CN117895213A - 基于超表面的低剖面宽带圆极化天线、天线阵列及通信设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超表面的低剖面宽带圆极化天线、天线阵列及通信设备，所述天线包括金属地板、介质板和低剖面宽带圆极化天线单元，所述低剖面宽带圆极化天线单元包括辐射体、超表面结构和同轴线，所述辐射体和超表面结构设置在介质板的上表面，所述辐射体包括第一矩形辐射臂、第二矩形辐射臂、第一枝节、第二枝节、弯折带和弧形带，第一矩形辐射臂和第二矩形辐射臂互相垂直，形成圆极化模式，所述第一枝节与第一矩形辐射臂相连，所述第二枝节与第二矩形辐射臂相连，所述弯折带的两端分别与第一矩形辐射臂、第二矩形辐射臂相连，所述弧形带设置在第二矩形辐射臂的角落处。本发明天线具有较宽频带和低剖面、方向图稳定、低交叉极化的优点。

Description

基于超表面的低剖面宽带圆极化天线、天线阵列及通信设备

技术领域

本发明涉及一种圆极化天线，尤其是一种基于超表面的低剖面宽带圆极化天线、天线阵列及通信设备，属于无线通信技术领域。

背景技术

现代通信对于高数据率、大容量的通信系统对天线带宽的要求越来越高，宽带天线具有广阔的应用前景。与线极化波相比，圆极化波具有很好的抗多径反射的能力和极化易匹配特性，并且可以接收多种极化形式的来波，即使在恶劣的雨雾天气下也能较好的工作，在军用通信和雷达、电子侦察干扰和卫星导航系统中被广泛的采用。在实际应用中，单层板结构易于制成且稳定性高。

中国专利文献CN112909528BA公开了一种宽带圆极化超表面天线解决的是方向图不稳定、带宽窄的技术问题，通过采用双层介质板和二个金属层，两层介质板规格相同；三层金届层分别为顶层的超表面贴片、中间层的开槽地板以及最底层的馈儿结构；超表面为4×4金属方形贴片，超表面上开有用于形成坏形电流以产生圆极化辐射的圆环形槽；中间的金属地板设有用于信号耦合的四个大小相同的矩形槽的技术方案，达到了阻抗带宽29.5％和轴比带宽24.6％，可用于宽带、方向图稳定的圆极化天线中。但是双层板材结构坡面较高。

中国专利文献CN113745827A公开了一种基于超表面的宽带单站共圆极化同时收发天线，包括双极化超表面天线阵列、发射馈电网络及接收馈电网络。该天线具有较宽的工作带宽4.5-6GHz(28.6％)，隔离度高于36dB。且发射和接收的辐射方向图相一致，大幅提高了无线通信的稳定性。但是双层板材结构坡面较高。

中国专利文献CN105305048A公开了一种宽角度圆极化超表面天线，包括超表面结构以及放置在超表面结构正上方定高度处的半波长偶极产天线。该天线可以在偶极子大线上方空间产生圆极化辐射波，且通过改变超表面单元和偶极子天线的尺寸以及两者之间的垂直距离，可以使得超表面天线工作在不同的频段，具有结构简单，频率易调，圆极化角度宽，运可降低雷达散射截面等一系列优点。但是工作带宽较窄只有5.12-5.53GHz(7.6％)。

目前此领域大多是采用的缝隙馈电的超表面天线，而且带宽较窄、剖面高、成本高、稳定性差，因此，提供一种同时具有宽带、圆极化、单层结构的天线来支持上述现代通信应用需求十分重要。

发明内容

本发明的第一个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低剖面宽带圆极化天线，该天线具有较宽频带和低剖面、方向图稳定、低交叉极化的优点。

本发明的第二个目的在于提供一种基于超表面的低剖面宽带圆极化天线阵列。

本发明的第三个目的在于提供一种包含上述天线或天线阵列的通信设备。

本发明的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种基于超表面的低剖面宽带圆极化天线，包括金属地板、介质板和低剖面宽带圆极化天线单元，所述金属地板设置在介质板的下表面，所述低剖面宽带圆极化天线单元包括辐射体、超表面结构和同轴线，所述辐射体和超表面结构设置在介质板的上表面，所述同轴线的外导体与金属地板相连，同轴线的内导体依次穿过金属地板、介质板后与辐射体相连；

所述辐射体包括第一矩形辐射臂、第二矩形辐射臂、第一枝节、第二枝节、弯折带和弧形带，第一矩形辐射臂和第二矩形辐射臂互相垂直，形成圆极化模式，所述第一枝节与第一矩形辐射臂相连，所述第二枝节与第二矩形辐射臂相连，所述弯折带的两端分别与第一矩形辐射臂、第二矩形辐射臂相连，所述弧形带设置在第二矩形辐射臂的角落处。

进一步的，所述超表面结构为3×3超表面结构。

进一步的，所述3×3超表面结构中具有方形超表面和切角超表面，所述切角超表面设置在介质板的上表面右下角和右边，所述方形超表面设置在介质板的上表面其余位置。

进一步的，所述方形超表面为七个，其中四个方形超表面设置在介质板的上表面左上方，其中两个方形超表面设置在介质板的上表面左下方，剩下的一个方形超表面设置在介质板的上表面右上角；

所述切角超表面为两个，其中一个切角超表面设置在介质板上表面的右下角，另一个切角超表面设置在介质板的上表面右上角与右下角之间。

进一步的，所述同轴线的内导体依次穿过金属地板、介质板后与第一矩形辐射臂相连。

本发明的第二个目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种基于超表面的低剖面宽带圆极化天线阵列，包括金属地板、介质板和至少两个低剖面宽带圆极化天线单元，所述金属地板设置在介质板的下表面，每个低剖面宽带圆极化天线单元包括辐射体、超表面结构和同轴线，所述辐射体和超表面结构设置在介质板的上表面，所述同轴线的外导体与金属地板相连，同轴线的内导体依次穿过金属地板、介质板后与辐射体相连；

所述辐射体包括第一矩形辐射臂、第二矩形辐射臂、第一枝节、第二枝节、弯折带和弧形带，第一矩形辐射臂和第二矩形辐射臂互相垂直，形成圆极化模式，所述第一枝节与第一矩形辐射臂相连，所述第二枝节与第二矩形辐射臂相连，所述弯折带的两端分别与第一矩形辐射臂、第二矩形辐射臂相连，所述弧形带设置在第二矩形辐射臂的角落处。

进一步的，所述低剖面宽带圆极化天线单元为两个，两个低剖面宽带圆极化天线单元呈镜像对称，形成双圆极化天线。

进一步的，所述低剖面宽带圆极化天线单元为四个，每两个相邻的低剖面宽带圆极化天线单元呈镜像对称，形成双圆极化MIMO天线。

进一步的，所述金属地板的两边分别设置有第一方形槽和第二方形槽。

本发明的第三个目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种通信设备，包括上述的低剖面宽带圆极化天线，或上述的低剖面宽带圆极化天线阵列。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本发明采用两个互相垂直的矩形辐射臂提供了形成圆极化的幅值相等条件，且具有很好的阻抗匹配性能，两个枝节分别加长了两个矩形辐射臂，谐振点向低频移动减小了天线尺寸同时扩展了圆极化带宽，弯折带提供了形成圆极化的90度相位差条件，加入弧形带后，使得天线的轴比带宽进一步得到增加，采用的超表面结构易于寄生电流从而产生新的谐振模式，能提高天线的增益和阻抗带宽。

2、本发明的工作频段为3.38-4.22GHz(22.1％)，其中相对阻抗带宽为3.24-4.65GHz(35.7％)，轴比带宽为3.38-4.22GHz(22.1％)，该天线具有较宽的轴比带宽，低剖面，方向图稳定等优点，天线的最大增益为6.62dBi。

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1的基于超表面的低剖面宽带圆极化天线的结构示意图。

图2为本发明实施例1的基于超表面的低剖面宽带圆极化天线的辐射体结构图。

图3为本发明实施例1的基于超表面的低剖面宽带圆极化天线的演变过程图。

图4为本发明实施例1的基于超表面的低剖面宽带圆极化天线的演变过程中对反射系数和轴比的影响图。

图5为本发明实施例1的基于超表面的低剖面宽带圆极化天线的超表面结构图。

图6为本发明实施例1的基于超表面的低剖面宽带圆极化天线的主要尺寸图。

图7为本发明实施例1的基于超表面的低剖面宽带圆极化天线的反射系数曲线图。

图8为本发明实施例1的基于超表面的低剖面宽带圆极化天线的轴比曲线图。

图9为本发明实施例1的基于超表面的低剖面宽带圆极化天线的增益曲线图。

图10a～图10c分别为本发明实施例1的基于超表面的低剖面宽带圆极化天线频率为3.4GHz、3.7GHz、4.1GHz的辐射方向图。

图11为本发明实施例2的基于超表面的低剖面宽带圆极化天线阵列的结构图。

图12为本发明实施例2的基于超表面的低剖面宽带圆极化天线阵列的反射系数曲线图。

图13为本发明实施例2的基于超表面的低剖面宽带圆极化天线阵列的隔离度曲线图。

图14为本发明实施例2的基于超表面的低剖面宽带圆极化天线阵列的轴比曲线图。

图15为本发明实施例2的基于超表面的低剖面宽带圆极化天线阵列的增益曲线图。

图16a～图16c分别为本发明实施例2的基于超表面的低剖面宽带圆极化天线阵列频率为3.3GHz、3.7GHz、4.1GHz的辐射方向图。

图17为本发明实施例3的基于超表面的低剖面宽带圆极化天线阵列的结构图。

图18为本发明实施例3的基于超表面的低剖面宽带圆极化天线阵列的金属地板的结构图。

图19为本发明实施例3的基于超表面的低剖面宽带圆极化天线阵列的反射系数曲线图。

图20为本发明实施例3的基于超表面的低剖面宽带圆极化天线阵列的隔离度曲线图。

图21为本发明实施例3的基于超表面的低剖面宽带圆极化天线阵列的轴比曲线图。

图22为本发明实施例3的基于超表面的低剖面宽带圆极化天线阵列的增益曲线图。

图23a～图23c分别为本发明实施例3的基于超表面的低剖面宽带圆极化天线阵列频率为3.3GHz、3.7GHz、4.1GHz的辐射方向图。

其中，100-辐射体，101-第一辐射臂，103-第一枝节，102-第二辐射臂，104-第二枝节，105-弯折带，106-弧形带，200-超表面结构，201-方形超表面，202-切角超表面，300-金属地板，301-第一矩形槽，302-第二矩形槽，400-介质板，500-同轴线，501-内导体。

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1：

如图1所示，本实施例提供了一种基于超表面的低剖面宽带圆极化天线，该天线能够应用于各种通信设备中，其包括金属地板300、介质板400和低剖面宽带圆极化天线单元，金属地板300设置在介质板400的下表面，低剖面宽带圆极化天线单元包括辐射体100、超表面结构200和同轴线500，辐射体100和超表面结构200设置在介质板400的上表面，同轴线500作为天线的端口，同轴线500的外导体与金属地板相连，同轴线500的内导体依次穿过金属地板300、介质板400后与辐射体100相连，其中金属地板300和介质板400均为方形结构。

如图1和图2所示，辐射体100包括第一矩形辐射臂101、第二矩形辐射臂102、第一枝节103、第二枝节104、弯折带105和弧形带106，第一矩形辐射臂101和第二矩形辐射臂102互相垂直，形成圆极化模式，第一枝节103与第一矩形辐射臂101相连，第二枝节104与第二矩形辐射臂102相连，第一枝节103和第二枝节104分别加长了第一矩形辐射臂101和第二矩形辐射臂102，谐振点向低频移动减小了天线尺寸同时扩展了圆极化带宽；弯折带105的两端分别与第一矩形辐射臂101、第二矩形辐射臂102相连，弯折带105提供了形成圆极化的90度相位差条件；弧形带106设置在第二矩形辐射臂102的角落处，约为四分之一波长，如图3和图4所示，与现有天线相比，本实施例天线的辐射体100增加了弧形带106，弧形带106使得天线的轴比带宽进一步得到增加；同轴线500的内导体501依次穿过金属地板300、介质板400后与第一矩形辐射臂101相连。

如图1和图5所示，超表面结构200易于寄生电流产生谐振模式，能提高天线的增益和阻抗带宽，本实施例的超表面结构200为3×3超表面结构，3×3超表面结构中具有方形超表面和切角超表面，为了在介质板400的上表面能放置辐射体100，将切角超表面202放置在介质板400的上表面右下角和右边，其余位置放置方形超表面201；具体地，方形超表面为七个，其中四个方形超表面201设置在介质板400的上表面左上方，其中两个方形超表面201设置在介质板400的上表面左下方，剩下的一个方形超表面201设置在介质板400的上表面右上角；切角超表面202为两个，其中一个切角超表面202设置在介质板400上表面的右下角，另一个切角超表面202设置在介质板400的上表面右上角与右下角之间。

如图1～图2、图5～图6所示，金属地板300和介质板400的边长L为56.3mm；第一矩形辐射臂101和第二矩形辐射臂102的长度L1和L2分别为5.6mm和17.8mm，宽度W1和W2分别为3.7mm和8.3mm；第一枝节103的长度L3为9.05mm，宽度W3为0.3mm；第二枝节104的长度L3为6.95mm，宽度W3为0.3mm；弯折带105的宽度W4为1.5mm；弧形带106的宽度W6为2.4mm，其中长半轴R2为7.78mm；短半轴R1为6.34mm，L5为3.2mm，W5为2.8mm；方形超表面201和切角超表面202的边长L7为15.5mm，其间隔D为0.9mm，D1为8.9mm，切角超表面202的切角W7为8.2mm；介质板400的厚度为2mm，介电常数为4.6。

图7、图8、图9、图10a～图10c分别为本实施例天线的反射系数、轴比、增益和辐射方向图，本实施例天线的工作频段为3.38-4.22GHz(22.1％)，其中相对阻抗带宽为3.24-4.65GHz(35.7％)，轴比带宽为3.38-4.22GHz(22.1％)；可见，本实施例天线具有较宽带宽，低剖面，方向图稳定等优点，最大增益为6.62dBi。

实施例2：

如图11所示，本实施例提供了一种基于超表面的低剖面宽带圆极化天线阵列，该天线阵列能够应用于各种通信设备中，其包括金属地板、介质板和两个低剖面宽带圆极化天线单元，两个低剖面宽带圆极化天线单元呈左右镜像对称，即为上述实施例1的低剖面宽带圆极化天线单元向右镜像复制，形成双圆极化天线，具有两个端口(端口1和端口2)，金属地板、介质板以及每个低剖面宽带圆极化天线单元的结构同实施例1，在此不再一一赘述。

图12、图13、图14、图15和图16分别为本实施例天线的反射系数、隔离度、轴比、增益和辐射方向图，本实施例天线的工作频段为3.3-4.2GHz(24％)，其中相对阻抗带宽为3.20-4.65GHz(36.9％)，轴比带宽为3.30-4.20GHz(24％)，带内隔离度大于30dB，完全覆盖了3.3-3.8GHz的通信频段；可见，本实施例天线具有较宽带宽，较高的隔离度、低剖面等优点，最大增益为6.62dBi。

因此，本实施例天线与现有技术相比，采用对称式的结构设计，实现了天线的两个圆极化在相同频段内具有较好的电路性能和辐射性能；两个端口之间距离二分之一个波长可以使得天线的隔离度得到大幅度增加，达到工作频段内隔离度大于30dB；本实施例天线的工作频段为3.3-4.2GHz(24％)，其中相对阻抗带宽为3.20-4.65GHz(36.9％)，轴比带宽为3.30-4.20GHz(24％)，带内隔离度大于30dB，完全覆盖了3.3-3.8GHz的通信频段；本实施例天线具有较宽带宽，较高的隔离度、低剖面等优点，最大增益为6.1dBi。

实施例3：

如图17所示，本实施例提供了一种基于超表面的低剖面宽带圆极化天线阵列，该天线阵列能够应用于各种通信设备中，其包括金属地板、介质板和四个低剖面宽带圆极化天线单元，每两个相邻的低剖面宽带圆极化天线单元呈镜像对称，即为上述实施例2的两个低剖面宽带圆极化天线单元向下镜像复制，形成双圆极化MIMO天线，具有四个端口(端口1、端口2、端口3和端口4)，介质板以及每个低剖面宽带圆极化天线单元的结构同实施例1，在此不再一一赘述；如图18所示，为了提高隔离度，本实施例在金属地板的左右两边分别设置第一方形槽301和第二方形槽302。

图19、图20、图21、图22和图23分别为本实施例天线的反射系数、隔离度、轴比、增益，辐射方向图，本实施例天线的工作频段为3.29-4.19GHz(24％)，其中相对阻抗带宽为3.23-4.17GHz(25.4％)，轴比带宽为3.29-4.19GHz(25.4％)，带内隔离度为20dB，完全覆盖了3.3-3.8GHz的通信频段；可见，本实施例天线具有较宽带宽，较高的隔离度、低剖面等优点，最大增益为6.08dBi。

因此，本实施例天线与现有技术相比，为了增加信道容量，采用对称式的结构设置了四个端口，实现了天线的四个端口在相同频段内具有较好的电路性能和辐射性能；在金属地板左边和右边加入第一矩形槽和第二矩形槽可以使得天线的隔离度得到大幅度增加，达到工作频段内隔离度大于20dB。

综上所述，本发明采用两个互相垂直的矩形辐射臂提供了形成圆极化的幅值相等条件，且具有很好的阻抗匹配性能，两个枝节分别加长了两个矩形辐射臂，谐振点向低频移动减小了天线尺寸同时扩展了圆极化带宽，弯折带提供了形成圆极化的90度相位差条件，加入弧形带后，使得天线的轴比带宽进一步得到增加，采用的超表面结构易于寄生电流从而产生新的谐振模式，能提高天线的增益和阻抗带宽。

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 (10)

1.一种基于超表面的低剖面宽带圆极化天线，其特征在于，包括金属地板、介质板和低剖面宽带圆极化天线单元，所述金属地板设置在介质板的下表面，所述低剖面宽带圆极化天线单元包括辐射体、超表面结构和同轴线，所述辐射体和超表面结构设置在介质板的上表面，所述同轴线的外导体与金属地板相连，同轴线的内导体依次穿过金属地板、介质板后与辐射体相连；

所述辐射体包括第一矩形辐射臂、第二矩形辐射臂、第一枝节、第二枝节、弯折带和弧形带，第一矩形辐射臂和第二矩形辐射臂互相垂直，形成圆极化模式，所述第一枝节与第一矩形辐射臂相连，所述第二枝节与第二矩形辐射臂相连，所述弯折带的两端分别与第一矩形辐射臂、第二矩形辐射臂相连，所述弧形带设置在第二矩形辐射臂的角落处。

2.根据权利要求1所述的低剖面宽带圆极化天线，其特征在于，所述超表面结构为3×3超表面结构。

3.根据权利要求2所述的低剖面宽带圆极化天线，其特征在于，所述3×3超表面结构中具有方形超表面和切角超表面，所述切角超表面设置在介质板的上表面右下角和右边，所述方形超表面设置在介质板的上表面其余位置。

4.根据权利要求3所述的低剖面宽带圆极化天线，其特征在于，所述方形超表面为七个，其中四个方形超表面设置在介质板的上表面左上方，其中两个方形超表面设置在介质板的上表面左下方，剩下的一个方形超表面设置在介质板的上表面右上角；

所述切角超表面为两个，其中一个切角超表面设置在介质板上表面的右下角，另一个切角超表面设置在介质板的上表面右上角与右下角之间。

5.根据权利要求1-4任一项所述的低剖面宽带圆极化天线，其特征在于，所述同轴线的内导体依次穿过金属地板、介质板后与第一矩形辐射臂相连。

6.一种基于超表面的低剖面宽带圆极化天线阵列，其特征在于，包括金属地板、介质板和至少两个低剖面宽带圆极化天线单元，所述金属地板设置在介质板的下表面，每个低剖面宽带圆极化天线单元包括辐射体、超表面结构和同轴线，所述辐射体和超表面结构设置在介质板的上表面，所述同轴线的外导体与金属地板相连，同轴线的内导体依次穿过金属地板、介质板后与辐射体相连；

所述辐射体包括第一矩形辐射臂、第二矩形辐射臂、第一枝节、第二枝节、弯折带和弧形带，第一矩形辐射臂和第二矩形辐射臂互相垂直，形成圆极化模式，所述第一枝节与第一矩形辐射臂相连，所述第二枝节与第二矩形辐射臂相连，所述弯折带的两端分别与第一矩形辐射臂、第二矩形辐射臂相连，所述弧形带设置在第二矩形辐射臂的角落处。

7.根据权利要求6所述的低剖面宽带圆极化天线阵列，其特征在于，所述低剖面宽带圆极化天线单元为两个，两个低剖面宽带圆极化天线单元呈镜像对称，形成双圆极化天线。

8.根据权利要求6所述的低剖面宽带圆极化天线阵列，其特征在于，所述低剖面宽带圆极化天线单元为四个，每两个相邻的低剖面宽带圆极化天线单元呈镜像对称，形成双圆极化MIMO天线。

9.根据权利要求8所述的低剖面宽带圆极化天线阵列，其特征在于，所述金属地板的两边分别设置有第一方形槽和第二方形槽。

10.一种通信设备，其特征在于，包括权利要求1-5任一项所述的低剖面宽带圆极化天线，或权利要求6-9任一项所述的低剖面宽带圆极化天线阵列。