CN115207637B - 一种基于相位梯度超表面的小型化单源多波束天线 - Google Patents

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Abstract

本发明属于多波束天线技术领域，具体涉及一种基于相位梯度超表面的小型化单源多波束天线。为解决现有多波束天线体积大波束宽的问题，本发明包括超表面层、上层介质基板、中间层介质基板、辐射贴片、馈电网络层、下层介质基板、接地板，其中超表面贴装于上层介质基板的上表面；辐射贴片贴装于中间层介质基板的下表面；馈电网络和接地板分别贴装于下层介质基板的上下表面；超表面、辐射贴片和馈电网络分别由空气层隔开；所述的超表面层由9×9的方环金属贴片组成，方环外径不变，内径逐渐减小形成相位梯度超表面；馈电网络层是由蚀刻有两组短路通孔的方形贴片组成；本发明适用于无线通信。

Description

一种基于相位梯度超表面的小型化单源多波束天线
技术领域
本发明属于多波束天线技术领域，具体涉及一种基于相位梯度超表面的小型化单源多波束天线。
背景技术
随着无线通信技术的迅速发展，多波束天线成为提高系统容量和频谱效率的关键。同时，它可以提供一种有效的方法减小同信道干扰的影响和提供更高的传输速率。
通常，多波束天线利用波束形成网络(BFN)进行馈电。一般可以分为两类：第一类是基于耦合器和移相器的有源微波器件，可以产生幅度和相位可调的信号，从而使得辐射阵列形成指向不同的多个波束。包括Bulter矩阵，Blass矩阵(L. Zhong, Y. Ban and J.Lian et al. Miniaturized SIW Multibeam Antenna Array Fed by Dual-layer 8×8Butler Matrix. IEEE Antennas Wireless Propag. Lett., vol. 16, pp. 3018–3021,2017.)；第二类是基于准光学原理的透镜形式，利用透镜的聚焦和反射特性实现对电磁波的调控(J. Lian, Y. Ban and H. Zhu et al. Reduced-sidelobe Multibeam ArrayAntenna Based on SIW Rotman Lens. IEEE Antennas Wireless Propag. Lett., vol.19, no. 1, pp. 188-192, Jan. 2020.)。然而，上述两种方法会增加由波束形成网络引起的插入损耗，同时天线体积较大，剖面较高，结构复杂。
鉴于此，有必要设计一种无波束形成网络的多波束天线，以满足无线通信的需要。
发明内容
本发明为解决现有多波束天线体积大波束宽的问题，提供了一种基于相位梯度超表面的小型化单源多波束天线。
为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：
一种基于相位梯度超表面的小型化单源多波束天线，包括从上而下依次设置的超表面层、上层介质基板、中间层介质基板，辐射贴片、馈电网络层、下层介质基板、接地板；
所述超表面层贴装于上层介质基板的上表面，所述上层介质基板和中间层介质基板之间设置有空气层，所述辐射贴片贴装于中间层介质基板的下表面，所述馈电网络层和接地板分别贴装于下层介质基板的上下表面，所述上层介质基板和馈电网络层之间设置有空气层；所述超表面层由N×N个方环贴片组成的相位梯度超表面，其中N为正整数；所述馈电网络层为蚀刻有内部短路通孔和外部短路通孔的方形贴片。
进一步，所述超表面层成中心对称，所述方环贴片的外径保持不变，内径从超表面层的中心开始，由内向外逐渐减小。
进一步，所述内部短路通孔和外部短路通孔围绕方形贴片的中心轴刻蚀。
与现有技术相比本发明具有以下优点：
本发明通过在上层介质基板上方加载相位梯度超表面层，实现了多波束辐射，辐射波束宽度得到改善；通过在馈电网络上蚀刻两组短路通孔，提高了天线增益；除此之外，在超表面和馈电网络中间增加辐射贴片层，降低了天线旁瓣；激励中心馈电端口可以产生四个不同指向的波束。通过设置空气层，进一步提高了天线增益，减小了波束的旁瓣电平，改善了波束的辐射特性。与传统的多波束天线相比，该天线不需要设计复杂的波束成形网络，通过使用超表面实现了多波束，结构简单，体积较小，波束较窄。
本发明结构合理、设计巧妙，天线具有高增益、低剖面和窄波束等特点，适用于无线通信。
附图说明
图1是本发明天线的结构示意图，其中，1-超表面层、2-上层介质基板、3-中间层介质基板、4-辐射贴片层、5-馈电网络层、6-下层介质基板、7-接地板、8-内部短路通孔、9-外部短路通孔、10-方形贴片；
图2是本发明在ϕ=0°平面不同超表面结构对应的辐射方向图；
图3是本发明在ϕ=0°平面不同通孔结构对应的辐射方向图；
图4是本发明采用不同通孔结构时的S 11示意图；
图5是本发明在ϕ=0°平面有无辐射贴片对应的辐射方向图；
图6是本发明内部短路通孔半径不同时对应的S 11示意图；
图7是本发明在ϕ=0°平面不同空气层高度对应的增益方向图；
图8是本发明的S参数示意图；
图9是本发明的增益示意图；
图10是本发明在ϕ=0°平面的辐射方向图；
图11是本发明在ϕ=90°平面的辐射方向图。
具体实施方式
实施例
如图1所示，一种基于相位梯度超表面的小型化单源多波束天线，包括从上而下依次设置的超表面层1、上层介质基板2、中间层介质基板3，辐射贴片4、馈电网络层5、下层介质基板6、接地板7；
所述超表面层1贴装于上层介质基板2的上表面，所述上层介质基板2和中间层介质基板3之间设置有厚度为h 1的空气层，所述辐射贴片4贴装于中间层介质基板3的下表面，所述馈电网络层5和接地板7分别贴装于下层介质基板6的上下表面，所述上层介质基板2和馈电网络层5之间设置有厚度为h c 的空气层；
所述超表面层1由N×N个方环贴片组成的相位梯度超表面，超表面层成中心对称，外径保持不变，内径从超表面层1的中心开始，由内向外逐渐减小，其中N为正整数；所述馈电网络层5为蚀刻有内部短路通孔8和外部短路通孔9的方形贴片10，所述内部短路通孔8和外部短路通孔9围绕方形贴片10的中心轴刻蚀。
具体实施时，空气层的厚度h 1为14.3 mm，h c为16.6 mm，N=9。
上层介质基板2、中间层介质基板3和下层介质基板6的材质为FR4-epoxy，大小分别为135×135 mm2、15×15 mm2和135×135 mm2。超表面层1、辐射贴片层4、馈电网络层5、接地板7和方形贴片10均为金属铜层。超表面层1的方环贴片外径大小a为13.5 mm，内径b 4、b 3、b 2、b 1、b 0分别为7.5 mm、7 mm、6.5 mm、6 mm及5.5 mm。接地板7的大小为135×135 mm2。方形贴片10的大小为54×54 mm2。
内部短路通孔8、外部短路通孔9的半径分别为r 1=1.2 mm 、r 2=2.8 mm。
图2所示为天线采用不同超表面结构对应的辐射方向图。曲线1、2、3分别表示无超表面、均匀超表面、相位梯度超表面三种情况。从图2可以看出：无超表面结构时，天线增益为4.28 dBi，主波束指向θ = 55°，3 dB波束宽度为55°。增加均匀方环超表面时，天线增益增加到7.12 dBi，波束宽度减小为18°，在θ = 15°方向的旁瓣电平减小到-9.14 dB。将均匀超表面替换为相位梯度超表面时，天线在θ = 15°方向的旁瓣电平进一步减小到-17.84dB，并且在θ = 100°的后向辐射减小。天线增益达到8.06 dBi，波束指向(θ, ϕ) = (57°,0°)、(57°, 90°)、(57°, 180°)、(57°, 270°)。
图3所示为天线采用不同通孔结构对应的辐射方向图。曲线1、2、3分别表示无短路通孔、加载内部短路通孔、加载内部和外部短路通孔。从图3可以看出：无短路通孔时，天线增益只有3.36 dBi。加载内部短路通孔，天线增益得到增加。当加载内部和外部短路通孔时，天线增益达到8.06 dBi。
图4所示为天线采用不同通孔结构对应的S 11示意图。曲线1、2、3分别表示无短路通孔、加载内部短路通孔、加载内部和外部短路通孔。从图4可以看出：无短路通孔时，天线在9.6 GHz处有一个窄带。加载内部短路通孔时，天线在9.8和10.6 GHz处有两个窄带。当加载内部和外部短路通孔时，天线的工作带宽扩展到0.88 GHz（9.74-10.62 GHz）。
图5所示为天线有无辐射贴片对应的辐射方向图。曲线1和2分别表示有辐射贴片和无辐射贴片。从图5可以看出：增加辐射贴片后，天线的增益从7.01 dBi增加到8.06 dBi，在θ = 0°方向的旁瓣电平从-5.3 dB降低到-13.22 dB。
图6所示为天线在不同内部短路通孔半径下的S 11示意图。曲线1、2、3和4分别表示半径r 1= 0.4 mm、0.8 mm、1.2 mm和1.6 mm。从图6可以看出：当r 1 = 0.4 mm时，天线在9.7GHz处有一个窄带。当r 1 = 0.8 mm和1.6 mm时，天线分别有两个分离的工作带宽。因此，选择r 1 = 1.2 mm，天线的-10 dB阻抗带宽为9.74-10.62 GHz。
图7所示为天线不同空气层高度对应的增益方向图。曲线1、2、3和4分别表示h c =14.6 mm、15.6 mm、16.6 mm和17.6 mm。从图7可以看出：当h c=14.6 mm和15.6 mm时，天线增益分别为4.38 dBi和6.14dBi。当h c = 16.6 mm时，主瓣增益达到8.06 dBi，第一旁瓣电平减小到-12.59 dB。继续增加空气层高度到17.6 mm，天线增益减小为7.67 dBi。因此，为了得到高增益，窄波束和低旁瓣电平的天线，最终选择h c = 16.6 mm。
图8所示为天线的S参数示意图，天线工作频率在10 GHz，-10 dB带宽为9.74 GHz-10.62 GHz。
图9所示为天线的增益图，工作频段内天线增益在2.85-8.06 dBi之间，10.18 GHz处达到最大值8.06 dBi。
图10所示为天线在10 GHz处ϕ = 0°平面的辐射方向图。曲线1表示天线的主极化，曲线2表示天线的交叉极化。从图10可以看出：波束指向(θ, ϕ) = (55°, 0°)、(-55°,0°)。
图11所示为天线在10 GHz处ϕ = 90°平面的辐射方向图。曲线1表示天线的主极化，曲线2表示天线的交叉极化。从图11可以看出：波束指向(θ, ϕ) = (55°, 0°)、(-55°,0°)，天线交叉极化电平低于-27.08 dB。

Claims (1)

1.一种基于相位梯度超表面的小型化单源多波束天线，其特征在于，包括从上而下依次设置的超表面层（1）、上层介质基板（2）、中间层介质基板（3），辐射贴片（4）、馈电网络层（5）、下层介质基板（6）、接地板（7）；
所述超表面层（1）贴装于上层介质基板（2）的上表面，所述上层介质基板（2）和中间层介质基板（3）之间设置有空气层，所述辐射贴片（4）贴装于中间层介质基板（3）的下表面，所述馈电网络层（5）和接地板（7）分别贴装于下层介质基板（6）的上下表面，所述上层介质基板（2）和馈电网络层（5）之间设置有空气层；所述超表面层（1）由N×N个方环贴片组成的相位梯度超表面，其中N为正整数；所述馈电网络层（5）为蚀刻有内部短路通孔（8）和外部短路通孔（9）的方形贴片（10）；
所述超表面层（1）成中心对称，所述方环贴片的外径保持不变，内径从超表面层（1）的中心开始，由内向外逐渐减小；
所述内部短路通孔（8）和外部短路通孔（9）围绕方形贴片（10）的中心轴刻蚀。
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