CN115548689B - 一种多模谐振的低剖面宽带超表面天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多模谐振的低剖面宽带超表面天线，该天线包括由上至下依次设置的上层超表面辐射结构、上层介质基板、中间层接地板、下层介质基板及下层微带馈电结构；其中上层超表面辐射结构由9个矩形贴片组成，9个矩形贴片尺寸大小、距离都不同从而实现对表面电流的调节；位于四角的四个矩形贴片刻蚀两条缝隙从而被分成三部分，每一部分都是大小相等的矩形贴片，用以缩短电流路径，从而将不需要的辐射模式从目标带宽内移除，使带宽内的增益稳定；中间层接地板刻蚀一条矩形缝隙；下层微带馈电结构为类似叉形的馈电结构，并通过中间层的缝隙对上层辐射结构进行馈电。本发明天线具有多个谐振点，具有频带宽、剖面低、增益稳定的优点。

Description

一种多模谐振的低剖面宽带超表面天线
技术领域
本发明涉及射频天线技术领域，特别是一种多模谐振的低剖面宽带超表面天线。
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，对通信系统容量的要求不断提高，为了提高通信系统容量，避免信道拥塞和干扰的，对天线性能的要求也不断提高。原有的窄带天线不能满足天线现代通信系统的要求，若使用多副天线实现上述目的会造成天线成本高，多天线之间相互干扰等问题，反而降低天线通信质量。多模谐振的宽带低剖面天线能够解决带宽窄、制作成本高等问题。
低剖面微带天线具有重量轻，制作简单成本低，能与载体共形等优势，缺点是带宽窄，随着超表面的天线提出，为解决微带天线存在的问题提供了新的思路。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单、容易实现的多模谐振的宽带低剖面超表面天线，旨在解决现有的低剖面微带天线带宽窄，增益不稳定等问题。
实现本发明目的的技术解决解决方案为：一种多模谐振的低剖面宽带超表面天线，包括由上至下依次设置的上层超表面辐射结构、上层介质基板、中间层接地板、下层介质基板及下层微带馈电结构，其中：
所述超表面辐射结构包括第一矩形贴片、第二矩形贴片、第三矩形贴片、第四矩形贴片、第五矩形贴片、第六矩形贴片、第七矩形贴片、第八矩形贴片、第九矩形贴片，以第五矩形贴片为中心设置贴片排布，左上角为第一矩形贴片，右上角为第二矩形贴片，左下角为第三矩形贴片，右下角为第四矩形贴片；第五矩形贴片右侧为第六矩形贴片、左侧为第七矩形贴片；第五矩形贴片上方为第八矩形贴片，下方为第九矩形贴片；
所述上层介质基板连接超表面辐射结和中间层接地板；
所述中间层接地板平铺在整个下层介质基板的上表面，并在中间层接地板中央蚀刻一个矩形缝隙；
所述下层介质基板连接中间层接地板和下层微带馈电结构；
所述下层微带馈电结构用于为上层超表面辐射结构馈电，下层微带馈电结构由第十金属片、第十一金属片、第十二金属片、第十三金属片组成，第十金属片从下层介质基板右侧边沿向中心处延伸，在第十金属片中心处一端设置与第十金属片平行的第十一金属片和第十二金属片，这两个金属片大小相同并关于第十金属片对称，第十一金属片和第十二金属片通过与二者垂直设置的第十三金属片连接至第十金属片，组成一个叉形微带线，激励目标辐射模式。
作为一种具体示例，上层介质基板、金属接地板、下层介质基板的形状和大小相同。
作为一种具体示例，上层超表面辐射结构的第一～第四矩形贴片完全相同，且在第一～第四矩形贴片上分别蚀刻两条矩形缝隙将各矩形贴片自身分成三个大小完全一样的矩形贴片子单元，用于截断电流，缩短电流路径。
作为一种具体示例，所述上层超表面辐射结构的第六矩形贴片、第七矩形贴片结构尺寸相同，并且与第五矩形贴片距离相等；第八矩形贴片、第九矩形贴片结构尺寸相同，并且与第五矩形贴片的距离相等。
作为一种具体示例，能量由下层微带馈电结构的第十金属片输入，经第十一金属片、第十二金属片、第十三金属片传到中间层接地板的矩形缝隙，再由中间层接地板的矩形缝隙传到第一～第九矩形贴片向外辐射。
作为一种具体示例，所述矩形缝隙沿着纵向延伸，矩形缝隙的尺寸根据使用要求进行调节。
作为一种具体示例，通过改变第一～第九矩形贴片所形成的3×3矩形超表面阵列的形状和分布，以及对第一～第四矩形贴片的分割从而得到三个大小相同的矩形贴片子单元，并且改变表面模式电流，得到最终的超表面辐射结构。
作为一种具体示例，所述中间层接地板的矩形缝隙沿超表面目标模式磁场方向切割，放置在目标模式电流强度大的贴片下方。
作为一种具体示例，所述下层微带馈电结构，用于激励出目标模式，底层以矩形微带线为基础设置的叉形微带线使天线能够实现阻抗匹配。
作为一种具体示例，所述上层介质基板的厚度H1＝3.2mm，尺寸为50mm×50mm，所述下层介质基板厚度H2＝0.813mm，尺寸为50mm×50mm。
本发明与现有技术及相比，其显著优点在于：(1)采用非均匀贴片构成的超表面，能通过调节贴片将具有同一极化方向电流的特征模融合在一起，拓宽了整个天线单元的带宽；(2)在接地板蚀刻矩形缝隙，通过底层微带线为上层超表面辐射结构馈电，用以激励目标模式，从而使天线具有稳定的辐射模式，并且使辐射方向更为集中。
附图说明
图1a是本发明一种多模谐振的低剖面宽带超表面天线的侧视图。
图1b是本发明中上层超表面辐射结构的结构示意图。
图1c是本发明中上层介质基板的俯视图。
图1d是本发明中中间层接地板的电路图。
图1e是本发明中下层介质基板的俯视图。
图1f是本发明中下层微带馈电结构的电路图。
图1g是本发明从上层介质基板到下层微带馈电结构的俯视图。
图2是本发明实施例中超表面辐射结构的模式重要性结果。
图3a是本发明实施例中超表面辐射结构的模式2特征电流分布图。
图3b是本发明实施例中超表面辐射结构的模式8特征电流分布图。
图3c是本发明实施例中超表面辐射结构的模式10特征电流分布图。
图4是本发明实施例中多模谐振的低剖面宽带超表面天线的S11曲线及增益曲线图。
图5a是实施例中多模谐振的低剖面宽带超表面天线在5.3GHz的E面辐射方向图。
图5b是实施例中多模谐振的低剖面宽带超表面天线在6.6GHz的E面辐射方向图。
图5c是实施例中多模谐振的低剖面宽带超表面天线在7.4GHz的E面辐射方向图。
图5d是实施例中多模谐振的低剖面宽带超表面天线在8GHz的E面辐射方向图。
图6a是实施例中多模谐振的低剖面宽带超表面天线在5.3GHz的H面辐射方向图。
图6b是实施例中多模谐振的低剖面宽带超表面天线在6.6GHz的H面辐射方向图。
图6c是实施例中多模谐振的低剖面宽带超表面天线在7.4GHz的H面辐射方向图。
图6d是实施例中多模谐振的低剖面宽带超表面天线在8GHz的H面辐射方向图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明做进一步的详细说明。
结合图1a～图1g，本发明一种多模谐振的低剖面宽带超表面天线，包括由上至下依次设置的上层超表面辐射结构1、上层介质基板2、中间层接地板3、下层介质基板4及下层微带馈电结构5，其中：
所述超表面辐射结构1包括第一矩形贴片11、第二矩形贴片12、第三矩形贴片13、第四矩形贴片14、第五矩形贴片15、第六矩形贴片16、第七矩形贴片17、第八矩形贴片18、第九矩形贴片19，以第五矩形贴片15为中心设置贴片排布，左上角为第一矩形贴片11，右上角为第二矩形贴片12，左下角为第三矩形贴片13，右下角为第四矩形贴片14；第五矩形贴片15右侧为第六矩形贴片16、左侧为第七矩形贴片17；第五矩形贴片15上方为第八矩形贴片18，下方为第九矩形贴片19；
所述上层介质基板2连接超表面辐射结1和中间层接地板3；
所述中间层接地板3平铺在整个下层介质基板4的上表面，并在中间层接地板3中央蚀刻一个矩形缝隙31；
所述下层介质基板4连接中间层接地板3和下层微带馈电结构5；
所述下层微带馈电结构5用于为上层超表面辐射结构1馈电，下层微带馈电结构5由第十金属片51、第十一金属片52、第十二金属片53、第十三金属片54组成，第十金属片51从下层介质基板4右侧边沿向中心处延伸，在第十金属片51中心处一端设置与第十金属片51平行的第十一金属片52和第十二金属片53，这两个金属片大小相同并关于第十金属片51对称，第十一金属片52和第十二金属片53通过与二者垂直设置的第十三金属片54连接至第十金属片51，组成一个叉形微带线，激励目标辐射模式。
作为一种具体示例，上层介质基板2、金属接地板3、下层介质基板4的形状和大小相同。
作为一种具体示例，所述上层超表面辐射结构1的第一～第四矩形贴片11、12、13、14完全相同，且在第一～第四矩形贴片11、12、13、14上分别蚀刻两条矩形缝隙将各矩形贴片自身分成三个大小完全一样的矩形贴片子单元，用于截断电流，缩短电流路径。
作为一种具体示例，所述上层超表面辐射结构1的第六矩形贴片16、第七矩形贴片17结构尺寸相同，并且与第五矩形贴片15距离相等；第八矩形贴片18、第九矩形贴片19结构尺寸相同，并且与第五矩形贴片15的距离相等。
作为一种具体示例，能量由下层微带馈电结构5的第十金属片51输入，经第十一金属片52、第十二金属片53、第十三金属片54传到中间层接地板3的矩形缝隙31，再由中间层接地板3的矩形缝隙31传到第一～第九矩形贴片11、12、13、14、15、16、17、18、19向外辐射。
作为一种具体示例，所述矩形缝隙31沿着纵向延伸，矩形缝隙31的尺寸根据使用要求进行调节。
作为一种具体示例，通过改变第一～第九矩形贴片11、12、13、14、15、16、17、18、19所形成的3×3矩形超表面阵列的形状和分布，以及对第一～第四矩形贴片11、12、13、14的分割从而得到三个大小相同的矩形贴片子单元，并且改变表面模式电流，得到最终的超表面辐射结构1。
作为一种具体示例，所述中间层接地板3的矩形缝隙31沿超表面目标模式磁场方向切割，放置在目标模式电流强度大的贴片下方。
作为一种具体示例，所述下层微带馈电结构5，用于激励出目标模式，底层以矩形微带线为基础设置的叉形微带线使天线能够实现阻抗匹配。
作为一种具体示例，所述上层介质基板2的厚度H1＝3.2mm，尺寸为50mm×50mm，所述下层介质基板4厚度H2＝0.813mm，尺寸为50mm×50mm。
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例1
结合图1a～图1g，本实施例提供的多模谐振的低剖面宽带天线，包括上层超表面辐射结构1、上层介质基板2、中间层接地板3、下层介质基板4、底层微带馈电结构5；
所述超表面辐射结构1由第一矩形贴片11、第二矩形贴片12、第三矩形贴片13、第四矩形贴片14、第五矩形贴片15、第六矩形贴片16、第七矩形贴片17、第八矩形贴片18、第九矩形贴片19九个矩形贴片组成，以第五矩形贴片15为中心设置贴片排布，左上角为第一矩形贴片11，右上角为第二矩形贴片12，左下角为第三矩形贴片13，右下角为第四矩形贴片14，第一～第四矩形贴片完全相同，在第一矩形贴片11，第二矩形贴片12，第三矩形贴片13，第四矩形贴片14上都蚀刻两条矩形缝隙将其分成三个大小完全一样的矩形贴片；第五矩形贴片15右侧为第六矩形贴片16，左侧为第七矩形贴片17，二者尺寸一样，并且与中心贴片15的距离相等；第五矩形贴片15上方为第八矩形贴片18，下方为第九矩形贴片19，二者尺寸一样，并且与中心贴片15的距离相等；
所述上层介质基板2连接超表面辐射结1和中间层接地板3；
所述中间层接地板3平铺在整个下层介质基板4的上表面，并在中间层接地板3中央蚀刻一个沿x轴方向的矩形缝隙31；
所述下层介质基板4连接中间层接地板3和下层微带馈电结构5；
所述下层微带馈电结构5为上层超表面辐射结构1馈电，下层微带馈电结构5由第十金属片51、第十一金属片52、第十二金属片53、第十三金属片54组成，在第十金属片51上设置两个金属片，分别为第十一金属片52和第十二金属片53，这两个金属片大小相同并关于第十金属片51对称，第十一金属片52和第十二金属片53由第十三金属片54连接，组成一个叉形的微带线，激励目标辐射模式。
本发明设计过程如下：
(一)上层介质基板2的厚度为3.2mm、介电常数3.55，下层介质基板4的厚度为0.813mm、介电常数3.55。
(二)上层超表面辐射结构1通过修改形状、排列方式和蚀刻缝隙，从而实现对电流分布的改变，得到理想的特征模式，使天线辐射方向集中，并且有激发出宽带特性的潜能。
(三)下层微带线馈电结构5可以很容易的激发出目标模式，而且引入缝隙模式使超表面天线具有多个谐振点，成功拓宽了带宽，使有稳定的辐射性能。
结合图1a～图1g，本发明多模谐振的低剖面宽带超表面天线，上层介质基板2使用的材料为Rogers 4003C,介电常数εr＝3.55，厚度H1＝3.2mm,尺寸为50mm×50mm×3.2mm,下层介质基板4使用的材料为Rogers 4003C,介电常数εr＝3.55，厚度H2＝0.8mm,尺寸为50mm×50mm×0.8mm；超表面辐射结构第一矩形贴片11、第二矩形贴片12、第三矩形贴片13、第四矩形贴片14的长为12.8mm，宽为8.45mm,缝隙宽度为3.4mm,第五矩形贴片15的尺寸为7.4mm×7.4mm,第六矩形贴片16和第七矩形贴片17的长为10.4mm，宽为8mm，与第五矩形贴片15的距离为0.7mm,第八矩形贴片18和第九矩形贴片19的尺寸为7.7mm×7.7mm,与第五矩形贴片15的距离为1.9mm；中间层接地板3上蚀刻矩形缝隙31的长度为17mm，宽度为2.1mm。
图2是本发明多模谐振的低剖面宽带超表面天线的超表面结构的模式重要性，其中模式2、模式8、模式9的MS参数均大于0.707。
图3a～图3c是本发明多模谐振的低剖面宽带超表面天线的超表面结构的三种特征模式的模式电流，可以观察到三种模式的最强电流分布都沿y极化方向。其中图3a是模式2的特征电流分布，图3b是模式8的特征电流分布，图3c是模式10的特征电流分布。
图4是本发明多模谐振的低剖面宽带超表面天线的S11曲线和增益随频率变化曲线图，多模谐振的低剖面宽带超表面天线的工作频带5.22～8.14GHz,绝对带宽为2.92GHz，相对带宽为43.7％，工作频带内的最高增益可达11dBi,平均增益大约在7dBi。
图5a～图5d是本发明多模谐振的低剖面宽带超表面天线在5.3GHz、6.6GHz、7.4GHz、8GHZ的E面辐射方向图，辐射方向稳定。其中图5a是在5.3GHz的E面辐射方向图，图5b是在6.6GHz的E面辐射方向图，图5c是在7.4GHz的E面辐射方向图，图5d是在8GHz的E面辐射方向图。
图6a～图6d是本发明多模谐振的低剖面宽带超表面天线在5.3GHz、6.6GHz、7.4GHz、8GHZ的H面辐射方向图，辐射方向稳定。图6a是在5.3GHz的H面辐射方向图，图6b是在6.6GHz的H面辐射方向图，图6c是在7.4GHz的H面辐射方向图，图6d是在8GHz的H面辐射方向图。
综上所述，本发明多模谐振的低剖面宽带超表面天线，通过对超表面辐射结构的特殊化设计，使超表面天线获得易于激发且辐射方向稳定的辐射模式，同时引入的缝隙模式使天线具有多个谐振点，成功拓宽了天线的带宽，并且天线剖面低，结构简单，易于加工实现。

Claims (6)

1.一种多模谐振的低剖面宽带超表面天线，其特征在于，包括由上至下依次设置的上层超表面辐射结构（1）、上层介质基板（2）、中间层接地板（3）、下层介质基板（4）及下层微带馈电结构（5），其中：
所述超表面辐射结构（1）包括第一矩形贴片（11）、第二矩形贴片（12）、第三矩形贴片（13）、第四矩形贴片（14）、第五矩形贴片（15）、第六矩形贴片（16）、第七矩形贴片（17）、第八矩形贴片（18）、第九矩形贴片（19），以第五矩形贴片（15）为中心设置贴片排布，左上角为第一矩形贴片（11），右上角为第二矩形贴片（12），左下角为第三矩形贴片（13），右下角为第四矩形贴片（14）；第五矩形贴片（15）右侧为第六矩形贴片（16）、左侧为第七矩形贴片（17）；第五矩形贴片（15）上方为第八矩形贴片（18），下方为第九矩形贴片（19）；
所述上层介质基板（2）连接超表面辐射结（1）和中间层接地板（3）；
所述中间层接地板（3）平铺在整个下层介质基板（4）的上表面，并在中间层接地板（3）中央蚀刻一个矩形缝隙（31）；
所述下层介质基板（4）连接中间层接地板（3）和下层微带馈电结构（5）；
所述下层微带馈电结构（5）用于为上层超表面辐射结构（1）馈电，下层微带馈电结构（5）由第十金属片（51）、第十一金属片（52）、第十二金属片（53）、第十三金属片（54）组成，第十金属片（51）从下层介质基板（4）右侧边沿向中心处延伸，在第十金属片（51）中心处一端设置与第十金属片（51）平行的第十一金属片（52）和第十二金属片（53），这两个金属片大小相同并关于第十金属片（51）对称，第十一金属片（52）和第十二金属片（53）通过与二者垂直设置的第十三金属片（54）连接至第十金属片（51），组成一个叉形微带线，激励目标辐射模式；
上层介质基板（2）、金属接地板（3）、下层介质基板（4）的形状和大小相同；
上层超表面辐射结构（1）的第一～第四矩形贴片（11、12、13、14）完全相同，且在第一～第四矩形贴片（11、12、13、14）上分别蚀刻两条矩形缝隙将各矩形贴片自身分成三个大小完全一样的矩形贴片子单元，用于截断电流，缩短电流路径；
所述上层超表面辐射结构（1）的第六矩形贴片（16）、第七矩形贴片（17）结构尺寸相同，并且与第五矩形贴片（15）距离相等；第八矩形贴片（18）、第九矩形贴片（19）结构尺寸相同，并且与第五矩形贴片（15）的距离相等；
能量由下层微带馈电结构（5）的第十金属片（51）输入，经第十一金属片（52）、第十二金属片（53）、第十三金属片（54）传到中间层接地板（3）的矩形缝隙（31），再由中间层接地板（3）的矩形缝隙（31）传到第一～第九矩形贴片（11、12、13、14、15、16、17、18、19）向外辐射。
2.根据权利要求1所述的多模谐振的低剖面宽带超表面天线，其特征在于，所述矩形缝隙（31）沿着纵向延伸，矩形缝隙（31）的尺寸根据使用要求进行调节。
3.根据权利要求1所述的多模谐振的低剖面宽带超表面天线，其特征在于，通过改变第一～第九矩形贴片（11、12、13、14、15、16、17、18、19）所形成的3×3矩形超表面阵列的形状和分布，以及对第一～第四矩形贴片（11、12、13、14）的分割从而得到三个大小相同的矩形贴片子单元，并且改变表面模式电流，得到最终的超表面辐射结构（1）。
4.根据权利要求2所述的多模谐振的低剖面宽带超表面天线，其特征在于，所述中间层接地板（3）的矩形缝隙（31）沿超表面目标模式磁场方向切割，放置在目标模式电流强度大的贴片下方。
5.根据权利要求1所述的多模谐振的低剖面宽带超表面天线，其特征在于，所述下层微带馈电结构（5），用于激励出目标模式，底层以矩形微带线为基础设置的叉形微带线使天线能够实现阻抗匹配。
6.根据权利要求1所述的多模谐振的低剖面宽带超表面天线，其特征在于，所述上层介质基板（2）的厚度H1=3.2mm，尺寸为50mm×50mm，所述下层介质基板（4）厚度H2=0.813mm，尺寸为50mm×50mm。
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