CN117525902A - 一种x波段宽带超表面圆极化天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种X波段宽带超表面圆极化天线，包括从上至下依次设置的第一介质基板至第四介质基板、超表面和馈源天线，馈源天线包括微带贴片、一对正交设置的矩形贴片、威尔金森功分器、90°移相器和金属接地板；超表面设置在第一介质基板的上表面，微带贴片设置在第二介质基板的上表面，正交设置的矩形贴片设置在第二介质基板的下表面，矩形贴片与微带贴片之间通过金属连接柱连接；金属接地板设置在第三介质基板的下表面，威尔金森功分器和90°移相器设置在第四介质基板的下表面，90°移相器的末端与矩形贴片之间通过金属连接柱连接。本发明结构简单，可靠性高，而且整体带宽性能较好，能够有效解决现有的圆极化天线带宽窄、增益较低等问题。

Description

一种X波段宽带超表面圆极化天线
技术领域
本发明涉及微波天线技术领域，尤其涉及到一种X波段宽带超表面圆极化天线。
背景技术
X波段作为一种重要的频段，在雷达系统、卫星通信和无线通信等领域具有广泛的应用。为了满足这一需求，研究人员不断探索新的天线技术，以提高信号传输的效率和质量。
超表面作为超材料的二维平面结构，具有低剖面、设计简单、低损耗等优点。超表面天线作为一种新型的天线结构，具有较宽的阻抗带宽和高增益等特性，被业内广泛关注。
圆极化信号具有旋转电场的特点，能够有效克服多径效应和信号衰减，提高信号的传输质量，被广泛应用于提高信号传输的可靠性和抗干扰性能，在卫星及无线通信应用中非常流行。
近年来，基于超表面的圆极化天线引起了学者的关注，国内外众多学者提出了多种超表面圆极化天线的结构，如通过对超表面结构切角、通过馈电结构激发天线的简并模式，实现圆极化或者组合超表面与馈电结构的谐振模式实现圆极化，但是他们的共同缺点是带宽较窄。因此如何在保证增益的情况下设计一种宽带圆极化天线成为一个急需解决的问题。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种X波段宽带超表面圆极化天线，解决现有技术中圆极化天线轴比带宽窄、增益较低等问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是提供一种X波段宽带超表面圆极化天线，包括从上至下依次设置的第一介质基板至第四介质基板、超表面和馈源天线，馈源天线包括微带贴片、一对正交设置的矩形贴片、威尔金森功分器、90°移相器和金属接地板。
超表面设置在第一介质基板的上表面，微带贴片设置在第二介质基板的上表面，一对正交设置的矩形贴片设置在第二介质基板的下表面，矩形贴片与微带贴片之间通过金属连接柱连接。
金属接地板设置在第三介质基板的下表面，威尔金森功分器和90°移相器设置在第四介质基板的下表面，90°移相器的末端与矩形贴片之间通过金属连接柱连接。
在一些实施例中，超表面包括由12个相同结构的正方形金属贴片组成的阵列单元，呈十字形中心对称结构布设，从左向右分别依次是2个、4个、4个和2个正方形金属贴片，这些正方形金属贴片之间等间距。
进一步的，通过调节正方形金属贴片的边长和相互之间的间距，以调整设置X波段宽带超表面圆极化天线的谐振频率点及阻抗带宽。
进一步的，微带贴片是正方形，其几何中心与超表面的几何中心在同一条竖直直线上。
进一步的，微带贴片的下方直角的右侧直角边与x轴正向逆时针呈45°夹角，通过调节微带贴片的长度以调节X波段宽带超表面圆极化天线的中心频率。
在一些实施例中，矩形贴片包括第一矩形贴片和第二矩形贴片，第一矩形贴片和第二矩形贴片正交放置，且两端均接有焊盘，用于连接金属连接柱，第一矩形贴片的一端与微带贴片的一边通过金属连接柱连接，第二矩形贴片的一端通过另一金属连接柱与微带贴片的相邻一边连接，正交放置后的矩形贴片激励微带贴片相邻两条边实现圆极化辐射，通过调节金属连接柱与微带贴片的位置以调节阻抗匹配。
在一些实施例中，威尔金森功分器包括输入端口、第一输出端口和第二输出端口，调节输入端口的宽度以调节输入阻抗。
进一步的，90°移相器包括第一输入端口、第二输入端口、第一输出端口、第二输出端口、开路枝节、第一焊盘和第二焊盘；威尔金森功分器和90°移相器一体连接。
进一步的，威尔金森功分器的第一输出端口和90°移相器的第一输入端口连接，威尔金森功分器的第二输出端口和90°移相器的第二输入端口连接，90°移相器的第一输出端口连接第一焊盘，第一焊盘与第一矩形贴片的另一端通过第一金属连接柱连接；90°移相器的第二输出端口加载开路枝节，同时连接第二焊盘，第二焊盘与第二矩形贴片的另一端通过第二金属连接柱连接。
在一些实施例中，威尔金森功分器的第一输出端口和第二输出端口之间设置有隔离电阻。
在一些实施例中，金属接地板中刻蚀了两个圆形缝隙，用于隔离金属连接柱与金属接地板。
在一些实施例中，威尔金森功分器与90°移相器在拐角处切角。
有益效果：本发明公开了一种X波段宽带超表面圆极化天线，包括从上至下依次设置的第一介质基板至第四介质基板、超表面和馈源天线，馈源天线包括微带贴片、一对正交设置的矩形贴片、威尔金森功分器、90°移相器和金属接地板；超表面设置在第一介质基板的上表面，微带贴片设置在第二介质基板的上表面，正交设置的矩形贴片设置在第二介质基板的下表面，矩形贴片与微带贴片之间通过金属连接柱连接；金属接地板设置在第三介质基板的下表面，威尔金森功分器和90°移相器设置在第四介质基板的下表面，90°移相器的末端与矩形贴片之间通过金属连接柱连接。本发明结构简单，可靠性高，应用范围广，而且整体带宽性能较好，能够有效解决现有的圆极化天线带宽窄、增益较低等问题。
附图说明
图1是根据本发明一种X波段宽带超表面圆极化天线一实施例的结构示意图；
图2是根据本发明一种X波段宽带超表面圆极化天线一实施例的主视图；
图3是根据本发明一种X波段宽带超表面圆极化天线一实施例的俯视图；
图4是根据本发明一个实施例中馈源天线的三维结构示意图；
图5是根据本发明一个实施例中微带贴片的结构示意图；
图6是根据本发明一个实施例中一对正交设置的矩形贴片的结构示意图；
图7是根据本发明一个实施例中馈电网络的结构示意图；
图8是根据本发明一个实施例中金属接地板的结构示意图；
图9是根据本发明实施例中X波段宽带超表面圆极化天线的S参数曲线图；
图10是根据本发明实施例中X波段宽带超表面圆极化天线的增益和轴比的曲线图；
图11为本发明实施例中X波段宽带超表面圆极化天线的E面方向图；
图12为本发明实施例中X波段宽带超表面圆极化天线的H面方向图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
需要说明的是，除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
对于本发明的描述，非限定性地用图中所示的标记x轴、y轴和z轴表示左右方向、前后和上下方向。
图1显示了本发明一种X波段宽带超表面圆极化天线一实施例的结构示意图，包括从上至下依次设置的第一介质基板至第四介质基板、超表面8和馈源天线，馈源天线包括微带贴片9、一对正交设置的矩形贴片10、威尔金森功分器11、90°移相器12和金属接地板5。
超表面8设置在第一介质基板1的上表面，微带贴片9设置在第二介质基板2的上表面，一对正交设置的矩形贴片10设置在第二介质基板2的下表面，矩形贴片10与微带贴片9之间通过金属连接柱13连接。
金属接地板5设置在第三介质基板3的下表面，威尔金森功分器11和90°移相器12设置在第四介质基板4的下表面，90°移相器12的末端与矩形贴片10之间通过金属连接柱13连接，用于给所述矩形贴片馈电。
在本实施例中，第一介质基板1、第二介质基板2、第三介质基板3和第四介质基板4均采用介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009的Taconic TLY-5，金属连接柱13、90°移相器12与威尔金森功分器11、金属接地板5、微带贴片9以及超表面8使用的材料为铜。
进一步的，第一介质基板1、第二介质基板2、第三介质基板3和第四介质基板4在四角相同位置处，均刻制有直径为2mm的通孔15，使用尼龙螺丝固定超表面8与馈源天线；在第二介质基板2、第三介质基板3和第四介质基板4的馈电位置刻蚀5mm×10mm的矩形槽，主要是为了在测试时焊接SMA接头。
在第二介质基板2与第三介质基板3之间使用第一PP材料7进行粘合，第三介质基板3与第四介质基板4之间使用第二PP材料6进行粘合，第一PP材料7和第二PP材料6是厚度为0.1mm、介电常数为4.4的玻璃纤维增强聚丙烯管。
在一些实施例中，整个天线的尺寸为45.1mm×55mm×4.115mm。
由于微带贴片具有结构简单、剖面低，体积小、易加工的优点，应用于大量无线电设备中。超表面作为超材料的二维结构，不仅结构简单，易于加工和集成，且与超材料一样可以实现对电磁波的调控。许多新兴的高性能天线的提出都是基于超表面之上设计的。
图2是根据图1一种X波段宽带超表面圆极化天线一实施例的主视图，由图2可以看出，第一介质基板1、第二介质基板2、第三介质基板3和第四介质基板4从上至下依次设置，超表面8设置在第一介质基板1的上表面，微带贴片9设置在第二介质基板2的上表面，一对正交放置的矩形贴片10设置在第二介质基板2的下表面，矩形贴片10与微带贴片9之间通过金属连接柱13连接。
金属接地板5设置在第三介质基板3的下表面，在第二介质基板2与第三介质基板3之间使用第一PP材料7进行粘合，第三介质基板3与第四介质基板4之间使用第二PP材料6进行粘合。
第一介质基板1高度h2为1.524mm，第二介质基板2、第三介质基板3和第四介质基板4的高度h1相同，均为0.762mm，调节超表面8与馈源天线之间的距离h2(即第一介质基板1的高度)，可以调节该X波段宽带超表面圆极化天线的增益。
如图3所示，在本实施例中，超表面8包括12个相同结构的正方形金属贴片81组成的阵列单元，呈十字形中心对称结构布设，从左向右分别依次是2个、4个、4个和2个正方形金属贴片81，这些正方形金属贴片81之间等间距，其中单个金属贴片81的边长Lm为5.4mm，金属贴片81之间的间距g为1.1mm。调节正方形金属贴片81的长度Lm与金属贴片之间的间距g可以改变谐振点的位置及阻抗带宽，且在微带贴片9(图1所示)的上层添加由这12个相同结构的正方形金属贴片81组成的阵列单元，可以提高微带天线的带宽及增益。
由图3可以看出，微带贴片9是正方形的，其几何中心与超表面8的几何中心在同一条竖直直线上。
如图4所示，矩形贴片10包括第一矩形贴片101和第二矩形贴片102(具体如图6所示)，第一矩形贴片101和第二矩形贴片102正交放置，且两端均接有焊盘，第一矩形贴片101的一端与微带贴片9的一边通过第三金属连接柱133连接，第二矩形贴片102的一端通过第四金属连接柱134与微带贴片9的相邻一边连接，正交放置后的矩形贴片101、102激励微带贴片9相邻两条边实现圆极化辐射，通过调节金属连接柱与微带贴片9的位置以调节阻抗匹配。
进一步的，由图4可以看出，威尔金森功分器11和90°移相器12一体连接，90°移相器12的一端与第一矩形贴片101之间通过第一金属连接柱131连接，90°移相器12的另一端与第二矩形贴片102之间通过第二金属连接柱132连接。
如图5所示，微带贴片9的下方直角的右侧直角边与x轴的正向逆时针夹角为45°，通过调节微带贴片9的边长Lt以调节X波段宽带超表面圆极化天线的中心频率，微带贴片9的边长Lt为9.1mm。微带贴片9所在的第二介质基板2的宽度W为45.1mm，长度L为55mm，其他介质基板也是具有该尺寸。
如图6所示，一对正交放置的矩形贴片(101、102)主要起连接作用，包括第一矩形贴片101和第二矩形贴片102；其中第一矩形贴片101下端右侧的直边与x轴的正向逆时针夹角为45°，第二矩形贴片102下端左侧的直边与x轴的正向逆时针夹角为135°，两个矩形贴片相隔一定距离，但是之间的夹角为90°。两个矩形贴片长度Lp均为4.6mm，宽度wp为1.3mm，矩形贴片两端均接有焊盘，以便与金属连接柱焊接。
进一步的，如图7所示，威尔金森功分器11包括输入端口110、第一输出端口111和第二输出端口112，可以通过调节输入端口110的宽度以调节输入阻抗。
90°移相器12包括第一输入端口126、第二输入端口127、第一输出端口121、第二输出端口122、开路枝节123、第一焊盘124和第二焊盘125。
威尔金森功分器11的第一输出端口111和90°移相器的第一输入端口126连接，威尔金森功分器的第二输出端口112和90°移相器12的第二输入端口127连接，90°移相器的第一输出端口121连接第一焊盘124，结合图4，第一焊盘124与第一矩形贴片101的一端通过第一金属连接柱131连接；90°移相器的第二输出端口122加载开路枝节123，同时连接第二焊盘125，结合图4，第二焊盘125与第二矩形贴片102的一端通过第二金属连接柱132连接。
在一些实施例中，威尔金森功分器11的第一输出端口111和第二输出端口112之间设置有隔离电阻113，隔离电阻113的阻值为100Ω。
进一步的，威尔金森功分器11与90°移相器12均在拐角处切角。
如图8所示，在金属接地板5中刻蚀有两个圆形缝隙14，主要用于隔离金属连接柱13与金属接地板5。
本发明所公开的X波段宽带超表面圆极化天线工作在X波段，如图9所示，在7.41GHz到12.09GHz频段内，S11＜-10dB，相对带宽达到了46.8％。
图10是本发明实施例中X波段宽带超表面圆极化天线的增益和轴比的曲线图，整个超表面圆极化天线的轴比带宽为7.61GHz-11.63GHz，相对带宽为40.2％，在10.37GHz处的峰值增益为9.1dB。
在图11、12为本发明X波段宽带超表面圆极化天线的E面、H面方向图，由图中可以看出，本发明的X波段宽带超表面圆极化天线具有较好的方向性。
综上所述，本发明公开了一种X波段宽带超表面圆极化天线，包括从上至下依次设置的第一介质基板至第四介质基板、超表面和馈源天线，馈源天线包括微带贴片、一对正交设置的矩形贴片、威尔金森功分器、90°移相器和金属接地板；超表面设置在第一介质基板的上表面，微带贴片设置在第二介质基板的上表面，正交设置的矩形贴片设置在第二介质基板的下表面，矩形贴片与微带贴片之间通过金属连接柱连接；金属接地板设置在第三介质基板的下表面，威尔金森功分器和90°移相器设置在第四介质基板的下表面，90°移相器的末端与矩形贴片之间通过金属连接柱连接。本发明结构简单，可靠性高，应用范围广，而且整体带宽性能较好，能够有效解决现有的圆极化天线带宽窄、增益较低等问题。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种X波段宽带超表面圆极化天线，其特征在于，包括从上至下依次设置的第一介质基板至第四介质基板、超表面和馈源天线，所述馈源天线包括微带贴片、一对正交设置的矩形贴片、威尔金森功分器、90°移相器和金属接地板；
所述超表面设置在所述第一介质基板的上表面，所述微带贴片设置在第二介质基板的上表面，所述正交设置的矩形贴片设置在所述第二介质基板的下表面，所述矩形贴片与所述微带贴片之间通过金属连接柱连接；
所述金属接地板设置在第三介质基板的下表面，所述威尔金森功分器和所述90°移相器设置在第四介质基板的下表面，所述90°移相器的末端与所述矩形贴片之间通过金属连接柱连接。
2.根据权利要求1所述的X波段宽带超表面圆极化天线，其特征在于，所述超表面包括由12个相同结构的正方形金属贴片组成的阵列单元，呈十字形中心对称结构布设，从左向右分别依次是2个、4个、4个和2个所述正方形金属贴片，所述正方形金属贴片之间等间距。
3.根据权利要求2所述的X波段宽带超表面圆极化天线，其特征在于，通过调节所述正方形金属贴片的边长和相互之间的间距，以调整设置所述X波段宽带超表面圆极化天线的谐振频率点及阻抗带宽。
4.根据权利要求1所述的X波段宽带超表面圆极化天线，其特征在于，所述微带贴片是正方形，其几何中心与所述超表面的几何中心在同一条竖直直线上。
5.根据权利要求4所述的X波段宽带超表面圆极化天线，其特征在于，所述微带贴片的下方直角的右侧直角边与x轴正向逆时针呈45°夹角，通过调节所述微带贴片的长度以调节所述X波段宽带超表面圆极化天线的中心频率。
6.根据权利要求1所述的X波段宽带超表面圆极化天线，其特征在于，所述矩形贴片包括第一矩形贴片和第二矩形贴片，第一矩形贴片和第二矩形贴片正交放置，且两端均接有焊盘，用于连接金属连接柱，第一矩形贴片的一端与所述微带贴片的一边通过所述金属连接柱连接，第二矩形贴片的一端通过另一所述金属连接柱与所述微带贴片的相邻一边连接，正交放置后的所述矩形贴片激励所述微带贴片相邻两条边实现圆极化辐射，通过调节所述金属连接柱与所述微带贴片的位置以调节阻抗匹配。
7.根据权利要求6所述的X波段宽带超表面圆极化天线，其特征在于，所述威尔金森功分器包括输入端口、第一输出端口和第二输出端口，调节所述输入端口的宽度以调节输入阻抗；
所述90°移相器包括第一输入端口、第二输入端口、第一输出端口、第二输出端口、开路枝节、第一焊盘和第二焊盘；
所述威尔金森功分器和所述90°移相器一体连接；
所述威尔金森功分器的第一输出端口和所述90°移相器的第一输入端口连接，所述威尔金森功分器的第二输出端口和所述90°移相器的第二输入端口连接，所述90°移相器的第一输出端口连接第一焊盘，所述第一焊盘与第一矩形贴片的另一端通过第一金属连接柱连接；所述90°移相器的第二输出端口加载开路枝节，同时连接第二焊盘，所述第二焊盘与所述第二矩形贴片的另一端通过第二金属连接柱连接。
8.根据权利要7所述的X波段宽带超表面圆极化天线，其特征在于，所述威尔金森功分器的所述第一输出端口和所述第二输出端口之间设置有隔离电阻。
9.根据权利要求1所述的X波段宽带超表面圆极化天线，其特征在于，在所述金属接地板中刻蚀了两个圆形缝隙，用于隔离所述金属连接柱与所述金属接地板。
10.根据权利要求1所述的X波段宽带超表面圆极化天线，其特征在于，所述威尔金森功分器与所述90°移相器在拐角处切角。
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