CN115441205B - 基于超表面的高增益宽带圆极化滤波天线及通信设备 - Google Patents

基于超表面的高增益宽带圆极化滤波天线及通信设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于超表面的高增益宽带圆极化滤波天线及通信设备，该天线包括超表面结构、第一介质板、第二介质板、第三介质板、馈电探针、短路金属柱、辐射结构、耦合结构、金属地板和激励端口；第一介质板、第二介质板和第三介质板从上到下依次层叠设置，超表面结构设置在第一介质板的上表面，辐射结构设置在第二介质板的上表面，耦合结构设置在第三介质板的上表面，金属地板设置在第三介质板的下表面，馈电探针的一端穿过第三介质板与激励端口相连，馈电探针的另一端穿过第二介质板与辐射结构接触，同时馈电探针与耦合结构接触，所述短路金属柱的两端分别与辐射结构、金属地板相连。本发明天线具有结构简单、高增益、宽频带和低剖面的优点。

Description

基于超表面的高增益宽带圆极化滤波天线及通信设备
技术领域
本发明涉及一种滤波天线，尤其是一种基于超表面的高增益宽带圆极化滤波天线及通信设备，属于无线通信技术领域。
背景技术
随着无线通信技术的快速发展，天线作为射频前端的重要组成部分，正朝着小体积、低剖面和多功能方向发展。滤波天线由于具有紧凑的结构，低损耗和良好的频率选择性等优点，近年来受到业内的广泛关注。为了使天线实现滤波特性，最直接的设计方法是将滤波器集成到天线的馈电网络中，但是这种方法需要设计单独的滤波电路，因此占用较大的空间。为了实现集成化和小型化设计，目前多采用将滤波器与天线协同设计的结构。该结构可以降低天线的复杂度，进一步实现射频系统的小型化，具有重要的应用价值。
然而目前大多数的滤波天线主要辐射线极化波，圆极化天线可以接收任意方向的线极化波，同时减小极化失配，抑制多径衰落，在卫星通信、射频识别和导航系统中取得了广泛的应用。
2018年华南理工大学章秀银教授等人在IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS ANDPROPAGATION上发表了题为“High-Gain Filtering Patch Antenna Without ExtraCircuit”的文章，该文章采用层叠的微带贴片结构实现了滤波特性，但该天线只辐射线极化波。
2019年Yan-Ting Liu和Kwok Wa Leung在IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS ANDPROPAGATION上发表了题为“Linearly and Circularly Polarized FilteringDielectric Resonator Antennas”的文章，该文章采用介质谐振天线实现了线极化及圆极化滤波天线，但是该天线剖面较高，且轴比带宽仅为4.1%，增益较低。
中国专利文献CN110600875B提出了一种具有高选择性的低剖面圆极化滤波天线，该发明采用方形贴片作为辐射结构，实现的阻抗带宽范围为1.91-2.07GHz (8%)，轴比带宽为1.94-2.02GHz (4%)。然而该天线工作带宽较窄，增益较低。
目前结构简单、兼具宽带圆极化特性和高增益的滤波天线在现有技术中较少涉及。因此为了获得高增益、宽带宽的圆极化滤波天线，本发明提出了一种基于超表面的高增益宽带圆极化滤波天线，该天线采用超表面结构不仅使天线在高频获得增益零点，且展宽了传统圆极化天线带宽，天线采用圆极化特性和滤波特性协同设计的方式，具有简单的天线结构及较高的天线增益。
目前此领域大多是线极化滤波天线，具备宽带功能的滤波天线大多只辐射线极化波；滤波天线实现圆极化的方法较为复杂，需要额外的馈电结构才能够实现圆极化特性；圆极化滤波天线的带宽包括阻抗带宽、圆极化带宽及增益带宽较窄，难以满足宽带无线通信系统需求；传统单层的圆极化滤波天线增益较低，口径效率不高。
大多数滤波天线只辐射线极化波，滤波天线实现圆极化的结构较为复杂，需要额外的馈电结构；圆极化滤波天线的工作带宽较窄，难以满足宽带无线通信系统需求；单层圆极化天线增益较低，口径效率不高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供了一种基于超表面的高增益宽带圆极化滤波天线，该天线具有结构简单、高增益、宽频带和低剖面的优点。
本发明的另一目的在于提供一种包含上述高增益宽带圆极化滤波天线的通信设备。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种基于超表面的高增益宽带圆极化滤波天线，包括超表面结构、第一介质板、第二介质板、第三介质板、馈电探针、短路金属柱、辐射结构、耦合结构、金属地板和激励端口；
所述第一介质板、第二介质板和第三介质板从上到下依次层叠设置，所述超表面结构设置在第一介质板的上表面，所述辐射结构设置在第二介质板的上表面，所述增益结构设置在第三介质板的上表面，所述金属地板设置在第三介质板的下表面，所述馈电探针的一端穿过第三介质板与激励端口相连，馈电探针的另一端穿过第二介质板与辐射结构接触，同时馈电探针与耦合结构接触，所述短路金属柱的两端分别与辐射结构、金属地板相连。
进一步的，所述超表面结构包括第一类金属贴片、第二类金属贴片和第三类金属贴片，所述第一类金属贴片、第二类金属贴片和第三类金属贴片组成一个4*4的超表面结构。
进一步的，所述第一类金属贴片为四个，四个第一类金属贴片分布在超表面结构的四个顶角；
所述第二类金属贴片为八个，八个第二类金属贴片分布在超表面结构的四周；
所述第三类金属贴片为四个，四个第二类金属贴片分布在超表面结构的中间。
进一步的，所述第一类金属贴片和第三类金属贴片为方形贴片，且第一类金属贴片的尺寸大于第三类金属贴片的尺寸，所述第二类金属贴片为矩形贴片，第二类金属贴片在水平方向上的长度与第三类金属贴片的边长相同，第二类金属贴片在垂直方向上的长度与第一类金属贴片的边长相同。
进一步的，所述辐射结构为辐射贴片，所述辐射贴片位于第二介质板上表面的中心位置。
进一步的，所述辐射贴片包括贴片本体和枝节，所述枝节加载在贴片本体上。
进一步的，所述贴片本体为一组对角被切除的正方形结构，所述枝节为矩形结构。
进一步的，所述耦合结构为金属贴片。
进一步的，所述耦合结构包括两个竖直部和一个水平部，所述水平部的两端分别与两个竖直部的一端相连，形成U形结构。
本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种通信设备，包括上述的高增益宽带圆极化滤波天线。
本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：
本发明采用引入超表面结构的方法，使得天线的工作带宽得到大幅度提升，阻抗带宽、轴比带宽和增益带宽均优于现有技术，超表面结构可以有效改善天线表面电流分布，从而提升天线增益，提升天线口径效率，且在工作频带内增益浮动小，具有平坦的增益和较宽的增益带宽，与现有具备宽带性能的滤波天线大多只辐射线极化波相比，本发明不需要额外的馈电结构即可实现圆极化特性，设计方法简单，结构紧凑；此外，本发明在未引入额外滤波电路的前提下，同时实现良好的滤波特性，可有效减小插入损耗，降低设计复杂性，且可通过调节超表面结构和U形结构的金属贴片尺寸独立调整各增益零点频率，设计自由度高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明实施例的基于超表面的高增益宽带圆极化滤波天线的结构示意图。
图2为本发明实施例的基于超表面的高增益宽带圆极化滤波天线的超表面结构示意图。
图3为本发明实施例的基于超表面的高增益宽带圆极化滤波天线的辐射结构示意图。
图4为本发明实施例的基于超表面的高增益宽带圆极化滤波天线的俯视示意图。
图5为本发明实施例的基于超表面的高增益宽带圆极化滤波天线的|S11|曲线仿真及对比图。
图6为本发明实施例的基于超表面的高增益宽带圆极化滤波天线的轴比曲线仿真及对比图。
图7为本发明实施例的基于超表面的高增益宽带圆极化滤波天线的增益曲线仿真及对比图。
图8为本发明实施例的基于超表面的高增益宽带圆极化滤波天线在4.95 GHz处的辐射方向图。
图9为本发明实施例的基于超表面的高增益宽带圆极化滤波天线在5.85 GHz处的辐射方向图。
其中，100-超表面结构，101-第一类金属贴片，102-第二类金属贴片，103-第三类金属贴片，201-第一介质板，202-第二介质板，203-第三层介质板，301-馈电探针，302-短路金属柱，400-辐射结构，401-贴片本体，402-枝节，500-耦合结构，600-金属地板，700-激励端口。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例：
如图1所示，本实施例提供了一种基于超表面的高增益宽带圆极化滤波天线，该天线能够应用于各种通信设备中，其包括超表面结构100、第一介质板201、第二介质板202、第三介质板203、馈电探针301、短路金属柱302、辐射结构400、耦合结构500、金属地板600和激励端口700。
本实施例中，第一介质板201、第二介质板202和第三介质板203从上到下依次层叠设置，构成三层介质板结构，超表面结构100设置在第一介质板201的上表面，辐射结构400设置在第二介质板202的上表面，耦合结构500设置在第三介质板203的上表面，金属地板600设置在第三介质板203的下表面，馈电探针301的一端穿过第三介质板203与激励端口700相连，馈电探针301的另一端穿过第二介质板202与辐射结构400接触，同时馈电探针301与耦合结构500接触并与激励端口700相连，短路金属柱302的两端分别与辐射结构400、金属地板600相连。
本实施例通过在辐射贴片400的上方引入超表面结构100，使得在天线高频获得第一个增益零点，且在未引入馈电结构的前提下，大幅度提升天线的工作带宽；其次通过在辐射结构400的下方引入耦合结构500，可以在高频获得第二个增益零点；最后通过短路金属柱302使辐射结构400与金属地板600相连，在低频带获得第三个增益零点；该天线通过激励端口700进行馈电，能量通过馈电探针301传输至辐射结构400，由辐射结构400将能量进行辐射。
如图1和图2所示，超表面结构100包括第一类金属贴片101、第二类金属贴片102和第三类金属贴片103，其中第一类金属贴片101和第三类金属贴片103为方形贴片，且位于四个顶角的第一类金属贴片101尺寸比位于中心的第三类金属贴片103尺寸大，第二类金属贴片102为矩形贴片，其在x轴方向（水平方向）上的长度与第三类金属贴片103的边长相同，其在y轴方向（垂直方向）上的长度与第一类金属贴片101的边长相同，采用不同尺寸的金属贴片组合可以调节滤波天线在高频的增益零点频率，以获得较高的设计自由度；第一类金属贴片101、第二类金属贴片和第三类金属贴片组成一个4*4的超表面结构，其通过印刷的方式设置在第一介质板201的上表面。
进一步地，第一类金属贴片101为四个，四个第一类金属贴片101分布在超表面结构100的四个顶角；第二类金属贴片102为八个，八个第二类金属贴片102分布在超表面结构100的四周；第三类金属贴片103为四个，四个第二类金属贴片103分布在超表面结构100的中间。
如图1和图3所示，辐射结构400为辐射贴片，辐射贴片通过印刷的方式设置在第一介质板201的上表面，且辐射贴片位于第二介质板202上表面的中心位置，具体地，辐射贴片包括贴片本体401和枝节402，枝节402加载在贴片本体401上，其中贴片本体401为一组对角被切除的正方形结构，用于激发出两个振幅相等、相位差为90°的正交模式，从而在低频实现圆极化辐射；枝节402为矩形结构，用于调节滤波天线阻抗匹配，以获得较宽的阻抗带宽；辐射结构400通过短路金属柱302连接至金属地板600，其中短路金属柱302贯穿第二介质板202和第三介质板203与金属地板600接触。
本实施例中，耦合结构500为金属贴片，金属贴片通过印刷的方式设置在第三介质板203的上表面，该金属贴片包括两个竖直部和一个水平部，水平部的两端分别与两个竖直部的一端相连，形成U形结构。
如图4所示，本实施例的第一介质板201、第二介质板202、第三介质板203均为正方体，其边长G为36.0mm，第一介质板201厚度为1.524mm，第二介质板202和第三介质板203的厚度均为1.0mm，第一类金属贴片101和第三类金属贴片103均为正方形，其边长分别为W 2和W 1，第二类金属贴片102的长度为W 1，宽度为W 2，其中W 1为7.8mm，W 2为8.0mm，各类金属贴片之间的间距g为0.9mm，贴片本体401为一组对角被切除的正方形贴片，其边长W p 为13.5mm，切角长度W c 为6.75mm，枝节402为矩形结构，其长度W f 为2.0mm，宽度l f 为2.5mm，馈电探针301距离贴片本体401中心的距离d为5mm，短路金属柱302距离贴片本体401中心的距离p为5mm，耦合结构500的水平部分长度l 1为3.8mm，垂直部分长度l 2为5.0mm。
如图5、图6和图7所示，为本实施例的高增益宽带圆极化滤波天线仿真结果及对比曲线，对比的天线为仅放置辐射结构400的单层圆极化天线，即在第二介质板202上表面仅蚀刻辐射结构400的天线结构，采用馈电探针301进行馈电；参照图5，图6、图7，当引入超表面结构100、耦合结构500和短路金属柱302后，本实施例的高增益宽带圆极化滤波天线的阻抗带宽和轴比带宽均得到提升，该天线的|S11|低于10dB的频段范围为4.75 GHz-5.75GHz，-10dB阻抗带宽为19%，轴比低于3dB的频段范围为4.7 GHz-6.1GHz，3dB轴比带宽为25.9%，天线的最大增益为5.25 GHz处的7.16 dBic，在工作频带外可以看到明显的带外抑制效果。如图8和图9所示，为本实施例的高增益宽带圆极化滤波天线在4.95 GHz和5.85GHz的辐射方向图，从图中可以看出本实施例的高增益宽带圆极化滤波天线具有良好的左旋圆极化特性和较低的交叉极化水平。
综上所述，本发明采用引入超表面结构的方法，使得天线的工作带宽得到大幅度提升，阻抗带宽、轴比带宽和增益带宽均优于现有技术，超表面结构可以有效改善天线表面电流分布，从而提升天线增益，提升天线口径效率，且在工作频带内增益浮动小，具有平坦的增益和较宽的增益带宽，与现有具备宽带性能的滤波天线大多只辐射线极化波相比，本发明不需要额外的馈电结构即可实现圆极化特性，设计方法简单，结构紧凑；此外，本发明在未引入额外滤波电路的前提下，同时实现良好的滤波特性，可有效减小插入损耗，降低设计复杂性，且可通过调节超表面结构和U形结构的金属贴片尺寸独立调整各增益零点频率，设计自由度高。
以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于超表面的高增益宽带圆极化滤波天线，其特征在于，包括超表面结构、第一介质板、第二介质板、第三介质板、馈电探针、短路金属柱、辐射结构、耦合结构、金属地板和激励端口；
所述第一介质板、第二介质板和第三介质板从上到下依次层叠设置，所述超表面结构设置在第一介质板的上表面，所述辐射结构设置在第二介质板的上表面，所述耦合结构设置在第三介质板的上表面，所述金属地板设置在第三介质板的下表面，所述馈电探针的一端穿过第三介质板与激励端口相连，馈电探针的另一端穿过第二介质板与辐射结构接触，同时馈电探针与耦合结构接触，所述短路金属柱的两端分别与辐射结构、金属地板相连；
所述超表面结构包括第一类金属贴片、第二类金属贴片和第三类金属贴片，所述第一类金属贴片、第二类金属贴片和第三类金属贴片组成一个4*4的超表面结构；所述第一类金属贴片为四个，四个第一类金属贴片分布在超表面结构的四个顶角；所述第二类金属贴片为八个，八个第二类金属贴片分布在超表面结构的四周；所述第三类金属贴片为四个，四个第二类金属贴片分布在超表面结构的中间；所述第一类金属贴片和第三类金属贴片为方形贴片，且第一类金属贴片的尺寸大于第三类金属贴片的尺寸，所述第二类金属贴片为矩形贴片，第二类金属贴片在水平方向上的长度与第三类金属贴片的边长相同，第二类金属贴片在垂直方向上的长度与第一类金属贴片的边长相同。
2.根据权利要求1所述的高增益宽带圆极化滤波天线，其特征在于，所述辐射结构为辐射贴片，所述辐射贴片位于第二介质板上表面的中心位置。
3.根据权利要求2所述的高增益宽带圆极化滤波天线，其特征在于，所述辐射贴片包括贴片本体和枝节，所述枝节加载在贴片本体上。
4.根据权利要求3所述的高增益宽带圆极化滤波天线，其特征在于，所述贴片本体为一组对角被切除的正方形结构，所述枝节为矩形结构。
5.根据权利要求1所述的高增益宽带圆极化滤波天线，其特征在于，所述耦合结构为金属贴片。
6.根据权利要求5所述的高增益宽带圆极化滤波天线，其特征在于，所述耦合结构包括两个竖直部和一个水平部，所述水平部的两端分别与两个竖直部的一端相连，形成U形结构。
7.一种通信设备，其特征在于，包括权利要求1-6任一项所述的高增益宽带圆极化滤波天线。
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