CN117748147A - 一种基于非均匀超表面的高增益宽带多线极化谐振腔天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于非均匀超表面的高增益宽带多线极化谐振腔天线，适用于无线通信领域，它包括从下至上依次设置的金属腔、接地板、下层介质基板、多线极化馈源、支撑柱、下层非均匀超表面、上层介质基板和上层非均匀超表面；多线极化馈源置于下层介质基板上方，下层非均匀超表面印刷在上层介质基板下表面，包括均以矩形阵列分布的具有圆形缝隙的正方形金属微带贴片；上层非均匀超表面印刷在上层介质基板上表面，包括均以矩形阵列分布的圆形金属微带贴片。本发明设计的高增益宽带多线极化谐振腔天线工作带宽宽、增益高、线极化数量多，可以在9.28GHz‑11.32GHz频段内实现7个线极化状态切换，解决了现有多线极化谐振腔天线增益低、带宽窄、线极化状态少的问题。

Description

一种基于非均匀超表面的高增益宽带多线极化谐振腔天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，涉及一种谐振腔天线，具体涉及一种基于非均匀超表面的高增益多线极化谐振腔天线。

背景技术

目前，随着电子技术和无线通信技术的发展，电子设备呈现宽带、大容量的发展趋势。同时，由于电子设备所处电磁环境日益复杂，且姿态多种多样，传统的单一极化天线难以避免极化失配带来的通信距离缩短、信道质量降低等问题。多极化谐振腔天线作为一种极化方式可重构部件，具有结构简单和高增益特性，可以有效降低路径干扰并减弱极化失配带来的影响。如H.H.Tran等人在论文“A simpledesign of polarizationreconfigurable Fabry-Perot resonator antenna”通过在矩形微带贴片馈源两角加载开关二极管设计的谐振腔天线，实现了在一个线极化、一个左旋圆极化和一个右旋圆极化之间的切换，由于圆极化天线在接收任意线极化电磁波时，天然具有最大50％的能量损耗，制约了该类天线的应用范围。Y.-G.Jeon等人在论文“Polarization reconfigurable high-gain Fabry-Perot cavity antenna”中通过重构超表面的电磁特征，实现对辐射电磁波极化状态控制，虽然实现了多线极化的性能，但其线极化状态仅有三个且工作带宽窄，仍然存在接收任意线极化电磁波的盲区且抗干扰能力弱。

鉴于此，有必要提出一种可以实现高增益宽带多线极化的谐振腔天线，且线极化状态可以通过开关电路灵活、快速地进行控制，以满足无线通信的发展需求。

发明内容

本发明为解决目前多极化谐振腔天线线极化数量不足、增益低、带宽窄的问题，提供了一种基于非均匀超表面的高增益宽带多线极化谐振腔天线。

本发明是具体采用如下技术方案实现的：

一种基于非均匀超表面的高增益宽带多线极化谐振腔天线，包括从下至上依次设置的馈电端口、金属腔、接地板、下层介质基板、多线极化馈源、支撑柱、下层非均匀超表面、上层介质基板和上层非均匀超表面；所述金属腔、接地板、下层介质基板、下层非均匀超表面、上层介质基板和上层非均匀超表面均为圆形，轴心位于同一直线，且金属腔直径略大于接地板、下层介质基板、下层非均匀超表面、上层介质基板和上层非均匀超表面。

所述接地板印刷在下层介质基板的下表面，包括位于中心位置处设置有一个圆形开口、七个直流偏置焊盘和七个直流隔离电感，其中圆形开口用于穿过馈电端口的外芯；

所述下层介质基板上表面中心位置为印刷的七个长方形金属微带贴片，每个长方形金属微带贴片大小相同，并且相邻长方形金属微带贴片之间的夹角相等；

所述多线极化馈源置于下层介质基板上方，且轴心与下层介质基板重合，包含有介质基板一和介质基板二；介质基板一上表面印刷有七个开关二极管、一个圆形金属焊盘和七个矩形金属微带贴片；七个开关二极管围绕圆形金属焊盘等间隔分布，且七个开关二极管的正极与圆形金属焊盘相连，每个开关二极管的负极连接有一个矩形金属微带贴片，圆形金属焊盘与馈电端口内芯相连，每个矩形金属微带贴片通过金属柱与下层介质基板上表面印刷的七个长方形金属微带贴片中的一个相连，并穿过下层介质基板与七个直流偏置焊盘中的一个相连；介质基板一与下层介质基板之间设置介质柱隔离；介质基板二上表面印刷有一个圆形辐射微带贴片，介质基板二与介质基板一之间设置介质柱隔离；

所述下层非均匀超表面印刷在上层介质基板下表面，包括均以矩形阵列分布的具有圆形缝隙的正方形金属微带贴片，圆形缝隙均位于正方形金属微带贴片的中心，且呈方形环分布的圆形缝隙的直径相同，但位于不同方形环的圆形缝隙尺寸不同；

所述上层介质基板的下表面与接地板之间的距离由支撑柱高度h决定，其计算公式为：其中n为所需方形环数量，且方形环由内之外依次标记为λ为工作波长，/>为非均匀超表面的反射系数相位值，/>为接地板的反射系数相位值；

所述上层非均匀超表面印刷在上层介质基板上表面，包括均以矩形阵列分布的圆形金属微带贴片，且呈方形环分布的圆形金属微带贴片的直径相同，但位于不同方形环的圆形金属微带贴片尺寸不同；所述下层非均匀超表面具有圆形缝隙的正方形金属微带贴片和上层非均匀超表面圆形金属微带贴片组合为一个部分反射单元；

所述具有圆形缝隙的正方形金属微带贴片和圆形金属微带贴片尺寸的计算公式为：其中n为所需方形环数量，且方形环由内之外依次标记为R_n为对应方形环的反射幅度幅值；

工作时，由馈电端口馈入的信号，仅可通过开关二极管导通的矩形金属微带贴片，在对应矩形金属微带贴片产生强电流，然后在圆形辐射微带贴片上产生辐射电磁波；辐射电磁波在接地板和非均匀超表面之间经过多次反射，且每次反射时均有部分电磁能量透过非均匀超表面辐射向自由空间，进而在轴向方向形成高增益定向波束。不同开关二极管导通时，可以在不同方位面形成线极化辐射波束。与现有多线极化谐振腔天线相比，本发明所述的一种基于非均匀超表面的高增益宽带多线极化谐振腔天线，不仅结构简单，而且工作频带宽，线极化状态数量多，可达7个。

本发明结构合理、设计巧妙，有效解决了现有多线极化谐振腔天线增益低、带宽窄、线极化状态少的问题，适用于无线通信领域。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于非均匀超表面的高增益宽带多线极化谐振腔天线的三维结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种基于非均匀超表面的高增益宽带多线极化谐振腔天线的纵向剖面图；

图3为本发明实施例提供的接地板结构示意图；

图4为本发明实施例提供的下层介质基板上表面结构示意图；

图5为本发明实施例提供的多线极化馈源的三维结构示意图；

图6为本发明实施例提供的多线极化馈源的纵向剖面图；

图7为本发明实施例提供的下层非均匀超表面的结构示意图；

图8为本发明实施例提供的上层非均匀超表面的结构示意图；

图9为本发明实施例提供的非均匀超表面的单个部分反射单元的三维结构示意图；

图10为本发明实施例提供的由内至外组成方形环的部分反射单元的反射相位和频率之间的仿真结果图；

图11为本发明实施例提供的由内至外组成方形环的部分反射单元的反射幅度和频率之间的仿真结果图；

图12为本发明实施例提供的七个线极化状态中任一线极化状态的回波损耗和频率之间关系的结果；

图13为本发明实施例提供的七个线极化状态中任一线极化状态在9.4GHz处phi＝0°的远场归一化辐射方向图；

图14为本发明实施例提供的七个线极化状态中任一线极化状态在9.4GHz处phi＝90°的远场归一化辐射方向图；

图15为本发明实施例提供的七个线极化状态中任一线极化状态在10.0GHz处phi＝0°的远归一化场辐射方向图；

图16为本发明实施例提供的七个线极化状态中任一线极化状态在10.0GHz处phi＝90°的远归一化场辐射方向图；

图17为本发明实施例提供的七个线极化状态中任一线极化状态在10.6GHz处phi＝0°的远场归一化辐射方向图；

图18为本发明实施例提供的七个线极化状态中任一线极化状态在9.4GHz处phi＝90°的远场归一化辐射方向图；

图19为本发明实施例提供的七个线极化状态中任一线极化状态的增益与频率之间的关系；

图中，1-馈电端口，2-金属腔，3-接地板，31-圆形开口，32-直流偏置焊盘，33-直流隔离电感，4-下层介质基板，41-长方形金属微带贴片，5-多线极化馈源，51-介质基板一，52-介质基板二，53-开关二极管，54-圆形金属焊盘，55-矩形金属微带贴片，56-金属柱，57-圆形辐射微带贴片，58-介质柱，6-支撑柱，7-下层非均匀超表面，71-具有圆形缝隙的正方形金属微带贴片，8-上层介质基板，9-上层非均匀超表面，91-圆形微带贴片。

此外，本实施例中n设定为4，方形环④由于本实施例所述一种基于非均匀超表面的高增益宽带多线极化谐振腔天线为圆形，最外层方形环仅呈现有16个部分反射单元。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面将对本发明的方案进行进一步描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施；显然，说明书中的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。

还应当理解，在此本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

下面结合附图1至图19对本发明的具体实施例进行详细说明。

在一个实施例中，公开了一种基于非均匀超表面的高增益宽带多线极化谐振腔天线，包括从下至上依次设置的馈电端口1、金属腔2、接地板3、下层介质基板4、多线极化馈源5、支撑柱6、下层非均匀超表面7、上层介质基板8和上层非均匀超表面9；所述金属腔2、接地板3、下层介质基4板、下层非均匀超表面7、上层介质基板8和上层非均匀超表面9均为圆形，轴心位于同一直线，且金属腔2直径略大于接地板3、下层介质基板4、下层非均匀超表面7、上层介质基板8和上层非均匀超表面9。

接地板3印刷在下层介质基板4的下表面，包括位于中心位置处设置有一个圆形开口31、七个直流偏置焊盘32和七个直流隔离电感33，其中圆形开口31用于穿过馈电端口1的外芯；

下层介质基板4上表面中心位置为印刷的七个长方形金属微带贴片41，每个长方形金属微带贴片41大小相同，并且相邻长方形金属微带贴片41之间的夹角相等；

多线极化馈源5置于下层介质基板4上方，且轴心与下层介质基板4重合，包含有介质基板一51和介质基板二52；介质基板一上表面印刷有七个开关二极管53、一个圆形金属焊盘54和七个矩形金属微带贴片55；七个开关二极管53围绕圆形金属焊盘54等间隔分布，且七个开关二极管53的正极与圆形金属焊盘54相连，每个开关二极管53的负极连接有一个矩形金属微带贴片55，圆形金属焊盘54与馈电端口1内芯相连，每个矩形金属微带贴片55通过金属柱56与下层介质基板4上表面印刷的七个长方形金属微带贴片41中的一个相连，并穿过下层介质基板4与七个直流偏置焊盘32中的一个相连；介质基板一51与下层介质基板4之间设置介质柱58隔离；介质基板二52上表面印刷有一个圆形辐射微带贴片57，介质基板二52与介质基板一51之间设置介质柱58隔离；

下层非均匀超表面7印刷在上层介质基板8下表面，包括均以矩形阵列分布的具有圆形缝隙的正方形金属微带贴片71，圆形缝隙均位于正方形金属微带贴片的中心，且呈方形环分布的圆形缝隙的直径相同，但位于不同方形环的圆形缝隙尺寸不同；

上层介质基板8的下表面与接地板3之间的距离由支撑柱6高度h决定，其计算公式为：其中n为所需方形环数量，且方形环由内之外依次标记为λ为工作波长，/>为非均匀超表面的反射系数相位值，/>为接地板的反射系数相位值；

上层非均匀超表面9印刷在上层介质基板8上表面，包括均以矩形阵列分布的圆形金属微带贴片91，且呈方形环分布的圆形金属微带贴片91的直径相同，但位于不同方形环的圆形金属微带贴片91尺寸不同；所述下层非均匀超表面具有圆形缝隙的正方形金属微带贴片71和上层非均匀超表面圆形金属微带贴片91组合为一个部分反射单元；具有圆形缝隙的正方形金属微带贴片71和圆形金属微带贴片91尺寸的计算公式为：其中n为所需方形环数量，且方形环由内之外依次标记为R_n为对应方形环的反射幅度幅值；

具体实施时，馈电端口(1)采用输入阻抗为50欧姆的SMA接头，并外接直流偏置器馈入微波信号；金属腔(2)的直径为72mm，高度为5mm；接地板(3)的直径为70mm；圆形开口(31)的直径为4.32mm；直流偏置焊盘(32)的边长×宽为1.3mm×1.3mm；直流隔离电感(33)的电感值为3.2nH；下层介质基板(4)直径为70mm，厚度为0.5mm，介电常数为2.2，损耗角正切值为0.0009；长方形金属微带贴片(41)的长×宽为3.77mm×0.85mm；介质基板一(51)的直径为20mm，厚度为0.8mm，介电常数为2.2，损耗角正切值为0.0009；介质基板二(52)的直径为20mm，厚度为0.8mm，介电常数为2.2，损耗角正切值为0.0009；开关二极管(53)的导通电阻值为5.2欧姆，关闭状态是为5000欧姆和18fF电容并联；圆形金属焊盘(54)的直径为2.2mm；矩形金属微带贴片(55)的长×宽为2.82mm×0.8mm；金属柱(56)的直径为0.4mm，高度为1.8mm；圆形辐射微带贴片(57)的直径为7.6mm；介质柱(58)的直径为2mm，高度为0.5mm；支撑柱(6)的直径为2mm，高度为15.5mm；具有圆形缝隙的正方形金属微带贴片(71)的长×宽为8mm×8mm，由内至外组成方形环的圆形缝隙之间依次为4.3mm、4.64mm、4.96mm、5.64mm；上层介质基板(8)的直径为70mm，厚度为0.8mm，介电常数为2.2，损耗角正切值为0.0009；圆形金属微带贴片(91)由内至外组成方形环的圆形缝隙之间依次为7.84mm、7.82mm、7.7mm、7.56mm。

附图1至附图9示出了一种基于非均匀超表面的高增益宽带多线极化谐振腔天线，包括从下至上依次设置的馈电端口1、金属腔2、接地板3、下层介质基板4、多线极化馈源5、支撑柱6、下层非均匀超表面7、上层介质基板8和上层非均匀超表面9；所述金属腔2、接地板3、下层介质基4板、下层非均匀超表面7、上层介质基板8和上层非均匀超表面9均为圆形，轴心位于同一直线，且金属腔2直径略大于接地板3、下层介质基板4、下层非均匀超表面7、上层介质基板8和上层非均匀超表面9。接地板3印刷在下层介质基板4的下表面，包括位于中心位置处设置有一个圆形开口31、七个直流偏置焊盘32和七个直流隔离电感33，其中圆形开口31用于穿过馈电端口1的外芯；下层介质基板4上表面中心位置为印刷的七个长方形金属微带贴片41，每个长方形金属微带贴片41大小相同，并且相邻长方形金属微带贴片41之间的夹角相等；多线极化馈源5置于下层介质基板4上方，且轴心与下层介质基板4重合，包含有介质基板一51和介质基板二52；介质基板一上表面印刷有七个开关二极管53、一个圆形金属焊盘54和七个矩形金属微带贴片55；七个开关二极管53围绕圆形金属焊盘54等间隔分布，且七个开关二极管53的正极与圆形金属焊盘54相连，每个开关二极管53的负极连接有一个矩形金属微带贴片55，圆形金属焊盘54与馈电端口1内芯相连，每个矩形微带贴片55通过金属柱56与下层介质基板4上表面印刷的七个长方形金属微带贴片41中的一个相连，并穿过下层介质基板4与七个直流偏置焊盘32中的一个相连；介质基板一51与下层介质基板4之间设置介质柱58隔离；介质基板二52上表面印刷有一个圆形辐射微带贴片57，介质基板二52与介质基板一51之间设置介质柱58隔离；下层非均匀超表面7印刷在上层介质基板8下表面，包括均以矩形阵列分布的具有圆形缝隙的正方形金属微带贴片71，圆形缝隙均位于正方形金属微带贴片的中心，且呈方形环分布的圆形缝隙的直径相同，但位于不同方形环的圆形缝隙尺寸不同；上层介质基板8的下表面与接地板3之间的距离由支撑柱6高度h决定，其计算公式为：其中n为所需方形环数量，且方形环由内之外依次标记为/> λ为工作波长，/>为非均匀超表面的反射系数相位值，/>为接地板的反射系数相位值；上层非均匀超表面9印刷在上层介质基板8上表面，包括均以矩形阵列分布的圆形金属微带贴片91，且呈方形环分布的圆形微带贴片91的直径相同，但位于不同方形环的圆形金属微带贴片91尺寸不同；所述下层非均匀超表面具有圆形缝隙的正方形金属微带贴片71和上层非均匀超表面圆形金属微带贴片91组合为一个部分反射单元；具有圆形缝隙的正方形金属微带贴片71和圆形金属微带贴片91尺寸的计算公式为：其中n为所需方形环数量，且方形环由内之外依次标记为R_n为对应方形环的反射幅度幅值。

附图10示出了本发明实施例提供的基于非均匀超表面的高增益宽带多线极化谐振腔天线由内至外组成方形环的部分反射单元的反射相位和频率之间的仿真结果，该仿真结果利用商业仿真软件ANSYS HFSS分别对不同尺寸的部分反射单元的反射相位进行仿真计算得到，部分反射单元在中心频点10GHz处的反射相位差值在2°以内，在9.5GHz～10.5GHz的工作频带内，反射相位随着频率的增加而逐渐增加，具有正相关趋势。

附图11示出了本发明实施例提供的基于非均匀超表面的高增益宽带多线极化谐振腔天线由内至外组成方形环的部分反射单元的反射幅度和频率之间的仿真结果，该仿真结果利用商业仿真软件ANSYS HFSS分别对不同尺寸的部分反射单元的反射相位进行仿真计算得到，部分反射单元在中心频点10GHz处的反射幅度依次为0.71、0.82、0.87和0.90。

附图12示出了本发明实施例提供的七个线极化状态中任一线极化状态的回波损耗和频率之间关系的结果，以回波损耗小于-10dB为标准时，任一线极化覆盖的工作频段为9.28GHz-11.32GHz。

附图13至附图18示出了本发明实施例提供的七个线极化状态中任一线极化状态在不同频点9.4GHz、10.0GHz和10.6GHz处phi＝0°和90°的远场归一化辐射方向图，天线最大的辐射方向均为+Z轴，没有出现偏离现象和裂瓣现象，且在3-dB波瓣宽度内，交叉极化水平基本都低于主极化13dB。

附图19示出了本发明实施例提供的七个线极化状态中任一线极化状态的增益与频率之间的关系，获得的最大增益为15.08dBi，且在较宽的工作频带内保持较为稳定的增益。

以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于非均匀超表面的高增益宽带多线极化谐振腔天线，包括从下至上依次设置的馈电端口(1)、金属腔(2)、接地板(3)、下层介质基板(4)、多线极化馈源(5)、支撑柱(6)、下层非均匀超表面(7)、上层介质基板(8)和上层非均匀超表面(9)。

2.根据权利要求1所述基于非均匀超表面的高增益宽带多线极化谐振腔天线，其特征在于，金属腔(2)、接地板(3)、下层介质基板(4)、下层非均匀超表面(7)、上层介质基板(8)和上层非均匀超表面(9)均为圆形，轴心位于同一直线，且金属腔(2)直径略大于接地板(3)、下层介质基板(4)、下层非均匀超表面(7)、上层介质基板(8)和上层非均匀超表面(9)。

3.根据权利要求1所述基于非均匀超表面的高增益宽带多线极化谐振腔天线，其特征在于，接地板(3)印刷在下层介质基板(4)的下表面，包括位于中心位置处设置有一个圆形开口(31)、七个直流偏置焊盘(32)和七个直流隔离电感(33)，其中圆形开口(31)用于穿过馈电端口(1)的外芯。

4.根据权利要求1所述基于非均匀超表面的高增益宽带多线极化谐振腔天线，其特征在于，下层介质基板(4)上表面中心位置为印刷的七个长方形金属微带贴片(41)，每个长方形金属微带贴片(41)大小相同，并且相邻长方形金属微带贴片(41)之间的夹角相等。

5.根据权利要求1所述基于非均匀超表面的高增益宽带多线极化谐振腔天线，其特征在于，多线极化馈源(5)置于下层介质基板(4)上方，且轴心与下层介质基板(4)重合，包含有介质基板一(51)和介质基板二(52)；介质基板一(51)上表面印刷有七个开关二极管(53)、一个圆形金属焊盘(54)和七个矩形金属微带贴片(55)；七个开关二极管(53)围绕圆形金属焊盘(54)等间隔分布，且七个开关二极管(53)的正极与圆形金属焊盘(54)相连，每个开关二极管(53)的负极连接有一个矩形金属微带贴片(55)，圆形金属焊盘(54)与馈电端口(1)内芯相连，每个矩形金属微带贴片(55)通过金属柱(56)与下层介质基板(4)上表面印刷的七个长方形金属微带贴片(41)中的一个相连，并穿过下层介质基板(4)与七个直流偏置焊盘(32)中的一个相连；介质基板一(51)与下层介质基板(4)之间设置介质柱隔离(58)；介质基板二上表面印刷有一个圆形辐射微带贴片(57)，介质基板二与介质基板一之间设置介质柱(58)隔离。

6.根据权利要求1所述基于非均匀超表面的高增益宽带多线极化谐振腔天线，其特征在于，下层非均匀超表面(7)印刷在上层介质基板下表面(8)，包括均以矩形阵列分布的具有圆形缝隙的正方形金属微带贴片(71)，圆形缝隙均位于正方形金属微带贴片的中心，且呈方形环分布的圆形缝隙的直径相同，但位于不同方形环的圆形缝隙尺寸不同。

7.根据权利要求1所述基于非均匀超表面的高增益宽带多线极化谐振腔天线，其特征在于，上层介质基板(8)的下表面与接地板之间的距离由支撑柱(6)高度h决定，其计算公式为：其中n为所需方形环数量，且方形环由内之外依次标记为①，②，③…λ为工作波长，/>为非均匀超表面的反射系数相位值，/>为接地板的反射系数相位值。

8.根据权利要求1所述基于非均匀超表面的高增益宽带多线极化谐振腔天线，其特征在于，上层非均匀超表面(8)印刷在上层介质基板(8)上表面，包括均以矩形阵列分布的圆形金属微带贴片(91)，且呈方形环分布的圆形金属微带贴片(91)的直径相同，但位于不同方形环的圆形金属微带贴片(91)尺寸不同；所述下层非均匀超表面(7)具有圆形缝隙的正方形金属微带贴片(71)和上层非均匀超表面(1)圆形金属微带贴片(91)组合为一个部分反射单元。

9.根据权利要求8所述基于非均匀超表面的高增益宽带多线极化谐振腔天线，其特征在于，具有圆形缝隙的正方形金属微带贴片(71)和圆形金属微带贴片(91)尺寸的计算公式为：其中n为所需方形环数量，且方形环由内之外依次标记为①，②，③…/>R_n为对应方形环的反射幅度幅值。