CN113708073A - 基于方形半环馈电的超表面天线 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于方形半环馈电的超表面天线,包括介质基板、印制在介质基板下表面的金属地板和上表面的超表面贴片;超表面贴片包括多个周期性排布的正方形金属贴片,其中心位置蚀刻有间隔缝,该间隔缝中印制有矩形金属贴片,矩形金属贴片与金属地板通过第一金属化过孔连接,该矩形金属贴片通过穿过金属地板上的预留孔的第二金属化过孔与SMA内导体连接,依次连接的第二金属化过孔、矩形金属贴片和第一金属化过孔形成方形半环型结构,弥补了现有技术地板不完整所导致地前后比低的缺陷,且使用单层超表面结构的前提下,不仅降低了天线的剖面高度,并进一步的拓宽了天线的阻抗带宽,使得天线更加符合当今通信系统小型化、集成化的趋势。
Description
技术领域
本发明属于天线技术领域,涉及一种超表面天线,具体涉及一种基于方形半环馈电的超表面天线,可用于卫星通信以及雷达系统中。
背景技术
近十年来,超表面凭借其特殊的电磁特性等优势广泛地应用在了微带天线领域,为微带天线性能的提高提供了强有力的保证,并且极大地推动了微带天线的进步,然 而受限的带宽制约了其进一步的发展。基于此种情形,目前存在的超表面天线普遍存 在以下两种问题:一是为了获得较宽的阻抗带宽,大多数超表面天线会选择采用多层 介质基板,即通过提高介质基板总体厚度的方法来提高天线的阻抗带宽,然而这种方 法会极大的提高天线的剖面高度;二是由于目前大多数超表面天线的馈电结构需要在 金属地板上蚀刻槽缝,这样一来就会破坏地板的完整性,极大的影响天线的定向辐射 特性且会恶化天线的前后比。当前,无论是在通信领域还是在雷达系统中,为了适应 电子器件集成化的需求,天线剖面的降低显得尤为重要;此外,随着通信以及雷达技 术的发展,系统对于天线定向辐射性能的要求也越来越高。
超表面天线所采用的馈源类型可分为电流源、磁流源、磁电混合型及其他。然而这些类型的馈源结构优缺点较为明显,如以偶极子为代表的电流源有着高前后比的优 势但是却有带宽不足缺点;以缝隙为代表的磁流源具备宽带宽的性能但后向辐射却较 大;以磁电偶极子为代表的混合型馈源虽具备宽宽带和高前后比,但带来多层结构, 又导致了天线的剖面整体偏高。
为了改善剖面较高以及前后比较低的现象,目前国内外大多数研究者通过优化超表面天线的馈源结构形式来解决上述问题。如J.Wang,and Z.Ji等人于2019年在IEEEAntennas and Wireless Propagation Letters第18期期刊上发表了一篇名为《BroadbandCPW-Fed Aperture Coupled Meta-surface Antenna》的论文,提出了一种基于L形探针馈电的超表面天线。该天线将L形探头嵌入到超表面辐射贴片下方作为耦合源以获得较 宽的辐射带宽,但是这种方法需要添加额外的馈电网络层来调节阻抗匹配。因此,通 过L形探针馈电的方式不仅引入了多层结构使得天线的剖面高度大幅提高,而且在地 板上开槽破坏了地板的完整性、恶化了天线方向图的前后比,其前后比最大为10dB。
又如程友峰,丁霄等人在其申请的专利文献“一种共面波导馈电的宽带超表面天线”专利申请号:201811181863.8,申请公布号:CN109462022A中公开了一种采取 共面波导方式馈电的超表面天线。该天线利用短路地板作为反射结构,较好的实现了 天线的背向辐射抑制;另外,其超表面由微带加载的蝶形馈电缝隙耦合激励,可以实 现较宽的带宽。但是该天线使用了三层介质基板,导致其剖面的高度较高。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷,提出了一种基于方形半环馈电的超表面天线,用于解决现有技术中存在的天线方向图前后比较低,且超表面天线剖 面较高的技术问题。
为了实现上述目的,本发明的思路是,通过在超表面贴片中心间隔内印刷矩形金属贴片,并于矩形金属贴片两侧末端加载金属化过孔,这样就可以实现能量从连接 SMA内导体的第一金属化过孔输入,然后流经矩形金属贴片,并从第二金属化过孔垂 直向下流动回收到地板,以此形成一种方形半环的馈电结构。该馈电结构不仅可以在 超表面贴片上耦合出多个的谐振点来拓展天线的带宽,而且还避免了在地板上开缝, 提高了天线方向图的前后比。由此,本发明解决了现有的超表面天线在宽带条件下低 前后比的问题。本发明通过采用单层介质基板搭配上述馈电结构,在不影响天线辐射 性能以及工作带宽的前提下降低了天线剖面。由此,本发明解决了现有的超表面天线 剖面较高的问题。
为了实现上述目的,本发明采取的技术方案包括介质基板1、印制在介质基板1下表面的金属地板2、印制在介质基板1上表面的超表面贴片3;所述超表面贴片3包括 N*N个周期性排布的正方形金属贴片31,N≥2,该超表面贴片3的中心位置蚀刻有间 隔缝,该间隔缝中印制有矩形金属贴片32,所述矩形金属贴片32与金属地板2通过 第一金属化过孔4连接,该矩形金属贴片32通过穿过金属地板2上的预留孔的第二金 属化过孔5与SMA内导体连接,依次连接的第二金属化过孔5、矩形金属贴片32和 第一金属化过孔4形成方形半环型结构,第二金属化过孔5接收同轴线输入的能量, 通过矩形金属贴片32和第一金属化过孔4垂直传导至金属地板2,并通过耦合方式实 现对正方形金属贴片31的馈电。
上述基于方形半环馈电的超表面天线,所述矩形金属贴片32,其中心位于超表面贴片3的中心法线上。
上述基于方形半环馈电的超表面天线,所述超表面贴片3,其中心法线与介质基板1的中心法线重合。
本发明与现有技术相比,具有以下优点:
1.本发明通过依次连接的第二金属化过孔、矩形金属贴片和第一金属化过孔形成方形半环型馈电结构,有效的延长了电流的耦合路径,不仅提高了天线整体的辐射性 能,同时还可以使得天线无需在金属地板上蚀刻缝隙来耦合超表面天线,这样就保留 了地板的完整性,有效提升了超表面天线方向图的前后比,使得天线的辐射定向性得 到了较大的改善。
2.本发明通过采取方形半环型馈电结构激励超表面贴片的方式,有效地使得馈源在超表面贴片上耦合出了更多的谐振点,该谐振点的出现极大的拓宽了天线的工作带 宽,因此,即使采用单层介质基板仍然可以实现较宽的阻抗带宽,避免了由多层介质 基板所带来的高剖面问题,由此弥补了当今天线小型化趋势下剖面过高带来的不足, 解决了现有大多数超表面天线在多层介质基板结构下才能获得较宽工作带宽的问题, 使得本发明实现了低剖面下的宽带性能,可满足当今通信以及雷达系统对天线小型化 的应用需求。
附图说明
图1为本发明实施例的整体结构示意图;
图2为本发明实施例中的俯视结构示意图;
图3为本发明S参数的仿真以及测试结果曲线图;
图4为本发明在E面和H面辐射方向的仿真以及测试结果图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例,对本发明作进一步详细描述。
参照图1,本发明包括介质基板1、印制在介质基板1下表面的金属地板2、印制 在介质基板1上表面的超表面贴片3、第一金属化过孔4、第二金属化过孔5。
所述介质基板1采用正方形介质基板,超表面天线的整体结构全部印刷和集成在单层介质基板1上,介质基板1所用板材为F4BM-2,其相对介电常数εr为3.5,损 耗角正切值为0.001,且地板4作为一个整体保留并未开缝,具备单层结构、低剖面 和高前后比的特性。位于介质基板1中心所示的是第一金属化过孔4以及第二金属化 过孔5所在的位置。其中,介质基板1的边长L5为50mm~66mm,高度H1为2mm~4mm, 介电常数ε1为3.4,金属化过孔位置的直径D2为0.8mm~1.2mm。本发明实施例中天 线的介质基板4的边长L5为58mm、高度H1为3mm,金属化过孔的直径D2为1mm。
所述金属地板2的形状与介质基板1相同,在其中心位置蚀刻有两个圆形孔,该 圆形孔的位置与介质基板1上的两个圆形孔的位置相对应,其中金属地板2的边长与 介质基板1的边长相同。超表面天线中金属地板的作用主要为屏蔽后向电磁辐射,以 此提高天线的定性辐射特性,因此地板的完整性至关重要。由于采用了方形半环馈电 结构,因此金属地板2表面并未蚀刻缝隙,因此保留了较好的完整性,为提高天线方 向图的前后比提供了必要的条件。本发明实施例中金属地板2的边长为58mm,第一 金属化过孔对应的圆形孔半径为1.5mm,金属化过孔2所对应的大圆直径为1.2mm, 小圆直径为0.7mm。
所述第一金属化过孔4上端连接矩形金属贴片32,下端连接金属地板2,其作用 是将矩形金属贴片32上的电流垂直引导回金属地板,从而有效的延长电流的耦合路 径,一方面可以改善天线的阻抗匹配,另一方面可以提高天线的阻抗带宽;第一金属 化过孔4的直径D3为0.5mm~1.5mm。所述第二金属化过孔5上端连接矩形金属贴片 32,下端连接SMA内导体,其作用是将能量由SMA垂直导入到矩形金属贴片32;第二 金属化过孔5的直径与第一金属化过孔4的直径相同。因此第一金属化过孔4和第二 金属化过孔5共同引导电流的流动,起到电流引导的作用;其中第一金属化过孔4和 第二金属化过孔5之间的间距为D1为8mm~10mm。本发明实施例中第一金属化过孔 4和第二金属化过孔5所用的材质均为铜,且直径D3为1mm,两者间距D1为9mm。
超表面贴片3印制在介质基板1的上表面,其结构如图2所示,超表面贴片3包 括N*N(N≥2)个周期性排布的正方形金属贴片31,其中N的值决定了天线辐射性能 的强弱且与天线的工作频率范围相关,因此N的取值需要根据天线具体的应用场合来 决定;其中正方形金属贴片31的边长L2为8mm~10mm,正方形金属贴片31间的间 距L1为0.5mm~1.5mm。此外,超表面贴片3的中心位置蚀刻有间隔带,该间隔带中印 制有矩形金属贴片32,其中矩形金属贴片32表面有电流流过且与周围的正方形金属 贴片31产生耦合,以此会在工作频带范围内产生多个谐振点,从而拓宽了天线的阻抗 带宽;其中间隔带的边长L3为5mm~8mm,宽W1为1.4mm~3.4mm、矩形金属贴片32 的边长L4为12mm~14mm,宽W2为2.8mm~4.8mm。在矩形金属贴片32两侧加载有 圆形反焊盘,该反焊盘起着调节天线阻抗匹配的作用。本发明实施例中天线的正方形 金属贴片31的边长L2为9mm,间距L1为1mm;间隔带的边长L3为6.5mm,宽W1为2.4mm;矩形金属贴片32的边长L4为13mm,宽W2为3.8mm;N取值为4。
依次连接的第二金属化过孔5、矩形金属贴片32和第一金属化过孔4形成方形半环型结构,第二金属化过孔5接收同轴线输入的能量,通过矩形金属贴片32和第一金 属化过孔4垂直传导至金属地板2,并通过耦合方式实现对正方形金属贴片31的馈电。
下面结合仿真实验和具体测试结果对本发明的技术效果作进一步说明。
1、仿真以及测试内容:
本发明的仿真实验共有两个。其中,仿真实验1为本发明天线对反射系数S参数 的仿真,反射系数S参数反应本发明的阻抗带宽。仿真实验3为本发明天线对远场辐 射方向图的仿真,远场辐射方向图反应天线的定向的辐射特性。
仿真实验1,利用商业仿真软件HFSS_19.0以及矢量网络分析仪对本发明天线的反射系数S参数进行仿真以及测试计算,结果如图3所示。
从图3可见,以本发明天线的反射系数S11≤-10dB为标准,本发明的仿真实验1中天线的仿真阻抗带宽为4.6GHz-5.7GHz,相对带宽为21.4%,测试阻抗带宽为4.7GHz-5.9GHz,相对带宽为22.6%,可以看出,测试与仿真结果的趋势吻合良好。本发明仿真 实验1的测试结果与现有公开技术相比,在采用单层介质基板的条件下,不仅可以获 得较宽的阻抗带宽,而且剖面高度远低于采用三层介质基板的超表面天线,符合当前通 信系统中天线小型化的趋势。
仿真实验2,利用商业仿真软件HFSS_19.0对本发明天线的远场辐射方向图进行仿真以及在暗室中利用天线方向图测量系统对本发明天线的远场辐射方向图进行测试 计算,结果如图4所示:
从图4(a)可见,本发明的仿真实验3中天线工作在4.8GHz时,对于仿真和测试的主极化E面辐射方向图,其前后比在20dB以上。对于仿真和测试的交叉极化E面辐射方 向图,其电平值在最大辐射方向比主极化小30dB。
从图4(b)可见,本发明的仿真实验3中天线工作在4.8GHz时,对于仿真和测试的主极化H面辐射方向图,其前后比在17dB以上。对于仿真和测试的交叉极化H面辐射方 向图,其电平值在最大辐射方向比主极化小15dB。
从图4(c)可见,本发明的仿真实验3中天线工作在5.5GHz时,对于仿真和测试的主极化E面辐射方向图,其前后比在30dB以上。对于仿真和测试的交叉极化E面辐射方 向图,其电平值在最大辐射方向比主极化小28dB。
从图4(d)可见,本发明的仿真实验3中天线工作在5.5GHz时,对于仿真和测试的主极化H面辐射方向图,其前后比在20dB以上。对于仿真和测试的交叉极化H面辐射方 向图,其电平值在最大辐射方向比主极化小17dB。
本发明仿真实验2的测试结果与现有公开的技术相比,在采用方形半环馈电结构后, 超表面天线在E面以及H面的前后比均大于17dB,最高可达到30dB,远大于上述公开技术 中心的10dB,因此具有较好的定向辐射特性,可用于雷达以及远距通信系统中。
综上所述,与现有技术相比,本发明天线通过采用方形半环的馈电方式,不仅使得天线的剖面高度大幅度的降低,而且保证了地板的完整性,使得天线拥有良好的前 后比以及较宽的阻抗带宽,改善了现有技术的不足。
仅是本发明的一个实施例,不构成对本发明的任何限制,显然对于本领域的专业人员来说,在了解了本发明内容和原理后,都可能在不背离本发明原理、结构的情况 下,进行形式和细节上的各种修正和改变,但是这些基于本发明思想的修正和改变仍 在本发明的权利要求的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种基于方形半环馈电的超表面天线,其特征在于,包括介质基板(1)、印制在介质基板(1)下表面的金属地板(2)、印制在介质基板(1)上表面的超表面贴片(3);所述超表面贴片(3)包括N*N个周期性排布的正方形金属贴片(31),N≥2,该超表面贴片(3)的中心位置蚀刻有间隔带,该间隔带中印制有矩形金属贴片(32),所述矩形金属贴片(32)与金属地板(2)通过第一金属化过孔(4)连接,该矩形金属贴片(32)通过穿过金属地板(2)上的预留孔的第二金属化过孔(5)与SMA内导体连接,依次连接的第二金属化过孔(5)、矩形金属贴片(32)和第一金属化过孔(4)形成方形半环型结构,第二金属化过孔(5)接收同轴线输入的能量,通过矩形金属贴片(32)和第一金属化过孔(4)垂直传导至金属地板(2),并通过耦合方式实现对正方形金属贴片(31)的馈电。
2.根据权利要求1所述的基于方形半环馈电的超表面天线,其特征在于,所述矩形金属贴片(32),其中心位于超表面贴片(3)的中心法线上。
3.根据权利要求2所述的基于方形半环馈电的超表面天线,其特征在于,所述超表面贴片(3),其中心法线与介质基板(1)的中心法线重合。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20211126 |
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