CN113745846B - 一种类微带线馈电结构的相位梯度超表面天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种类微带线馈电结构的相位梯度超表面天线，由类微带线馈电结构和相位梯度超表面的辐射体组成。微带线馈电结构包括SMA同轴接头、矩形波导、喇叭波导和类微带线；其中类微带线由上金属条带、下金属板和金属连接带组成。相位梯度超表面的辐射体包括2个以上超材料单元、介质基板衬底和金属地。本发明可以降低天线剖面，并为5G通信网络应用中需要产生任意辐射波束的低剖面天线设计提供可行性方案，使用相位梯度超表面调控方向图的指向既能够克服抛物面天线体积大、阵列天线馈电复杂的缺点，又能实现高自由度的优点。

Description

一种类微带线馈电结构的相位梯度超表面天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种类微带线馈电结构的相位梯度超表面天线。
背景技术
超表面天线是一种近些年来兴起的新型天线结构，超表面结构任意调控电磁波的特性使得很多传统的高性能天线可以被超表面天线所替代，并且具有更小的体积、更简单的结构。目前大部分超表面天线都集中在设计一个反射阵天线或透镜天线，此类天线虽然有较好的性能，但剖面较高，不利于天线小型化的发展。有部分学者提出把天线馈电结构和超表面结构置于同一水平面内，从而减小天线剖面，但因电磁波极化方式的改变，天线辐射效率受到影响，而导致性能变差。
发明内容
本发明所要解决的是现有超表面天线无法兼顾低剖面和高性能的问题，提供一种类微带线馈电结构的相位梯度超表面天线。
为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种类微带线馈电结构的相位梯度超表面天线，由类微带线馈电结构和相位梯度超表面的辐射体组成；类微带线馈电结构包括SMA同轴接头、矩形波导、喇叭波导和类微带线；矩形波导和喇叭波导均为中空形腔体结构；矩形波导的右侧壁呈开口状；喇叭波导的左侧壁和右侧壁呈开口状，且喇叭波导的左侧壁小于右侧壁；矩形波导的右侧壁开口与喇叭波导的左侧壁开口的形状和尺寸均相同，且矩形波导的右侧壁与喇叭波导的左侧壁的开口边缘连接；类微带线由上金属条带、下金属板和金属连接带组成；上金属条带和下金属板呈水平向延伸，金属连接带呈垂直向延伸；上金属条带与矩形波导和喇叭波导的上侧壁处于同一水平高度上，且上金属条带的左端与喇叭波导右侧壁开口边缘的中部连接；下金属板与矩形波导和喇叭波导的下侧壁处于同一水平高度上，且下金属板的左端与喇叭波导右侧壁开口边缘的中部连接；上金属条带的右端与金属连接带的上端连接，金属连接带的下端与下金属板的右端连接；SMA同轴接头安装在矩形波导上，且SMA同轴接头的探针探入在矩形波导中；相位梯度超表面的辐射体包括2组以上超材料单元、介质基板衬底和金属地；超材料单元覆于介质基板衬底的上表面；金属地覆于介质基板衬底的下表面；所有超材料单元在介质基板衬底的上表面呈周期性排列；相位梯度超表面的辐射体水平设置在类微带线的上金属条带与下金属板之间，且相位梯度超表面的辐射体的金属地与类微带线的下金属板相贴。
上述方案中，上金属条带的宽度小于金属连接带的宽度，金属连接带的宽度小于下金属板的宽度。
上述方案中，下金属板的宽度等于喇叭波导下侧壁的最大宽度。
上述方案中，类微带线馈电结构的上金属条带、下金属板和金属连接带窄边中轴线与相位梯度超表面的辐射体的介质基板衬底的窄边中轴线处于同一垂直平面上。
上述方案中，喇叭波导的开口角度为45°。
上述方案中，矩形波导、喇叭波导和类微带线均为金属铜材质。
上述方案中，超材料单元在介质基板衬底的窄边中轴线两侧呈对称分布。
上述方案中，每组超材料单元均包括5个单元结构；每个单元结构均为双向箭头形状，且5个单元结构的双向箭头形状和尺寸各不相同。
上述方案中，相位梯度超表面的辐射体的超材料单元和金属地为金属铜膜，介质基板衬底为FR4玻璃纤维板。
与现有技术相比，本发明提供一种面向5G频段、可应用于电力通信网的类微带线馈电结构的相位梯度超表面天线；类微带线馈电结构对现有馈电结构进行改进以提升天线的整体辐射性能：其中，喇叭波导可以调节馈电网络的阻抗匹配，且增强定向性，让电磁波尽可能的向前传播；另一方面，类微带线馈电网络能够最大限度的放松对电磁能量的束缚，使得辐射效率更高。其为相位梯度超表面的辐射体提供一个水平入射的电磁波，通过激励超材料单元结构来产生一个垂直的辐射，改变超材料单元之间的相位差便可任意控制波束的角度，相位梯度超表面的梯度方向需与馈电结构中电磁波传播方向相反。本发明可以降低天线剖面，并为5G通信网络应用中需要产生任意辐射波束的低剖面天线设计提供可行性方案，使用相位梯度超表面调控方向图的指向，既能够克服抛物面天线体积大、阵列天线馈电复杂的缺点，又能实现高自由度的优点。
附图说明
图1为一种类微带线馈电结构的相位梯度超表面天线的立体结构图。
图2为一种类微带线馈电结构的相位梯度超表面天线的俯视图。
图3为一种类微带线馈电结构的相位梯度超表面天线的仰视图。
图4为一种类微带线馈电结构的相位梯度超表面天线的侧视图。
图5为一组超材料单元的放大示意图。
图6为图5的超表面单元的幅值随频率变化的曲线图。
图7为图5的超表面单元的相位随频率变化的曲线图。
图8是本发明的相位梯度超表面天线的回波损耗随频率变化的曲线图。
图9是本发明的相位梯度超表面天线在4.7GHz下E面的辐射方向图。
图10是本发明的相位梯度超表面天线在4.8GHz下E面的辐射方向图。
图11是本发明的相位梯度超表面天线在4.9GHz下E面的辐射方向图。
图12是本发明的相位梯度超表面天线在5.0GHz下E面的辐射方向图。
图中标示：11-SMA同轴接头、12-矩形波导、13-喇叭波导、141-上金属条带、142-下金属板、143-金属连接带、21-超材料单元、22-介质基板衬底、23-金属地。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，对本发明进一步详细说明。
参阅图1至图4，一种类微带线馈电结构的相位梯度超表面天线，由类微带线馈电结构和相位梯度超表面的辐射体两部分组成。
类微带线馈电结构包括SMA同轴接头11、矩形波导12、喇叭波导13和类微带线。矩形波导12、喇叭波导13和类微带线均为金属铜材质。矩形波导12和喇叭波导13均为中空形腔体结构，其上下侧壁和前后侧壁均为闭口。矩形波导12的左侧壁为闭口，而右侧壁为开口。喇叭波导13的左侧壁和右侧壁为开口，其中左侧壁为小口面，右侧壁为大口面。矩形波导12的右侧壁与喇叭波导13的左侧壁的开口形状和尺寸均相同，且矩形波导12的右侧壁与喇叭波导13的左侧壁的开口边缘连接。类微带线由上金属条带141、下金属板142和金属连接带143所组成，其中间为空气。上金属条带141和下金属板142呈水平向延伸，金属连接带143呈垂直向延伸。上金属条带141与矩形波导12和喇叭波导13的上侧壁处于同一水平高度上，且上金属条带141的左端与喇叭波导13右侧壁开口边缘的中部连接。下金属板142与矩形波导12和喇叭波导13的下侧壁处于同一水平高度上，且下金属板142的左端与喇叭波导13右侧壁开口边缘的中部连接。上金属条带141的右端与金属连接带143的上端连接，金属连接带143的下端与下金属板142的右端连接。SMA同轴接头11安装在矩形波导12上，且SMA同轴接头11的探针探入在矩形波导12中。
相位梯度超表面的辐射体包括若干组超材料单元21、介质基板衬底22和金属地23。相位梯度超表面的辐射体的超材料单元21和金属地23为金属铜膜，介质基板衬底22为FR4玻璃纤维板。所有超材料单元21均覆于介质基板衬底22的上表面，并在介质基板衬底22的上表面呈周期性排布，且超材料单元21在介质基板衬底22的窄边中轴线两侧呈对称分布，以使得经过类微带线引导的电磁波能够向两侧传播，激励两侧的超材料单元21。金属地23覆于介质基板衬底22的下表面。每组超材料单元21均包括5个单元结构，每个单元结构均为双向箭头形状，且5个单元结构的双向箭头形状和尺寸各不相同。如图5。
相位梯度超表面的辐射体水平设置在类微带线的上金属条带141与下金属板142之间，且相位梯度超表面的辐射体的金属地23与类微带线的下金属板142相贴。上金属条带141的宽度小于金属连接带143的宽度，金属连接带143的宽度小于下金属板142的宽度。下金属板142的宽度等于喇叭波导13下侧壁的最大宽度。微带线馈电结构的上金属条带141、下金属板142和金属连接带143窄边中轴线与相位梯度超表面的辐射体的介质基板衬底22的窄边中轴线处于同一垂直平面上。
在本实施例中，类微带线馈电结构所用的金属皆为电导率为58000000s/m的铜，其中矩形波导12、喇叭波导13和类微带线的厚度皆为1mm。SMA同轴接头11给矩形波导12馈电，此时模式转换，同轴线中的TEM模转换为TE10模。SMA同轴接头11的探针半径为0.62mm，SMA同轴接头11的金属外壳半径为2mm，优化得到SMA同轴接头的探针长度为16.2mm。矩形波导12长度为29.4mm，宽度为49mm，高度为12mm。矩形波导12把TE10模电磁波引导传播给喇叭波导13，喇叭波导13是矩形波导的变形，改变开口的大小使得电磁波定向辐射传播更好。喇叭波导13长度为10.6mm，小口面宽度为49mm，大口面宽度为70mm，开口角度为45°。喇叭波导13后接类微带线。类微带线的上金属条带141的宽度为8mm，类微带线的下金属板142的宽度为70mm，类微带线的金属连接带143的高度，即上金属条带141下表面与下金属板142上表面的距离为10mm，这个尺寸正好能够约束电磁波往前传播的同时又可以合理的激发超表面单元。
在本实施例中，相位梯度超表面的辐射体由金属铜和FR4玻璃纤维板两种材质组成。介质基板衬底22的材料为FR4玻璃纤维板，介电常数为4.4，损耗角正切为0.02，厚度为3mm，长度为220mm，宽度为100mm。超材料单元21和金属地23的材料为金属铜。对于每组超材料单元21的5个双箭头形状的单元结构，其第一、第四和第五个单元结构的双向箭头形的两端分别指向东北方向和西南方向，第二和第三个单元结构的双向箭头形的两端分别指向东南方向和西北方向。相位梯度超表面的辐射体总共有176个双箭头形状的单元结构，其以五个不同尺寸的双箭头形状的单元结构为一个周期重复迭代构成，每个双箭头形状的单元结构尺寸为8mm×8mm。把176个双箭头形状的单元结构分成两组，两组超材料单元21对称于介质基板衬底22窄边中轴线分布，两组超材料单元21距介质基板衬底22窄边中轴线的距离为9.6mm，这种对称分布可以很容易的实现双波束的特性，通过改变双箭头形状的单元结构的尺寸，就可以改变双箭头形状的单元结构之间的相位差，从而改变方向图的偏转角度，进而合成需要的方向图。
图6和图7分别是在4GHz～7GHz的频率范围内具有5个双箭头形状的单元结构的超材料单元21的交叉极化反射幅值和相位随频率变化的曲线图。从图中我们可以看到，5个双箭头形状的单元结构的开口大小不同，旋转方向不同，从而导致5个双箭头形状的单元结构的相位特性不同，5个双箭头形状的单元结构之间的相位差约为72°。因为有金属地23的存在，所以5个双箭头形状的单元结构的幅值特性几乎都大于0.8。由于这个幅频特性曲线和相频特性曲线的测试环境都是以电磁波垂直打入超材料单元21来进行仿真，所以实际所测频点需要高于原本需要的频段。
图8为本发明在3GHz～7GHz的频率范围内的S11随频率变化的曲线图。可以看到，本发明的阻抗带宽为4.65GHz～5.8GHz，相对带宽约为22％，本发明所适用的频段覆盖了其中一个5G频段，本发明谐振频点为4.96GHz。
图9-图12分别为本发明在频率为4.7GHz、4.8GHz、4.9GHz和5GHz四个频点处的E面辐射方向图和实际增益图。不同频点的E面方向图的偏转角不一样，这说明本实施例中的天线具有弱频扫特性，在两个中间频点4.8GHz、4.9GHz处双波束较为明显，在5GHz时最大实际增益达11.4dBi。
需要说明的是，尽管以上本发明的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。

Claims (9)

1.一种类微带线馈电结构的相位梯度超表面天线，其特征是，由类微带线馈电结构和相位梯度超表面的辐射体组成；
类微带线馈电结构包括SMA同轴接头(11)、矩形波导(12)、喇叭波导(13)和类微带线；矩形波导(12)和喇叭波导(13)均为中空形腔体结构；矩形波导(12)的右侧壁呈开口状；喇叭波导(13)的左侧壁和右侧壁呈开口状，且喇叭波导(13)的左侧壁小于右侧壁；矩形波导(12)的右侧壁开口与喇叭波导(13)的左侧壁开口的形状和尺寸均相同，且矩形波导(12)的右侧壁与喇叭波导(13)的左侧壁的开口边缘连接；类微带线由上金属条带(141)、下金属板(142)和金属连接带(143)组成；上金属条带(141)和下金属板(142)呈水平向延伸，金属连接带(143)呈垂直向延伸；上金属条带(141)与矩形波导(12)和喇叭波导(13)的上侧壁处于同一水平高度上，且上金属条带(141)的左端与喇叭波导(13)右侧壁开口边缘的中部连接；下金属板(142)与矩形波导(12)和喇叭波导(13)的下侧壁处于同一水平高度上，且下金属板(142)的左端与喇叭波导(13)右侧壁开口边缘的中部连接；上金属条带(141)的右端与金属连接带(143)的上端连接，金属连接带(143)的下端与下金属板(142)的右端连接；SMA同轴接头(11)安装在矩形波导(12)上，且SMA同轴接头(11)的探针探入在矩形波导(12)中；
相位梯度超表面的辐射体包括2组以上超材料单元(21)、介质基板衬底(22)和金属地(23)；超材料单元(21)覆于介质基板衬底(22)的上表面，且所有超材料单元(21)在介质基板衬底(22)的上表面呈周期性排列；金属地(23)覆于介质基板衬底(22)的下表面；相位梯度超表面的辐射体水平设置在类微带线的上金属条带(141)与下金属板(142)之间，且相位梯度超表面的辐射体的金属地(23)与类微带线的下金属板(142)相贴。
2.根据权利要求1所述的一种类微带线馈电结构的相位梯度超表面天线，其特征是，上金属条带(141)的宽度小于金属连接带(143)的宽度，金属连接带(143)的宽度小于下金属板(142)的宽度。
3.根据权利要求1或2所述的一种类微带线馈电结构的相位梯度超表面天线，其特征是，下金属板(142)的宽度等于喇叭波导(13)下侧壁的最大宽度。
4.根据权利要求1所述的一种类微带线馈电结构的相位梯度超表面天线，其特征是，类微带线馈电结构的上金属条带(141)、下金属板(142)和金属连接带(143)窄边中轴线与相位梯度超表面的辐射体的介质基板衬底(22)的窄边中轴线处于同一垂直平面上。
5.根据权利要求1所述的一种类微带线馈电结构的相位梯度超表面天线，其特征是，喇叭波导(13)的开口角度为45°。
6.根据权利要求1所述的一种类微带线馈电结构的相位梯度超表面天线，其特征是，矩形波导(12)、喇叭波导(13)和类微带线均为金属铜材质。
7.根据权利要求1所述的一种类微带线馈电结构的相位梯度超表面天线，其特征是，超材料单元(21)在介质基板衬底(22)的窄边中轴线两侧呈对称分布。
8.根据权利要求1所述的一种类微带线馈电结构的相位梯度超表面天线，其特征是，每组超材料单元(21)均包括5个单元结构；每个单元结构均为双向箭头形状，且5个单元结构的双向箭头形状和尺寸各不相同。
9.根据权利要求1所述的一种类微带线馈电结构的相位梯度超表面天线，其特征是，相位梯度超表面的辐射体的超材料单元(21)和金属地(23)为金属铜膜，介质基板衬底(22)为FR4玻璃纤维板。
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