CN114824774A - 一种宽带高隔离度双极化超表面天线 - Google Patents

一种宽带高隔离度双极化超表面天线 Download PDF

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Abstract

本发明属于无线信号传输技术应用领域，具体提供一种宽带高隔离度双极化超表面天线，用以解决传统微带天线带宽窄的问题；本发明对超表面辐射结构中的矩形贴片A、矩形贴片B、矩形贴片C及矩形贴片D分别进行开缝调节，使水平极化的主模式与高次模式的最强电流位置都处于矩形贴片D上、进而匹配矩形贴片D下方的微带缝隙耦合馈电结构实现水平极化辐射；使垂直极化的主模式与高次模式的最强电流位置都处于矩形贴片A上、进而匹配矩形贴片A下方的微带缝隙耦合馈电结构实现垂直极化辐射，大大简化了馈电结构设计复杂度，同时有效提高天线的隔离度；并且，引入的地板缝隙模式进一步扩宽天线带宽；最终实现宽带高隔离度双极化超表面天线的设计。

Description

一种宽带高隔离度双极化超表面天线
技术领域
本发明属于无线信号传输技术应用领域，涉及双极化超表面天线结构，具体提供一种宽带高隔离度双极化超表面天线。
背景技术
随着无线技术在个人通信和军事应用等领域的发展，对有限的频谱资源下通信系统天线的设计要求更高；双极化天线由于可以降低多径效应的影响、增加系统信道容量而被广泛应用于无线系统中，双极化天线实现宽带化，在有限的频谱资源下兼容多种通信标准或支持高速数据传输，可以减少一定工作频带内对天线数量的需求。此外，考虑到商业应用中的美学要求，最好采用低剖面的设计，以便天线或设备看起来平整。
交叉偶极子和多层印刷微带贴片天线都是实现双极化的常用天线类型；交叉偶极子天线实现双极化通常采用对两个独立的馈电端口分别馈电来实现天线的两种极化方式，传统的交叉偶极子天线实现双极化都具有较窄的工作带宽，而且往往天线剖面高度较高；微带天线可以通过对同一介质层上的不同贴片进行馈电获得两个正交极化，也可以通过对不同介质层的辐射贴片馈电形成两个正交极化模式，其剖面低但是仍然存在带宽窄的问题。微带天线的工作频带一般可以通过添加寄生单元、增加介质基板的层数或者增加厚度等等来实现拓展，但是这样设计比较复杂，且引入的带宽有限；随着超表面天线的提出，为解决微带天线存在的问题提供了新的思路。
发明内容
本发明的目的在于针对传统微带天线带宽窄的问题、提供一种宽带高隔离度双极化超表面天线，具有结构简单，且宽带、高隔离度的优点。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种宽带高隔离度双极化超表面天线，包括：由上至下依次设置的超表面辐射结构1、上层介质基板2、金属接地板3、下层介质基板4及微带馈电结构5；其特征在于，
所述超表面辐射结构1由4块矩形贴片A、4块矩形贴片B、4块矩形贴片C与4块矩形贴片D组成，其中，4块矩形贴片A呈2×2阵列排布于中心位置，4块矩形贴片B、4块矩形贴片C与4块矩形贴片D围绕4块矩形贴片A设置，并且，矩形贴片A的尺寸为x1×y1、矩形贴片B的尺寸为x2×y1、矩形贴片C的尺寸为x2×y2、矩形贴片D的尺寸为x1×y2、且任意相邻矩形贴片之间的间距均为g；
所述矩形贴片A由沿X轴方向的2条缝隙分割为3块矩形子贴片A，所述矩形贴片B由沿X轴方向的2条缝隙与沿Y轴方向的1条缝隙分割为6块矩形子贴片B，所述矩形贴片C由沿X轴方向与Y轴方向的缝隙等分为4块矩形子贴片C，所述矩形贴片D由沿Y轴方向的缝隙等分为2块矩形子贴片D，矩形贴片B中沿X轴方向的缝隙与矩形贴片A中沿X轴方向的缝隙一一对应、且位于同一直线上，矩形贴片B中沿Y轴方向的缝隙与矩形贴片C中沿Y轴方向的缝隙位于同一直线上，所有缝隙的宽度均为s。
进一步的，所述矩形贴片A中，矩形贴片A被分割为三部分，其中外侧两部分子贴片的尺寸相同，且外侧两部分子贴片沿Y轴的尺寸小于位于中间的矩形子贴片沿Y轴的尺寸。
进一步的，缝隙宽度s需满足：s＜1/10x1,s＜1/10x2,s＜1/10y1,s＜1/10y2。(改前：
进一步的，所述金属接地板3位于上层介质基板2的下表面，金属接地板3开设有沿Y轴方向的第一馈电缝隙、沿X轴方向的2个第二馈电缝隙，所述第一馈电缝隙位于16块矩形贴片正中心的下方、所述第二馈电缝隙分别位于矩形贴片D下方、且第二馈电缝隙对称分布于第一馈电缝隙两侧。
进一步的，所述微带馈电结构5位于下层介质基板4的下表面、由第一微带馈线结构与第二微带馈线结构构成，所述第一微带馈线结构将能量耦合至第一馈电缝隙、通过第一馈电缝隙为超表面辐射结构馈电并激励垂直极化辐射模式，所述第二微带馈线结构将能量等幅反向耦合至2个第二馈电缝隙、通过第二馈电缝隙为超表面辐射结构馈电并激励水平极化辐射模式。
从工作原理上讲：
本发明通过对超表面辐射结构的特殊化设计有效调控超表面上模式的电流分布，将贴片的两个水平极化贴片模式的最强电流调控至位于外侧的矩形贴片D上，而两个垂直极化贴片模式的最强电流调控至位于中心的矩形贴片A上，进而通过在贴片A和贴片D下方的金属接地板上对应开设的馈电缝隙激励两种极化的辐射模式；并且，两种极化的辐射模式电流正交、激励正交，使得本发明双极化天线具有高隔离度特性；另外，馈电结构设计还能够为每种极化都引入一个地板缝隙模式，地板缝隙模式和贴片模式共同组成天线的工作带宽，使得本发明双极化天线具有宽带特性。
对于一个典型的4×4等大小正方形超表面阵列，可以通过特征模分析找到其水平极化模式和垂直极化模式；对于前两个水平极化模式(电流沿Y轴方向)，其中主模式的最强电流分布在中间的四个贴片上，高次模式的最强电流方分布在边沿贴片上；对于垂直极化模式(电流沿X轴方向)，其中主模式的最强电流分布在中间的四个贴片上，高次模式的最强电流分布在边沿贴片上。根据能量耦合关系，馈电结构应置于电流分布最强的位置；如果要同时激励水平极化的主模式和高次模式，则馈电结构需要同时放置于中间和边沿贴片位置，这将导致馈电结构复杂；同理，如果要同时激励垂直极化的主模式和高次模式，馈电结构也需要同时放置于中间和边沿贴片位置，导致馈电结构设计复杂；此外，如果要同时激励水平极化和垂直极化实现双极化，激励水平极化模式和激励垂直极化模式的两个馈电结构位于同样位置，使得馈电结构更加难以设计，并且会出现互耦，降低隔离度。
因此，为获得理想的辐射特性，本发明通过改变超表面贴片的形状，来改变超表面上的模式电流分布，调控模式的最强电流分布位置；与原始的4×4正方形贴片阵列相比，本发明所提出的超表面通过引入缝隙，改变模式的电流分布，调控后的水平极化两个模式的最强电流位置一致，因此可以采用简单的馈电设计激励水平极化模式；同样，调控后的垂直极化两个模式的最强电流位置一致，因此也可以采用简单的馈电设计激励垂直平极化模式；此外，由于水平极化模式的最强电流位置和垂直极化模式的最强电流位置不一致，因此两种极化的隔离度提升；具体如下：
水平极化模式的主模式和高次模式的电流都是沿Y轴方向，其中，主模式的最强电流位置在中间贴片A上，高次模式的最强电流位置在边沿贴片D上；在中间贴片A和边沿贴片B和贴片C上开沿着X轴方向的缝隙，可以调控水平极化主模式的最强电流位置至贴片D上，同时由于没有在贴片D上开沿着X轴方向的缝隙，因此水平极化的高次模式的最强电流位置仍然处于贴片D上；此种开缝方法可以实现水平极化的两个模式的最强电流位置都处于贴片D上，因此，此时在贴片D下方设计微带缝隙耦合馈电结构可以很容易激励水平极化的两个模式，实现水平极化辐射；
同理，垂直极化模式的主模式和高次模式的电流都是沿X轴方向，其中主模式的最强电流位置在中间贴片A上，高次模式的最强电流位置在边沿贴片B上；在边沿贴片B、贴片C和贴片D上开沿着Y轴方向的缝隙，可以调控垂直极化高次模式的最强电流位置至中间贴片A上，同时由于没有在贴片A上开沿着Y轴方向的缝隙，因此垂直极化的主模式的最强电流位置仍然处于贴片A上；此种开缝方法可以实现垂直极化的两个模式的最强电流位置都处于贴片A上，因此，此时在贴片A下方设计微带缝隙耦合馈电结构可以很容易激励垂直极化的两个模式，实现垂直极化辐射。
综上所述，本发明的有益效果在于：
本发明提供一种宽带高隔离度双极化超表面天线，通过对超表面辐射结构的特殊化设计，对超表面辐射结构中的矩形贴片A、矩形贴片B、矩形贴片C及矩形贴片D分别进行开缝调节，使水平极化的主模式与高次模式的最强电流位置都处于矩形贴片D上、进而匹配矩形贴片D下方的微带缝隙耦合馈电结构实现水平极化辐射；使垂直极化的主模式与高次模式的最强电流位置都处于矩形贴片A上、进而匹配矩形贴片A下方的微带缝隙耦合馈电结构实现垂直极化辐射，大大简化了馈电结构设计复杂度，同时有效提高天线的隔离度；并且，上述微带缝隙耦合馈电结构为两种极化引入地板缝隙模式，所引入的地板缝隙模式进一步扩宽天线带宽；最终实现宽带高隔离度双极化超表面天线的设计。
附图说明
图1为本发明宽带高隔离度双极化超表面天线的结构示意图。
图2为本发明宽带高隔离度双极化超表面天线中超表面辐射结构的示意图。
图3为本发明宽带高隔离度双极化超表面天线中金属接地板的示意图。
图4为本发明宽带高隔离度双极化超表面天线中微带馈电结构的示意图。
图5为本发明实施例中用于参照的原始超表面辐射结构的示意图。
图6-1至6-4为本发明实施例中用于参照的原始超表面辐射结构的两种极化的模式电流分布，其中，图6-1为水平极化的主模式电流分布，图6-2为水平极化的高次模式电流分布；图6-3为垂直极化的主模式电流分布，图6-4为垂直极化的高次模式电流分布。
图7为本发明实施例中特殊化设计超表面辐射结构的示意图。
图8为本发明实施例中特殊化设计超表面辐射结构的的模式重要性结果。
图9-1至9-4为本发明实施例中特殊化设计超表面辐射结构的两种极化的模式电流分布，其中，图9-1为水平极化的主模式电流分布，图9-2为水平极化的高次模式电流分布；图9-3为垂直极化的主模式电流分布，图9-4为垂直极化的高次模式电流分布。
图10为本发明实施例中宽带高隔离度双极化超表面天线的两个端口的S参数(S11、S22和S21)图。
图11为本发明实施例中宽带高隔离度双极化超表面天线的增益图。
图12-1与12-2为本发明实施例中宽带高隔离度双极化超表面天线工作在4.5GHz、5.5GHz和7GHz下时，两个端口在phi＝0deg的方向图；其中，图12-1为水平极化模式的方向图，图12-2为垂直极化模式的方向图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及技术效果更加清楚完整，下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
本实施例提供一种宽带高隔离度双极化超表面天线，其整体结构如图1所示，包括：由上至下依次设置的超表面辐射结构1、上层介质基板2、金属接地板3、下层介质基板4及微带馈电结构5；其中，
所述超表面辐射结构1如图2所示，由4块矩形贴片A、4块矩形贴片B、4块矩形贴片C与4块矩形贴片D组成，其中，4块矩形贴片A呈2×2阵列排布于中心位置，4块矩形贴片B、4块矩形贴片C与4块矩形贴片D围绕4块矩形贴片A设置，并且，矩形贴片A的尺寸为x1×y1、矩形贴片B的尺寸为x2×y1、矩形贴片C的尺寸为x2×y2、矩形贴片D的尺寸为x1×y2、且任意相邻矩形贴片之间的间距均为g；所述矩形贴片A由沿X轴方向的2条缝隙分割为3块矩形子贴片A，所述矩形贴片B由沿X轴方向的2条缝隙与沿Y轴方向的1条缝隙分割为6块矩形子贴片B，所述矩形贴片C由沿X轴方向与Y轴方向的缝隙等分为4块矩形子贴片C，所述矩形贴片D由沿Y轴方向的缝隙等分为2块矩形子贴片D，矩形贴片B中沿X轴方向的缝隙与矩形贴片A中沿X轴方向的缝隙一一对应、且位于同一直线上，矩形贴片B中沿Y轴方向的缝隙与矩形贴片C中沿Y轴方向的缝隙位于同一直线上，所有缝隙的宽度均为s；需要说明的是，上述x1、x2均表示沿X轴方向的尺寸，y1、y2均表示沿Y轴方向的尺寸；更为具体的讲：上层介质基板2上表面为超表面辐射结构，由4×4块贴片构成，如图2所示；其中超表面辐射结构1包括四种辐射贴片结构：分别是开有两条缝隙不等分的矩形贴片A，其长宽分别为x1＝8.8mm，y1＝10mm，贴片A上所开设的平行于x轴的缝隙宽度为s＝0.3mm；上方和下方的矩形贴片结构B，其长宽分别为x2＝7mm，y1＝10mm，贴片B上所开设的两条平行于x轴的缝隙、一条平行于y轴的缝隙宽度为s＝0.3mm；四角的正方形贴片C，其长宽分别为x2＝7mm，y2＝10mm，贴片C上所开设的一条平行于x轴的缝隙、一条平行于y轴的缝隙的宽度为s＝0.3mm；左右两边的贴片D，其长宽分别为x1＝8.8mm，y2＝10mm，贴片D上所开设的平行于y轴的缝隙宽度为s＝0.3mm；所有贴片之间的水平间距和垂直间距都为g＝1mm；
所述金属接地板3如图3所示，开设有沿Y轴方向的第一馈电缝隙、沿X轴方向的2个第二馈电缝隙，所述第一馈电缝隙位于矩形贴片A下方、所述第二馈电缝隙分别位于矩形贴片D下方、且第二馈电缝隙对称分布于第一馈电缝隙两侧；第一馈电缝隙的X轴尺寸为1.5mm、Y轴尺寸为16mm，第二馈电缝隙的X轴尺寸为14.5mm、Y轴尺寸为1mm，矩形缝隙尺寸参数以及位置可根据具体实用要求进行调节；
所述微带馈电结构5如图4所示，两个馈电端口分别连接第一微带馈线结构与第二微带馈线结构、以激励不同的模式，其中，端口1连接第一微带馈线结构，端口2连接第二微带馈线结构；第一微带馈线结构通过第一馈电缝隙为超表面辐射结构1馈送能量、从而激励起垂直极化模式，第二微带馈线结构采用威尔金森功分器(带有一个移相器)、将能量等幅反向耦合给第二馈电缝隙为超表面结构馈送能量、从而激励起水平极化模式；
所述上层介质基板2采用介电常数为3.5的Arlon AD350A板材，厚度为t1＝4mm，X轴尺寸L＝130mm，Y轴尺寸W＝110mm；所述下层介质基板4采用介电常数为2.6的NeltecNY9260(IM)板材，厚度为t2＝0.8mm，尺寸与上层介质基板相同；为实现低剖面，两介质层中，下层介质基板4较薄，而要拥有较好的辐射性能，上层介质基板2需要一定的厚度，即地板缝隙与辐射贴片之间需要存在一定距离；最终，两层介质基板的总厚度不超过5mm，符合低剖面要求，并且，厚度参数可根据具体实用要求进行调节。
下面通过对比原始4×4等大小正方形超表面阵列的模式与本发明天线所提出的特殊化设计超表面阵列的模式对比，详细阐述本发明天线的工作原理：
图5是本发明天线所参照的原始超表面结构图，即一个4×4等大小正方形超表面阵列；对该原始阵列进行特征模式分析，可以找到两个水平极化模式和两个垂直极化模式；图6-1至6-4展示了这两个模式在谐振频率下的模式电流分布图，其中，图6-1是水平极化模式的主模式电流分布图，图6-2为水平极化的高次模式电流分布；图6-3为垂直极化的主模式电流分布，图6-4为垂直极化的高次模式电流分布；从图中可以看出，对于水平极化主模式，其最强电流分布在中间四个贴片上，其电流方向沿-y轴；对于水平极化高次模式，其最强电流分布在外部的贴片上，电流沿-y轴方向；对于垂直极化主模式，其最强电流分布在中间四个贴片上，其电流方向沿-x轴；对于垂直极化高次模式，其最强电流分布在外部贴片上，电流沿-x轴方向；根据能量耦合关系，馈电结构应置于电流分布最强的位置；如果要同时激励水平极化模式和垂直极化模式，则馈电结构需要同时放置于外部贴片位置和中间贴片位置，然而这样的馈电安排将会导致激励水平极化模式和激励垂直极化模式的两个馈电结构位于同样位置，使得馈电结构难以设计，并且会出现互耦，降低隔离度。
因此，为获得理想的辐射特性，本发明通过改进超表面贴片的形状，来改变超表面上的两种模式的电流分布；如图7所示为本发明改进后的超表面结构图，与原始的4×4正方形贴片阵列相比，本发明所提出的超表面通过引入缝隙将内外部贴片分割，实现对电流分布的改变；水平极化模式的主模式和高次模式的电流都是沿Y轴方向，其中，主模式的最强电流位置在中间贴片A上，高次模式的最强电流位置在边沿贴片D上；在中间贴片A和边沿贴片B和贴片C上开沿着X轴方向的缝隙，可以调控水平极化主模式的最强电流位置至贴片D上，同时由于没有在贴片D上开沿着X轴方向的缝隙，因此水平极化的高次模式的最强电流位置仍然处于贴片D上；此种开缝方法可以实现水平极化的两个模式的最强电流位置都处于贴片D上，因此，此时在贴片D下方设计微带缝隙耦合馈电结构可以很容易激励水平极化的两个模式，实现水平极化辐射；同理，垂直极化模式的主模式和高次模式的电流都是沿X轴方向，其中，主模式的最强电流位置在中间贴片A上，高次模式的最强电流位置在边沿贴片B上；在边沿贴片B、贴片C和贴片D上开沿着Y轴方向的缝隙，可以调控垂直极化高次模式的最强电流位置至中间贴片A上，同时由于没有在贴片A上开沿着Y轴方向的缝隙，因此垂直极化的主模式的最强电流位置仍然处于贴片A上；此种开缝方法可以实现垂直极化的两个模式的最强电流位置都处于贴片A上，因此，此时在贴片A下方设计微带缝隙耦合馈电结构可以很容易激励垂直极化的两个模式，实现垂直极化辐射。
如图8所示为本实施例中特殊化设计超表面结构的模式重要性结果，其中，模式1和模式12是水平极化模式，模式2和模式9是垂直极化模式，可以看出，两个极化的两对模式具有相似的频率，因此能够用于实现同频率的双极化天线。
如图9-1至9-2所示为本实施例中特殊化设计超表面结构的的两种极化的模式电流分布，其中，图9-1为水平极化的主模式电流分布，图9-2为水平极化的高次模式电流分布；图9-3为垂直极化的主模式电流分布，图9-4为垂直极化的高次模式电流分布；从图中可以看出，图9-1和图9-2展示的水平极化模式的电流分布在两侧贴片D上具有最强电流，且最强电流沿Y轴方向；图9-3和图9-4展示的垂直极化模式的电流分布在中间贴片A上具有最强电流，且最强电流沿X轴方向。
如图10所示为本实施例中宽带高隔离度双极化超表面天线两个端口的S参数，可以看出，在4.2～7.5GHz范围内，两个端口的回波损耗都小于-10dB，即S11<-10dB，S22<-10dB，说明两个端口都具有良好的阻抗匹配效果；在4.2-7.5GHz范围内，S21<-30dB，说明两个端口具有很好的隔离度。
如图11所示为本实施例中宽带高隔离度双极化超表面天线的增益曲线，在工作频带内平均增益为6dBi左右。
如图12-1与12-2所示为本实施例中宽带高隔离度双极化超表面天线工作在4.5GHz、5.5GHz和7GHz下时、两个端口在phi＝0deg的方向图，其中，图12-1为水平极化模式的方向图，图12-2为垂直极化模式的方向图；由图可见，两种极化模式在工作带宽内都具有稳定的辐射效果，且交叉极化小。
综上，本发明宽带高隔离度双极化超表面天线在原始均匀的4×4正方形贴片阵列基础上，利用特征模分析找出了两种极化的多个模式(水平极化和垂直极化)，通过分析模式的电流分布特点，在不同位置引入缝隙结构调控超表面结构的电流分布，从而将水平极化的两个模式的最强电流分布位置调控一致，垂直极化的两个模式的最强电流位置调控一致，而且调控后的超表面结构的水平极化模式的最强电流位置和垂直极化模式的最强电流位置不一致，最终，采用两个端口分别激励起了两种极化的多个模式，实现了宽带高隔离度的双极化辐射特性。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (5)

1.一种宽带高隔离度双极化超表面天线，包括：由上至下依次设置的超表面辐射结构、上层介质基板、金属接地板、下层介质基板及微带馈电结构；其特征在于，
所述超表面辐射结构1由4块矩形贴片A、4块矩形贴片B、4块矩形贴片C与4块矩形贴片D组成，其中，4块矩形贴片A呈2×2阵列排布于中心位置，4块矩形贴片B、4块矩形贴片C与4块矩形贴片D围绕4块矩形贴片A设置，并且，矩形贴片A的尺寸为x1×y1、矩形贴片B的尺寸为x2×y1、矩形贴片C的尺寸为x2×y2、矩形贴片D的尺寸为x1×y2、且任意相邻矩形贴片之间的间距均为g；
所述矩形贴片A由沿X轴方向的2条缝隙分割为3块矩形子贴片A，所述矩形贴片B由沿X轴方向的2条缝隙与沿Y轴方向的1条缝隙分割为6块矩形子贴片B，所述矩形贴片C由沿X轴方向与Y轴方向的缝隙等分为4块矩形子贴片C，所述矩形贴片D由沿Y轴方向的缝隙等分为2块矩形子贴片D，矩形贴片B中沿X轴方向的缝隙与矩形贴片A中沿X轴方向的缝隙一一对应、且位于同一直线上，矩形贴片B中沿Y轴方向的缝隙与矩形贴片C中沿Y轴方向的缝隙位于同一直线上，所有缝隙的宽度均为s。
2.按权利要求1所述宽带高隔离度双极化超表面天线，其特征在于，所述金属接地板3位于上层介质基板2的下表面，金属接地板3开设有沿Y轴方向的第一馈电缝隙、沿X轴方向的2个第二馈电缝隙，所述第一馈电缝隙位于超表面辐射结构正下方、所述第二馈电缝隙分别位于矩形贴片D下方、且第二馈电缝隙对称分布于第一馈电缝隙两侧。
3.按权利要求1所述宽带高隔离度双极化超表面天线，其特征在于，第二微带馈线结构构成，所述第一微带馈线结构通过对应的馈电缝隙为超表面辐射结构馈电并激励垂直极化辐射模式，所述第二微带馈线结构通过对应的馈电缝隙为超表面辐射结构馈电并激励水平极化辐射模式。
4.按权利要求1所述宽带高隔离度双极化超表面天线，其特征在于，所述矩形贴片A中，矩形贴片A被分割为三部分，其中外侧两部分子贴片的尺寸相同，且外侧两部分子贴片沿Y轴的尺寸小于位于中间的矩形子贴片沿Y轴的尺寸。
5.按权利要求1所述宽带高隔离度双极化超表面天线，其特征在于，缝隙宽度s需满足：s＜x1/10,s＜x2/10,s＜y1/10,s＜y2/10。
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