CN117913539A - 一种基于电磁超表面的圆极化天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于电磁超表面的圆极化天线，涉及圆极化超表面天线技术领域。包括第一介质板，所述第一介质板的上表面铺设有电磁超表面、下表面铺设有金属接地层；第二介质板，所述第二介质板位于金属接地层的下方；至少一个天线振子，所述天线振子位于电磁超表面的上方；多个馈电孔槽；馈电网络，所述馈电网络设置于第二介质板的下表面；位于第二介质板侧面的同轴连接器，所述同轴连接器分别通过同轴芯线连接线与馈电网络连接、通过地线与金属接地层电连接，本发明通过电磁超表面对右旋圆极化螺旋天线振子进行反射来扩展圆极化天线的半功率波束宽度和轴比波束宽度。

Description

一种基于电磁超表面的圆极化天线

技术领域

本发明涉及圆极化超表面天线技术领域，具体而言，涉及一种基于电磁超表面的圆极化天线。

背景技术

圆极化电磁波由于具备抗多径、抗雨雾等多优点，因此可满足复杂场景下的卫星信号覆盖。虽然线极化天线的宽波束设计已经取得许多的进展，但是圆极化天线的宽波束设计却很难实现。宽波束圆极化天线能够在大角度范围内接收来自于不同卫星的电磁波信号，提升地面终端能够联络到的卫星数量，具有重要的研究价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于电磁超表面的圆极化天线，以改善上述问题。为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种基于电磁超表面的圆极化天线，所述天线包括：

第一介质板，所述第一介质板的上表面铺设有电磁超表面、下表面铺设有金属接地层；

第二介质板，所述第二介质板位于金属接地层的下方；

至少一个天线振子，所述天线振子位于电磁超表面的上方；

多个馈电孔槽，所述馈电孔槽依次贯穿第二介质板、金属接地层、第一介质板以及电磁超表面；

馈电网络，所述馈电网络设置于第二介质板的下表面，并穿过馈电孔槽与天线振子连接进行馈电；

位于第二介质板侧面的同轴连接器，所述同轴连接器分别通过同轴芯线连接线与馈电网络连接、通过地线与金属接地层电连接。

进一步地，所述电磁超表面由多个结构单元沿横向、纵向排列构成，所述结构单元为光栅条纹与电磁超表面单元上下叠加组成的层叠型电磁超表面单元，或为光栅条纹与电磁超表面单元融合于同一水平面上得到的融合型电磁超表面单元。

进一步地，所述结构单元包括三条横向光栅条纹，三条横向光栅条纹平行排布于结构单元的上、中、下位置，分别为第一光栅条纹、第二光栅条纹以及第三光栅条纹。

进一步地，纵向排列的两个相邻结构单元，其上方结构单元的第二光栅条纹、第三光栅条纹和下方结构单元的第一光栅条纹、第二光栅条纹组成了光栅单元。

进一步地，多个馈电孔槽位于同一条直线，其中一个馈电孔槽位于电磁超表面的中心位置；将一个天线振子设置于中心位置的馈电孔槽上形成圆极化单天线，或将多个天线振子设置于其他位置的馈电孔槽形成一维宽角圆极化天线阵列。

进一步地，所述馈电网络包括环形连接线，所述环形连接线与同轴芯线连接线接通；所述环形连接线设置有开口端，在所述开口端将环形连接线分为双端馈电连接线。

进一步地，所述双端馈电连接线包括两段，分别为水平段连接线和竖直段连接线，所述水平段连接线和竖直段连接线通过第一双端口馈电连接点接通。

进一步地，所述环形连接线和水平段连接线平铺于第二介质板的下表面，所述竖直段连接线与水平段连接线和环形连接线垂直。

进一步地，所述天线振子包括金属导电层和聚酰亚胺介质圆柱体，所述金属导电层螺旋缠绕在聚酰亚胺介质圆柱体表面形成右旋圆极化螺旋天线振子，所述金属导电层中端熔断形成第二双端口馈电点，所述竖直段连接线穿过馈电孔槽与第二双端口馈电点连接。

进一步地，所述第二介质板设置有多个金属化通孔，所述同轴连接器的多根地线分别穿过多个金属化通孔与金属接地层接通。

本发明的有益效果是：

本发明的电磁超表面由层叠型电磁超表面单元或融合型电磁超表面单元构成，其同时具有磁壁和电壁特性。电磁超表面的上方加载有天线振子，所述天线振子可等效为电偶极子和磁偶极子，通过电磁超表面对天线振子进行反射，在一维层面能够实现半功率波束宽度为154°，轴比波束宽度为160°的宽波束圆极化天线，同时具有良好的低剖面特性，为一维宽波束圆极化天线提供了新的思路和设计方法。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分需从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明实施例了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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获得其他相关的附图。

图1为基于电磁超表面的圆极化天线的整体结构示意图；

图2为基于电磁超表面的圆极化天线的俯视图；

图3为基于电磁超表面的圆极化天线的底面结构图；

图4为天线振子的结构示意图；

图5为基于电磁超表面的圆极化天线的侧视图；

图6为电磁超表面的示意图；

图7为光栅单元的示意图；

图8为层叠型电磁超表面单元示意图；

图9为融合型电磁超表面单元示意图；

图10为馈电网络的结构示意图；

图11为竖直段连接线的结构示意图；

图12为电磁超表面对电磁波入射的反射相位；

图13为天线振子的仿真结果；

图14为圆极化天线的反射系数和轴比波束宽度；

图15为圆极化天线的归一化方向图。

图中标记：

1、第一介质板；2、电磁超表面；21、光栅单元；22、电磁超表面单元；23、第一光栅条纹；24、第二光栅条纹；25、第三光栅条纹； 3、金属接地层；4、第二介质板；5、天线振子；51、金属导电层；52、聚酰亚胺介质圆柱体；53、第二双端口馈电点；6、馈电孔槽；7、馈电网络；71、环形连接线；72、水平段连接线；73、竖直段连接线；74、第一双端口馈电点；8、同轴连接器；9、同轴芯线连接线；10、固定螺钉。

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一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

实施例一：

如图1-图3所示，一种基于电磁超表面的圆极化天线，包括：

第一介质板1，所述第一介质板1的上表面铺设有电磁超表面2、下表面铺设有金属接地层3，具体的，所述第一介质板1的厚度为h1；

第二介质板4，所述第二介质板4位于金属接地层3的下方，具体的，所述第二介质板4的厚度为h2，所述第一介质板1和第二介质板4之间通过固定螺钉10连接；

至少一个天线振子5，所述天线振子5位于电磁超表面2的上方；

多个馈电孔槽6，所述馈电孔槽6依次贯穿第二介质板4、金属接地层3、第一介质板1以及电磁超表面2；

馈电网络7，所述馈电网络7设置于第二介质板4的下表面，并穿过馈电孔槽6与天线振子5连接进行馈电；

位于第二介质板4侧面的同轴连接器8，所述同轴连接器8分别通过同轴芯线连接线9与馈电网络7连接、通过地线与金属接地层3电连接。

本实施例中，所述天线振子5与第一介质板1下表面的金属接地层3构成一个圆极化天线。

本实施例中，第一介质板1上表面的电磁超表面2能够实现对不同极化的入射电磁波分别呈现出电壁和磁壁特性，具有同时拓展电偶极子的H面波束宽度和磁偶极子的E面波束宽度的特性，当天线振子5加载于电磁超表面2的上方时，电磁超表面2能够对天线振子5进行反射来扩展圆极化天线的半功率波束宽度和轴比波束宽度，实现yoz剖面上具有宽半功率波束宽度和宽轴比波束宽度的圆极化天线。

基于以上实施例，所述电磁超表面2由多个结构单元沿横向、纵向排列构成；

具体的，电磁超表面2由N×M个结构单元组成，其中N为x方向排列的结构单元数量，M为y方向排列的结构单元数量， N和M的取值范围为，本实施例中，所述电磁超表面2由8×24结构单元组成，请参阅图6；

具体的，本实施例提供了两种形式的结构单元，分别为光栅条纹与电磁超表面单元22上下叠加组成的层叠型电磁超表面单元，如图8所示，以及光栅条纹与电磁超表面单元22融合于同一水平面上得到的融合型电磁超表面单元，如图9所示。

具体的，所述层叠型电磁超表面单元中的光栅条纹在结构单元的上表面，电磁超表面单元22在结构单元的下表面，由此结构组成的层叠型电磁超表面单元尺寸较厚；所述融合型电磁超表面单元的光栅条纹与电磁超表面单元22位于结构单元的同一表面，由此结构组成的融合型电磁超表面单元与层叠型电磁超表面单元功能作用相同，但尺寸薄于层叠型电磁超表面单元。

基于以上实施例，所述结构单元包括三条横向光栅条纹，三条横向光栅条纹平行排布于结构单元的上、中、下位置，分别为第一光栅条纹23、第二光栅条纹24以及第三光栅条纹25。

基于以上实施例，请参阅图7，任意纵向排列的两个相邻结构单元，其上方结构单元的第二光栅条纹24、第三光栅条纹25和下方结构单元的第一光栅条纹23、第二光栅条纹24组成了光栅单元21；

本实施中，所述光栅单元21对x方向极化的电磁波透射率高于80%，几乎全部透过光栅；y极化方向的电磁波透射率低于6%，几乎全部被光栅反射。

请参阅图12，图中展示了电磁超表面2对x方向极化和y方向极化电磁波入射的反射相位，根据电磁仿真结果可知，当工作频率为2165MHz时，x方向极化的电磁波在入射角时（/>为入射电磁波与+z轴的夹角），反射相位分别为0°、1.5°和10°，等效为同向反射，具有磁壁的等效特性。y方向极化的电磁波在入射角时，反射相位分别为173.5°、172.8°和170°，可等效为180°反射，具有电壁的等效特性。因此所述电磁超表面2对不同极化方向的入射电磁波具有不同反射特性，且对入射角度敏感性较小。

基于以上实施例，多个馈电孔槽6位于同一条直线，其中一个馈电孔槽6位于电磁超表面2的中心位置；将一个天线振子5设置于中心位置的馈电孔槽6上形成圆极化单天线，或将多个天线振子5设置于其他位置的馈电孔槽6形成一维宽角圆极化天线阵列，此时，所述馈电网络7和同轴芯线连接线9的数量与天线振子5的数量相等，馈电网络7和同轴芯线连接线9与天线振子5一一对应连接；

优选的，多个馈电孔槽6位于电磁超表面2的中轴线上，本实施例中，所述馈电孔槽6设置有5个。根据实际应用场景，可选择安装1个天线振子5，也可选择安装4个天线振子5。

请参阅图10，基于以上实施例，所述馈电网络7包括环形连接线71，所述环形连接线71与同轴芯线连接线9接通；所述环形连接线71设置有开口端，在所述开口端将环形连接线71分为双端馈电连接线；

优选的，所述环形连接线71采用 180°移相器将同轴馈电单端口分成两个相位差180°分为双端口。

基于以上实施例，所述双端馈电连接线包括两段，分别为水平段连接线72和竖直段连接线73，所述水平段连接线72和竖直段连接线73通过第一双端口馈电点74接通。

基于以上实施例，所述环形连接线71和水平段连接线72平铺于第二介质板4的下表面，所述竖直段连接线73与水平段连接线72和环形连接线71垂直。

请参阅图4、图5，基于以上实施例，所述天线振子5包括金属导电层51和聚酰亚胺介质圆柱体52，具体的，所述聚酰亚胺介质圆柱体52的半径为R1，所述金属导电层51螺旋缠绕在聚酰亚胺介质圆柱体52表面形成右旋圆极化螺旋天线振子5，所述金属导电层51中端熔断形成第二双端口馈电点53，所述竖直段连接线73穿过馈电孔槽6与第二双端口馈电点53连接，如图11所示；

优选的，所述金属导电层51可以铜箔线，铜箔线在聚酰亚胺介质圆柱体52上的绕线方式依次为第一右手螺旋绕线节、第一左手螺旋绕线节、第二右手螺旋绕线节、第二左手螺旋绕线节、第三右手螺旋绕线节。其中，右手螺旋（RH）和左手螺旋（LH）指以大拇指指向+Z轴方向的右手螺旋和左手螺旋。相邻绕组之间通过绕线方式转折点进行连接。具体的，第二右手螺旋绕线节的中间位置熔断形成第二双端口馈电点53。

利用电磁仿真软件对天线振子5进行仿真，得到所述天线振子5的方向图和轴比波束宽度，如图13所示，所述天线振子5呈现右旋圆极化特性，轴比小于3dB，交叉极化小于-20dB，具有全向圆极化特性，根据电磁理论，所述天线振子5可以等效为电偶极子和磁偶极子的叠加。

基于以上实施例，所述第二介质板4设置有多个金属化通孔，所述同轴连接器8的多根地线分别穿过多个金属化通孔与金属接地层3接通。

基于以上实施例，为了测试圆极化天线的辐射远场特性，对圆极化天线的归一化方向图、轴比等参数在微波暗室中进行测量，天线的仿真和实测S11参数如图14中的（a）所示，天线在2165MHz的3dB轴比波束宽度如图14中的（b）所示。

圆极化天线的仿真和实测方向图如图15所示，图15中的（a）展示了圆极化天线在xoz面的归一化方向图，图15中的（b）展示了圆极化天线在yoz面的归一化方向图。从图中可以看出，圆极化天线呈右旋圆极化辐射， xoz面的半功率波束宽度达100°，轴比波束宽高度65°； yoz面的半功率波束宽度高达154°，轴比波束宽度160°；其交叉极化电平均小于15dB，测试结果与仿真结果一致，因此，本实施例所提供的基于电磁超表面的圆极化天线是一款在yoz面上具有宽半功率波束宽度和宽轴比波束宽度的圆极化天线。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于电磁超表面的圆极化天线，其特征在于，包括：

第一介质板（1），所述第一介质板（1）的上表面铺设有电磁超表面（2）、下表面铺设有金属接地层（3）；

第二介质板（4），所述第二介质板（4）位于金属接地层（3）的下方；

至少一个天线振子（5），所述天线振子（5）位于电磁超表面（2）的上方；

多个馈电孔槽（6），所述馈电孔槽（6）依次贯穿第二介质板（4）、金属接地层（3）、第一介质板（1）以及电磁超表面（2）；

馈电网络（7），所述馈电网络（7）设置于第二介质板（4）的下表面，并穿过馈电孔槽（6）与天线振子（5）连接进行馈电；

位于第二介质板（4）侧面的同轴连接器（8），所述同轴连接器（8）分别通过同轴芯线连接线（9）与馈电网络（7）连接、通过地线与金属接地层（3）电连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于电磁超表面的圆极化天线，其特征在于，所述电磁超表面（2）由多个结构单元沿横向、纵向排列构成，所述结构单元为光栅条纹与电磁超表面单元（22）上下叠加组成的层叠型电磁超表面单元，或为光栅条纹与电磁超表面单元（22）融合于同一水平面上得到的融合型电磁超表面单元。

3.根据权利要求2所述的一种基于电磁超表面的圆极化天线，其特征在于，所述结构单元包括三条横向光栅条纹，三条横向光栅条纹平行排布于结构单元的上、中、下位置，分别为第一光栅条纹（23）、第二光栅条纹（24）以及第三光栅条纹（25）。

4.根据权利要求3所述的一种基于电磁超表面的圆极化天线，其特征在于，任意纵向排列的两个相邻结构单元，其上方结构单元的第二光栅条纹（24）、第三光栅条纹（25）和下方结构单元的第一光栅条纹（23）、第二光栅条纹（24）组成了光栅单元（21）。

5.根据权利要求1所述的一种基于电磁超表面的圆极化天线，其特征在于，多个馈电孔槽（6）位于同一条直线，其中一个馈电孔槽（6）位于电磁超表面（2）的中心位置；将一个天线振子（5）设置于中心位置的馈电孔槽（6）上形成圆极化单天线，或将多个天线振子（5）设置于其他位置的馈电孔槽（6）形成一维宽角圆极化天线阵列。

6.根据权利要求1所述的一种基于电磁超表面的圆极化天线，其特征在于，所述馈电网络（7）包括环形连接线（71），所述环形连接线（71）与同轴芯线连接线（9）接通；所述环形连接线（71）设置有开口端，在所述开口端将环形连接线（71）分为双端馈电连接线。

7.根据权利要求6所述的一种基于电磁超表面的圆极化天线，其特征在于，所述双端馈电连接线包括两段，分别为水平段连接线（72）和竖直段连接线（73），所述水平段连接线（72）和竖直段连接线（73）通过第一双端口馈电点（74）接通。

8.根据权利要求7所述的一种基于电磁超表面的圆极化天线，其特征在于，所述环形连接线（71）和水平段连接线（72）平铺于第二介质板（4）的下表面，所述竖直段连接线（73）与水平段连接线（72）和环形连接线（71）垂直。

9.根据权利要求8所述的一种基于电磁超表面的圆极化天线，其特征在于，所述天线振子（5）包括金属导电层（51）和聚酰亚胺介质圆柱体（52），所述金属导电层（51）螺旋缠绕在聚酰亚胺介质圆柱体（52）表面形成右旋圆极化螺旋天线振子（5），所述金属导电层（51）中端熔断形成第二双端口馈电点（53），所述竖直段连接线（73）穿过馈电孔槽（6）与第二双端口馈电点（53）连接。

10.根据权利要求1所述的一种基于电磁超表面的圆极化天线，其特征在于，所述第二介质板（4）设置有多个金属化通孔，所述同轴连接器（8）的多根地线分别穿过多个金属化通孔与金属接地层（3）接通。