CN115036681B - 一种产生te模态表面波的全向天线及其应用装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种产生TE模态表面波的全向天线及其应用装置，用于解决现有全息阻抗调制技术局限于横磁模式(TM)表面波调控、馈源天线结构单一易损坏、TE表面波调控范围受限且馈源天线定向辐射结构松散等问题。本发明采用SMA接头单端馈源、功率分配器等功率分配给四个平面折叠偶极子天线、天线间呈旋转对称结构，形成了一种具有紧凑型小型化、结构简单、成系统向外螺旋辐射TE模态表面波电场的全向馈源天线；其适用于馈源天线与平面阵列天线集成度很高的雷达或通信系统，天线具有制备简单、结构紧凑、易于集成等优势，与TE模态全息阻抗表面相结合，可形成具备双向辐射的通讯系统，具备广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信领域一种天线设计，具体涉及一种产生TE模态表面波的全向天线及其应用装置。
背景技术
作为无线通信系统的重要组成部分，天线将射频电流信号转换成电磁波信号辐射到自由空间中，反之亦可；随着通信技术的逐步发展，为满足人们日常生活需求和先进军事系统需求，电子通讯设备的轻便化小型化逐步成为行业研究热点，对日常生产生活需求和军事设备快速部署具备重大意义。现有天线技术诸如反射阵、透射阵天线等往往在追求高增益、低剖面等现实要求下存在损耗大、空间结构巨大、馈电复杂和制造成本高等诸多不足，一方面不利于同现有电子设备集成化，另一方面也给设计人员带来诸多不便。
全息阻抗表面作为光学全息在微波领域的拓展和应用，利用全息原理，将期望的辐射波束以相干光束干涉并将干涉信息记录在阻抗表面上，记录的阻抗信息通过大小不一的方形金属贴片映射，当源场波束照射到全息阻抗表面时即可获得期望的漏波辐射波束，而不用复杂的馈电网络和空间馈源，有效减小有馈电网络带来的损耗和剖面高等缺陷；同时全息阻抗表面的加工制造采用印制电路板(PCB)制造，制造成本低、加工精度高，因此全息阻抗表面极大的吸引了研究人员的兴趣。
然而，现有技术中所涉及的全息阻抗调制表面，无论是标量阻抗表面还是张量阻抗表面，均采用介质基板底层覆盖完整金属地层、顶层刻蚀大小不一的方形金属贴片结构，或是其他近似结构，用于支持TM(Transverse Magnetic，在传播方向上有电场分量而无磁场分量，称为横磁波)模式表面波传输、转化漏波辐射的形式；其馈源天线大都采用端接SMA接头的单极子天线，馈源天线结构凸起于阻抗表面，剖面相对较高且容易损坏，与天线阵面集成度相对较低，调控方式局限在TM模态表面波，无法调控TE模态表面波。并且，TE(Transverse Electric，在传播方向上有磁场分量但无电场分量，称为横电波)表面波调控技术暂时处于起步阶段，已有的调控TE表面波的全息阻抗表面馈源天线存在辐射方向固定、结构松散空间占用大等缺陷，如Vivaldi Antipodal天线仅能实现单一方向的调控，调制范围受限，灵活性不足。
发明内容
针对上述现有技术，本发明目的在于至少改善上述技术存在的问题与不足，提供一种紧凑小型化的用于全息阻抗表面的、作为其馈源的全向天线及其应用装置，解决现有全息阻抗调制技术局限于TM表面波调控、馈源天线单一易损坏、TE表面波调控范围受限且馈源天线定向辐射结构松散等问题。实现结构简单、制造成本低、紧凑型小型化的全向TE模态表面波发射天线。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
第一方面，本发明提出了一种产生TE模态表面波的全向天线，所述全向天线包括介质基板，金属辐射层、金属地层、SMA微型连接器；所述金属辐射层和金属地层分别位于介质基板的两侧表层；所述金属辐射层包括一分四微带功率分配器、以及将半波长偶极子天线折叠后构成的平面折叠偶极子天线；所述平面折叠偶极子天线有4个，在所述金属辐射层上的分布呈旋转对称；每个平面折叠偶极子天线包括两个端口，分别为第一端口和第二端口；所述一分四微带功率分配器交点处为馈电点，所述一分四微带功率分配器的每个分路微带臂上有一个端口，该端口与一个平面折叠偶极子天线的第一端口相连，平面折叠偶极子天线的第二端口通过介质基板上的金属化过孔连接到金属地层，构成整个能量信号的通路；所述金属地层为金属贴片，整体尺寸大于功率分配器尺寸四分之一个工作波长且小于介质基板，中间有孔，用于SMA微型连接器内芯穿过介质基板同功率分配器中央处相连，SMA微带连接器铜质外壁同金属地层相连。
在上述技术方案中，全向TE模态表面波发射天线以介质基板为主体，SMA微带连接器的接头连接同轴馈线作为集中馈源，SMA微带连接器的探针通过金属化过孔连接到顶层功率分配器中央部分，功率分配器采用直接一分四微带阻抗线进行功率分配，底层小型化金属地层一方面作为功率分配器的微带线地板，一方面连接到SMA接头铜柱，平面折叠偶极子天线一端同一分四微带功率分配器的其中一端相连，一端通过金属化过孔连接到金属地层，构成整个能量信号的通路。所述全向天线通过将半波长偶极子天线折叠实现小型化，而通过采用四个相同折叠的半波长偶极子天线实现全向辐射效果，解决现有全息阻抗调制技术局限于TM表面波调控、馈源天线结构单一易损坏、TE表面波调控范围受限且馈源天线定向辐射结构松散等问题。具备实现结构简单、制造成本低、紧凑型小型化、剖面低、易于集成和全向辐射等优点。
作为本发明的进一步改进，所述平面折叠偶极子天线通过采用弯折的天线臂以保证结构紧凑，所述天线臂由长臂和短臂构成；天线臂微带线宽至少为工作波长的二十分之一，长度至少为工作波长的三分之一，第一端口与第二端口间的间距至少为工作波长的二十分之一；所述短臂与长臂间的间隔至少为工作波长的二十分之一，使得反射系数S11在中心工作频率出低至-21dB，馈源信号基本通过折叠偶极子天线辐射出去而无能量反射，以使所述天线具备良好的定向特性，其辐射方向正交与天线长臂。
作为本发明的进一步改进，所述金属地层的边长为长臂长度的1.2-1.4倍，以便三维辐射定向性更好，通过所述金属地层与四个平面折叠偶极子天线整体间隔设定距离以保证横向电场的有效辐射。
作为本发明的进一步改进，所述介质基板可以选择各种材质，但介电常数越大，损耗角正切越小的介质基板，可以使得所提出的全向天线更加紧凑、损耗更小。比如：介电常数为3.5、损耗角正切为0.0043的S7136H材质。
作为本发明的进一步改进，所述一分四微功率分配器呈螺旋对称结构，弯折的四臂进一步减小整体尺寸，形成了一种具有紧凑型小型化、结构简单、成系统向外螺旋辐射TE模态表面波电场的全向馈源天线；且分路臂展路径拐角处采用切角、圆弧处理，从而减小反射系数，增大辐射效率。
作为本发明的进一步改进，所述一分四微带功率分配器从四个端口的阻抗到中央满足阻抗匹配条件，所述阻抗匹配条件为中央处合路阻抗值与SMA微带连接器的接头阻抗值相匹配，从而达到最大功率传输效果。
第二方面，本发明提出了一种产生TE模态表面波的全向天线的应用装置，所述装置能够应用全向天线调控TE模态表面波产生期望漏波辐射波束，所述装置包括上述任一所述的全向天线和TE模态全息阻抗表面，形成具备广泛的应用前景的双向辐射通讯装置；所述全向天线位于TE模态全息阻抗表面中心，向四周辐射出电磁波；所述TE模态全息阻抗表面中心之外，有大小不一的标量阻抗单元，所述标量阻抗单元的阻抗值呈正弦分布构成。所述全向天线能够产生等效磁偶极子的3D辐射方向图，产生横电模式的电磁波向自由空间辐射，十分适合作为调控横电模态(TE)电磁波的全息阻抗超表面的馈源天线，所述全向天线和TE模态全息阻抗表面位于介质基板表层，两者均具备极高的集成程度，从而大大降低超表面的整体剖面高度。
作为本发明的进一步改进，所述标量阻抗单元为单层金属贴片，无需金属地层，易于集成、制作和生产。
作为本发明的进一步改进，所述标量阻抗单元采用下述公式确定各个位置上的阻抗：
Z＝jX·(1+M·real(EObj·conj(ERef)))
其中，EObj为期望辐射波束，ERef为馈源天线激发的参考波，表达式如下：
式中：kt为全向天线激发的表面波沿着阻抗表面传播的传播波数，k0为自由空间传播波数；(x，y)为标量阻抗单元的中心位置，(x0，y0)为全向天线相位中心，为设定的目标辐射波束传输方向，/>即为阵面上各单元位置与x轴坐标轴所成夹角；X为几何尺寸平均值所对应的平均阻抗，M为正弦调制深度，函数real()为取实部函数，函数conj()为取共轭函数；根据上式计算，能够获得阻抗分布图，将阻抗分布映射到标量阻抗单元尺寸信息，从而得到阵面单元尺寸分布。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用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申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1、一个实施例中全向TE模态表面波发射天线整体结构示意图；
图2、一个实施例中所述全向TE模态表面波发射天线的辐射部分；
图3、一个实施例中S参数曲线示意图；
图4、一个实施例中经由单一平面折叠偶极子天线向外辐射的三维方向示意图。
图5、一个实施例中包含SMA接头、一分四微带功率分配器结构，包含SMA底部波导端口，功率分配器四个末端集总端口的结构示意图；
图6、一个实施例中功率分配器的S参数示意图；
图7、一个实施例中全向TE模态表面波发射天线整体俯视图；
图8、一个实施例中全向TE模态表面波发射天线整体侧视图；
图9、一个实施例中全向TE模态表面波发射天线整体底视图；
图10、一个实施例中全向TE模态表面波发射天线整体S参数示意图。
图11、一个实施例中是全向TE模态表面波发射天线整体三维辐射方向示意图
图12-1、一个实施例中全息标量阻抗超表面的单元模型示意图；
图12-2、一个实施例中拟合出来的单元阻抗与顶层金属贴片尺寸映射关系示意图；
图13-1、一个实施例中参考波和圆极化辐射波的相位分布示意图；
图13-2、一个实施例中阻抗调制公式计算得到的超表面阻抗分布以及对应单元金属贴片尺寸分布示意图；
图13-3、一个实施例中得到全息阻抗表面的阻抗分布示意图；
图13-4、一个实施例中得到阵面单元尺寸分布示意图；
图14、一个实施例中依据阻抗和几何尺寸映射关系、表面阻抗分布建立的横电模式全息标量阻抗超表面模型整体结构示意图；
图15-1、一个实施例中TE模态全息标量阻抗超表面经过全波仿真得到的S参数曲线示意图；
图15-2、一个实施例中TE模态全息标量阻抗超表面经过全波仿真得到的轴比特性示意图；
图16、一个实施例中TE模态全息标量阻抗超表面仿真得到的2维及3维远场辐射方向示意图；
图中：1、平面折叠偶极子天线；2、一分四功率分配器；3、介质基板；4、金属地层；5、金属化过孔；6、SMA微型连接器；7、微带功分器中心馈电点；1-1、平面折叠偶极子的长臂；1-2、短臂；1-3、第一端口；1-4、第二端口；2-1、一分四微带功率分配器的分路端口；6-1、SMA微型连接器内芯；6-2、SMA微型连接器外部铜壁；8、顶层金属贴片；9、全向馈源天线。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“顶层”、“底层”、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申请和简化描述，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，因此不能理解为对本申请的限制。
原有用于激发TE表面波的天线，一般为单向辐射，金属结构收到工作频率影响，工作频率确定天线最小尺寸就确定了，无法向四周全向辐射，且设计结构复杂。
在实施例1中，展示了如图1所示的小型化横电模式全息超表面全向馈源天线，包括高介电常数、低损耗的介质基板(3)，以及刻蚀在介质基板顶层一侧的金属辐射层，在底层一侧的金属地层(4)和SMA微型连接器(6)。
金属辐射层包含一分四等幅等相的微带功率分配器，四个平面折叠偶极子天线(1)，分别记作天线一、天线二、天线三和天线四。需注意，本实施例示例性的使用四个天线，是较优方案，但并不限于四个天线。一分四微带功率分配器(2)呈螺旋“十字”结构，其四条螺旋状分路微带臂分别同四个平面折叠偶极子天线的一端相连，平面折叠偶极子天线的另一端均通过金属化过孔(5)连接到底层金属地层。顶层金属辐射层的微带功分器中心馈电点 (7)位于螺旋状微带功分器中心处，即四臂相交联处。
金属地层小型化后整体尺寸仍需大于顶层功率分配器的尺寸，一般大于功分器尺寸四分之一个工作波长即可，同时需留作偶极子天线第二端口同金属地层相连。
介质基板底层一侧的金属地层由一块小型化、中间挖去一圆形孔的金属贴片构成，其圆形过孔留作SMA微型连接器内芯穿过介质基板同顶层微带功率分配器中央处相连，SMA微带连接器铜质外壁同金属地层相连。SMA微型连接器采用50Ω的特性阻抗连接器，阻抗值可根据需要改变。
功率分配器从四个端口的阻抗到中央需满足阻抗匹配条件即在中央处须达到合路50欧姆与50欧姆SMA接头相匹配，达到最大功率传输效果。同样，平面折叠偶极子天线端口阻抗不能与功率分配器端口阻抗近似相等，两个阻抗值的差不超过5欧姆，避免功率分配器与天线失配，影响天线辐射效率。
图2是本发明实施例的单一平面折叠偶极子天线，其包括常规平面偶极子天线臂，天线臂上有两个端口，第一端口(1-3)和第二端口(1-4)。将两天线臂弯折，得到平面折叠偶极子天线短臂(1-2)和长臂(1-1)。两个端口中的一个端口与一分四微带功率分配器的分路微带臂的端口相连，另一个端口通过金属化过孔同底层地板相连的接地端，各部分金属线均采用相同宽度，采用方形贴片。不失一般性，在其他场合采用拐角圆弧处理及其它形式的平面偶极子天线均属于本发明保护范围。
通过将单一平面折叠偶极子天线进行优化，能够使馈源信号基本通过折叠偶极子天线辐射出去而无能量反射，从而使平面折叠偶极子天线具备良好的定向特性。在一种优化方式中，将天线微带线宽设计成至少为工作波长的二十分之一，长臂长度至少为工作波长的三分之一，且连接功率分配器的一端与通过过孔与地相连的一端间的间距至少为工作波长的二十分之一，短臂与长臂间的间隔至少为工作波长的二十分之一；金属地层边长为天线长臂长度的 1.2-1.4倍。图3中，反射系数S11在中心工作频率出低至-21dB，说明馈源信号基本通过折叠偶极子天线辐射出去而无能量反射。图4则表明所述的平面折叠偶极子天线具备良好的定向特性，其辐射方向正交与天线长臂。
通过将一分四微带功率分配器结构进行优化，能够减小功率信号的反射系数，还能有效缩小天线的尺寸。在一种优化方式中，如图5所示，采用四臂螺旋结构，四臂相交联处，为微带功分器中心馈电点，在臂端为一分四微带功率分配器的分路端口(2-1)。每条臂的长度为半个波长，均采用特性阻抗为100Ω的微带阻抗线设计，并在分路臂展路径拐角处采用切角、圆弧处理，以减小功率信号的反射系数，该结构还能有效缩小天线的尺寸。
介质基板可以选择各种材质，可以选择介电常数高损耗小的介质基板，可以使得所提出的全向天线更加紧凑、损耗更小。如图6所示，在包含SMA微型连接器协同仿真时，一分四微带功率分配器反射系数S11在6-14GHz宽频带下小于-10dB、各端口传输系数S21、S31、S41、S51大致均为-6.5dB，接近于四分之一的馈入功率，具备十分良好的一分四等功率分配-6dB 的效果，0.5dB的相差为SMA铜质外壁和介质基板损耗造成，采用低损耗介质基板能进一步优化性能。在实现相同特性阻抗的微带电路时，介电常数越大的介质基板所拟合出来的微带线 (金属线)宽更窄，相同工作频率下实现阻抗变换的微带线长度更短，更有利于天线小型化；同时，损耗角正切越小，由介质基板所带来的损耗更小，能量利用率更高。
所述的金属化过孔可以选择内孔壁沉积金属，也可以选择金属杆棒、销钉等代替。
平面折叠偶极子可通过优化金属贴片形状、切角、圆弧线等形式减小反射系数，增大辐射效率，而通过将一个平面折叠偶极子天线作旋转复制处理，得到四个完全相同的平面折叠偶极子天线，所有平面折叠偶极子天线一端均同一分四微带功率分配器的其中一条分路相连，且另一端均通过金属化过孔同介质基板底层金属地层相连，构成用于全息超表面的馈源天线。
图7、图8和图9分别展示了所述全向馈源天线的俯视图、侧视图和底视图。在俯视图中，可以看出一分四微带功率分配器呈螺旋“十字”结构，其四条螺旋状分路微带臂分别同四个平面折叠偶极子天线一端相连。在侧视图中，可以看出有4个金属化过孔(5)贯穿于介质基板(3)上。SMA微型连接器(6)通过SMA微型连接器内芯(6-1)将介质基板(3)固定于其上。在底视图中，SMA微型连接器外部铜壁(6-2)在金属地层的下面，通过SMA微型连接器内芯(6-1)穿过介质基板与金属辐射层相连。在图10中为全向馈源天线的S参数曲线示意图，其反射系数S11在工作频率处达到了35dB，其三维辐射图如图11所示，可以其向四周全向激发出了横电模式的电磁波，从而使全向天线具备十分优异的全向辐射特性。本发明中，全向天线能够产生等效磁偶极子的3D辐射方向图，产生横电模式的电磁波向自由空间辐射，十分适合作为调控横电模态(TE)电磁波的全息阻抗超表面的馈源天线，由于馈源天线和超表面均位于介质基板表层，两者具备极高的集成程度，从而大大降低超表面的整体剖面高度。
在实施例2中，提出了包含全向馈源天线的TE全息超表面实例，验证小型化全向横电模式表面波发射天线可作为调控横电模式(TE)全息超表面的馈源天线的有效性。本实施例所描述的全息阻抗超表面采用标量阻抗单元，由一个个大小不一的方形金属贴片呈正弦分布构成，其工作频率为10GHz，方形金属贴片规格大概在十分之一波长，所述全向馈源天线整体最大尺寸为2.8cm，仅约为工作频率的一个波长，整个全息阻抗超表面的平面尺寸为100mm ×100mm×1.524mm，大概为工作频率的十个波长，采用的介质基板为介电常数为3.5、损耗角正切为0.0043的S7136H材质，以便在紧凑结构下，还能降低功率分配损耗。
全息阻抗超表面设定辐射波束为(0，0)角度，全息超表面上半空间出射的左旋圆极化高增益波束、下半空间出射的右旋圆极化高增益波束，下文均以上半空间出射波束即左旋圆极化来介绍阻抗表面结构，具体设计流程实施如下：
S1：建立如图12-1所示的阻抗调制单元模型，单元模型仅由介质基板(3)和上层方形金属贴片(8)构成，而无需底层金属地层，上层方形贴片的边长变化范围为0.15mm-3mm，介质基板厚度为1.524mm；进行单元仿真时将单元模型四周设置为周期边界模拟无线周期阵列，使用HFSS本征模求解器求解对应尺寸下的本征频率。
S2：分析S1中得到的本征频率，根据下述公式，将之与对应尺寸下的金属贴片阻抗的映射关系求解出来：
其中：Z0为自由空间波阻抗，k0为自由空间传播波数，kZ为表面波往自由空间辐射沿着垂直于超表面方向的传播波数分量，/>为单元相位差，a为单元尺寸。
得到阻抗与单元尺寸的映射关系为：
Z＝2.58x4-84.38x3+391.67x2-282x-917.56
其中：x是方形贴片边长，Z为经过本征模求解器仿真、公式计算得到的阻抗信息。
把上述关系式绘制在直角坐标系中，如图12-2所示，可以看到同横磁模式(TM)全息阻抗表面所对应的单元阻抗呈感性特性不同，横电模式(TE)全息阻抗超表面的单元阻抗呈容性特性，单元阻抗均呈负数分布，且随着单元尺寸增加，其容性阻抗值也在增加。
S3：根据下式计算获得阻抗分布图，将阻抗分布映射到标量阻抗单元尺寸信息，从而得到阵面单元尺寸分布：
Z＝jX·(1+M·real(EObj·conj(ERef)))
其中，EObj为期望辐射波束，ERef为馈源天线激发的参考波，表达式如下：
式中：kt为全向天线激发的表面波沿着阻抗表面传播的传播波数，k0为自由空间传播波数；(x，y)为标量阻抗单元的中心位置，(x0，y0)为全向天线相位中心，为设定的目标辐射波束传输方向，/>即为阵面上各单元位置与x轴坐标轴所成夹角；X为几何尺寸平均值所对应的平均阻抗，M为正弦调制深度，函数real()为取实部函数，函数conj()为取共轭函数。
S4：将横电模式全息阻抗超表面大小设计为300mm×300mm，大约为工作频率的10个波长，选择平均阻抗X＝-712.46Ω，调制深度M＝0.5；将设定波束辐射方向代入设计公式，计算得到全息阻抗表面的阻抗分布图，如图13-3所示，将阻抗分布映射到单元尺寸信息，得到阵面单元尺寸分布，如图13-4所示，同时画出参考波和辐射波的相位信息，如图13-1、图13-2所示。
将本发明中的全向天线以及计算得到的全息阻抗表面单元建模集成到一块介质基板上，形成如图14所示的横电模式全息阻抗超表面，去除对应位置上的金属贴片，在该位置上放置全向天线(9)，保留其它位置上的金属贴片(8)，形成具备双向辐射的通讯系统，至此完成整个设计。根据上述流程，可实现对既定期望辐射波束的横电模式全息标量阻抗超表面的整体设计。通过对整个结构进行全波仿真，分析其S参数特性以及方向图辐射特性，可进一步验证设计超表面的工作性能。在仿真时，可采用HFSS软件对整体进行建模和全波仿真，整体结构模型如图14所示，仿真的驻波特性S参数曲线如图15-1和图15-2所示，仿真结果表明，在设定频段内反射系数S11均低于-10dB，相对带宽在20％以上，匹配效果良好；全息超表面的2维增益方向图3维增益方向图分别如图16所示，其上半空间辐射出朝向为(0，0)deg的左旋圆极化波束，可以看出其主波束实现增益12dBi，最大副瓣电平为-14dB，轴比曲线如图15-2 所示，在主波束辐射方向轴比低于3dB，下半空间辐射出朝向为(180，0)deg的右旋圆极化波束，可以看出其主波束实现增益12dBi，最大副瓣电平为12.6dB，轴比曲线如图15-2所示，在主波束辐射方向轴比低于3dB，圆极化效果良好。波束指向均与设计的方向十分吻合，辐射效果良好，从而论证了本发明中所提出的一种全向馈源天线的有效性。
因此，本发明的全向天线不仅能够向四周辐射出有效的电磁波，而且在结构上紧凑，简单，具有小型化的特点，与TE模态全息阻抗表面相结合，形成了具备双向辐射的通讯系统，具备广泛的应用前景。
尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。
Claims (9)
1.一种产生TE模态表面波的全向天线，其特征在于，所述全向天线包括介质基板，金属辐射层、金属地层、SMA微型连接器；
所述金属辐射层和金属地层分别位于介质基板的两侧表层；
所述金属辐射层包括一分四微带功率分配器、以及将半波长偶极子天线折叠后构成的平面折叠偶极子天线；
所述平面折叠偶极子天线有4个，在所述金属辐射层上的分布呈旋转对称；
每个平面折叠偶极子天线包括两个端口，分别为第一端口和第二端口；
所述金属地层为金属贴片，整体尺寸大于功率分配器尺寸四分之一个工作波长且小于介质基板，中间有孔，用于SMA微型连接器内芯穿过介质基板同一分四微带功率分配器中央处相连，一分四微带功率分配器交点处为馈电点，一分四微带功率分配器的每个分路微带臂上有一个端口，该端口与一个平面折叠偶极子天线的第一端口相连，平面折叠偶极子天线的第二端口通过介质基板上的金属化过孔连接到金属地层，金属地层同SMA微带连接器铜质外壁相连，构成整个能量信号的通路；
所述全向天线作为馈源天线用于TE模态全息阻抗表面中心，向四周辐射出电磁波，电磁波经全息阻抗表面上阻抗值呈正弦分布的标量阻抗单元调制，产生0°和180°的双向不同圆极化波束，所述标量阻抗单元由介质基板和单层方形金属贴片构成。
2.根据权利要求1所述的全向天线，其特征在于：
所述平面折叠偶极子天线包括弯折的天线臂，所述天线臂由长臂和短臂构成；
天线臂微带线宽至少为工作波长的二十分之一，长度至少为工作波长的三分之一，第一端口和第二端口间的间距至少为工作波长的二十分之一；
所述短臂与长臂间的间隔至少为工作波长的二十分之一。
3.根据权利要求1所述的全向天线，其特征在于：
所述金属地层的边长为长臂长度的1.2-1.4倍，所述金属地层与四个平面折叠偶极子天线整体间隔设定距离。
4.根据权利要求1所述的全向天线，其特征在于：
所述介质基板为介电常数为3.5、损耗角正切为0.0043的S7136H材质。
5.根据权利要求1所述的全向天线，其特征在于：
所述一分四微带功率分配器呈螺旋“十字”结构，且分路臂展路径拐角处采用切角、圆弧处理。
6.根据权利要求1所述的全向天线，其特征在于：
所述一分四微带功率分配器从四个端口的阻抗到中央满足阻抗匹配条件；所述阻抗匹配条件为中央处合路阻抗值与SMA微带连接器的接头阻抗值相匹配。
7.一种全向天线的应用装置，其特征在于：
所述装置包括TE模态全息阻抗表面、以及权利要求1-6任一所述的全向天线，所述全向天线和TE模态全息阻抗表面位于介质基板表层；
所述全向天线位于TE模态全息阻抗表面中心，向四周辐射出电磁波；所述TE模态全息阻抗表面中心之外，有大小不一的标量阻抗单元，所述标量阻抗单元的阻抗值呈正弦分布构成。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述标量阻抗单元为单层金属贴片。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述标量阻抗单元采用下述公式确定各个位置上的阻抗：
z＝jX·(1+M·real(Eobj·conj(ERef)))
其中，Eobj为期望辐射波束，ERef为馈源天线激发的参考波，表达式如下：
式中：kt为全向天线激发的表面波沿着阻抗表面传播的传播波数，k0为自由空间传播波数；(x，y)为标量阻抗单元的中心位置，(x0,y0)为全向天线相位中心，为设定的目标辐射波束传输方向，/>即为阵面上各单元位置与x轴坐标轴所成夹角；X为几何尺寸平均值所对应的平均阻抗，M为正弦调制深度，函数real()为取实部函数，函数conj()为取共轭函数；
根据上式计算，获得阻抗分布图，将阻抗分布映射到标量阻抗单元尺寸信息，从而得到阵面单元尺寸分布。
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Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110021824A (zh) * | 2019-04-12 | 2019-07-16 | 重庆大学 | 全息超表面天线的极化可重构方法 |
| CN111224241A (zh) * | 2019-12-24 | 2020-06-02 | 深圳市通用测试系统有限公司 | 水平极化全向天线及天线测试系统 |
| WO2020145429A1 (ko) * | 2019-01-09 | 2020-07-16 | 엘지전자 주식회사 | 안테나 모듈 및 이동단말기 |
| CN112736482A (zh) * | 2020-12-25 | 2021-04-30 | 电子科技大学 | 一种矩形波束赋形的全息人工阻抗表面 |
| CN112736483A (zh) * | 2020-12-25 | 2021-04-30 | 北京大学 | 一种极化可重构的二维波束扫描全息天线及其实现方法 |
| CN113809546A (zh) * | 2021-10-12 | 2021-12-17 | 西安电子科技大学 | 基于各向异性全息超表面的柱面共形圆极化涡旋波天线 |
| CN215644985U (zh) * | 2021-06-02 | 2022-01-25 | 深圳市信维通信股份有限公司 | 基于介质谐振器的增加带宽的天线结构及电子设备 |
| WO2022027950A1 (zh) * | 2021-01-28 | 2022-02-10 | 东南大学 | 毫米波双圆极化透镜天线及电子设备 |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2003081715A2 (en) * | 2002-03-05 | 2003-10-02 | Arizona Board Of Regents | Wave interrogated near field array system and method for detection of subwavelength scale anomalies |
| US7477204B2 (en) * | 2005-12-30 | 2009-01-13 | Micro-Mobio, Inc. | Printed circuit board based smart antenna |
| US9312602B2 (en) * | 2012-03-22 | 2016-04-12 | Hrl Laboratories, Llc | Circularly polarized scalar impedance artificial impedance surface antenna |
| US10985473B2 (en) * | 2019-08-30 | 2021-04-20 | City University Of Hong Kong | Dielectric resonator antenna |
| US11705634B2 (en) * | 2020-05-19 | 2023-07-18 | Kymeta Corporation | Single-layer wide angle impedance matching (WAIM) |
-
2022
- 2022-05-07 CN CN202210489410.1A patent/CN115036681B/zh active Active
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2020145429A1 (ko) * | 2019-01-09 | 2020-07-16 | 엘지전자 주식회사 | 안테나 모듈 및 이동단말기 |
| CN110021824A (zh) * | 2019-04-12 | 2019-07-16 | 重庆大学 | 全息超表面天线的极化可重构方法 |
| CN111224241A (zh) * | 2019-12-24 | 2020-06-02 | 深圳市通用测试系统有限公司 | 水平极化全向天线及天线测试系统 |
| CN112736482A (zh) * | 2020-12-25 | 2021-04-30 | 电子科技大学 | 一种矩形波束赋形的全息人工阻抗表面 |
| CN112736483A (zh) * | 2020-12-25 | 2021-04-30 | 北京大学 | 一种极化可重构的二维波束扫描全息天线及其实现方法 |
| WO2022027950A1 (zh) * | 2021-01-28 | 2022-02-10 | 东南大学 | 毫米波双圆极化透镜天线及电子设备 |
| CN215644985U (zh) * | 2021-06-02 | 2022-01-25 | 深圳市信维通信股份有限公司 | 基于介质谐振器的增加带宽的天线结构及电子设备 |
| CN113809546A (zh) * | 2021-10-12 | 2021-12-17 | 西安电子科技大学 | 基于各向异性全息超表面的柱面共形圆极化涡旋波天线 |
Non-Patent Citations (5)
| Title |
|---|
| A TE 01δ Mode Omnidirectional Dielectric Resonator Antenna Excited by a Special Configuration;Taolin Liu;IEEE Transactions on Antennas and Propagation;全文 * |
| 圆柱共形全向圆极化天线的设计与实现;张艳君;梁晓嘉;赵波;刘钦凯;;制造业自动化(第05期);全文 * |
| 林家栋 ; 马文韬 ; 钱祖平 ; 丁卫平 ; .短路针加载的紧凑型平面高增益全向天线.军事通信技术.2017,(第02期),全文. * |
| 马晓亮 ; 李雄 ; 郭迎辉 ; 赵泽宇 ; 罗先刚 ; .超构天线:原理、器件与应用.物理学报.2017,(第14期),全文. * |
| 高阻抗表面的反射特性研究;刘亚宁;郭宇;王素玲;;微型电脑应用(第12期);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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