极好的调谐能力；使用谐振环结构来实现高方向性，各谐振环耦合来达到小型化以及提高方向性的目的，从而使得天线实现超方向性，再通过使用超导材料使得天线几乎无损耗从而实现天线的超增益。

Description

一种基于谐振环的三维高温超导超增益天线
技术领域
本发明属于高温超导超增益天线技术领域，具体涉及一种基于谐振环的三维高温超导超增益天线。
背景技术
一般情况下，天线的口径面积变小，其增益也将随着尺寸的变小而下降。当某个天线的增益大于该天线尺寸增益的理论最大值时，该天线被称为超增益天线。超增益天线的主要优点是大大减小了天线的尺寸，不仅可以减小占地面积，也可以节约建立天线所需的经费，维护工作也可大大降低。并且，同等情况下天线的增益越高就意味着电磁波的传输距离越远，这对移动通信、雷达、卫星通信等领域是非常有意义的。早在上世纪20年代就有人提出了超增益天线的基本概念，在随后的几十年里，人们对超增益天线的理论进行了广泛而深入的研究，但由于该天线的贴片表面电流损耗大、带宽窄等特点，超增益天线的研究并没有得到很好的发展和应用。
现有技术“Superdirective Magnetic Dipole Array as a First-Order Probefor Spherical Near-Field Antenna Measurements”公开了一种微带天线，通过采用增加寄生结构的方式来得到超增益；其基本组成单元为圆形单环开口谐振环结构，通过在谐振环旁使用弧形单极子来驱动，并且该结构天线介质基板立于地面之上。该天线可以以八木天线的方式在圆形单环开口谐振环上方增加相同结构来达到超方向性，由于损耗大，效率低，所以增益并不高。
现有技术“Small array design using parasitic superdirective antennas”公开了一种低频寄生端射三元超方向性天线阵，该天线的基本组成单元为半圆形单环开口谐振环结构，天线阵只馈电其中一个单元，其余单元耦合寄生。该阵列尺寸为(0.32λ×0.31λ)，总方向性为9.2dBi。这种阵列比实现相同方向性的经典阵列更加小型化。由于该天线损耗大，效率只有11.2％，所以增益并不高。
现有技术“Superdirective Wideband Array of Planar Monopole AntennaWith Loading Plates”公开了一种二元平板单极子天线的宽带超方向性阵列，是将两个矩形平板单极子立在地面之上，并且只对其中一个单极子进行馈电可以得到较宽的带宽，在3–6-GHz带宽上，该天线阵列提供3.5–6.9dB的方向性。该天线未使用谐振环结构，方向性相对不高，且天线的效率低，导致增益也不高。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的缺陷，提供一种基于谐振环的三维高温超导超增益天线。
本发明所提出的技术问题是这样解决的：
一种基于谐振环的三维高温超导超增益天线，包括辐射结构、介质基板和金属地板；
介质基板立于金属地板，与金属地板垂直放置；金属地板的形状为圆形，介质基板与金属地板接触面的中心位于金属地板的圆心，金属地板的直径大于介质基板的边长；
以金属地板所在平面作为水平面，辐射结构位于介质基板的竖直表面；辐射结构是轴对称结构，第一对称轴穿过辐射结构所在介质基板表面的下边界中心且与水平面垂直，包括四个弧形单极子、单开口割圆形谐振环3、两个双开口割圆形谐振环4、8、两个矩形开口谐振环5、7和双开口圆形谐振环6；
第一弧形单极子1和第二弧形单极子2的圆心为辐射结构所在介质基板表面的下边界中心，第二弧形单极子2的半径大于第一弧形单极子1；第三弧形单极子与第一弧形单极子1的结构相同，关于第一对称轴对称；第四弧形单极子与第二弧形单极子2的结构相同，关于第一对称轴对称；
单开口割圆形谐振环3位于第一弧形单极子1和第三弧形单极子的中间，包括弧形条带和直线条带；弧形条带的圆心为辐射结构所在介质基板表面的下边界中心，直线条带平行于辐射结构所在介质基板表面的下边界，直线条带的中间位置开口；
将单开口割圆形谐振环3沿第一对称轴向远离金属地板的方向平移，在弧形条带的中间位置开口，得到第一双开口割圆形谐振环8；第二双开口割圆形谐振环4与第一双开口割圆形谐振环8呈轴对称，第二对称轴与辐射结构所在介质基板表面的下边界平行且穿过第一双开口割圆形谐振环8的圆心；
两个矩形开口谐振环5、7关于第二对称轴呈轴对称，分别位于两个双开口割圆形谐振环4、8的内部；第一矩形开口谐振环5更靠近金属地板，在矩形谐振环远离金属地板的边的中心位置开口；在开口的两个末端向远离金属地板的方向分别延伸出一个短枝节，短枝节的末端不超出第二双开口割圆形谐振环4的直线条带；
双开口圆形谐振环6的圆心与两个双开口割圆形谐振环的圆心重合；双开口圆形谐振环6在圆形谐振环的顶部和底部开口，开口的尺寸相同；双开口圆形谐振环6的半径大于两个双开口割圆形谐振环4、8的半径；
双开口圆形谐振环6的开口和两个双开口割圆形谐振环的弧形条带的开口对应的圆心角相等；
采用50Ω同轴线馈电的方式向第一弧形单极子1或第三弧形单极子馈电。
进一步的，第一弧形单极子1和第二弧形单极子2的圆心角分别为8°和14°。
进一步的，双开口圆形谐振环6的开口和两个双开口割圆形谐振环的弧形条带的开口对应的圆心角为70°。
进一步的，辐射结构采用镝钡铜氧(DyBCO)超导薄膜，介质基板采用铝酸镧(LaAlO3)基板，采用多元热共蒸方法将镝钡铜氧(DyBCO)超导薄膜沉积在铝酸镧(LaAlO3)基板。
进一步的，介质基板在77K液氮环境下的介电常数约为24，基板厚度为0.5mm，大小为23mm×23mm。
进一步的，金属地板的直径为160mm。
本发明的有益效果是：
本发明所述天线通过使用弧形单极子对谐振环耦合馈电的方式，使得该天线输入阻抗可调，具有极好的调谐能力。使用谐振环结构来实现高方向性，再通过紧密的排列方式让各谐振环耦合来达到小型化以及进一步提高方向性的目的从而使得天线实现超方向性，再通过使用超导材料使得天线几乎无损耗从而实现天线的超增益。
附图说明
图1为本发明所述高温超导超增益天线的主视图；
图2为本发明所述高温超导超增益天线的俯视图；
图3为本发明所述高温超导超增益天线的S参数曲线图；
图4为本发明所述高温超导超增益天线的E面和H面方向图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本实施例提供一种基于谐振环的三维高温超导超增益天线，其主视图如图1所示，俯视图如图2所示，包括辐射结构、介质基板和金属地板；
介质基板立于金属地板，与金属地板垂直放置；金属地板的形状为圆形，介质基板与金属地板接触面的中心位于金属地板的圆心，金属地板的直径大于介质基板的边长；
以金属地板所在平面作为水平面，辐射结构位于介质基板的竖直表面；辐射结构是轴对称结构，第一对称轴穿过辐射结构所在介质基板表面的下边界中心且与水平面垂直，包括四个弧形单极子、单开口割圆形谐振环3、两个双开口割圆形谐振环4、8、两个矩形开口谐振环5、7和双开口圆形谐振环6；
第一弧形单极子1和第二弧形单极子2的圆心为辐射结构所在介质基板表面的下边界中心，圆心角分别为8°和14°，第二弧形单极子2的半径大于第一弧形单极子1；第三弧形单极子与第一弧形单极子1的结构相同，关于第一对称轴对称；第四弧形单极子与第二弧形单极子2的结构相同，关于第一对称轴对称；
单开口割圆形谐振环3位于第一弧形单极子1和第三弧形单极子的中间，包括弧形条带和直线条带；弧形条带的圆心为辐射结构所在介质基板表面的下边界中心，直线条带平行于辐射结构所在介质基板表面的下边界，直线条带的中间位置开口；
将单开口割圆形谐振环3沿第一对称轴向远离金属地板的方向平移，在弧形条带的中间位置开口，得到第一双开口割圆形谐振环8；第二双开口割圆形谐振环4与第一双开口割圆形谐振环8呈轴对称，第二对称轴与辐射结构所在介质基板表面的下边界平行且穿过第一双开口割圆形谐振环8的圆心；
两个矩形开口谐振环5、7关于第二对称轴呈轴对称，分别位于两个双开口割圆形谐振环4、8的内部；第一矩形开口谐振环5更靠近金属地板，在矩形谐振环远离金属地板的边的中心位置开口；在开口的两个末端向远离金属地板的方向分别延伸出一个短枝节，短枝节的末端不超出第二双开口割圆形谐振环4的直线条带；
双开口圆形谐振环6的圆心与两个双开口割圆形谐振环的圆心重合；双开口圆形谐振环6在圆形谐振环的顶部和底部开口，开口的尺寸相同；双开口圆形谐振环6的半径大于两个双开口割圆形谐振环4、8的半径；
双开口圆形谐振环6的开口和两个双开口割圆形谐振环的弧形条带的开口对应的圆心角为70°；
采用50Ω同轴线馈电的方式向第一弧形单极子1或第三弧形单极子馈电。
本实施例所述天线的辐射结构采用镝钡铜氧(DyBCO)超导薄膜，介质基板采用铝酸镧(LaAlO3)基板，采用多元热共蒸方法将镝钡铜氧(DyBCO)超导薄膜沉积在铝酸镧(LaAlO3)基板。
本实施例的介质基板在77K液氮环境下的介电常数约为24，基板厚度为0.5mm，大小为23mm×23mm；金属地板的直径为160mm。
单开口割圆形谐振环3放置于中间位置，由外围被驱动的单极子产生的磁场分量直接驱动，因此本实施例所述天线是磁驱动的。可以通过调整第一弧形单极子1或第三弧形单极子的长度从而改变天线的输入阻抗使得天线达到阻抗匹配的效果。第二弧形单极子2或第四弧形单极子远离单开口割圆形谐振环3，能够使得输入阻抗的可调节范围变大。两个双开口割圆形谐振环4、8放置在单开口割圆形谐振环3上方，用于耦合增加增益，并且和单开口割圆形谐振环3相类似，但在弧形条带上又开了个口，用于解决由于结构过度紧凑而带来的阻抗失配的问题。双开口圆形谐振环6放置在两个双开口割圆形谐振环4、8之外，与两个双开口割圆形谐振环4、8耦合，用于进一步提高天线的增益。两个矩形开口谐振环5、7放在两个双开口割圆形谐振环4、8内耦合用于进一步的提高天线的增益。
采用HFSS对本实施例所述天线进行仿真。该天线的S参数如图3所示，在1.91GHZ频段内|S_11|＝-15.87dB。该天线的E、H面方向图如图4所示，在1.91GHZ时最大增益可达到7.96dB。
在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员应该可以根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于谐振环的三维高温超导超增益天线，其特征在于，包括辐射结构、介质基板和金属地板；
介质基板立于金属地板，与金属地板垂直放置；金属地板的形状为圆形，介质基板与金属地板接触面的中心位于金属地板的圆心，金属地板的直径大于介质基板的边长；
以金属地板所在平面作为水平面，辐射结构位于介质基板的竖直表面；辐射结构是轴对称结构，第一对称轴穿过辐射结构所在介质基板表面的下边界中心且与水平面垂直，包括四个弧形单极子、单开口割圆形谐振环(3)、两个双开口割圆形谐振环(4、8)、两个矩形开口谐振环(5、7)和双开口圆形谐振环(6)；
第一弧形单极子(1)和第二弧形单极子(2)的圆心为辐射结构所在介质基板表面的下边界中心，第二弧形单极子(2)的半径大于第一弧形单极子(1)；第三弧形单极子与第一弧形单极子(1)的结构相同，关于第一对称轴对称；第四弧形单极子与第二弧形单极子(2)的结构相同，关于第一对称轴对称；
单开口割圆形谐振环(3)位于第一弧形单极子(1)和第三弧形单极子的中间，包括弧形条带和直线条带；弧形条带的圆心为辐射结构所在介质基板表面的下边界中心，直线条带平行于辐射结构所在介质基板表面的下边界，直线条带的中间位置开口；
将单开口割圆形谐振环(3)沿第一对称轴向远离金属地板的方向平移，在弧形条带的中间位置开口，得到第一双开口割圆形谐振环(8)；第二双开口割圆形谐振环(4)与第一双开口割圆形谐振环(8)呈轴对称，第二对称轴与辐射结构所在介质基板表面的下边界平行且穿过第一双开口割圆形谐振环(8)的圆心；
两个矩形开口谐振环(5、7)关于第二对称轴呈轴对称，分别位于两个双开口割圆形谐振环(4、8)的内部；第一矩形开口谐振环(5)更靠近金属地板，在矩形谐振环远离金属地板的边的中心位置开口；在开口的两个末端向远离金属地板的方向分别延伸出一个短枝节，短枝节的末端不超出第二双开口割圆形谐振环(4)的直线条带；
双开口圆形谐振环(6)的圆心与两个双开口割圆形谐振环的圆心重合；双开口圆形谐振环(6)在圆形谐振环的顶部和底部开口，开口的尺寸相同；双开口圆形谐振环(6)的半径大于两个双开口割圆形谐振环(4、8)的半径；
双开口圆形谐振环(6)的开口和两个双开口割圆形谐振环的弧形条带的开口对应的圆心角相等；
采用50Ω同轴线馈电的方式向第一弧形单极子(1)或第三弧形单极子馈电。
2.根据权利要求1所述的基于谐振环的三维高温超导超增益天线，其特征在于，第一弧形单极子(1)和第二弧形单极子(2)的圆心角分别为8°和14°。
3.根据权利要求1所述的基于谐振环的三维高温超导超增益天线，其特征在于，双开口圆形谐振环(6)的开口和两个双开口割圆形谐振环的弧形条带的开口对应的圆心角为70°。
4.根据权利要求1所述的基于谐振环的三维高温超导超增益天线，其特征在于，辐射结构采用镝钡铜氧DyBCO超导薄膜，介质基板采用铝酸镧LaAlO3基板，采用多元热共蒸方法将镝钡铜氧DyBCO超导薄膜沉积在铝酸镧LaAlO3基板。
5.根据权利要求4所述的基于谐振环的三维高温超导超增益天线，其特征在于，介质基板的厚度为0.5mm，大小为23mm×23mm。
6.根据权利要求1所述的基于谐振环的三维高温超导超增益天线，其特征在于，金属地板的直径为160mm。
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