CN114243274B - 一种具有宽轴比带宽的差分馈电圆极化超表面天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种具有宽轴比带宽的差分馈电圆极化超表面天线，包括第一介质板S1、第二介质板S2、金属接地板N、天线辐射结构M、馈电网络F；所述天线辐射结构M包括第一非均匀超表面结构单元、第二非均匀超表面结构单元、第三非均匀超表面结构单元；信号从底部的微带线T1连接的50欧姆微带线输入到差分馈电结构中，通过金属接地板N上的一对耦合缝隙C1和C2传给第一介质板S1上表面的天线辐射结构M。天线辐射结构M中非均匀超表面结构单元的切角将接收到的信号转化为一对等幅正交的极化波，最后通过非均匀超表面结构单元将能量辐射出去，从而形成了圆极化天线。

Description

一种具有宽轴比带宽的差分馈电圆极化超表面天线
技术领域
本发明属于天线设计技术领域，尤其涉及一种具有宽轴比带宽的差分馈电圆极化超表面天线。
背景技术
近年来，随着无线通信技术的迅猛发展，通信质量的提高变得愈发重要。天线的作用是将射频信号和空间电磁波进行相互转换，在无线通信系统中作为一种必不可少的前端设备，天线质量的好坏会影响通信质量的好坏，因此在无线通信中研究出高性能的天线尤为重要。圆极化天线因其抗多径干扰性、雨雾干扰和发射接收极化的任意性，在电子侦察、移动通信、GPS中得到广泛应用。
传统的圆极化天线一般采用对天线馈电进行设计产生圆极化辐射的方案，这种设计使得天线整体结构较为复杂，且轴比的中心频率易受影响。近年来，一种二维平面超表面天线可突破传统天线设计的局限性，提升传统天线性能指标，并在一定程度上可有效提升天线的设计自由度。基于超材料结构设计的超表面天线作为一种新型天线已经得到了广泛的研究。相对于传统圆极化天线的复杂性，使用超表面技术产生圆极化，可以在紧凑的天线结构中实现，且能够更好地调节圆极化，轴比频率更加稳定。
发明内容
为了克服传统圆极化天线的复杂性和并且提高天线带宽，本发明提出了一种具有宽轴比带宽的差分馈电圆极化超表面天线。
实现本发明目的的技术解决方案为：
本发明天线包括第一介质板S1、第二介质板S2、金属接地板N、天线辐射结构M、馈电网络；第一介质板、金属接地板、第二介质板从上至下依次设置；
所述天线辐射结构M设置在第一介质板S1顶层，包括互不接触的第一非均匀超表面结构单元、第二非均匀超表面结构单元、第三非均匀超表面结构单元；所述第二非均匀超表面结构单元、第三非均匀超表面结构单元设置在所述第一非均匀超表面结构单元的外周；
所述第一非均匀超表面结构单元由4个互不接触且相同结构的第一切角型方形贴片(P1)围合而成类方形结构；第一切角型方形贴片(P1)的切角方向一致；所述第一非均匀超表面结构单元的中心为天线辐射结构(M)的中心；
所述第二非均匀超表面结构单元包括8个互不接触且相同结构的第二切角型方形贴片(P2)；第一非均匀超表面结构单元围合成的类方形结构的每条边设有2个第二切角型方形贴片(P2)；所述第二切角型方形贴片(P2)的切角方向与第一切角型方形贴片(P1)的切角方向相同；
所述第三非均匀超表面结构单元包括4个第三切角型方形贴片P3；上述4个第三切角型方形贴片P3分别设置在第一非均匀超表面结构单元围合成的类方形结构的4个顶角位置；所述第三切角型方形贴片P3的切角方向与第一切角型方形贴片P1的切角方向相同；
所述第一切角型方形贴片P1、第二切角型方形贴片P2、第三切角型方形贴片P3的切角为两个，两个切角分别位于方形贴片同一对角线处的两顶角位置；
作为优选，沿第一介质板S1长度方向和宽度方向分布的切角型方形贴片数量相同；相邻两个第一切角型方形贴片P1的间距、相邻两个第二切角型方形贴片P2的间距、相邻第一切角型方形贴片P1与第二切角型方形贴片P2的间距相同；第三切角型方形贴片P3与两个相邻第二切角型方形贴片P2的间距相同；通过调整第一切角型方形贴片P1、第二切角型方形贴片P2、第三切角型方形贴片P3的宽度和切角大小，产生相位差约为90°的等幅正交极化波，从而实现天线的圆极化性能。
作为优选，第一切角型方形贴片P1的切角边长度dw1为第一切角型方形贴片P1宽度的0.3-0.35倍，第二切角型方形贴片P2的切角边长度dw2为第二切角型方形贴片P2宽度的0.2-0.35倍，第三切角型方形贴片P3切角边长度dw3为第三切角型方形贴片P1宽度的0.5-0.7倍；W1-W2≤0.03λg1，W1表示第一切角型方形贴片P1宽度，W2表示第二切角型方形贴片P2宽度。λg1为第一层介质基板S1的有效介质波长。
更为优选，第一切角型方形贴片P1宽度W1为0.41λg1，第二切角型方形贴片P2宽度W2为0.4λg1，第三切角型方形贴片P3宽度W3为0.3λg1。
作为优选，相邻切角型方形贴片间距≤0.02λg1。
更为优选，相邻切角型方形贴片间距为0.01λg1。
更为优选，第一切角型方形贴片P1宽度大于第二切角型方形贴片P2宽度为0.01λg1。
所述金属接地板开有耦合缝隙C1、C2，耦合缝隙C1位于第一非均匀超表面结构单元围合成的类方形结构其中一条边A1所在的n+1个第一切角型方形贴片P1下方；耦合缝隙C2位于第一非均匀超表面结构单元围合成的类方形结构的另一边A2所在的n+1个第一切角型方形贴片P1下方；边A1与边A2为第一非均匀超表面结构单元围合成的类方形结构的两对称边；
所述耦合缝隙C1、C2分别与馈电网络的两个平衡输出端口耦合。
所述馈电网络位于第二介质板S2的下表面，其采用差分馈电结构。
作为优选，所述差分馈电结构包括微带线T1-T10；微带线T1的一端接50欧姆微带线，接入信号；微带线T1的另一端接微带线T2的一端、微带线T3的一端；微带线T2的另一端接微带线T5的一端、微带线T6的一端；微带线T3的另一端接微带线T4的一端；微带线T4的另一端接微带线T6的另一端、微带线T7的一端；微带线T5的另一端接微带线T9的一端、微带线T8的一端；微带线T7的另一端接微带线T10的一端、微带线T8的另一端；微带线T9的另一端、微带线T10的另一端分别作为馈电网络的两个平衡输出端口。微带线T3、微带线T6、微带线T8为折叠型微带线。
下面将本发明所述天线的原理进行详细说明。
信号从底部的微带线T1连接的50欧姆微带线输入到差分馈电结构中，通过金属接地板N上的一对耦合缝隙C1和C2传给第一介质板S1上表面的天线辐射结构M。天线辐射结构M中非均匀超表面结构单元的切角将接收到的信号转化为一对等幅正交的极化波，最后通过非均匀超表面结构单元将能量辐射出去，从而形成了圆极化天线。
通过调整非均匀超表面结构单元和耦合缝隙C1、C2的尺寸优化圆极化滤波天线的阻抗匹配特性和圆极化特性，非均匀超表面结构单元中切角型方形贴片的宽度、相邻贴片的间距以及切角的大小都对天线的圆极化性能和阻抗匹配特性有影响，耦合缝隙C1和C2的长度和宽度影响天线的阻抗匹配特性。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
1.本发明非均匀超表面结构单元中方形贴片加载切角，通过调整切角的大小以及相邻非均匀超表面结构单元的间距，使超表面天线产生轴比小于3dB的圆极化波，从而实现圆极化天线特性。本发明不需要通过馈电结构来实现圆极化特性，可简化传统圆极化天线的设计方法，从而缩短设计周期。
2.本发明采用非均匀的超表面结构，通过调节不同位置的超表面单元切角大小，工作模式相较于普通采用均匀超表面结构天线来说，天线的工作模式增加，展宽了天线的阻抗带宽，同时产生了三个轴比最低点，增大了3dB轴比带宽，实现了中心频率为4.71GHz，-10dB阻抗带宽为25.5％(3.96～5.12GHz)，3dB轴比带宽为13.3％(4.41～5.03GHz)的圆极化天线，其最高增益为5.06GHz处的10.58dBic。
附图说明
图1是本发明所述天线三维视图；
图2是本发明所述天线侧视图；
图3是本发明非均匀超表面结构层俯视图；
图4是本发明金属接地层俯视图；
图5是本发明差分馈电结构俯视图；
图6是本发明工作S参数|S11|曲线仿真图；
图7是本发明所述天线最大辐射方向轴比关于频率的变化曲线；
图8是发明所述天线最大辐射方向增益关于频率的变化曲线。
具体实施方式
下面结合附图对技术方案的实施进行进一步分析：
结合图1、图3、图4、图5，具有宽轴比带宽的差分馈电圆极化超表面天线包括了第一介质板S1、第二介质板S2、天线辐射结构M、金属接地板N、矩形耦合缝隙C1和C2,差分馈电结构T1。具有宽轴比带宽的差分馈电圆极化超表面天线主要由两部分组成:第一部分为天线顶层基板的超表面结构，由m×m个超表面单元在X轴和Y轴方向按一定的间隙进行周期排列构成。
一种具有宽轴比带宽的差分馈电圆极化超表面天线的具体尺寸要求如下：
超表面单元结构中心超表面结构单元即第一切角型方形贴片的边长W1为0.37λg1～0.44λg1，切角宽度dw1为0.124λg1～0.128λg1，相邻贴片的距离g1为0.017λg1～0.019λg1，第二切角型方形贴片的边长W2为0.36λg1～0.43λg1，切角宽度dw2为0.081λg1～0.083λg1，相邻贴片的距离g1为0.017λg1～0.019λg1；第三切角型方形贴片的边长W3为0.28λg1～0.34λg1,切角宽度dw3为0.162λg1～0.166λg1，与边缘贴片的距离g2为g1为0.032λg1～0.038λg1,其中λg1为第一层介质基板S1的有效介质波长。
在差分馈电结构中，差分信号输入端微带线距介质板边缘长度L_offset为0.75λg1～79λg1,微带线长度L_line为0.38λg1～0.42λg1，宽度Wf为0.033λg1～0.037λg1。差分信号输出端耦合微带线窄段宽度Wf为0.033λg1～0.037λg1，长度Lf为0.13λg1～0.17λg1，宽段宽度Wf2为0.057λg1～0.061λg1，长度Lf2为0.19λg1～0.23λg1。输入端输出端之间混合环各段尺寸如下：L_1为0.11λg1～0.13λg1,宽度W_f1为0.019λg1～0.023λg1；L_2为0.28λg1～0.32λg1,宽度W_f2为0.029λg1～0.034λg1；L_3为0.11λg1～0.13λg1,宽度W_f3为0.065λg1～0.069λg1；L_4为0.11λg1～0.13λg1,宽度W_f4为0.027λg1～0.031λg1；L_5为0.31λg1～0.33λg1,宽度W_f5为0.019λg1～0.023λg1。矩形耦合缝隙C1和C2的长Ls为0.45λg2～0.49λg2,宽Ws为0.045λg2～0.049λg2,C1和C2的间距La为0.045λg2～0.049λg2,其中λg2为第二层介质基板S1的有效介质波长。
下面结合实施例对本发明的装置细节及工作情况进行细化说明。
如图1所示，具有宽轴比带宽的差分馈电圆极化超表面天线的三维视图，包括了顶层介质基板S1、底层介质基板S2、天线辐射结构M、金属接地板N、矩形耦合缝隙C1和C2,差分馈电结构。具有宽轴比带宽的差分馈电圆极化超表面天线主要由两部分组成:第一部分为天线顶层基板的超表面结构，由4×4个超表面单元在X轴和Y轴方向按一定间隙进行周期排列构成。其中超表面单元共有三种规格，中心2×2贴片最大，宽度W1为14mm(0.41λg1)，切角大小dw1为4.3mm(0.126λg1)，相邻贴片间距g1为0.6mm(0.017λg1)；边缘贴片的边长W2为13.4mm(0.39λg1)，切角大小dw2为2.8mm(0.082λg1)，相邻贴片的距离g1为0.6mm(0.017λg1)；对角贴片的边长W3为10.6mm(0.31λg1),切角大小dw3为5.6mm(0.164λg1)，与边缘贴片的距离g2为1.2mm(0.035λg1)。顶层介质基板的相对介电常数为3.5，厚度H1为2mm，宽度Gl为65mm。第二部分为天线底层基板的馈电结构，底层介质基板的相对介电常数为3.5，厚度H2为0.5mm。金属接地板放在底层基板和顶层基板中间，在接地板上开槽进行耦合馈电，矩形耦合缝隙的长度Ls为16mm(0.47λg1),Ws为1.6mm(0.047λg1)。
在差分馈电结构中，差分信号输入端微带线距介质板边缘长度L_offset为26.45mm(0.77λg1),微带线长度L_line为12.95mm(0.04λg1)，宽度Wf为1.2mm(0.035λg1)。差分信号输出端耦合微带线窄段宽度Wf为1.2mm(0.035λg1)，长度Lf为5mm(0.15λg1)，宽段宽度Wf2为2mm(0.059λg1)，长度Lf2为7mm(0.21λg1)。输入端输出端之间混合环各段尺寸如下：L_1为4.5mm(0.13λg1),宽度W_f1为0.7mm(0.021λg1)；L_2为10.1mm(0.03λg1),宽度W_f2为1.1mm(0.032λg1)；L_3为4.5mm(0.13λg1),宽度W_f3为2.3mm(0.067λg1)；L_4为4.5mm(0.13λg1),宽度W_f4为1mm(0.029λg1)；L_5为10.8mm(0.32λg1),宽度W_f5为0.7mm(0.021λg1)。
利用HFSS仿真软件仿真得到如图6、图7、图8所示的具有宽带宽的差分馈电圆极化超表面天线的性能参数。
本发明所述天线的反射系数如图6所示，采用非均匀超表面结构的天线的-10dB阻抗带宽为3.96～5.12GHz，相对带宽为25.5％，采用均匀超表面结构的天线的-10dB阻抗带宽为4.32～5.08GHz，相对带宽仅为16.1％。可以看出采用了非均匀超表面结构的天线阻抗带宽得到提升。
图7为本发明所述天线轴比随频率变化的曲线图，轴比的中心频率在4.71GHz处，3dB轴比带宽为4.41～5.03GHz，相对带宽为13.2％，采用均匀超表面结构的天线3dB轴比带宽为4.63～5.06GHz，相对带宽仅为8.7％，可以看出采用了非均匀超表面结构的天线3dB轴比带宽也得到提升。
图8是发明所述天线最大辐射方向增益关于频率的变化曲线，可以看出采用非均匀超表面结构天线的增益与采用均匀超表面结构天线的增益变化不大。

Claims (8)

1.一种具有宽轴比带宽的差分馈电圆极化超表面天线，其特征在于包括第一介质板(S1)、第二介质板(S2)、金属接地板(N)、天线辐射结构(M)、馈电网络；第一介质板(S1)、金属接地板(N)、第二介质板(S2)从上至下依次设置；
所述天线辐射结构(M)设置在第一介质板(S1)顶层，包括互不接触的第一非均匀超表面结构单元、第二非均匀超表面结构单元、第三非均匀超表面结构单元；所述第二非均匀超表面结构单元、第三非均匀超表面结构单元设置在所述第一非均匀超表面结构单元的外周；
所述第一非均匀超表面结构单元由4个互不接触且相同结构的第一切角型方形贴片(P1)围合而成类方形结构；第一切角型方形贴片(P1)的切角方向一致；所述第一非均匀超表面结构单元的中心为天线辐射结构(M)的中心；
所述第二非均匀超表面结构单元包括8个互不接触且相同结构的第二切角型方形贴片(P2)；第一非均匀超表面结构单元围合成的类方形结构的每条边设有2个第二切角型方形贴片(P2)；所述第二切角型方形贴片(P2)的切角方向与第一切角型方形贴片(P1)的切角方向相同；
所述第三非均匀超表面结构单元包括4个第三切角型方形贴片(P3)；上述4个第三切角型方形贴片(P3)分别设置在第一非均匀超表面结构单元围合成的类方形结构的4个顶角位置；所述第三切角型方形贴片(P3)的切角方向与第一切角型方形贴片(P1)的切角方向相同；
所述第一切角型方形贴片(P1)、第二切角型方形贴片(P2)、第三切角型方形贴片(P3)的切角为两个，两个切角分别位于方形贴片同一对角线处的两顶角位置；
沿第一介质板(S1)长度方向和宽度方向分布的切角型方形贴片数量相同；相邻两个第一切角型方形贴片(P1)的间距、相邻两个第二切角型方形贴片(P2)的间距、相邻第一切角型方形贴片(P1)与第二切角型方形贴片(P2)的间距相同；第三切角型方形贴片(P3)与两个相邻第二切角型方形贴片(P2)的间距相同；
通过调整第一切角型方形贴片(P1)、第二切角型方形贴片(P2)、第三切角型方形贴片(P3)的宽度和切角大小，产生相位差为90°的等幅正交极化波，从而实现天线的圆极化性能；第一切角型方形贴片(P1)的切角边长度dw1为第一切角型方形贴片(P1)宽度的0.3-0.35倍，第二切角型方形贴片(P2)的切角边长度dw2为第二切角型方形贴片(P2)宽度的0.2-0.35倍，第三切角型方形贴片(P3)切角边长度dw3为第三切角型方形贴片(P1)宽度的0.5-0.7倍；
所述金属接地板开有耦合缝隙(C1)、(C2)；
所述耦合缝隙(C1)、(C2)分别与馈电网络的两个平衡输出端口耦合；
所述馈电网络位于第二介质板(S2)的下表面。
2.如权利要求1所述的一种具有宽轴比带宽的差分馈电圆极化超表面天线，其特征在于W1-W2≤0.03λg1，W1表示第一切角型方形贴片(P1)宽度，W2表示第二切角型方形贴片(P2)宽度；λg1为第一层介质基板(S1)的有效介质波长。
3.如权利要求1所述的一种具有宽轴比带宽的差分馈电圆极化超表面天线，其特征在于第一切角型方形贴片(P1)宽度W1为0.41λg1，第二切角型方形贴片(P2)宽度W2为0.4λg1，第三切角型方形贴片(P3)宽度W3为0.3λg1，λg1为第一层介质基板(S1)的有效介质波长。
4.如权利要求1所述的一种具有宽轴比带宽的差分馈电圆极化超表面天线，其特征在于相邻切角型方形贴片间距≤0.02λg1，λg1为第一层介质基板(S1)的有效介质波长。
5.如权利要求4所述的一种具有宽轴比带宽的差分馈电圆极化超表面天线，其特征在于相邻切角型方形贴片间距为0.01λg1，λg1为第一层介质基板(S1)的有效介质波长。
6.如权利要求1所述的一种具有宽轴比带宽的差分馈电圆极化超表面天线，其特征在于W1-W2＝0.01λg1，λg1为第一层介质基板(S1)的有效介质波长，W1为第一切角型方形贴片(P1)宽度，W2为第二切角型方形贴片(P2)宽度。
7.如权利要求1所述的一种具有宽轴比带宽的差分馈电圆极化超表面天线，其特征在于所述馈电网络采用差分馈电结构。
8.如权利要求7所述的一种具有宽轴比带宽的差分馈电圆极化超表面天线，其特征在于所述差分馈电结构包括微带线(T1)-(T10)；微带线(T1)的一端接50欧姆微带线，接入信号；微带线(T1)的另一端接微带线(T2)的一端、微带线(T3)的一端；微带线(T2)的另一端接微带线(T5)的一端、微带线(T6)的一端；微带线(T3)的另一端接微带线(T4)的一端；微带线(T4)的另一端接微带线(T6)的另一端、微带线(T7)的一端；微带线(T5)的另一端接微带线(T9)的一端、微带线(T8)的一端；微带线(T7)的另一端接微带线(T10)的一端、微带线(T8)的另一端；微带线(T9)的另一端、微带线(T10)的另一端分别作为馈电网络的两个平衡输出端口；微带线(T3)、微带线(T6)、微带线(T8)为折叠型微带线。
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