CN114204274A - 一种低剖面宽带高增益高口径效率超表面天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低剖面宽带高增益高口径效率超表面天线，属于天线技术领域。其从上到下依次包括超表面结构层、第一介质加载层、辐射贴片层、第二介质加载层、驱动贴片层、馈电层。超表面结构由超表面单元按特定间距排布，天线整体结构采用多层印制板工艺加工而成，最后采用标贴SSMP射频连接器输出。天线采用超表面加载和微带线背馈式结构，使天线获得了较好的定向性和高增益。同时，通过使用介质加载代替空气传统的加载层，极大地简化了超表面天线的设计和加工难度。本发明极大地降低了后期天线单元的组装、焊接难度，也增加了天线可靠性。本发明具有结构简单、增益高、剖面低、加工组装焊接难度低等优点。

Description

一种低剖面宽带高增益高口径效率超表面天线
技术领域
本发明涉及到天线技术领域，特别涉及一种低剖面宽带高增益高口径效率超表面天线。
背景技术
航空航天无线系统设备要求提供高质量和高可靠性的通信链路，这不仅用于实现安全的飞行和快速的应急响应，还能够为导航制导子系统提供适时的、精准的雷达信号。要实现上述要求，高增益机载天线是其中的关键部件。另一方面，为了获得更大的系统通信容量，通常需要天线具备宽带工作特性，并且天线应该同时满足机载的轻质量、小尺寸、易共形、低剖面等特点。一般来讲，天线的带宽及增益与天线的物理尺寸之间存在着不可回避的矛盾，为获得宽频带高增益，通常需要以放宽天线的尺寸作为代价，相反，如果想使辐射结构变得更紧凑，则往往需要在带宽和增益方面做出一定牺牲。通过使用新型超表面结构和低剖面低Q值加载技术，能够在保证天线具备低剖面和紧凑尺寸的前提下，实现天线在宽频带下的高增益定向辐射，同时能够实现较高的口径效率。还具备有低剖面、易集成等优势，在机载、星载、弹载等天线应用方面有着重大的应用前景。因此，为了实现在低剖面高带宽要求下的高增益天线设计，需要开展新型超表面加载的微带贴片天线研究。
由于超材料的种类之多，应用范围之广，超材料已在天线小型化、电磁波前调控、高效率透射和反射阵天线方面得到了广泛应用。其中，印制超表面(Meta-surface)结构，不仅具备灵活多变的设计方式，还能采用常用的PCB技术成型，在保证良好的加工精度的同时，实现较低的制作成本，因此，正被国内外学者广泛研究。
基于超表面的天线设计主要有两种，第一种是将超表面作为全向辐射天线单元的反射板，相较于金属反射板(多为背板或背腔)，超表面反射板可以在保证天线整体低剖面的前提下实现天线的定向辐射。第二种便是使用超表面作为天线的透射层，通过在天线辐射单元的上方加载周期性超表面结构，能够提升天线的端口特性和辐射增益。超表面的优点众多，但是缺点也较明显，在超表面与天线辐射单元之间需要一定的空气层加载降低Q值，以实现宽带阻抗匹配，这在实际工程化的过程中会各种各样的加工、组装等问题，如频率较高后，天线与超表面之间的加载距离较难精确调制，天线的馈电结构与射频连接器焊接问题等。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种低剖面宽带高增益高口径效率超表面天线。该天线减少了后期人工组装环节，极大地降低了超表面天线的装配难度，尤其是高频段；并且具有电气性能优良、集成化程度高、剖面低、结构简单、加工方便、成本低廉等优点。
为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：
一种低剖面宽带高增益高口径效率超表面天线，包括从上至下依次层叠的超表面结构层、第一介质加载层、辐射贴片层、第二介质加载层、驱动贴片层和馈电层；
所述超表面结构层包括第一介质板，所述第一介质板的上表面印制有超表面结构；
所述第一介质加载层包括第二介质板，所述第二介质板上设有两上层镂空结构，所述上层镂空结构位于对应辐射贴片的正上方；
所述辐射贴片层包括第三介质板，所述第三介质板的上表面设有并列的两个辐射贴片；
所述第二介质加载层包括第四介质板，所述第四介质板上设有两下层镂空结构，所述下层镂空结构位于对应辐射贴片的正下方；
所述驱动贴片层包括第五介质板，所述第五介质板的上表面印制有并列的两个，所述驱动贴片位于对应辐射贴片的正下方；
所述馈电层包括第六介质板；所述第六介质板的上表面设有金属地板，第六介质板的下表面设有馈电网络；所述馈电网络包括T型结功分器和微带馈线，其中T型结功分器的输入端与微带馈线的输出端连接，用于将输入端微带线进行功率等分；所述T型结功分器的两支路末端设有金属探针，金属探针顶部一端穿过第六介质板、金属地板和第五介质板并与第五介质板上表面对应的驱动贴片连接。
进一步的，所述金属地板与金属探针无接触。
本发明采取上述技术方案所产生的有益效果在于：
本发明采用超表面加载和微带线背馈式结构，使天线获得了较好的定向性和高增益。同时，通过使用介质加载代替空气传统的加载层，极大地简化了超表面天线的设计和加工难度。同时，采用了多层印制板加工技术，极大地降低了后期天线单元(阵列)的组装、焊接难度，也增加了天线可靠性。该超表面天线具有结构简单、增益高、剖面低、加工组装焊接难度低等优点。。
附图说明
图1是本发明实施例的结构剖面示意图；
图2是本发明实施例的馈电结构示意图；
图3是本发明实施例的结构示意图；
图4是本发明实施例的S11(端口反射系数)曲线；
图5是本发明实施例的有源驻波比和实增益曲线；
图6是本发明实施例在低频时H面和E面的辐射方向图；
图7是本发明实施例在中频时H面和E面的辐射方向图；
图8是本发明实施例在高频时H面和E面的辐射方向图。
图中：1、超表面结构；2、辐射贴片；3、驱动贴片；4、金属地板；5、金属探针；6、馈电网络；7、第一介质板；8、第二介质板；9、第三介质板；10、第四介质板；11、第五介质板；12、第六介质板。
具体实施方式
下面，结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
一种低剖面宽带高增益高口径效率超表面天线，包括从上至下依次层叠的超表面结构层、第一介质加载层、辐射贴片层、第二介质加载层、驱动贴片层和馈电层；
所述超表面结构层包括第一介质板7，所述第一介质板的上表面印制有超表面结构1；
所述第一介质加载层包括第二介质板8，所述第二介质板上设有两上层镂空结构，所述上层镂空结构位于对应辐射贴片2的正上方；
所述辐射贴片层包括第三介质板9，所述第三介质板的上表面设有并列的两个辐射贴片；
所述第二介质加载层包括第四介质板10，所述第四介质板上设有两下层镂空结构，所述下层镂空结构位于对应辐射贴片的正下方；
所述驱动贴片层包括第五介质板11，所述第五介质板的上表面印制有并列的两个，所述驱动贴片3位于对应辐射贴片的正下方；
所述馈电层包括第六介质板；所述第六介质板12的上表面设有金属地板，第六介质板的下表面设有馈电网络6；所述馈电网络包括T型结功分器和微带馈线，其中T型结功分器的输入端与微带馈线的输出端连接，用于将输入端微带线进行功率等分；所述T型结功分器的两支路末端设有金属探针，金属探针5顶部一端穿过第六介质板、金属地板4和第五介质板并与第五介质板上表面对应的驱动贴片连接。
进一步的，所述金属地板与金属探针无接触。
下面为一更具体的实施例：
图1所示是本发明所述的一种宽带低剖面超表面天线结构剖面示意图，从上到下依次包括超表面结构层、第一介质加载层、辐射贴片层、第二介质加载层、驱动贴片层、馈电层。各层的厚度根据天线的工作频段设计，本实施例中天线工作频段为Ku波段，超表面结构层、驱动贴片层和辐射贴片层使用的介质板材料为Rogers4350B。其中超表面结构层厚度为0.254mm，辐射贴片层厚度为0.254mm，驱动贴片层厚度为0.338mm。介质加载层材质为TSM-DS3M，上层介质加载层厚度为0.508mm，下层介质加载层厚度为0.787mm。馈电层材质为TSM-DS3M，厚度为0.254mm。各层经过压合成为一个整体，加上5层半固化片的厚度均为0.12mm。
超表面为4×4方环周期性结构，每个方环外边长为1.66mm，内边长为0.96mm，方环间距为1.52mm。通过PCB技术印制在介质板上，在天线工作时时辐射电流能够在超表面辐射口径上均匀分布，以实现高增益。
介质加载层有上下两层，介质都选用TSM-DS3M，上层介质加载层厚度为0.508mm，下层介质加载层厚度为0.787mm。每一层介质加载层在微带贴片的位置开有尺寸为10mm×10mm方形孔，以减小等效介电常数，实现低剖面低Q值加载。
辐射贴片印制在厚度为0.254mm的介质板上，板材为Rogers4350B，介电常数3.48。辐射贴片尺寸为6.47mm×6.47mm，可在低频点实现谐振辐射，以展宽带宽。
驱动贴片印制在厚度为0.338mm的介质板上，板材Rogers4350B，介电常数3.48。驱动贴片尺寸为6.1mm×6.1mm，谐振频点略高于辐射贴片。使用金属探针对驱动贴片进行馈电，馈电点输入阻抗为25Ohm。
如图2所示是本实施例的天线馈电结构示意图，介质基板厚度为0.254mm，上表面设置有金属地板，金属地板上挖圆形孔防止金属探针短路。下表面设置有微带馈线，输入阻抗为50Ohm，输出阻抗为25Ohm，使用金属探针对上层贴片进行馈电。采用T型结功分器对输入端微带线进行功率等分，尺寸简单，减少整体的电路的插入损耗。
如图3所示是本实施例的结构，其中天线由6层介质板层压成型，加上5层半固化片作为粘连，每层固化片厚度均为0.12mm。
图4是本发明所述的一种宽带低剖面超表面天线结构的S11(端口反射系数)曲线，可见该天线具备宽带阻抗匹配特性。
图5是本发明所述的一种宽带低剖面超表面天线结构的有源驻波比和实增益曲线，可见该天线在工作频带内具备高增益，带内平均增益大于10dBi。
图6是本发明所述的一种宽带低剖面超表面天线结构在低频时H面和E面的辐射方向图，天线具备定向辐射特性，前后比大于15dB。
图7是本发明所述的一种宽带低剖面超表面天线结构在中频时H面和E面的辐射方向图，天线具备定向辐射特性，前后比大于15dB。
图8是本发明所述的一种宽带低剖面超表面天线结构在高频时H面和E面的辐射方向图，天线具备定向辐射特性，前后比大于15dB。

Claims (2)

1.一种低剖面宽带高增益高口径效率超表面天线，其特征在于，包括从上至下依次层叠的超表面结构层、第一介质加载层、辐射贴片层、第二介质加载层、驱动贴片层和馈电层；
所述超表面结构层包括第一介质板，所述第一介质板的上表面印制有超表面结构；
所述第一介质加载层包括第二介质板，所述第二介质板上设有两上层镂空结构，所述上层镂空结构位于对应辐射贴片的正上方；
所述辐射贴片层包括第三介质板，所述第三介质板的上表面设有并列的两个辐射贴片；
所述第二介质加载层包括第四介质板，所述第四介质板上设有两下层镂空结构，所述下层镂空结构位于对应辐射贴片的正下方；
所述驱动贴片层包括第五介质板，所述第五介质板的上表面印制有并列的两个，所述驱动贴片位于对应辐射贴片的正下方；
所述馈电层包括第六介质板；所述第六介质板的上表面设有金属地板，第六介质板的下表面设有馈电网络；所述馈电网络包括T型结功分器和微带馈线，其中T型结功分器的输入端与微带馈线的输出端连接，用于将输入端微带线进行功率等分；所述T型结功分器的两支路末端设有金属探针，金属探针顶部一端穿过第六介质板、金属地板和第五介质板并与第五介质板上表面对应的驱动贴片连接。
2.根据权利要求1所述的一种低剖面宽带高增益高口径效率超表面天线，其特征在于，所述金属地板与金属探针无接触。
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