CN114142244B - 一种双频双圆极化共享口径宽带超表面微带天线 - Google Patents

一种双频双圆极化共享口径宽带超表面微带天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双频双圆极化共享口径宽带超表面微带天线，包括：分别不同端口馈电的第一天线与第二天线，且所述第一天线为超表面微带天线，所述第二天线为微带阵列天线；所述天线结构包括第一介质板、设置于所述第一介质基板上的超表面和微带贴片金属结构、设置于所述第一介质基板上的金属地板、设置于金属地板上的第二介质基板及置于所述第二介质基板上的馈电网络。根据本发明，双频段工作，宽带、左旋圆极化/右旋圆极化，易于加工。

Description

一种双频双圆极化共享口径宽带超表面微带天线
技术领域
本发明涉及天线的技术领域，特别涉及一种双频双圆极化共享口径宽带超表面微带天线。
背景技术
圆极化、双频、双极化技术在通信系统有广泛应用。圆极化具有抗干扰能力强，抗信道路径衰落等优点，双频和宽频带可以拓宽信道传输容量，双极化可以提高不同信道间隔离度。现阶段双频圆极化微带天线设计多采用多层结构，其缺点是天线剖面大，两个频段间影响大。不同于传统方法，基于超表面对表面波传播调控特性，实现两个频段和圆极化可以独立调控的双频天线。
2014年W.Liu等人提出了宽带线极化超表面天线，通过激发超表面表面波在TM10和TM20模式传播，该天线在4.60-6.17GHz的|S11|<-10dB。近年来，国内外众多学者对圆极化超表面天线做了很多研究。2015年，Y.Huang等人在提出了宽带圆极化超表面天线，该天线在5.14-6.32GHz具有轴比AR<3dB。2020年，Q.Zheng等人设计了一种基于极化转换超表面的宽带圆极化微带贴片天线；2020年，J.Wu等人基于超表面结构设计了多层双频共享口径线极化缝隙天线阵列。这些天线在宽带、圆极化方面具有良好的性能，但如何实现双频、双圆极化是一个难点。
发明内容
针对现有技术中存在的不足之处，本发明的目的是提供一种双频双圆极化共享口径宽带超表面微带天线，双频段工作，宽带、左旋圆极化/右旋圆极化，易于加工。为了实现根据本发明的上述目的和其他优点，提供了一种双频双圆极化共享口径宽带超表面微带天线，包括：
分别不同端口馈电的第一天线与第二天线，且所述第一天线为超表面微带天线，所述第二天线为微带阵列天线；
所述天线结构包括第一介质板、设置于所述第一介质基板上的超表面和微带贴片金属结构、设置于所述第一介质基板上的金属地板、设置于金属地板上的第二介质基板及置于所述第二介质基板上的馈电网络。
优选的，所述超表面和微带贴片金属结构由第一天线与第二天线的辐射金属贴片构成，且所述第一天线的辐射结构包括位于结构中心的具有开口缝隙的正方形切角贴片及围绕在所述切角贴片且以切角贴片为中心按照顺时针旋转90°的四个超表面子阵。
优选的，每个所述超表面子阵由m×m个正方形切角的蘑菇型超表面单元组成。
优选的，所述第二天线的辐射结构包括四个具有开口缝隙的正方形切角贴片阵元，所述切角贴片阵元均关于切角贴片对称设置。
优选的，所述金属地板上开设有五个过孔，且其中一个过孔对应第一天线的馈电位置，四个过孔对应第二天线的馈电网络馈电位置。
优选的，所述金属地板的上表面与底表面均设置为为厚度17μm的铜，电导率5.8×107s/m。
优选的，所述第一介质板与第二介质基板均分别采用3mm和0.5mm的Arlon 450材料，其相对介电常数4.5，损耗角正切0.003，超表面金属过孔半径0.2mm。
优选的，所述第一天线与第二天线的极化状态分别为左旋圆极化与右旋圆极化，且第一天线与第二天线的微带贴片形式包括矩形、正方形缝隙满足圆极化辐射的贴片结构。
本发明与现有技术相比，其有益效果是：
(1)实现天线双频宽带工作、极化分集、口径共享。
(2)天线采用微带贴片结构，成本低，便于加工制作和应用。
(3)天线分别在两个频段实现了宽带圆极化辐射，两个天线隔离度高。
附图说明
图1为根据本发明的双频双圆极化共享口径宽带超表面微带天线的三维结构示意图；
图2为根据本发明的双频双圆极化共享口径宽带超表面微带天线的天线金属结构示意图；
图3为根据本发明的双频双圆极化共享口径宽带超表面微带天线的天线地板结构示意图；
图4为根据本发明的双频双圆极化共享口径宽带超表面微带天线的馈电网络结构示意图；
图5为根据本发明的双频双圆极化共享口径宽带超表面微带天线的天线辐射结构示意图；
图6为根据本发明的双频双圆极化共享口径宽带超表面微带天线的第一天线和第二天线的S参数和轴比曲线图；
图7为根据本发明的双频双圆极化共享口径宽带超表面微带天线的第一天线和第二天线的轴比随频率变化曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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做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。
参照图1-7，一种双频双圆极化共享口径宽带超表面微带天线，包括：分别不同端口馈电的第一天线与第二天线，且所述第一天线为超表面微带天线，所述第二天线为微带阵列天线；所述天线结构包括第一介质板2、设置于所述第一介质基板2上的超表面和微带贴片金属结构1、设置于所述第一介质基板2上的金属地板3、设置于金属地板3上的第二介质基板4及置于所述第二介质基板4上的馈电网络5，第一天线与第二天线分别采用同轴馈电方式与一分四功分馈电方式，且第一天线与第二天线的贴片尺寸做一定比例缩放到其他频段。
进一步的，所述超表面和微带贴片金属结构由第一天线与第二天线的辐射金属贴片构成，且所述第一天线的辐射结构包括位于结构中心的具有开口缝隙的正方形切角贴片及围绕在所述切角贴片且以切角贴片为中心按照顺时针旋转90°的四个超表面子阵。
所述第一天线由位于结构中心的圆极化辐射贴片102、四个超表面子阵103a、103b、103c和103d组成，第二天线由四个圆极化辐射贴片101a、101b、101c和101d按照围绕结构中心顺序旋转90°排布组成。
进一步的，每个所述超表面子阵由m×m个正方形切角的蘑菇型超表面单元组成。
进一步的，所述第二天线的辐射结构包括四个具有开口缝隙的正方形切角贴片阵元，所述切角贴片阵元均关于切角贴片对称设置。
进一步的，所述金属地板3上开设有五个过孔，且其中一个过孔对应第一天线的馈电位置，四个过孔对应第二天线的馈电网络5馈电位置，，所述第一天线的馈电过孔202，第二天线的馈电过孔201a、201b、202c和202d。
进一步的，所述金属地板3的上表面与底表面均设置为为厚度17μm的铜，电导率5.8×107s/m。
进一步的，所述第一介质板2与第二介质基板4均分别采用3mm和0.5mm的Arlon450材料，其相对介电常数4.5，损耗角正切0.003，超表面金属过孔半径0.2mm。
进一步的，所述第一天线与第二天线的极化状态分别为左旋圆极化与右旋圆极化，且第一天线与第二天线的微带贴片形式包括矩形、正方形缝隙满足圆极化辐射的贴片结构。
由图2所示第一层示意图，第一天线中心辐射结构102是工作在中心频点6GHz的圆极化微带贴片，采用两个沿对角线的三角形切角正方形贴片构造右旋圆极化辐射，矩形缝隙改善阻抗匹配特性；采用四个超表面子阵103a、103b、103c和103d激励额外的谐振模式，展宽圆极化带宽。天线2是工作中心频点4.5GHz的圆极化微带贴片阵列，采用四个顺序旋转排布的相同的三角形切角的正方形左旋圆极化微带贴片，每一贴片上引入矩形缝隙改善阻抗匹配。
由图3所示第一天线和第二天线的金属地板，第一天线通过同轴馈电过孔202馈电，第二天线通过四个同轴探针经过201a、201b、202c和202d四个过孔馈电。
由图4所示第二天线的馈电网络，选用顺序旋转90°相位差的馈电网络，以实现宽带辐射。
由图5所示天线的第一层辐射结构参数示意图，其它参数由第一层辐射结构优化确定。
表1.图5中所示的结构参数如下表(单位：mm)。
变量 数值 变量 数值
L 81±0.01 lp1 11±0.01
d1 3.5±0.01 ls1 6±0.01
ws1 1±0.01 lp2 14.3±0.01
d2 3.8±0.01 ls2 9±0.01
ws2 1±0.01 p 9±0.01
a 8.5±0.01 b 4±0.01
m 3
用电磁仿真软件CST对天线各个结构参数进行仿真优化，S参数和轴比结果如图6和图7所示。可以看出，本专利的天线在中心频点4.5GHz和6GHz的两个频段内均有宽带圆极化特性，且频段间隔离度高于20dB。
这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的，对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (4)

1.一种双频双圆极化共享口径宽带超表面微带天线，其特征在于，包括：
分别不同端口馈电的第一天线与第二天线，且所述第一天线为超表面微带天线，所述第二天线为微带阵列天线；
所述天线结构包括第一介质基板（2）、设置于所述第一介质基板（2）上的超表面和微带贴片金属结构、设置于所述第一介质基板（2）上的金属地板（3）、设置于金属地板（3）上的第二介质基板（4）及置于所述第二介质基板（4）上的馈电网络（5）；
所述超表面和微带贴片金属结构由第一天线与第二天线的辐射金属贴片构成，且所述第一天线的辐射结构包括位于结构中心的具有开口缝隙的正方形切角贴片及围绕在所述切角贴片且以切角贴片为中心按照顺时针旋转90°的四个超表面子阵，每个所述超表面子阵由m×m个正方形切角的蘑菇型超表面单元组成，所述第二天线的辐射结构包括四个具有开口缝隙的正方形切角贴片阵元，所述切角贴片阵元均关于结构中心的切角贴片对称设置；
第一天线中心辐射结构（102）是工作在中心频点6GHz的圆极化微带贴片，采用两个沿对角线的三角形切角正方形贴片构造右旋圆极化辐射，矩形缝隙改善阻抗匹配特性；用四个超表面子阵（103a）、（103b）、（103c）和（103d）激励额外的谐振模式，展宽圆极化带宽；第二天线是工作中心频点4.5GHz的圆极化微带贴片阵列，采用四个顺序旋转排布的相同的三角形切角的正方形左旋圆极化微带贴片，每一贴片上引入矩形缝隙改善阻抗匹配；天线在中心频点4.5GHz和6GHz的两个频段内均有宽带圆极化特性，且频段间隔离度高于20dB；
第二天线的馈电网络，选用顺序旋转90°相位差的馈电网络。
2.如权利要求1所述的一种双频双圆极化共享口径宽带超表面微带天线，其特征在于，所述金属地板（3）上开设有五个过孔，且其中一个过孔对应第一天线的馈电位置，四个过孔对应第二天线的馈电网络（5）馈电位置。
3.如权利要求2所述的一种双频双圆极化共享口径宽带超表面微带天线，其特征在于，所述金属地板（3）的上表面与底表面均设置厚度为17μm的铜，电导率5.8×107s/m。
4.如权利要求3所述的一种双频双圆极化共享口径宽带超表面微带天线，其特征在于，所述第一介质基板（2）与第二介质基板（4）均采用Arlon 450材料，其相对介电常数4.5，损耗角正切0.003，超表面金属过孔半径0.2mm。
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