CN113839213A - 一种超材料结构及天线 - Google Patents

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杨华
申志科
章玉涛
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Abstract

本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种超材料结构及天线，所述超材料结构设于天线振子上方，包括一块或多块介质板，所述介质板包括第一基板和阵列排布在所述第一基板上的多个微单元；所述微单元印制有图案，所述图案用于补偿天线振子近场的相位差别；所述天线包括超材料结构、第二基板、反射板及支撑柱，支撑柱用于将所述超材料结构中的一块或多块介质板以及所述反射板相互支撑连接；所述一块或多块介质板、所述第二基板、以及所述反射板依次平行设置；所述第二基板的上表面设置有天线振子；所述天线振子朝向最下层的介质板，本发明能够在相等天线尺寸条件下提升天线的增益。

Description

一种超材料结构及天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种超材料结构及天线。
背景技术
天线是一种将电磁波转换的射频器件，可以在电路中将高频电流和自由空间中的电磁波相互转换，天线性能的好坏对整个无线通信系统的质量有着很大的影响。
市场对天线具有各式的需求，其中天线的小型化是一个重要的发展方向。其难点在于如何在保持天线性能的同时，减小天线占据的体积。而天线的增益，衡量的是天线在某一特定的方向上接收和发射信号的能力(单位为dBi)，代表了天线辐射的集中程度及损耗程度，是重要的性能指标之一。通常情况下，天线的增益与天线的辐射面积相关，即天线面积越大，其增益越大。
因此，有必要对现有的天线进行改进，提高天线的增益。
发明内容
本发明目的在于提供一种超材料结构及天线，以解决现有技术中所存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。
为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：
一种超材料结构，所述超材料结构包括一块或多块介质板，所述介质板包括第一基板和阵列排布在所述第一基板上的多个微单元；所述微单元印制有图案，所述图案用于补偿天线振子近场的相位差别，所述天线振子设于超材料结构的下方。
作为上述技术方案的进一步改进，所述图案采用金属材料印制；印制在所述微单元的图案呈现中心对称。
作为上述技术方案的进一步改进，所述图案采用交叉领结形状。
一种天线，包括：
上述任一所述的超材料结构；
第二基板，所述第二基板的上表面设置有天线振子；
反射板；
支撑柱，用于将所述超材料结构中的一块或多块介质板以及所述反射板相互支撑连接；
所述一块或多块介质板、所述第二基板、以及所述反射板依次平行设置；
所述天线振子朝向最下层的介质板。
作为上述技术方案的进一步改进，所述天线振子和最下层的介质板相隔设定的距离，以满足正常调节天线振子平面口面辐射场相位的要求。
作为上述技术方案的进一步改进，所述一块或多块介质板均设置有中空区域，所述天线振子朝向介质板的中空区域。
作为上述技术方案的进一步改进，所述反射板采用金属材质。
作为上述技术方案的进一步改进，所述支撑柱采用塑料材质。
作为上述技术方案的进一步改进，所述天线振子和所述反射板连接有接地铜柱，所述接地铜柱用于支撑所述天线振子。
作为上述技术方案的进一步改进，所述天线振子还连接有同轴线缆。
本发明的有益效果是：本发明公开一种超材料结构及天线，该超材料结构上的图案可依照理论或仿真独立调节，该方案可以充分利用振子与天线罩之间的空间，进一步提升天线的增益，有利于相等天线尺寸条件下实现更优的性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例中天线的整体结构示意图；
图2是本发明实施例中天线的俯视图；
图3是本发明实施例中未加载超材料结构的天线振子沿纵向切面的电场相位分布示意图；
图4是本发明实施例中加载了超材料结构的天线振子沿纵向切面的电场相位分布示意图；
图5是本发明实施例中天线振子的增益性能对比图。
具体实施方式
本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，如果具有“若干”之类的词汇描述，其含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
一般情况下，天线的横截面积受整体通信系统的严格限制，而天线的纵向高度则有较灵活的调整余地。因而，可以利用天线罩与天线振子之间的空间，增设一些结构尝试提升天线增益。目前主要的实现方案有两种：增加引向片结构，增加超材料结构。加载引向片方案未充分利用天线横截面积，增益提升较小。现有的增加超材料结构中，超材料图案沿横向简单重复，增益有一定提升，但还有提升余地。
发明人针对现有技术，做出以下改进：
参考图1和图2，本发明实施例提供的一种超材料结构，所述超材料结构包括一块或多块介质板100，所述介质板100包括第一基板110和阵列排布在所述第一基板110上的多个微单元120；所述微单元120印制有图案，所述图案用于补偿天线振子210近场的相位差别，所述天线振子210设于超材料结构的下方。
作为上述技术方案的进一步改进，所述图案采用金属材料印制；
作为上述技术方案的进一步改进，印制在所述微单元120的图案呈现中心对称。
作为上述技术方案的进一步改进，所述图案采用交叉领结形状。
本实施例中，采用交叉领结形状，可减小图案所占的面积，有利于摆放更多的印制图案，用以精细调控天线振子210的相位。
本发明实施例还提供的一种天线，包括：
上述任一实施例中的超材料结构；
第二基板200，所述第二基板200的上表面设置有天线振子210；
反射板300；
支撑柱400，用于将所述超材料结构中的一块或多块介质板100以及所述反射板300相互支撑连接；
所述一块或多块介质板100、所述第二基板200、以及所述反射板300依次平行设置；
所述天线振子210朝向最下层的介质板100。
作为上述技术方案的进一步改进，所述天线振子210和最下层的介质板100相隔设定的距离，以满足正常调节天线振子210平面口面辐射场相位的要求。
需要说明的是，如果天线振子210和最下层的介质板100相隔太近会严重影响天线振子210本身的特性，降低天线振子210的辐射性能；将所述天线振子210和最下层的介质板100设定合适的距离，是为了能够满足正常调节天线振子210平面口面辐射场相位的要求。可以理解，如果天线振子210和最下层的介质板100相隔太远，则不能满足空间限制，因此，所述天线振子210和最下层的介质板100相隔的距离需要满足：能正常调节天线振子210平面口面辐射场相位，且在天线尺寸范围内。
作为上述技术方案的进一步改进，所述一块或多块介质板100均设置有中空区域，所述天线振子210朝向所述介质板100的中空区域。
本实施例中，将天线振子210中心上方的介质板100挖空，相当于介质板100中心部位不设置微单元120，也没有图案；对天线振子210的性能不会有影响，但能够方便直接观察到介质板100下方的天线振子210，便于安装调试。
作为上述技术方案的进一步改进，所述反射板300采用金属材质。
作为上述技术方案的进一步改进，所述支撑柱400采用塑料材质。
作为上述技术方案的进一步改进，所述天线振子210和所述反射板300连接有接地铜柱500，所述接地铜柱500用于支撑所述天线振子210。
作为上述技术方案的进一步改进，所述天线振子210还连接有同轴线缆600。
本发明提供的实施例中，针对天线振子210自身近场辐射的相位分布，对各局部区域的相位情况各自采用不相同的超材料图案补偿天线振子210近场的相位差别，使得超材料横截面处的相位相等，从而实现更高的增益。
在一些实施例中，采用加载于天线振子210上方的超表面结构，该超表面结构上的金属图案可依照理论或仿真独立调节，不同区域的图案尺寸和排布各不相同。该方案可以充分利用天线振子210与天线罩之间的空间，进一步提升天线的增益，有利于在相等天线尺寸条件下实现更优的天线性能。
其原理详细描述如下：
根据天线理论，当辐射口面的场的幅度相位均匀分布时，其增益达到最大。
对于不加载超材料的天线振子210，可仿真一种具体天线振子210沿纵向切面的电场相位分布，如图3所示。可观察到，在同一高度截面，该天线振子210的边缘电场相位相对于中心电场相位滞后约60度，即存在60度的相位差，如果可补偿该相位差使得该天线振子210在该截面相位相等，则可以实现更高的增益。
对于加载了实施例超材料结构的天线振子210，可仿真沿纵向切面的电场相位分布，如图4所示。可观察到，在同一高度截面，该天线振子210的边缘电场相位相对于中心电场相位滞后小于30度，该截面的相位更为均匀，实现了更高的增益。
如图5所示，为实现的效果性能对比图。可以看到，加载了超材料结构后，该天线振子210的增益平均提升了1.5dB，实现了较大的增益值的提高。
本领域技术人员可以理解，本实施例中的超材料结构的金属图案可依照理论或仿真独立调节设置，相同条件下其增益可达到更高的效果。
在本发明的一些实施例中，还提供使用以上超材料结构的天线。
尽管本发明的描述已经相当详尽且特别对几个所述实施例进行了描述，但其并非旨在局限于任何这些细节或实施例或任何特殊实施例，而是应当将其视作是通过参考所附权利要求，考虑到现有技术为这些权利要求提供广义的可能性解释，从而有效地涵盖本发明的预定范围。此外，上文以发明人可预见的实施例对本发明进行描述，其目的是为了提供有用的描述，而那些目前尚未预见的对本发明的非实质性改动仍可代表本发明的等效改动。

Claims (10)

1.一种超材料结构，其特征在于，所述超材料结构包括一块或多块介质板，所述介质板包括第一基板和阵列排布在所述第一基板上的多个微单元；所述微单元印制有图案，所述图案用于补偿天线振子近场的相位差别，所述天线振子设于超材料结构的下方。
2.根据权利要求1所述的一种超材料结构，其特征在于，所述图案采用金属材料印制；印制在所述微单元的图案呈现中心对称。
3.根据权利要求2所述的一种超材料结构，其特征在于，所述图案采用交叉领结形状。
4.一种天线，其特征在于，包括：
权利要求1至3任一所述的超材料结构；
第二基板，所述第二基板的上表面设置有天线振子；
反射板；
支撑柱，用于将所述超材料结构中的一块或多块介质板以及所述反射板相互支撑连接；
所述一块或多块介质板、所述第二基板、以及所述反射板依次平行设置；
所述天线振子朝向最下层的介质板。
5.根据权利要求4所述的一种天线，其特征在于，所述天线振子和最下层的介质板相隔设定的距离，以满足正常调节天线振子平面口面辐射场相位的要求。
6.根据权利要求4所述的一种天线，其特征在于，所述一块或多块介质板均设置有中空区域，所述天线振子朝向介质板的中空区域。
7.根据权利要求4所述的一种天线，其特征在于，所述反射板采用金属材质。
8.根据权利要求4所述的一种天线，其特征在于，所述支撑柱采用塑料材质。
9.根据权利要求4所述的一种天线，其特征在于，所述天线振子和所述反射板连接有接地铜柱，所述接地铜柱用于支撑所述天线振子。
10.根据权利要求4所述的一种天线，其特征在于，所述天线振子还连接有同轴线缆。
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