CN115036687B - 一种基于蝶形超表面的高辐射特性天线 - Google Patents

一种基于蝶形超表面的高辐射特性天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于蝶形超表面的高辐射特性天线，属于射频天线技术领域，在传统微带贴片基础上，在辐射体上加载超表面结构，利用特殊设计的渐变超表面结构实现天线辐射波束的汇聚，基于小型化的蝶形超表面结构及其相位调节特性使天线在具备小型化特点时，具有更强的方向性，提升天线增益。

Description

一种基于蝶形超表面的高辐射特性天线
技术领域
本发明属于射频天线技术领域，具体涉及一种基于蝶形超表面的高辐射特性天线。
背景技术
无线通讯系统应用于目标探测，需要天线的波束具有高增益特性，这是射频天线技术领域中至关重要的研究方向。超表面具有幅相调控的功能，可以实现电磁波的增益提升、方向偏转等，天线通过加载超表面的方式可以改变天线波束。
目前，基于超表面的天线实现增益提升方面有相关研究文献，如中国发明专利CN109462022A、CN110085997A、CN110165400A、CN110459864A以及CN113540810A。但是，基于超表面加载的天线在小型化的同时实现高增益波束不足。具体地，专利 CN109462022A公开了一种共面波导馈电的宽带超表面天线，其包括第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板、电磁超表面部分、激励层部分和短路反射地板部分，利用超表面的缝隙实现天线辐射，通过周期超表面阵列的加载拓展天线工作带宽，其微带加载的蝶形馈电缝隙用于超表面的耦合激励，但是其蝶形缝隙主要用于展宽馈电端口工作带宽。专利 CN110459864A公开了一种基于介质贴片的超表面宽带天线，包括顶层天线辐射体、第二层金属结构、底层金属结构，各层结构之间设置介质层；顶层天线辐射体包括位于中央的第一矩形介质贴片，对称分布在第一矩形介质贴片两侧的第二矩形介质贴片，以及对称分布在每个第二矩形介质贴片外侧的条形介质贴片，第一矩形介质贴片与第二矩形介质贴片的尺寸不同；第二层金属结构是加载对称条状双槽的金属地；底层金属结构是天线的馈线。该专利虽然有效拓展了介质贴片天线带宽，但带内增益较少。专利CN110165400A公开了一种集成基片间隙波导馈电缝隙耦合超表面线极化天线，采用四层介质板构成，第一介质板上表面有周期排列的方形贴片，形成超表面辐射结构；第二介质板上表面有第一敷铜层，下表面印刷微带馈线，形成类波导结构传输能量，通过在第一敷铜层上蚀刻的矩形缝隙，将能量耦合至方形贴片；第三介质板为空白介质板，用来分隔第二介质板和第四介质板；第四介质板上表面印刷有圆形贴片，其上打金属过孔，下表面为第二敷铜层，共同组成蘑菇状电磁带隙结构，增加电路的屏蔽性。该专利将矩形超表面单元直接作为辐射体，虽然在毫米波段具有较宽的带宽及较高的增益，但由于馈电采用了矩形波导结构，只能工作于单极化，限制了应用。专利CN113540810A公开了一种开口矩形环加载的微带缝隙耦合超表面天线，包括超表面结构层和馈电接地层，超表面结构层包括超表面介质基板以及设置在超表面介质基板表面上的开口矩形环和贴片层单元，馈电接地层包括馈电介质基板、接地金属板和金属馈电微带线。该专利的超表面阵列主要用于实现天线的圆极化工作。专利CN110085997A公开了一种利用超表面覆盖层的MIMO天线阵，包括超表面覆盖层和天线阵层，超表面覆盖层包括上覆盖层和超表面介质层，天线阵层包括金属贴片层、天线电介质层和金属地板层，天线介质层设置于金属贴片层与金属地板层之间，超表面覆盖层与天线阵层之间设置空气层，并由支撑结构将超材料覆盖层与天线阵层分离。该专利不需要改变原有的微带天线阵，将超表面覆盖层直接加载在原有的微带天线阵上即可实现解耦，且其解耦特性不受天线阵元影响，可以在天线阵元相距很近时取得良好的解耦效果，但其难以有效提升天线增益，也不具有更强的方向性。
综上所述，如何使天线在具备小型化特点同时，增强天线的方向性并提升天线增益，该问题有待解决。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于蝶形超表面的高辐射特性天线，在传统微带贴片基础上，在辐射体上加载超表面结构，利用特殊设计的渐变超表面结构实现天线辐射波束的汇聚，基于小型化的蝶形超表面结构及其相位调节特性使天线在具备小型化特点时，具有更强的方向性，提升天线增益。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明提供一种基于蝶形超表面的高辐射特性天线，该天线由辐射体和超表面结构组成，该辐射体采用贴片结构，该超表面结构以距离h置于该辐射体的一侧；其中，该辐射体包括贴片(1)、介质层(2)、金属层(3)和同轴线(4)，该介质层(2)为聚合物材料，该贴片(1)和金属层(3)位于该介质层(2)的两侧，并采用同轴线(4)馈电；该超表面结构包括第一层贴片层(5)、第一层介质层(6)、缝隙层(7)、第二层介质层(8)和第二层贴片层(9)，其中贴片层(5)与贴片层(9)相同，均为金属贴片周期阵列；介质层(6)与介质层(8)相同，均为聚合物材料；贴片层(5)由蝶形贴片单元组成，蝶形贴片单元为轴对称图案，其中的四分之一图案由两个正方形相叠构成；该缝隙层(7)由金属中镂空的蝶形缝隙单元组成，蝶形缝隙单元为轴对称图案。
进一步地，超表面结构的金属贴片周期阵列是指第一层贴片层(5)、缝隙层(7)和第二层贴片层(9)这三层均采用正方形周期排列，周期间距为
Figure 1
其中c为光速，f为工作频点。
进一步地，缝隙层(7)的单元尺寸为定值；第一层贴片层(5)的单元尺寸呈现规律变化，即从阵列中心至阵列边缘单元尺寸逐渐减小，阵列中心为相位零点，越到阵列边缘相位越大。
进一步地，贴片(1)为长方形，长边为
Figure BDA0003707505570000031
短边为/>
Figure BDA0003707505570000032
其中c＝3*108m/s 为光速，f为工作频点。通过对贴片(1)尺寸的限定，使天线工作在f频点。
进一步地，第一层贴片层(5)中的正方形边长为a＝0.16j～0.17j，相叠间距为b＝0.33a，蝶形贴片单元的长度为
Figure BDA0003707505570000033
进一步地，缝隙层(7)的的蝶形缝隙单元的外框边长为
Figure BDA0003707505570000034
蝶形长边为/>
Figure BDA0003707505570000035
蝶形短边为g＝0.25e～0.27e，缝隙宽度为p＝0.07d～0.1d，其中c为光速，f为工作频点。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明设计了蝶形超表面结构，超表面单元采用蝶形缝隙及贴片，一方面相同工作频率下曲折蝶形比方形的尺寸小，因此有利于缩小单元尺寸；另一方面，其轴对称特性以及阵列排布的轴对称特性也有利于改善双极化工作特性。蝶形超表面结构仅通过相位渐变的小规模周期排布，与辐射体匹配结合，便可实现高增益辐射特性，该天线在具备小型化特点的同时，具有更强的方向性。其中，对蝶形超表面结构中的周期间距进行精心设计，实现紧密的周期排列，增强天线的辐射特性。设计第一层贴片层的单元尺寸呈现规律变化的原因在于，电磁波经过非连续相位超表面能够改变波束方向，超表面微结构尺寸变化使相位具有非连续性，将超表面相位从内到外分布成相位递增，可以实现电磁波的汇聚，使辐射体增益提升。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于超表面的高辐射特性天线侧视图；
图2为辐射体的贴片一侧的俯视图；
图3为构成第一层贴片层的蝶形贴片单元俯视图；
图4为构成缝隙层的蝶形缝隙单元俯视图；
图5为第一层贴片层呈现的周期阵列俯视图；
图6为本发明实施例提供的一种基于超表面的高辐射特性天线驻波比图；
图7为本发明实施例提供的一种基于超表面的高辐射特性天线增益方向图。
具体实施方式
为使本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图作详细说明如下。
本实施例提供一种基于蝶形超表面的高辐射特性天线，该天线的相关尺寸数据采用最佳尺寸，以获得一种最佳性能的天线。如图1所示，标号2、6、8均为聚合物材料，介电常数为3.2。标号1、3、5、7、9为金属铜。超表面结构以距离h＝43.8mm置于贴片结构的一侧。
如图2所示，贴片为长方形，长边为j＝12.9mm，短边为k＝8.7mm。
如图3所示，蝶形贴片尺寸1中，正方形边长为a＝2.1mm，相叠间距为b＝0.7mm，蝶形贴片单元的长度为i＝6.5mm。蝶形贴片尺寸2中，正方形边长为a＝1.78mm，相叠间距为b＝0.6 mm，蝶形贴片单元的长度为i＝5.5mm。蝶形贴片尺寸3中，正方形边长为a＝1.5mm，相叠间距为b＝0.5mm，蝶形贴片单元的长度为i＝4.7mm。
如图4所示，蝶形缝隙单元均相同，外框边长为d＝7.5mm，蝶形长边为e＝6.5mm，蝶形短边为g＝1.7mm，缝隙宽度为p＝0.6mm。
如图5所示，以号码MN表示第M行第N列个单元。单元23、单元32、单元33、单元 34、单元43相同，为蝶形贴片尺寸1。单元22、单元24、单元31、单元35、单元42、单元 44相同，为蝶形贴片尺寸2。单元11、单元12、单元13、单元14、单元15、单元21、单元 25、单元41、单元45、单元51、单元52、单元53、单元54、单元55相同，为蝶形贴片尺寸3。
图6为本实施例提供的一种基于蝶形超表面的高辐射特性天线驻波比仿真结果，通过图 6中的曲线可以看到，在7.7GHz-8.3GHz的频带内，电压驻波比≤2。图7为本实施例提供的一种基于蝶形超表面的高辐射特性天线增益方向图仿真结果，通过图7中可以看到在8GHz，天线增益9.37dB，可知通过仿真优化出的最佳尺寸，在8GHz天线的电压驻波比和增益均为最佳仿真结果。由仿真结果可知，本发明提供的基于蝶形超表面的高辐射特性天线，其驻波比和增益良好。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。
虽然本发明已以实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，本领域的普通技术人员对本发明的技术方案进行的适当修改或者等同替换，均应涵盖于本发明的保护范围内，本发明的保护范围以权利要求所限定者为准。

Claims (6)

1.一种基于蝶形超表面的高辐射特性天线，其特征在于，该天线由辐射体和超表面结构组成，该辐射体采用贴片结构，该超表面结构以距离h置于该辐射体的一侧；其中，该辐射体包括贴片(1)、介质层(2)、金属层(3)和同轴线(4)，该介质层(2)为聚合物材料，该贴片(1)和金属层(3)位于该介质层(2)的两侧，并采用同轴线(4)馈电；该超表面结构包括第一层贴片层(5)、第一层介质层(6)、缝隙层(7)、第二层介质层(8)和第二层贴片层(9)，其中第一层贴片层(5)与第二层贴片层(9)相同，均为金属贴片周期阵列；第一层介质层(6)与第二层介质层(8)相同，均为聚合物材料；第一层贴片层(5)由蝶形贴片单元组成，蝶形贴片单元为轴对称图案，其中的四分之一图案由两个正方形相叠构成；该缝隙层(7)由金属中镂空的蝶形缝隙单元组成，蝶形缝隙单元为轴对称图案。
2.如权利要求1所述的基于蝶形超表面的高辐射特性天线，其特征在于，超表面结构的金属贴片周期阵列是指第一层贴片层(5)、缝隙层(7)和第二层贴片层(9)这三层均采用正方形周期排列，周期间距为
Figure FDA0004205909490000011
其中c为光速，f为工作频点。
3.如权利要求2所述的基于蝶形超表面的高辐射特性天线，其特征在于，第一层贴片层(5)的单元尺寸从阵列中心至阵列边缘单元尺寸逐渐减小，阵列中心为相位零点，越到阵列边缘相位越大。
4.如权利要求1所述的基于蝶形超表面的高辐射特性天线，其特征在于，贴片(1)为长方形，长边为
Figure FDA0004205909490000012
短边为/>
Figure FDA0004205909490000013
其中c为光速，f为工作频点。
5.如权利要求4所述的基于蝶形超表面的高辐射特性天线，其特征在于，第一层贴片层(5)中的正方形边长为a＝0.16j～0.17j，相叠间距为b＝0.33a，蝶形贴片单元的长度为i＝
Figure FDA0004205909490000014
6.如权利要求1或2所述的基于蝶形超表面的高辐射特性天线，其特征在于，缝隙层(7)的蝶形缝隙单元的外框边长为
Figure FDA0004205909490000015
蝶形长边为/>
Figure FDA0004205909490000016
蝶形短边为g＝0.25e～0.27e，缝隙宽度为p＝0.07d’～0.1d’，其中c为光速，f为工作频点。
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