CN114614248B - 加载高阻抗表面的宽带双极化交叉偶极子天线 - Google Patents

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CN114614248B CN202210314745.XA CN202210314745A CN114614248B CN 114614248 B CN114614248 B CN 114614248B CN 202210314745 A CN202210314745 A CN 202210314745A CN 114614248 B CN114614248 B CN 114614248B
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Abstract

本发明涉及一种加载高阻抗表面的宽带双极化交叉偶极子天线，属于天线技术领域。该天线包括下层介质基板、中层介质基板和上层介质基板；下层介质基板的上表面设有上层金属，上层金属包括9个相同的正方形贴片；下层介质基板下表面设有金属地；中层介质基板上表面设有中层金属，中层金属包括竖直偶极子、水平偶极子、长微带线和短微带线；水平偶极子由左臂和右臂组成；竖直偶极子由前臂和后臂组成；所述上层介质基板上表面设有上层金属，上层金属包括四个相同的矩形寄生贴片、水平微带桥、竖直微带桥、金属通孔和上层通孔。本发明中所设计的双极化天线实现了宽带化、低剖面和良好的端口隔离度。

Description

加载高阻抗表面的宽带双极化交叉偶极子天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，涉及加载高阻抗表面的宽带双极化交叉偶极子天线。
背景技术
双极化天线(Dual-polarized antenna,DPA)是一种新型天线技术，组合两副极化方向相互正交的天线并同时工作在收发双工模式下。由于其具有极化多样性的特性被广泛应用于移动通信系统中。在各种类型的双极化天线中，平面交叉偶极子天线因具有频带宽、工艺简单、加工成本低等优点被广泛应用，传统平面交叉偶极子的金属反射板的反射相位为180°，因此，当偶极子与金属反射板的距离为0.25个波长时，反射的电磁波与辐射的电磁波干涉相加，提高了辐射效率。虽然可实现良好的宽带工作性能，但其存在剖面高的问题，使其难以与搭载平台进行一体化设计。高阻抗表面(High Impedance Surface，HIS)是一种新型电磁带隙结构，通常在一定的频带内，高阻抗表面结构的表面呈现高阻抗性能，可看作等效磁导体，使反射波与入射波同相，它可以有效的减小天线与金属反射板的距离。利用这一性能，将高阻抗表面与传统天线结合后所形成的新型天线在天线剖面降低方面有着相当显著的优势。但是将高阻抗表面代替传统的双极化交叉偶极子天线的金属地板后，天线的输入阻抗较高且随频率变化剧烈，导致天线的阻抗匹配差，带宽变窄。且通常需要需借助复杂巴伦来调节天线的阻抗匹配，进而实现较宽的工作带宽，这就导致天线存在设计和加工复杂等问题。因而，设计一种兼顾宽频带、低剖面的双极化天线尤为重要。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种加载高阻抗表面的宽带双极化交叉偶极子天线。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
加载高阻抗表面的宽带双极化交叉偶极子天线，该天线包括下层介质基板(1)、中层介质基板(2)和上层介质基板(3)；
所述下层介质基板(1)的上表面设有上层金属，上层金属包括9个相同的方形贴片(4)；
所述下层介质基板(1)下表面设有金属地；
所述中层介质基板(2)上表面设有中层金属，中层金属包括竖直偶极子(5)、水平偶极子(6)、长微带线(13)和短微带线(14)；水平偶极子(6)由左臂(10)和右臂(9)组成；竖直偶极子(5)由前臂(7)和后臂(8)组成；
所述上层介质基板(3)上表面设有上层金属，上层金属包括四个相同的矩形寄生贴片(15)、水平微带桥(17)、竖直微带桥(16)、金属通孔(19)和上层通孔(18)。
2、根据权利要求1所述的加载高阻抗表面的宽带双极化交叉偶极子天线，其特征在于：所述中层介质基板(2)上设有2个中间层通孔(11)，中间层通孔(11)的孔壁没有镀铜；
一个位于水平偶极子(6)的右臂(9)上，并且将中层介质基板(2)上表面的水平偶极子(6)的右臂(9)与中层介质基板(2)的下表面连通，另一个位于竖直偶极子(5)的前臂(7)上，并且将中层介质基板(2)上表面的竖直偶极子(5)的前臂(7)与中层介质基板(2)的下表面连通。
可选的，所述中层介质基板(2)上设有2个圆形孔(12)，圆形孔(12)的孔壁没有镀铜；
一个位于竖直偶极子(5)的后臂(8)上，另一个位于水平偶极子(6)的左臂(10)上。
可选的，所述中层介质基板(2)上设有2个金属通孔(19)，金属通孔(19)的孔壁有镀铜；
一个位于竖直微带桥(16)的后端，并且将上层介质基板(3)上表面的竖直微带桥(16)与中层介质基板(2)上表面的短微带线(14)连通；另一个位于水平微带桥(17)的左端，并且将上层介质基板(3)上表面的水平微带桥(17)与中层介质基板(2)上表面的长微带线(13)连通。
可选的，所述上层介质基板(3)上设有2个上层通孔(18)，上层通孔(18)的孔壁没有镀铜；
一个位于竖直微带桥(16)的前端，并且将上层介质基板(3)上表面的竖直微带桥(16)与位于前臂(7)上的中间层通孔(11)连通；另一个位于水平微带桥(17)的右端，并且将上层介质基板(3)上表面的水平微带桥(17)与位于右臂(9)上的中间层通孔(11)连通。
6、根据权利要求1所述的加载高阻抗表面的宽带双极化交叉偶极子天线，其特征在于：所述同轴线一(20)上设有端口一，所述同轴线二(21)上设有端口二；
位于端口一的同轴线一(20)的外导体一(22)穿过下层介质基板(1)、中间层通孔(11)与竖直偶极子(5)的前臂(7)连接；
位于端口二的同轴线二(21)的外导体二(23)穿过下层介质基板(1)、中间层通孔(11)与水平偶极子(6)的右臂(9)连接；
金属短路柱(26)穿过下层介质基板(1)、中层介质基板(2)和上层介质基板(3)，将下层介质基板(1)下表面的金属地与矩形寄生贴片(15)连接。
可选的，所述同轴线一(20)的内导体一(24)经过竖直微带桥(16)、金属通孔(19)、短微带线(14)与竖直偶极子(5)的后臂(8)连接，
所述同轴线二(21)的内导体二(25)经过水平微带桥(17)、金属通孔(19)、长微带线(13)与水平偶极子(6)的左臂(10)连接。
可选的，所述高阻抗表面由高阻抗表面单元周期排列而成；高阻抗表面单元由方形贴片(4)、下层介质基板(1)和背面金属地组成；
当高阻抗表面谐振时，其谐振频率对应于反射相位为0°，反射相位在[90°,-90°]之间为同相反射；工作带宽定义为反射相位在[90°,-90°]之间对应的频率范围；其中Lb为矩形贴片的电感，Cb为相邻贴片之间引入的缝隙电容，Lg为介质中的电感，ω为角频率；总的表面阻抗Z表示为：
Figure SMS_1
高阻抗表面单元的谐振频率fa表示为：
Figure SMS_2
高阻抗表面单元的同相反射带宽为2.08GHz-2.87GHz，零相位对应谐振的频率为2.47GHz；将偶极子天线放置在高阻抗表面上方，当高阻抗表面的反射相位在零附近时，天线会发生谐振。如图11中所示，在2.46GHz时天线输入阻抗的虚部为0，实部为50Ω，因此可见，加载了高阻抗表面后天线在2.46GHz时发生谐振。由于高阻抗表面的金属地不支持平行电场在其表面的传播；靠近高阻抗表面地平面的偶极子，与未加载高阻抗表面仅有金属地平面情况下靠近金属地的偶极子，显示出一致的辐射模式，天线在2.46GHz时的辐射方向图如图7所示。利用高阻抗表面激励TE表面波为天线在高频处引入新的谐振模式；根据边界条件用展开法或模匹配法确定在TE表面波的谐振频率处：
nPβTE＝2π
其中，βTE为第一个TE表面波的传播常数，n为传播方向的高阻抗表面单元数量；P为高阻抗表面单元周期长度；对于具有n＝3个高阻抗表面单元的天线，计算出谐振频率为3.8GHz；高阻抗表面的边缘场导致天线的TE表面波谐振频率向低频点移动。
可选的，所述双极化交叉偶极子天线是由天线一演进到天线二，再由天线二演进得到的；
所述天线一包括两层，第一层包括高阻抗表面，第二层包括一对正交偶极子和中层介质基板(2)，天线由同轴线馈电；
首先，天线一由高阻抗表面、中层介质基板(2)还有一对交叉偶极子组成，其中高阻抗表面由下层介质基板(1)、金属地和9个相同的方形贴片(4)构成。天线一激励出谐振点一和谐振点二，谐振点一和谐振点二的频率分别为2.5GHz和3.58GHz；
天线二由天线一演进而来，天线二在天线一的基础上增加四个相同的矩形寄生贴片(15)和上层介质基板(3)，其中,四个矩形寄生贴片(15)印刷在上层介质基板(3)的上表面；
天线二在工作频段2.99GHz-3.23GHz内的|S11|仍大于-10dB，其中|S11|表示天线输入端口一反射系数的模值；
天线二端口间的隔离度在2.25GHz-2.5GHz小于20dB；
在天线二的基础上加载四个金属短路柱(26)，在偶极子上关于馈电对称的位置刻蚀两个圆形孔(12)，刻蚀圆形孔即相当于在偶极子天线上开槽，得到所述双极化交叉偶极子天线。圆形孔的作用是改善天线的阻抗匹配。
金属短路柱将寄生贴片与金属地板连接且沿着Z轴对称。加载金属短路柱，其作用是改善天线的阻抗匹配，还有改善天线端口间隔离度的作用。
圆形孔与金属短路柱的共同作用，改善了天线的阻抗匹配，从而产生了一个谐振点三，在谐振点三处天线的输入阻抗虚部为0，实部为50Ω，与端口有良好的阻抗匹配，从而扩展了天线的工作带宽。
所述双极化交叉偶极子天线共激励出谐振点一、谐振点二和谐振点三，分别在2.37GHz、3.45GHz和2.9GHz。
谐振点二由原来的3.58GHz变为3.45GHz是因为在天线一的基础上加了寄生贴片后，天线的输入阻抗变了。所以谐振点二也就变了。这一点从图10、11可以看出，天线一、天线二和本发明输入阻抗不同，谐振点也不一样。
本发明的有益效果在于：通过在交叉偶极子天线的下方加载高阻抗表面结构，实现了天线的低剖面，因此，基于本发明中的高阻抗表面结构所设计的双极化交叉偶极子天线相较于传统双极化交叉偶极子天线具有更低的剖面。其次，在偶极子的上方加载四个矩形寄生贴片，改善了天线在高频点的阻抗匹配。最后将开槽技术与加载金属短路柱技术相结合，在扩展带宽的同时，改善天线端口间的隔离度。所以，本发明中所设计的双极化天线实现了宽带化、低剖面和良好的端口隔离度。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明基于加载高阻抗表面的宽带双极化交叉偶极子天线的三维结构示意图。
图2为本发明加载高阻抗表面的宽带双极化交叉偶极子天线的侧视结构图。
图3为本发明加载高阻抗表面的宽带双极化交叉偶极子天线的馈电结构示意图。
图4为高阻抗表面结构示意图。
图5为高阻抗表面单元等效电路示意图。
图6为高阻抗表面的单元结构的反射相位曲线图。
图7为基于加载高阻抗表面的宽带双极化交叉偶极子天线在频率等于2.37GHz时天线的3D辐射方向图。
图8为高阻抗表面单元结构色散图。
图9为本发明基于加载高阻抗表面的宽带双极化交叉偶极子天线的结构演变示意图。
图10为基于加载高阻抗表面的宽带双极化交叉偶极子天线的S参数仿真曲线比较图。
图11为基于加载高阻抗表面的宽带双极化交叉偶极子天线的输入阻抗仿真曲线比较图。
图12为基于加载高阻抗表面的宽带双极化交叉偶极子天线的S参数仿真曲线图。
图13为本发明基于加载高阻抗表面结构的宽带双极化交叉偶极子天线在频率为2.37GHz时E面仿真方向图。
图14为本发明基于加载高阻抗表面结构的宽带双极化交叉偶极子天线在频率为2.9GHz时的E面仿真方向图。
图15为本发明基于加载高阻抗表面结构的宽带双极化交叉偶极子天线在频率为3.44GHz时的E面仿真方向图。
图16为本发明基于加载高阻抗表面结构的宽带双极化交叉偶极子天线在频率为2.37GHz时的H面仿真方向图。
图17为本发明基于加载高阻抗表面结构的宽带双极化交叉偶极子天线在频率为2.9GHz时的H面仿真方向图。
图18为本发明基于加载高阻抗表面结构的宽带双极化交叉偶极子天线在频率为2.44GHz时的H面仿真方向图。
图19为本发明基于加载高阻抗表面结构的宽带双极化交叉偶极子天线的增益与效率仿真曲线图。
图20为本发明基于加载高阻抗表面的宽带双极化交叉偶极子天线具体实施例样品的三维结构尺寸标注图。
图21为本发明基于加载高阻抗表面的宽带双极化交叉偶极子天线具体实施例样品的最上层结构尺寸标注图。
图22为本发明基于加载高阻抗表面的宽带双极化交叉偶极子天线具体实施例样品的中间层结构尺寸标注图。
附图标记：下层介质基板1、中层介质基板2、上层介质基板3、方形贴片4、竖直偶极子5、水平偶极子6、前臂7、后臂8、右臂9、左臂10、中间层通孔11、圆形孔12、长微带线13、短微带线14、矩形寄生贴片15、竖直微带桥16、水平微带桥17、上层通孔18、金属通孔19、同轴线一20、同轴线二21、外导体一22、外导体二23、内导体一24、内导体二25、金属短路柱26。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
本发明基于加载高阻抗表面的宽带双极化交叉偶极子天线，如图1所示，天线由三层结构组成。下层介质基板1的上表面设有金属，金属部分包括9个相同的方形贴片4，下表面设有金属地。中层介质基板2仅上表面设有金属，包括一个竖直偶极子5、一个水平偶极子6、长微带线13和短微带线14。水平偶极子6由左臂10和右臂9组成。竖直偶极子5由前臂7和后臂8组成。上层介质基板3仅上表面设有金属，金属部分包括四个相同的矩形寄生贴片15、水平微带桥17、竖直微带桥16、金属通孔19和上层通孔18。
如图1所示，中间层通孔11有两个，孔壁没有镀铜。其中一个位于水平偶极子6的右臂9上，并且将中层介质基板2上表面的水平偶极子6的右臂9与中层介质基板2的下表面连通，另一个位于竖直偶极子5的前臂7上，并且将中层介质基板2上表面的竖直偶极子5的前臂7与中层介质基板2的下表面连通。圆形孔12有两个，孔壁没有镀铜，刻蚀圆形孔即相当于在偶极子天线上开槽。其中一个位于竖直偶极子5的后臂8上，另一个位于水平偶极子6的左臂10上。金属通孔19有两个，孔壁有镀铜。其中一个位于竖直微带桥16的后端，并且将上层介质基板3上表面的竖直微带桥16与中层介质基板2上表面的短微带线14连通。另一个位于水平微带桥17的左端，并且将上层介质基板3上表面的水平微带桥17与中层介质基板2上表面的长微带线13连通。上层通孔18有两个，孔壁没有镀铜。其中一个位于竖直微带桥16的前端，并且将上层介质基板3上表面的竖直微带桥16与位于前臂7上的中间层通孔11连通。另一个位于水平微带桥17的右端，并且将上层介质基板3上表面的水平微带桥17与位于右臂9上的中间层通孔11连通。
图2是天线的侧视图。位于端口一的同轴线一20的外导体一22穿过下层介质基板1、中间层通孔11与竖直偶极子5的前臂7连接。位于端口二的同轴线二21的外导体二23穿过下层介质基板1、中间层通孔11与水平偶极子6的右臂9连接。金属短路柱26穿过下层介质基板1、中层介质基板2、上层介质基板3将下层介质基板1下表面的金属地与矩形寄生贴片15连接。图3是两个馈电端口的细节连接图。位于端口一的同轴线一20的内导体一24经过竖直微带桥16、金属通孔19、短微带线14与竖直偶极子5的后臂8连接，位于端口二的同轴线二21的内导体二25经过水平微带桥17、金属通孔19、长微带线13与水平偶极子6的左臂10连接。
高阻抗表面结构如图4所示。该结构由高阻抗表面单元周期排列而成。单元由方形贴片4、下层介质基板1和背面金属地组成。当高阻抗表面谐振时，其谐振频率对应于反射相位为0°，反射相位在[90°,-90°]之间为同相反射。工作带宽定义为反射相位在[90°,-90°]之间对应的频率范围(同相反射带宽)。可以将高阻抗表面单元等效为图5所示的简单电路模型。其中Lb为矩形贴片的电感，Cb为相邻贴片之间引入的缝隙电容，Lg为介质中的电感，ω为角频率。因此，总的表面阻抗Z可以表示为：
Figure SMS_3
因此，高阻抗表面单元的谐振频率fa可以表示为：
Figure SMS_4
通过电磁仿真软件HFSS提取高阻抗表面单元的反射相位如图6所示。高阻抗表面单元的同相反射带宽为2.08GHz-2.87GHz，零相位对应谐振的频率为2.47GHz。将偶极子天线放置在高阻抗表面的上方，当高阻抗表面的反射相位在零附近时，天线会发生谐振。如图11中所示，在2.46GHz时天线输入阻抗的虚部为0，实部为50Ω，因此可见，加载了高阻抗表面后天线在2.46GHz时发生谐振。由于高阻抗表面的金属地不支持平行电场在其表面的传播。因此，靠近高阻抗表面地平面的偶极子，与未加载高阻抗表面仅有金属地平面情况下靠近金属地的偶极子，显示出一致的辐射模式。从图7所示的天线辐射方向图可以看出，天线在2.46GHz的辐射方向图与普通水平偶极子的辐射方向图类似。此外，利用高阻抗表面激励TE表面波为天线在高频处引入新的谐振模式。将高阻抗表面的方形贴片与金属接地板之间的空间看成上下为电壁四周为磁壁的空腔，根据边界条件用展开法或模匹配法确定在TE表面波的谐振频率处：
nPβTE＝2π
其中，βTE为第一个TE表面波的传播常数，n为传播方向的高阻抗表面单元数量。P为高阻抗表面单元周期长度。图8为高阻抗表面单元TE表面波的色散图以及使用本征模求解的单元模型。对于本发明中具有n＝3个高阻抗表面单元的天线，根据图8计算出谐振频率为3.8GHz。高阻抗表面的边缘场导致天线的TE表面波谐振频率向低频点移动。
为了详细的说明天线的工作原理，本发明所述天线可以由天线一演进到天线二，再由天线二演进所得。天线的演变过程如图9所示，所述天线一包含两层，第一层包括HIS，第二层包括一对正交偶极子天线、中层介质基板2，天线由同轴线馈电。为了对比三个天线的工作带宽，图10中展示了天线一、天线二、与本发明所提出的天线的|S11|和|S21|参数，由图10中和图11中可以看出，天线一激励出多个谐振点，但满足输入阻抗实部为50Ω、虚部为0的谐振点只有两个，两个谐振点的频率分别在2.5GHz和3.58GHz，在这两个谐振点处输入阻抗与端口有良好的阻抗匹配。
从图11可以看出，天线一在输入阻抗在高频段变化剧烈，并且在工段频段3.1GHz-3.5GHz内阻抗与需要匹配的50欧姆相差较大。因此，为了改善天线的阻抗匹配，天线二由天线一演进而来,天线二在天线一的基础上增加四个相同的矩形寄生贴片15和上层介质基板3，其中,四个矩形寄生贴片15印刷在上层介质基板3的上表面。由于寄生贴片的引入，降低了天线二在高频段的输入阻抗。从而改善了天线二在高频段的阻抗匹配。然而，天线二在工作频段2.99GHz-3.23GHz内的|S11|仍大于-10dB，其中|S11|表示天线输入端口一反射系数的模值。并且，从天线二的|S21|参数可以看出，天线二端口间的隔离度在2.25GHz-2.5GHz小于20dB。因此，在天线二的基础上加载四个金属短路柱26，在偶极子上关于馈电对称的位置刻蚀两个圆形孔(12)，刻蚀圆形孔即相当于在偶极子天线上开槽。得到本发明所提出的天线。金属短路柱26将寄生贴片与金属地板连接且沿着Z轴对称。通过加载圆形孔，改善了天线的阻抗匹配。通过加载金属短路柱，改变了偶极子两个臂在低频段的电流分布，使得偶极子两个臂的电流幅值相等。增强了天线的线极化，从而降低了天线端口间的耦合，达到改善隔离度的目的。圆形孔与金属短路柱的引入共同作用，改善了天线的阻抗匹配，从而产生了一个满足输入电抗为0，输入电阻为50Ω的谐振点三，在谐振点三处天线的输入阻抗虚部为0，实部为50Ω，与端口有良好的阻抗匹配，从而扩展了天线的工作带宽。本发明所设计的加载高阻抗表面的宽带双极化交叉偶极子天线相较于传统的双极化交叉偶极子天线具有更低的剖面，通过改变矩形寄生贴片的大小与位置改善天线的阻抗匹配并且引入新的谐振点增加天线的阻抗带宽。通过改变金属短路柱与圆形孔的大小与位置，改善天线端口间的隔离度和调节天线的阻抗匹配。本发明中所设计的双极化天线实现了宽带化、低剖面的同时，还具有良好的端口隔离度。
如图1所示，加载高阻抗表面的宽带双极化交叉偶极子天线实施例样品工作中心频率为在2.9GHz，采用FR4介质基板，相对介电常数4.4，下层介质基板1、中层介质基板2和上层介质基板3的厚度分别为6mm、0.8mm和0.6mm。
实施例中的加载高阻抗表面的宽带双极化交叉偶极子天线的电路尺寸为49.5mm×49.5mm×7.4mm，即0.5λg×0.5λg×0.074λg，λg表示工作频率为2.9GHz时的工作波长。相比传统的距离金属反射板的高度通常为0.25个波长到0.5个波长的平面交叉偶极子天线，该天线的剖面高度仅有0.074个波长，因此该天线具有低剖面性能。
本发明加载高阻抗表面的宽带双极化交叉偶极子天线结构演变对应的S参数仿真曲线图如图11所示，所使用的仿真软件为全波电磁仿真软件HFSS。可以看出通过寄生贴片的加载，该天线在3.1GHz-3.5GHz之间匹配变好。通过将加载金属短路柱技术与开槽技术相结合。在2.9GHz引入了一个新的谐振点，同时，本发明所提出的天线在2.3GHz-2.65GHz之间的端口隔离度相比于天线二提高了5dB。
图12为本发明实施例样品的S参数仿真曲线图，通过对端口一和端口二进行激励时，天线的极化方向分别是φ＝0°和φ＝90°。图中|S11|表示天线输入端口一反射系数的模值，|S21|表示天线端口一和端口二间传输系数的模值。根据仿真结果可以看出，在2.3GHz-3.55GHz的频带范围内|S11|小于-10dB，阻抗带宽为42.7％，说明了实施例样品天线具有宽带特性。频段内|S21|<-20dB，即端口间的隔离度大于20dB。说明该实施例样品天线的两个信号输入端口具有良好的隔离度。本发明实施例样品天线在2.3GHz-3.55GHz的频带范围内具有良好的性能，相对带宽为42.7％，在该频带范围内，|S11|均小于-10dB，|S21|小于-20dB。
本发明加载高阻抗表面的宽带双极化交叉偶极子天线实施例样品的E面和H面方向图如图11～16所示。可以看出在工作频段内天线的交叉极化水平小于-31dB。说明该实施例天线具有良好的交叉极化水平。前后比大于18.5dB。由于天线在3.44GHz时工作在表面波模式，导致天线的后向辐射较大，前后比减小到9.8dB。图19为本发明实施例样品的增益和效率仿真曲线图。在工作频段内，天线的平均增益为5.3dBi，天线的最大增益出现在3.1GHz时，增益为5.74dBi，频段内增益波动为1dBi。天线在整个工作频段内的效率在80％以上。
本发明的基于加载高阻抗表面的宽带双极化交叉偶极子天线的实施例样品的具体尺寸标注如图17中所示，具体结构各部分尺寸如表1所示：
表1天线样品各部分尺寸(单位：mm)
符号 数值 符号 数值
W1 3 L1 8
W2 0.7 L2 3.1
W3 49.5 L3 5.6
W4 4.5 L4 49.5
W5 0.7 L5 8
W6 49.5 L6 2.5
W7 13.5 L7 5
W8 16.5 L8 6.1
H1 0.6 H2 0.8
H3 6 d1 0.54
d2 2 d3 0.54
d4 2 d5 0.54
d6 0.6
结合附图和以上分析表明，本发明基于加载高阻抗表面的宽带双极化交叉偶极子天线的实施例样品具有宽带化、低剖面的同时，还具有良好的端口隔离度。
图18为本发明基于加载高阻抗表面结构的宽带双极化交叉偶极子天线在频率为2.44GHz时的H面仿真方向图。图19为本发明基于加载高阻抗表面结构的宽带双极化交叉偶极子天线的增益与效率仿真曲线图。图20为本发明基于加载高阻抗表面的宽带双极化交叉偶极子天线具体实施例样品的三维结构尺寸标注图。图21为本发明基于加载高阻抗表面的宽带双极化交叉偶极子天线具体实施例样品的最上层结构尺寸标注图。图22为本发明基于加载高阻抗表面的宽带双极化交叉偶极子天线具体实施例样品的中间层结构尺寸标注图。
本发明针对技术背景的不足改进设计基于加载高阻抗表面的宽带双极化交叉偶极子天线，旨在使用高阻抗表面代替传统交叉偶极子天线的金属反射板，利用高阻抗表面的同相反射性能，实现天线整体的剖面降低。通过加载矩形寄生贴片，降低了天线在高频段的输入阻抗，改善了天线在高频段的阻抗匹配。通过加载圆形孔，改善了天线的阻抗匹配。通过加载金属短路柱，改变了偶极子两个臂在低频段的电流分布，使得偶极子两个臂的电流幅值相等，增强了天线的线极化，从而降低了天线端口间的耦合，达到改善隔离度的目的。圆形孔与金属短路柱的共同作用，改善了天线的阻抗匹配，从而提高了天线的带宽。本发明基于加载高阻抗表面的宽带双极化天线具有宽带化、低剖面的同时，还具有良好的隔离度。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.加载高阻抗表面的宽带双极化交叉偶极子天线，其特征在于：该天线包括下层介质基板(1)、中层介质基板(2)和上层介质基板(3)；
所述下层介质基板(1)的上表面设有上层金属，上层金属包括9个相同的方形贴片(4)；
所述下层介质基板(1)下表面设有金属地；
所述中层介质基板(2)上表面设有中层金属，中层金属包括竖直偶极子(5)、水平偶极子(6)、长微带线(13)和短微带线(14)；水平偶极子(6)由左臂(10)和右臂(9)组成；竖直偶极子(5)由前臂(7)和后臂(8)组成；
所述上层介质基板(3)上表面设有上层金属，上层金属包括四个相同的矩形寄生贴片(15)、水平微带桥(17)、竖直微带桥(16)、金属通孔(19)和上层通孔(18)；
所述中层介质基板(2)上设有2个中间层通孔(11)，中间层通孔(11)的孔壁没有镀铜；
一个位于水平偶极子(6)的右臂(9)上，并且将中层介质基板(2)上表面的水平偶极子(6)的右臂(9)与中层介质基板(2)的下表面连通，另一个位于竖直偶极子(5)的前臂(7)上，并且将中层介质基板(2)上表面的竖直偶极子(5)的前臂(7)与中层介质基板(2)的下表面连通；
所述中层介质基板(2)上设有2个圆形孔(12)，圆形孔(12)的孔壁没有镀铜；
一个位于竖直偶极子(5)的后臂(8)上，另一个位于水平偶极子(6)的左臂(10)上；
所述中层介质基板(2)上设有2个金属通孔(19)，金属通孔(19)的孔壁有镀铜；
一个位于竖直微带桥(16)的后端，并且将上层介质基板(3)上表面的竖直微带桥(16)与中层介质基板(2)上表面的短微带线(14)连通；另一个位于水平微带桥(17)的左端，并且将上层介质基板(3)上表面的水平微带桥(17)与中层介质基板(2)上表面的长微带线(13)连通；
所述上层介质基板(3)上设有2个上层通孔(18)，上层通孔(18)的孔壁没有镀铜；
一个位于竖直微带桥(16)的前端，并且将上层介质基板(3)上表面的竖直微带桥(16)与位于前臂(7)上的中间层通孔(11)连通；另一个位于水平微带桥(17)的右端，并且将上层介质基板(3)上表面的水平微带桥(17)与位于右臂(9)上的中间层通孔(11)连通；
同轴线一(20)上设有端口一，同轴线二(21)上设有端口二；
位于端口一的同轴线一(20)的外导体一(22)穿过下层介质基板(1)、中间层通孔(11)与竖直偶极子(5)的前臂(7)连接；
位于端口二的同轴线二(21)的外导体二(23)穿过下层介质基板(1)、中间层通孔(11)与水平偶极子(6)的右臂(9)连接；
金属短路柱(26)穿过下层介质基板(1)、中层介质基板(2)和上层介质基板(3)，将下层介质基板(1)下表面的金属地与矩形寄生贴片(15)连接；
所述同轴线一(20)的内导体一(24)经过竖直微带桥(16)、金属通孔(19)、短微带线(14)与竖直偶极子(5)的后臂(8)连接，
所述同轴线二(21)的内导体二(25)经过水平微带桥(17)、金属通孔(19)、长微带线(13)与水平偶极子(6)的左臂(10)连接。
2.根据权利要求1所述的加载高阻抗表面的宽带双极化交叉偶极子天线，其特征在于：所述高阻抗表面由高阻抗表面单元周期排列而成；高阻抗表面单元由方形贴片(4)、下层介质基板(1)和背面金属地组成；
当高阻抗表面谐振时，其谐振频率对应于反射相位为0°，反射相位在[90°,-90°]之间为同相反射；工作带宽定义为反射相位在[90°,-90°]之间对应的频率范围；其中Lb为矩形贴片的电感，Cb为相邻贴片之间引入的缝隙电容，Lg为介质中的电感，ω为角频率；总的表面阻抗Z表示为：
Figure QLYQS_1
高阻抗表面单元的谐振频率fa表示为：
Figure QLYQS_2
高阻抗表面单元的同相反射带宽为2.08GHz-2.87GHz，零相位对应谐振的频率为2.47GHz；将偶极子天线放置在高阻抗表面上方，当高阻抗表面的反射相位在零附近时，天线会发生谐振；在2.46GHz时天线输入阻抗的虚部为0，实部为50Ω，加载高阻抗表面后天线在2.46GHz时发生谐振；由于高阻抗表面的金属地不支持平行电场在其表面的传播，靠近高阻抗表面地平面的偶极子，与未加载高阻抗表面仅有金属地平面情况下靠近金属地的偶极子，显示出一致的辐射模式；利用高阻抗表面激励TE表面波为天线在高频处引入新的谐振模式；根据边界条件用展开法或模匹配法确定在TE表面波的谐振频率处：
nPβTE＝2π
其中，βTE为第一个TE表面波的传播常数，n为传播方向的高阻抗表面单元数量；P为高阻抗表面单元周期长度；对于具有n＝3个高阻抗表面单元的天线，计算出谐振频率为3.8GHz；高阻抗表面的边缘场导致天线的TE表面波谐振频率向低频点移动。
3.根据权利要求1所述的加载高阻抗表面的宽带双极化交叉偶极子天线，其特征在于：所述双极化交叉偶极子天线是由天线一演进到天线二，再由天线二演进得到的；
所述天线一包括两层，第一层包括高阻抗表面，第二层包括一对正交偶极子和中层介质基板(2)，天线由同轴线馈电；
天线一激励出谐振点一和谐振点二，谐振点一和谐振点二的频率分别为2.5GHz和3.58GHz，且这两个谐振点处天线输入阻抗实部均为50欧，与端口的阻抗匹配；
天线二由天线一演进而来，天线二在天线一的基础上增加四个相同的矩形寄生贴片(15)和上层介质基板(3)，其中,四个矩形寄生贴片(15)印刷在上层介质基板(3)的上表面；
天线二在工作频段2.99GHz～3.23GHz内的|S11|仍大于-10dB，其中|S11|表示天线输入端口一反射系数的模值；
天线二端口间的隔离度在2.25GHz～2.5GHz小于20dB；
在天线二的基础上加载四个金属短路柱(26)，在偶极子上关于馈电对称的位置刻蚀两个圆形孔(12)，刻蚀圆形孔指在偶极子天线上开槽，得到所述双极化交叉偶极子天线；圆形孔用于改善天线的阻抗匹配；
金属短路柱将寄生贴片与金属地板连接且沿着Z轴对称；加载金属短路柱，用于改善天线的阻抗匹配和天线端口间隔离度；
圆形孔与金属短路柱的共同作用，用于改善天线的阻抗匹配，产生一个谐振点三，在谐振点三处天线的输入阻抗虚部为0，实部为50Ω，与端口有良好的阻抗匹配，从而扩展了天线的工作带宽；所述双极化交叉偶极子天线共激励出谐振点一、谐振点二和谐振点三，分别在2.37GHz、3.45GHz和2.9GHz。
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