CN114300857A - 一种基于超材料加载的宽波束天线及其阵列 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于超材料加载的宽波束天线及其阵列，属于天线技术领域。该宽波束天线包括1×4的Mushroom超材料结构、介质谐振器结构、Mushroom超材料金属表面结构板、Mushroom超材料金属短路钉、耦合馈电缝隙、耦合馈电微带线、介质谐振器上的空气孔以及金属地板，该阵列包括宽波束天线、金属支撑板以及阵列阵元。本发明通过将电磁超材料加载技术和惠更斯辐射机制引入到宽波束天线设计中，提出的小型化宽带宽波束天线，用于宽角多波束扫描阵列以及MIMO阵列，能够在实现天线小型化和低成本的前提下，实现宽频带工作和宽角多波束连续扫描以及波束赋形，满足了5G宽频带多波束基站，大规模天线技术以及低成本相控阵的应用需求。

Description

一种基于超材料加载的宽波束天线及其阵列

技术领域

本发明属于天线技术领域，尤其涉及一种基于超材料加载的宽波束天线及其阵列。

背景技术

当下，以5G通信的新一代无线通信和物联网技术，正在不断的部署和发展，推动了智慧生活、数字制造和智能化的快速演进，深刻改变着人们的生活和生产。相比于传统的2G/3G/4G无线通信系统，5G通信系统为了实现高速度、低时延和高稳定性的无线通信，在射频底层采用了更高的频率、更多的频段、更大规模的MIMO架构以及更多的波束等。然而，传统2G/3G/4G无线通信系统中的单模式的全向天线和双极化固定波束天线等，将难以满足5G系统新频段和新技术对性能和功能要求。多波束天线拥有多个可切换的波束或辐射模式，能够动态切换对准终端用户，同时还能够实现空域的扫描覆盖，增强系统的信号传输的稳定性，提高抗干扰能力以及改善多径效应。因此，多波束天线，被引入到5G基站应用中。多波束天线，大致可分为三类：机电扫描多波束天线、方向图可重构天线和相控阵。传统的机电扫描多波束天线，通常利用机械转台，将天线辐射波束进行扫描对准，因此需要精密的电机伺服系统，因此存在结构笨重和响应速度慢等问题。方向图可重构天线，通常利用电子开关元件，改变天线的辐射口径分布，进而改变方向图辐射方向，因此存在可重构方向图状态受限、结构复杂(额外的开关控制电路)以及辐射增益低等缺点。传统的相控阵，通常利用排布大量的阵元，来实现大范围的连续波束扫描和波束赋形，因此存在成本高的问题，难以适用于低成本5G基站的大规模部署。为了进一步满足5G基站对多波束天线和低成本的需求，低成本宽角多波束扫描阵列被不断开发。

目前，宽角多波束扫描阵列，可大致分为三类：宽波束单元扫描阵列、相位梯度调控超表面加载阵列和方向图可重构阵列等。传统的宽波束单元扫描阵列，通常会采用具有宽波束的阵元，如电偶极子和磁偶极子等，虽然电偶极子或磁偶极子阵元能够增大阵列波束扫描角度，但是这类阵元自身带宽较窄，难以满足5G新频段对宽带通信的需求。超表面加载阵列，为了拓宽扫描角度，会在天线上空域引入一层相位梯度调控的电磁超表面结构，因此会出现天线剖面高、多层结构复杂和工作带宽受限等问题。传统的方向图可重构阵列，采用方向图可重构的天线作为阵元，由于方向图可重构阵元性能的限制，因此常存在工作带宽窄和损耗大等缺点和问题。通过上述现有技术的综述分析，目前的宽角多波束扫描阵列天线，均难以实现小型化、低成本、宽带宽且同时具备宽角波束扫描，因此现有的宽角多波束扫描阵列天线难以满足5G基站的通信需求。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于超材料加载的宽波束天线及其阵列，解决了传统宽波束阵元天线存在的带宽窄、尺寸大和多层结构复杂的问题；解决了传统宽角多波束扫描阵列天线存在的尺寸大和剖面高的问题；解决了传统小阵列难以实现宽角扫描和大角度扫描状况下波束因强互耦而畸变的问题，以及解决了传统宽角扫描相控阵由于需要大量阵元(高成本)而难以大规模应用的局限的问题。

为了达到以上目的，本发明采用的技术方案为：

本方案提供一种基于超材料加载的宽波束天线，包括1×4的Mushroom超材料结构、介质谐振器结构、Mushroom超材料金属表面结构板、Mushroom超材料金属短路钉、耦合馈电缝隙、耦合馈电微带线、介质谐振器上的空气孔以及金属地板；

在所述1×4的Mushroom超材料结构中，每个1×4的Mushroom超材料单元均包括Mushroom超材料金属表面结构板和Mushroom超材料金属短路钉，所述Mushroom超材料金属表面结构板贴在所述介质谐振器结构的上表面，所述Mushroom超材料金属短路钉贯穿所述介质谐振器结构，所述Mushroom超材料金属短路钉的上端与所述Mushroom超材料金属表面结构板短接，所述Mushroom超材料金属短路钉的下端与所述金属地板短接，两组所述1×4的Mushroom超材料结构加载在所述介质谐振器结构的两侧，所述介质谐振器结构固定于所述金属地板的上表面，所述耦合馈电缝隙腐刻在所述金属地板的上表面，所述耦合馈电微带线印刷在所述金属地板的下表面，并在所述金属地板下表面穿过耦合馈电缝隙，与所述耦合馈电缝隙形成耦合馈电激励，所述介质谐振器上的空气孔位于所述介质谐振器结构的中间位置。

优先地，所述Mushroom超材料金属表面结构板为薄层金属片结构。

优先地，所述介质谐振器结构为柱体或半球体高介电常数低损耗材料。

优先地，所述耦合馈电缝隙为长槽形结构，且腐刻在所述金属地板的上表面。

本发明提供了一种基于超材料加载的宽波束天线阵列，所述基于超材料加载的宽波束天线阵列包括所述的基于超材料加载的宽波束天线、金属支撑板以及阵列阵元；

所述金属支撑板附在所述金属地板的上表面，与所述金属地板的电气接触，实现电气连接，所述阵列阵元呈一字线型排列在所述金属地板上。

优先地，所述阵列阵元呈一字线型排列组成相控阵列，所述阵列阵元的阵元间距可为等间距的半波长设置，也可为不等间距的亚半波长宽度进行设置。

本发明的有益效果：

(1)本发明所提出的基于电磁超材料加载的宽波束天线及其阵列，本发明中采用了新型的电磁超材料加载的介质谐振器结构，使得天线具有损耗低、成本低(少量阵元)等优点，能够满足大规模的5G基站部署；本发明中采用了宽带宽波束天线作为阵元，使得天线主波束能够实现大角度的连续扫描和波束赋形，满足5G多波束基站对宽角覆盖以及波束赋形的需求。本发明具有尺寸小(结构紧凑)、低成本、带宽宽、波瓣宽、低损耗、以及大角度连续波束扫描等优点，适用于各类无线通信、物联网系统以及相控阵雷达等需求，特别是5G多波束基站和大规模天线技术Massive MIMO。

(2)本发明采用了电磁超材料加载技术，使得天线具有尺寸小和结构简单的优点，因此该发明适用于空间受限的场景和小型化设备的应用。

(3)将Mushroom结构加载到介质谐振器中，引入了垂直方向上的电场分量，此时Mushroom结构等效为一个垂直于金属地板的电偶极子；通过在金属地板上开设矩形槽，并利用微带线耦合馈电，激励起介质谐振器的TE111谐振模式进行辐射，该模式等效为一个电场极化方向平行于水平方向的磁偶极子模式，因此，本发明中引入了双谐振模式(垂直于金属地板的电偶极子和平行于水平方向的磁偶极子)，耦合获得宽的阻抗带宽，能够覆盖主流通信频段，满足5G通信和物联网系统需求.。

(4)本发明中基于惠更斯辐射机制，通过构造出一个垂直于金属地板的电偶极子和一个平行于水平方向的磁偶极子，进而合成出一个朝向水平面的定向辐射方向图(即惠更斯辐射源)。进一步，通过在金属地板上的同一轴线方向上，腐刻两条耦合缝隙并利用微带线进行耦合馈电，可以实现两个朝向相反的定向辐射方向图(即两组惠更斯辐射源)。再利用耦合馈电线，对两组惠更斯辐射源进行等幅同相激励，两组惠更斯辐射源协同工作，拓展方向图波束宽度。最终，天线获得宽的半功率波瓣宽度，半功率波瓣宽度覆盖了整个上半平面空间，有利于多波束阵列以及相控阵的扫描性能提升，同时也有利于扩大辐射或通信的覆盖区域。

(5)本发明中的天线提供了宽波束单元天线以及宽角扫描线阵形式，可以根据应用场景和系统需求，通过调控阵列的阵元数量、布阵形式和幅相激励策略等，实现不同扫描角度和波束形态的选择。

(6)本发明天线成本低，仅采用PCB板、陶瓷介质块和金属铝板、螺钉等结构，易于生产和大规模应用。

附图说明

图1为本发明中基于电磁超材料加载的宽波束天线3D视图。

图2为本发明中基于电磁超材料加载的宽波束天线三视图。

图3为本发明中基于电磁超材料加载的宽波束天线带宽图。

图4为本发明中基于电磁超材料加载的宽波束天线辐射性能图。

图5为本发明中基于电磁超材料加载的宽角多波束扫描阵列天线3D视图。

图6为本发明中基于电磁超材料加载的宽角多波束扫描阵列天线三视图。

图7为本发明中基于电磁超材料加载的宽角多波束扫描阵列天线带宽图。

图8为本发明中基于电磁超材料加载的宽角多波束扫描阵列天线辐射性能图。

其中，1-1×4的Mushroom超材料结构，2-介质谐振器结构，3-Mushroom超材料金属表面结构板，4-Mushroom超材料金属短路钉，5-耦合馈电缝隙，6-耦合馈电微带线，7-介质谐振器上的空气孔，8-金属地板，9-金属支撑板，10-阵列阵元。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

本发明为了解决现有5G多波束基站天线难以在小型化和低成本的前提下，同时兼顾宽频带和宽角多波束连续扫描等问题，提出了一种新型的电磁超材料加载的宽波束结构，并给出了基于电磁超材料加载的宽波束天线和基于电磁超材料加载的宽角多波束连续扫描阵列两个实施例。该发明解决了传统宽角多波束扫描阵列天线存在的尺寸大和剖面高的问题，难以在场景空间受限和小型化设备中应用；该发明的天线以及阵列实现了宽的工作带宽，且通带内辐射性能一致性好，能够满足各类无线通信、物联网系统和雷达系统的应用需求；该发明的天线具有较宽的半功率波瓣宽度，能够使得阵列的主波束实现连续的大角度扫描，并且主波束的增益在宽角区域内保持稳定，解决了传统小阵列难以实现宽角扫描和大角度下波束互耦畸变的问题，满足基站或雷达系统对多波束切换、宽角扫描覆盖以及波束赋形的性能需求；该发明的宽角扫描阵列，阵元形式简单，阵元数量少，低成本，解决了传统宽角扫描相控阵由于需要大量阵元而难以低成本大规模应用的局限。除此之外，该发明提供了两种实施例，即宽波束天线和宽角多波束扫描阵列，可用于5G多波束基站天线、Massive MIMO和相控阵雷达系统中，能够根据实际的应用场景和应用机制，进行阵列方案的选择，具备多功能和通用性的特性。

实施例1

如图1到图2所示，本发明提供了一种基于超材料加载的宽波束天线，包括1×4的Mushroom超材料结构1、介质谐振器结构2、Mushroom超材料金属表面结构板3、Mushroom超材料金属短路钉4、耦合馈电缝隙5、耦合馈电微带线6、介质谐振器上的空气孔7以及金属地板8；在所述1×4的Mushroom超材料结构1中，每个1×4的Mushroom超材料单元均包括Mushroom超材料金属表面结构板3和Mushroom超材料金属短路钉4，所述Mushroom超材料金属表面结构板3贴在所述介质谐振器结构2的上表面，所述Mushroom超材料金属短路钉4贯穿所述介质谐振器结构2，所述Mushroom超材料金属短路钉4的上端与所述Mushroom超材料金属表面结构板3短接，所述Mushroom超材料金属短路钉4的下端与所述金属地板8短接，两组所述1×4的Mushroom超材料结构1加载在所述介质谐振器结构2的两侧，即，介质谐振器结构2两侧各加载一组1×4的Mushroom超材料结构1，合计共两组，所述介质谐振器结构2固定于所述金属地板8的上表面，所述耦合馈电缝隙5腐刻在所述金属地板8的上表面，所述耦合馈电微带线6印刷在所述金属地板8的下表面，并在所述金属地板8下表面穿过耦合馈电缝隙5，与所述耦合馈电缝隙5形成耦合馈电激励，所述介质谐振器上的空气孔7位于所述介质谐振器结构2的中间位置。所述Mushroom超材料金属表面结构板3为薄层金属片结构。所述介质谐振器结构2为柱体或半球体高介电常数低损耗材料。所述耦合馈电缝隙5为长槽形结构，且腐刻在所述金属地板8的上表面,所述耦合馈电缝隙5的数量呈偶数出现，可为两道、四道等,所述耦合馈电微带线6为微带线、共面波导或基片集成波导等传输线。

本实施例中，Mushroom为蘑菇类型的超材料结构；1×4指介质谐振器结构2两侧处的4个小贴片以及各自下面连接的Mushroom超材料金属短路钉4，呈一行排列，即1×4的Mushroom超材料结构1。

本实施例中，基于电磁超材料加载的宽波束天线如图1和2所示，图2中，图2(a)为宽波束天线的俯视图，图2(b)为宽波束天线的侧视图，图2(c)为宽波束天线的前视图。天线1×4的Mushroom超材料结构1，由1×4的小贴片超表面结构3和超材料金属短路钉4组成，实现了天线的小型化设计和宽波瓣宽度(引入垂直极化的电偶极子模式，E-dipole)；介质谐振器结构2，由高介电常数材料构成，实现了天线的能量辐射；耦合馈电缝隙5和耦合馈电微带线6，分别由地板上的矩形缝隙和地板另外一层的T形微带线构成，实现了RF信号的馈入天线辐射体、宽带宽(引入缝隙谐振模式)和宽波瓣宽度(引入水平极化的磁偶极子模式，M-dipole)；宽波束天线上，有两组Mushroom超材料结构1和耦合馈电缝隙5，Mushroom超材料结构1加载的介质谐振器结构2引入垂直极化的E-dipole模式，耦合馈电缝隙5以及介质谐振器结构2引入水平极化的M-dipole模式，基于惠更斯辐射机制，将E-dipole和M-dipole两个模式组合起来(惠更斯辐射源)，形成了一个向前倾斜的定向波束，同理将两个组惠更斯辐射源，通过耦合馈电微带线6，进行等幅同相激励操作，即可实现宽波束设计；介质谐振器上的空气孔7，空气孔减小介质谐振器中间部位的介电常数，减小两个耦合馈电缝隙5之间的能量耦合，实现良好的阻抗匹配和能量辐射。金属地板8，由单面金属层的介质基板构成，用作天线的参考地板，实现天线的定向辐射。

如图1和2所示，在基于电磁超材料加载的宽波束天线实施例中，基于电磁超材料结构和介质谐振器结构2，提出了一种新型的电磁超材料加载结构，并作为宽波束天线的辐射体。介质谐振器结构2，放置在金属地板8上，用来作为信号的辐射体；在介质谐振器结构2的两侧，加载了1×4的Mushroom电磁超材料1结构，以实现介质谐振器结构2辐射体的尺寸小型化；在金属地板8上开设有两道矩形缝隙槽和印刷有T-形馈电线，用来作为Mushroom电磁超材料1加载结构的信号耦合激励；进一步的讲，将Mushroom电磁超材料1结构加载到介质谐振器结构2中，引入了垂直方向上的电场分量，此时Mushroom电磁超材料1结构等效为一个垂直于电场的电偶极子(类似单极子结构，E-dipole)；通过在金属地板8上开设矩形槽，并利用微带线耦合馈电，激励起介质谐振器的TE111谐振模式进行辐射，该模式等效为一个水平方向上的磁偶极子模式(M-dipole)；因此，基于惠更斯辐射机制，一个朝向水平面的定向辐射方向图被合成出来，通过在地板上同一轴线上的相对方向上，开设两组缝隙并进行耦合馈电，就可以实现两个定向辐射方向图，同时将两个定向方向图选择，并利用T-形功分结构等幅同相馈电激励，即可形成宽波束的方向图。同时，该方向图的半功率波瓣宽度可通过调整缝隙槽的位置以及Mushroom超材料1结构的加载位置，来进行调控和选择。除此之外，由于槽的辐射模式被引入，在阻抗性能上引入两个谐振模式(介质谐振器谐振模式和缝隙槽谐振模式)，拓展了天线的工作带宽，实现了宽频带覆盖。

本实施例中，提出的小型化宽带宽的电磁超材料加载结构，使得基于此的宽波束天线实现了宽频带、宽波束和高辐射性能，如图3和4所示。图3为宽波束天线的带宽性能，天线-10dB阻抗带宽为3.30-3.80GHz(14.1％)，覆盖5G-N78频段，满足各类5G新频段和物联网系统应用的频段需求。图4为宽波束天线的辐射方向图性能，天线为定向侧射方向图，天线的半功率波瓣宽度为200°，覆盖了整个上半平面空域，该宽波束天线能够实现广角均匀覆盖，同时也适用于相控阵天线应用。本发明的实施例1，实现了小型化设计、宽带宽和宽波束，能够适用于各类阵列以及多入多出技术MIMO应用中。

实施例2

本发明提供了一种基于超材料加载的宽波束天线，包括1×4的Mushroom超材料结构1、介质谐振器结构2、Mushroom超材料金属表面结构板3、Mushroom超材料金属短路钉4、耦合馈电缝隙5、耦合馈电微带线6、介质谐振器上的空气孔7、金属地板8，金属支撑板9以及阵列阵元10；在所述1×4的Mushroom超材料结构1中，每个1×4的Mushroom超材料单元均包括Mushroom超材料金属表面结构板3和Mushroom超材料金属短路钉4，所述Mushroom超材料金属表面结构板3贴在所述介质谐振器结构2的上表面，所述Mushroom超材料金属短路钉4贯穿所述介质谐振器结构2，所述Mushroom超材料金属短路钉4的上端与所述Mushroom超材料金属表面结构板3短接，所述Mushroom超材料金属短路钉4的下端与所述金属地板8短接，两组所述1×4的Mushroom超材料结构1加载在所述介质谐振器结构2的两侧，即，介质谐振器结构2的两侧各加载一组1×4的Mushroom超材料结构1，合计共两组，所述介质谐振器结构2固定于所述金属地板8的上表面，所述耦合馈电缝隙5腐刻在所述金属地板8的上表面，所述耦合馈电微带线6印刷在所述金属地板8的下表面，并在所述金属地板8下表面穿过耦合馈电缝隙5，与所述耦合馈电缝隙5形成耦合馈电激励，所述介质谐振器上的空气孔7位于所述介质谐振器结构2的中间位置。所述Mushroom超材料金属表面结构板3为薄层金属片结构。所述介质谐振器结构2为柱体或半球体高介电常数低损耗材料。所述耦合馈电缝隙5为长槽形结构，且腐刻在所述金属地板8的上表面。所述耦合馈电微带线6为微带线、共面波导或基片集成波导等传输线，所述金属支撑板9附在所述金属地板8的上表面，与金属地板8短接在一起，即金属支撑板9与金属地板8实现电气连接，所述阵列阵元10呈一字线型排列在所述金属地板8上。所述阵列阵元10呈一字线型排列组成相控阵列，阵列的阵元间距可为等间距的半波长设置，也可为不等间距的亚半波长宽度进行设置。

本实施例中，Mushroom为蘑菇类型的超材料结构；1×4指介质谐振器结构2两侧处的4个小贴片以及各自下面连接的Mushroom超材料金属短路钉4，呈一行排列，即1×4的Mushroom超材料结构1。

本实施例中，基于电磁超材料加载的宽角扫描阵列天线如图5和6所示，图5中，d为阵列阵元10中阵元之间的阵间距，本发明设置为一半的阵列工作中心频率处自由空间波长。E1-E5为阵列阵元10的依次排序，天线1×4的Mushroom超材料结构1，由1×4的小贴片超表面结构3和超材料金属短路钉4组成，实现了天线的小型化设计和宽波瓣宽度(引入垂直极化的电偶极子模式，E-dipole)；介质谐振器结构2，由高介电常数材料构成，实现了天线的能量辐射；耦合馈电缝隙5和耦合馈电微带线6，分别由地板上的矩形缝隙和地板另外一层的T形微带线构成，实现了RF信号的馈入天线辐射体、宽带宽(引入缝隙谐振模式)和宽波瓣宽度(引入水平极化的磁偶极子模式，M-dipole)；宽波束天线上，有两组Mushroom超材料结构1和耦合馈电缝隙5，Mushroom结构加载的介质谐振器引入垂直极化的E-dipole模式，耦合馈电缝隙5以及介质谐振器引入水平极化的M-dipole模式，基于惠更斯辐射机制，将E-dipole和M-dipole两个模式组合起来(惠更斯辐射源)，形成了一个向前倾斜的定向波束，同理将两个组惠更斯辐射源，通过耦合馈电微带线6，进行等幅同相激励操作，即可实现宽波束设计；介质谐振器上的空气孔7，空气孔减小介质谐振器中间的介电常数，减小两个耦合馈电缝隙5之间的能量耦合，实现良好的阻抗匹配和能量辐射。金属地板8，由单面覆铜的介质基板构成，用作天线的参考地板，实现天线的定向辐射；金属支撑板9，由切割后金属薄板组成，附在金属地板8上，用来提高金属地板8的机械强度和天线的固定；阵列阵元10，由5个基于电磁超材料加载的宽波束天线组成，通过设置各阵元的激励幅度和相位，实现波束的宽角连续扫描和波束赋形。特别是，采用了宽频带的宽波束天线作为阵列的阵元，能够在少阵元的前提下(低成本)，实现宽频带的宽角多波束连续扫描，满足了5G多波束基站对宽带宽和广角多波束覆盖的性能需。

本实施例中，如图5和6所示，图6中，图6(a)为宽波束天线阵列的俯视图，图6(b)为宽波束天线阵列的前视图。在基于电磁超材料加载的宽角多波束连续扫描阵列实施例中，以实施例1为基础，将基于电磁超材料加载的宽波束天线作为低成本宽角多波束扫描阵列天线的阵元，将多个宽波束天线呈“一”字线型排列，组成线阵，阵间距设置为0.5λ₀(λ₀是天线的中心频率处的自由空间波长)，以实现高增益的宽角波束连续扫描和波束赋形等。

本实施例中，综合考虑到5G基站对多波束扫描性能的需求和低成本，将宽角多波束扫描阵列的阵元数量设置为5个。相比于传统的采用宽波束单元的宽角扫描阵列，该宽角扫描阵列的阵元不仅半功率波瓣宽度宽，同时还具有较宽的阻抗带宽，从而实现了宽带宽角多波束连续扫描。图7和图8为该宽角多波束扫描阵列的带宽和波束扫描性能。图7为该实施例的S参数性能，图7中，图7(a)为各阵元端口反射系数示意图，图7(b)为阵元间端口隔离度示意图。图7中，阵列的各阵元的-10dB阻抗带宽均覆盖3.30-3.80GHz，即5G-N78频段，各阵元端口之间的隔离度均低于-10dB，适用于相控阵列的阵元应用。图8为该实施例的多波束扫描性能，相比于传统的普通五元微带贴片线阵，该实施例的主波束的扫描角度由传统方案的[-36度，+36度]，拓展到[-70度，+70度]，能够在少量阵元(低成本)的情况下实现宽角多波束连续扫描，适用于低成本阵列的应用。本实施例实现了紧凑的阵列布局、宽带宽和连续的大角度多波束扫描以及波束赋形，能够适用于5G多波束基站、Massive MIMO和相控阵雷达系统的应用。

本实施例中，本发明基于电磁超材料原理和惠更斯辐射机制，利用介质谐振器辐射体，提出了一种新颖的电磁超材料加载的宽波束辐射结构，具有尺寸紧凑、阻抗带宽宽、辐射能力好、半功率波瓣宽等优点。本发明基于电磁超材料加载的宽角多波束扫描阵列，具有低剖面(结构简单)、宽带宽、低成本、波束扫描角度大、波束稳定和设计自由度高等优点，能够满足5G基站/MIMO和相控阵的应用需求，实现了天线的小型化、宽带宽和宽波瓣宽度辐射，适用于5G通信和物联网系统对小型化-宽带宽-宽波束天线的需求，包含但不限于5G基站、Massive MIMO和雷达相控阵等。

本实施例中，本发明阵列天线采用了基于电磁超材料加载的宽波束天线作为阵元，由于宽波束天线在大角度下仍具有较好的方向图因子，因此能够在宽角连续多波束扫描的同时，实现宽的工作带宽，满足5G多波束基站和智能天线系统的应用需求。本发明在天线设计中，提出了一种新型的电磁超材料加载辐射结构，具有小型化、宽带和宽波束的辐射特性，能够用于各类阵列设计中，同时也可迁移用于其他的小型化天线、宽覆盖天线和方向图可重构天线设计中。

本发明提出了两个实施例，分别是宽波束天线和宽角扫描阵列，其均可以根据不同的应用场景，对频率、极化形式、数量和天线材料变化等灵活调整，从而满足不同的sub6GHz通信系统的应用需求，其中，sub 6GHz指低于6GHz的无线通信频段划分。

本发明实施例中的阵列天线，是一个面向通信基站和相控阵应用的验证实施例，包含但不限于阵列数量(大于或等于两个阵元)、布阵形式(线阵、圆阵、面阵和稀疏/稀布阵)以及阵列控制形式(T/R幅相控制和数字相控阵控制)。

Claims (6)

1.一种基于超材料加载的宽波束天线，其特征在于，包括1×4的Mushroom超材料结构(1)、介质谐振器结构(2)、Mushroom超材料金属表面结构板(3)、Mushroom超材料金属短路钉(4)、耦合馈电缝隙(5)、耦合馈电微带线(6)、介质谐振器上的空气孔(7)以及金属地板(8)；

在所述1×4的Mushroom超材料结构(1)中，每个1×4的Mushroom超材料单元均包括Mushroom超材料金属表面结构板(3)和Mushroom超材料金属短路钉(4)，所述Mushroom超材料金属表面结构板(3)贴在所述介质谐振器结构(2)的上表面，所述Mushroom超材料金属短路钉(4)贯穿所述介质谐振器结构(2)，所述Mushroom超材料金属短路钉(4)的上端与所述Mushroom超材料金属表面结构板(3)短接，所述Mushroom超材料金属短路钉(4)的下端与所述金属地板(8)短接，两组所述1×4的Mushroom超材料结构(1)加载在所述介质谐振器结构(2)的两侧，所述介质谐振器结构(2)固定于所述金属地板(8)的上表面，所述耦合馈电缝隙(5)腐刻在所述金属地板(8)的上表面，所述耦合馈电微带线(6)印刷在所述金属地板(8)的下表面，并在所述金属地板(8)下表面穿过耦合馈电缝隙(5)，与所述耦合馈电缝隙(5)形成耦合馈电激励，所述介质谐振器上的空气孔(7)位于所述介质谐振器结构(2)的中间位置。

2.根据权利要求1所述的基于超材料加载的宽波束天线，其特征在于，所述Mushroom超材料金属表面结构板(3)为薄层金属片结构。

3.根据权利要求1所述的基于超材料加载的宽波束天线，其特征在于，所述介质谐振器结构(2)为柱体或半球体高介电常数低损耗材料。

4.根据权利要求1所述的基于超材料加载的宽波束天线，其特征在于，所述耦合馈电缝隙(5)为长槽形结构，且腐刻在所述金属地板(8)的上表面。

5.一种基于超材料加载的宽波束天线阵列，其特征在于，所述基于超材料加载的宽波束天线阵列包括权利要求1-4中任一所述的基于超材料加载的宽波束天线、金属支撑板(9)以及阵列阵元(10)；

所述金属支撑板(9)附在所述金属地板(8)的上表面，与所述金属地板(8)的电气接触，实现电气连接，所述阵列阵元(10)呈一字线型排列在所述金属地板(8)上。

6.根据权利要求5所述的基于超材料加载的宽波束天线阵列，其特征在于，所述阵列阵元(10)呈一字线型排列组成相控阵列，所述阵列阵元(10)的阵元间距可为等间距的半波长设置，也可为不等间距的亚半波长宽度进行设置。

Images