CN117977210A - 多模谐振的宽带小型超表面天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开多模谐振的宽带小型超表面天线，多模谐振的宽带小型超表面天线，由上至下依次设置为超表面阵列、第一介质基板、金属地、第二介质基板，第二介质基板下表面设置有金属条带；还包括同轴连接器，同轴连接器的内芯与金属条带连接，同轴连接器的外导体与金属地连接；还包括若干个贯穿第一介质基板的金属化过孔，超表面阵列通过若干个金属化过孔与金属地连接。本发明天线利用负阶多模式谐振设计原理能够同时实现天线的小型化以及宽带特性。
Description
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体涉及多模谐振的宽带小型超表面天线。
背景技术
小型天线和宽频天线在无线通信领域具有重要的应用。对于小型天线，需求主要体现在空间限制、低功耗和多频段支持方面。小型天线可以在有限的空间内实现高效的无线通信，使得设备更加紧凑和便携。同时，小型天线可以减少能量损耗，延长设备的电池寿命，提高设备的可靠性和稳定性。此外，小型天线还可以设计成支持多频段的结构，提高设备的灵活性和兼容性。
宽频天线在无线通信中也具有重要的需求，主要体现在数据传输速率、多通信标准支持和抗干扰性能方面。宽频天线可以提供更大的频带宽度，实现更高的数据传输速率，满足对高速通信的需求。同时，宽频天线可以设计成支持多种通信标准的结构，提高设备的互联互通能力。此外，宽频天线具有较好的抗干扰性能，减少外界干扰对通信质量的影响，提高设备的稳定性和可靠性。
在文献“Cheng B,Du Z,Huang D.A Differentially Fed Broadband Multi-modeMicrostrip Antenna[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,2020.”中描述了一种差分式馈电的微带天线，文献通过两个短路柱和四个寄生结构产生三种谐振模式，最后优化天线参数形成较宽的工作频段。但是天线设计需要通过两个端口进行馈电，且尺寸过大。
在文献“Zhang Z,Cheng Y,Luo H,et al.Low-profile wideband circularpolarization metasurface antenna with characteristic mode analysis and modesuppression[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,2022,22(4):898-902.”中描述了一种圆极化的宽带超表面天线，利用特征模式分析法得到超表面结构的两个正交模式，使其形成90°的相位差，并实现宽带运行。但是天线的尺寸过大，无法适应集成通信系统的应用。
在文献“Chen D,Xue Q,Yang W,et al.A Compact Wideband Low-ProfileMetasurface Antenna Loaded With Patch-Via-Wall Structure[J].IEEE Antennas andWireless Propagation Letters,2022,22(1):179-183.”中描述了一种周期性的超表面结构，利用增加叠层和短路柱的方式大大减小天线的尺寸，激励出双频谐振模式并使其合并，完成小型化宽频段的设计。但是天线设计过于复杂，且实现的频段宽度有限，不能进一步提高通信系统的性能。
因此，小型化宽频天线在无线通信中不仅实现空间限制、低功耗、多频段支持，而且能够达到高速数据传输、多通信标准支持和抗干扰性能等方面的需求。综合已经公开的基于多模谐振的宽带小型天线设计，现有文献天线仅在小型化和宽频段两者进行折中取舍，无法满足高度集成的小型宽带天线系统，且缺乏小型宽带天线的设计指导。因此有必要研究新结构、新方案实现多模谐振的宽带小型天线设计，为无线通信设备提供了更好的解决方案。
发明内容
本发明的目的是提供多模谐振的宽带小型超表面天线，利用负阶多模式谐振设计原理能够同时实现天线的小型化以及宽带特性。
本发明所采用的技术方案是，多模谐振的宽带小型超表面天线，由上至下依次设置为超表面阵列、第一介质基板、金属地、第二介质基板，第二介质基板下表面设置有金属条带；还包括同轴连接器，同轴连接器的内芯与金属条带连接，同轴连接器的外导体与金属地连接；还包括若干个贯穿第一介质基板的金属化过孔，超表面阵列通过若干个金属化过孔与金属地连接。
本发明的特征还在于：
超表面阵列由4×3个超表面单元组成，包括三种超表面单元，每种超表面单元的数量均为四个，超表面单元之间通过交指进行连接；
四个第一种超表面单元分别位于4×3阵列的四个顶角处，每个第一种超表面单元包括金属矩形贴片，金属矩形贴片的四周边缘处设置有若干个金属交指贴片，每个金属矩形贴片均通过一个金属化过孔与金属地连接；
四个第二种超表面单元位于第一介质基板上表面中轴线处并排成一列，作为4×3超表面阵列中的第二列，每个第二种超表面单元包括金属矩形贴片，金属矩形贴片的四周边缘处设置有若干个金属交指贴片，每个金属矩形贴片上均开有开口方环缝隙，每个金属矩形贴片均通过一个金属化过孔与金属地连接；与金属矩形贴片连接的金属化过孔的端口位于开口方环缝隙的中心处；
4×3阵列中剩余位置均匀分布着四个第三种超表面单元，每个第三种超表面单元包括金属矩形贴片，金属矩形贴片的四周边缘处设置有若干个金属交指贴片。
金属地中心处刻蚀有鱼骨状缝隙。
第一介质基板的材质为聚四氟乙烯玻璃布覆铜箔板F4BM350，相对介电常数εr＝3.5,损耗tanδ＝0.003；第二介质基板的材质为聚四氟乙烯玻璃布覆铜箔板F4BM350，相对介电常数εr＝3.5，损耗tanδ＝0.003。
金属地及金属条带的材质均为铜；四个第一种超表面单元、四个第二种超表面单元及四个第三种超表面单元中的金属矩形贴片及金属交指贴片的材质均为铜。
本发明的有益效果是：
(1)本发明天线根据复合左右手传输线理论，使天线工作在负阶谐振模式，大大减小天线尺寸，易于集成在小型化系统中；利用负阶多模式谐振设计原理能够同时实现天线的小型化以及宽带特性。
(2)本发明天线通过构造负阶模式的非周期结构阵列，产生三种负阶谐振模式，使其合并，实现宽频段工作特性，提高通信速率。
(3)与传统的人工磁导体反射结构不同的是，本发明天线中的超表面结构作为天线的辐射结构，能够在小尺寸的条件下实现较高的侧向辐射增益。
(4)仅需要超表面结构和馈电结构，其中馈电结构的耦合缝隙印制于超表面结构的底层，大大简化天线的加工复杂度，降低加工成本。
(5)本发明天线辐射结构简单，可利用PCB工艺一次成型，馈电结构利用缝隙耦合结构。整体结构设计简单、体积小、剖面低、重量轻、方便与平面电路集成，可应用于多种无线通信设备，具有结构紧凑、易于加工、成本低、性能良好的优点。
附图说明
图1是本发明多模谐振的宽带小型超表面天线的立体结构示意图；
图2是本发明多模谐振的宽带小型超表面天线的剖面结构示意图；
图3是本发明多模谐振的宽带小型超表面天线的顶层结构示意图；
图4是本发明多模谐振的宽带小型超表面天线的中层结构示意图；
图5是本发明多模谐振的宽带小型超表面天线的底层结构示意图；
图6是本发明的实施例1对第二种超表面单元x方向色散曲线计算结果；
图7是本发明的实施例1对第一种超表面单元、第二种超表面单元及第三种超表面单元y方向色散曲线计算结果；
图8是本发明的实施例1对端口馈电时输入反射系数S11仿真结果图；
图9是本发明的实施例1对端口馈电时实际增益仿真结果图；
图10是本发明的实施例1对端口馈电时不同频率的E面主极化方向图；
图11是本发明的实施例1对端口馈电时不同频率的H面主极化方向图。
图中，1.同轴连接器，2.金属化过孔，3.超表面阵列，4.第一介质基板，5.第二介质基板，6.开口方环缝隙，7.鱼骨状缝隙，8.金属地，9.金属条带；
3-1.第一种超表面单元，3-2.第二种超表面单元，3-3.第三种超表面单元。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明公开多模谐振的宽带小型超表面天线，如图1-5所示，包括由上至下依次设置的超表面阵列3、第一介质基板4、金属地8、第二介质基板5，第二介质基板5下表面设置有金属条带9；还包括同轴连接器1，同轴连接器1的内芯与金属条带9连接，同轴连接器1的外导体与金属地8连接；还包括若干个贯穿第一介质基板4的金属化过孔2，超表面阵列3通过若干个金属化过孔2与金属地8连接。
超表面阵列3由4×3个超表面单元组成，包括三种超表面单元，每种超表面单元的数量均为四个，超表面单元之间通过交指进行连接如图3所示；
四个第一种超表面单元3-1分别位于4×3阵列的四个顶角处，每个第一种超表面单元3-1包括金属矩形贴片，金属矩形贴片的四周边缘处设置有若干个金属交指贴片，每个金属矩形贴片均通过一个金属化过孔2与金属地8连接；
四个第二种超表面单元3-2位于第一介质基板4上表面中轴线处并排成一列，作为4×3超表面阵列中的第二列，每个第二种超表面单元3-2包括金属矩形贴片，金属矩形贴片的四周边缘处设置有若干个金属交指贴片，每个金属矩形贴片上均开有开口方环缝隙6，每个金属矩形贴片均通过一个金属化过孔2与金属地8连接；与金属矩形贴片连接的金属化过孔2的端口位于开口方环缝隙6的中心处；
4×3阵列中剩余位置均匀分布着四个第三种超表面单元3-2，每个第三种超表面单元3-2包括金属矩形贴片，金属矩形贴片的四周边缘处设置有若干个金属交指贴片。
金属地8中心处刻蚀有鱼骨状缝隙7；鱼骨状缝隙7的中轴线与四个第二印制金属交指贴片3-2所处的中轴线垂直。带有鱼骨状缝隙7的金属地8与金属条带9组成馈电结构；
第一介质基板4的材质为聚四氟乙烯玻璃布覆铜箔板F4BM350，相对介电常数εr＝3.5,损耗tanδ＝0.003；第二介质基板5的材质为聚四氟乙烯玻璃布覆铜箔板F4BM350，相对介电常数εr＝3.5,损耗tanδ＝0.003。
金属地8及金属条带9的材质均为铜；四个第一种超表面单元3-1、四个第二种超表面单元3-2及四个第三种超表面单元3-3中的金属矩形贴片及金属交指贴片的材质均为铜。
馈电结构由两部分组成，分别由金属地8中间刻蚀的鱼骨状缝隙7，其位于第一介质基板4的下表面，以及印制在第二介质基板5下表面的金属条带9组成。同轴连接器1的内芯与金属条带9进行焊接，同轴连接器1的外导体与中间层金属地8进行焊接。
本发明的多模谐振的宽带小型超表面天线的可行性及工作原理如下：首先构造4×3的周期性单元结构，均为上文所述第三种单元结构。根据周期超表面能够工作在左手区域产生负阶谐振模式的原理，第二种超表面单元3-2沿x方向可得到如图6的“V”形色散结果，当输入电场沿y方向相位延迟为0°时，可在低频段产生与高频段近似对称的左手区域，其相位传播方向与电磁波传播方向相反，因此形成TM(-20)模式和TM(-10)模式，并进行双模式合并。此时由于天线谐振在超材料结构色散曲线的左手区域，本发明所述的天线相比同类型的天线尺寸大大减小。为了进一步构造低频段TM(-21)模式，需要超表面结构在横向y方向产生270°的相位延迟，因此去掉超表面阵列中间的开口方环缝隙6形成上文所述第二种单元结构。但此时TM(-20)与TM(-10)向高频段移动并产生模式分离，无法形成宽频段谐振。去掉金属化过孔2后形成上文所述第一种超表面单元结构，使中间两行单元阵列的横向y方向产生小于90°相位延迟，仅将TM(-20)向高频段移动，与高频段TM(-10)模式和低频段TM(-21)模式同时合并，最终同时达到小型化与宽频段的目的。第一种超表面单元3-1、第二种超表面单元3-2及第三种超表面单元3-3的y方向色散如图7所示，当单元输入电场相位沿x方向为90°时，第一、四行中的三个超表面单元沿y方向相位之和为270°，第二、三行中的三个超表面单元沿y方向相位之和小于90°，产生TM(-21)模式。
实施例1
本发明的多模谐振的宽带小型超表面天线采用印制电路板工艺，制作于尺寸为39mm×38mm×3.8mm，其中介质基板4的厚度为3mm，介质基板5的厚度为0.8mm两个介质板材均为聚四氟乙烯玻璃布覆铜箔板F4BM350。天线顶层如图3所示，印制金属交指贴片纵向的交指宽度为S2，交指缝隙为S1，横向的交指宽度为S4，交指缝隙为S3。开口方环缝隙6的外边长为S5，缝隙宽度为S6。金属化过孔2的直径为D。天线中间层如图4所示，鱼骨状缝隙7的长度为L3宽度为W1，缝隙枝节的宽度分别为W2和W3。金属条带9的长度为L4，宽度为W4。L1为中间缝隙枝节距离，L2为两侧缝隙枝节距离，Ws为天线宽度，Ls为天线长度。
本实施例提供的这种低剖面宽带方向图分集天线的整体尺寸为：39mm×38mm×3.8mm，具体几何参数为：S0＝1.51mm，S1＝0.95mm，S2＝1.01mm，S3＝0.27mm，S4＝1.58mm，S5＝4.73mm，S6＝0.87mm，L1＝12.00mm，L2＝30.75mm，L3＝36.00mm，L4＝30.57mm，W1＝2.85mm，W2＝1.97mm，W3＝1.64mm，W4＝1.51mm，D＝2.00mm，WS＝38.00mm，LS＝39.00mm。
本实施例所述天线工作在2.15GHz—3.84GHz，并在该频段内实现方向图侧向辐射。
图6是本发明的实施例对第二种超表面单元3-2x方向色散曲线计算结果。当电磁波沿x方向通过第二种超表面单元3-2时，不同频率产生的相位延迟即为色散曲线，对于传统微带线结构，其相位仅随频率的增大而增大，即为右手传输区域。而对于复合左右手传输线结构，其相位在低频段随频率增大而减小，即左手传输区域，当大于某一临界频率(0阶模式)，相位随频率增大而增大。证明此方案对于减小天线尺寸可行。
图7是本发明的实施例对第一种超表面单元3-1、第二种超表面单元3-2及第三种超表面单元3-3单元y方向色散曲线计算结果。此算例中设输入电场的x方向为90°，则不同超表面单元y方向的相位在2.25Ghz处即为116°、45°、1°，当第一行和第四行阵列的相位之和为116°+116°+45°＝277°≈270°，第二行和第三行阵列的相位之和为45°+1°+1°＝47°＜90°，则超表面结构可产生TM(-21)模式，为多模式宽带奠定理论基础。
图8为本发明实施例的天线馈电时，输入反射系数S11的仿真结果。可以看出在激励天线时，在2.15GHz—3.84GHz范围内反射系数小于-10dB,分别于2.25GHz产生TM(-21)模式、3.0GHz产生TM(-20)模式、3.6GHz产生TM(-10)模式，并形成模式合并，扩展天线工作频段，分数带宽约为56％。
图9为本发明实施例的天线馈电时，远场实际增益的仿真结果。可以看出，天线在工作频段内，增益均大于3.5dBi。并于3.6GHz时达到最大4.3dBi。
图10为本发明实施例的天线馈电时，不同频率的E面主极化方向图。该图分别展示三个谐振模式在垂直极化方向的E面归一化远场二维极坐标图，由于天线尺寸较小，天线方向图呈现出近似偶极子的方向图的形状，有较大的后向辐射。
图11为本发明实施例的天线馈电时，不同频率的H面主极化方向图。该图分别展示三个谐振模式在水平极化方向的H面归一化二维极坐标图，随着工作频率的升高，后向辐射强度逐渐减小。
结论：本实施例的多模谐振的宽带小型超表面天线，二维尺寸仅为0.09倍的低频波长平方(0.09λ2)，小于同类型的其他天线；
本实施例的多模谐振的宽带小型超表面天线，工作在2.15GHz—3.84GHz，覆盖5GNR中n7、n38、n41、n78频段。为物联网等提供高速宽带通信服务；
本实施例的多模谐振的宽带小型超表面天线，能够在小尺寸的条件下实现最高4.3dBi的侧向辐射增益。
实施例2
多模谐振的宽带小型超表面天线，如图1-5所示，包括由上至下依次设置的超表面阵列3、第一介质基板4、金属地8、第二介质基板5，第二介质基板5下表面设置有金属条带9；还包括同轴连接器1，同轴连接器1的内芯与金属条带9连接，同轴连接器1的外导体与金属地8连接；还包括若干个贯穿第一介质基板4的金属化过孔2，超表面阵列3通过若干个金属化过孔2与金属地8连接。
实施例3
多模谐振的宽带小型超表面天线，如图1-5所示，包括由上至下依次设置的超表面阵列3、第一介质基板4、金属地8、第二介质基板5，第二介质基板5下表面设置有金属条带9；还包括同轴连接器1，同轴连接器1的内芯与金属条带9连接，同轴连接器1的外导体与金属地8连接；还包括若干个贯穿第一介质基板4的金属化过孔2，超表面阵列3通过若干个金属化过孔2与金属地8连接。
超表面阵列3由4×3个超表面单元组成，包括三种超表面单元，每种超表面单元的数量均为四个，超表面单元之间通过交指进行连接如图3所示；
四个第一种超表面单元3-1分别位于4×3阵列的四个顶角处，每个第一种超表面单元3-1包括金属矩形贴片，金属矩形贴片的四周边缘处设置有若干个金属交指贴片，每个金属矩形贴片均通过一个金属化过孔2与金属地8连接；
四个第二种超表面单元3-2位于第一介质基板4上表面中轴线处并排成一列，作为4×3超表面阵列中的第二列，每个第二种超表面单元3-2包括金属矩形贴片，金属矩形贴片的四周边缘处设置有若干个金属交指贴片，每个金属矩形贴片上均开有开口方环缝隙6，每个金属矩形贴片均通过一个金属化过孔2与金属地8连接；与金属矩形贴片连接的金属化过孔2的端口位于开口方环缝隙6的中心处；
4×3阵列中剩余位置均匀分布着四个第三种超表面单元3-2，每个第三种超表面单元3-2包括金属矩形贴片，金属矩形贴片的四周边缘处设置有若干个金属交指贴片。
Claims (5)
1.多模谐振的宽带小型超表面天线，其特征在于，由上至下依次设置为超表面阵列(3)、第一介质基板(4)、金属地(8)、第二介质基板(5)，第二介质基板(5)下表面设置有金属条带(9)；还包括同轴连接器(1)，同轴连接器(1)的内芯与金属条带(9)连接，同轴连接器(1)的外导体与金属地(8)连接；还包括若干个贯穿第一介质基板(4)的金属化过孔(2)，超表面阵列(3)通过若干个金属化过孔(2)与金属地(8)连接。
2.根据权利要求1所述的多模谐振的宽带小型超表面天线，其特征在于，所述超表面阵列(3)由4×3个超表面单元组成，包括三种超表面单元，每种超表面单元的数量均为四个，超表面单元之间通过交指进行连接；
四个第一种超表面单元(3-1)分别位于4×3阵列的四个顶角处，每个第一种超表面单元(3-1)包括金属矩形贴片，金属矩形贴片的四周边缘处设置有若干个金属交指贴片，每个金属矩形贴片均通过一个金属化过孔(2)与金属地(8)连接；
四个第二种超表面单元(3-2)位于第一介质基板(4)上表面中轴线处并排成一列，作为4×3超表面阵列中的第二列，每个第二种超表面单元(3-2)包括金属矩形贴片，金属矩形贴片的四周边缘处设置有若干个金属交指贴片，每个金属矩形贴片上均开有开口方环缝隙(6)，每个金属矩形贴片均通过一个金属化过孔(2)与金属地(8)连接；与金属矩形贴片连接的金属化过孔(2)的端口位于开口方环缝隙(6)的中心处；
4×3阵列中剩余位置均匀分布着四个第三种超表面单元(3-2)，每个第三种超表面单元(3-2)包括金属矩形贴片，金属矩形贴片的四周边缘处设置有若干个金属交指贴片。
3.根据权利要求2所述的多模谐振的宽带小型超表面天线，其特征在于，所述金属地(8)中心处刻蚀有鱼骨状缝隙(7)。
4.根据权利要求2所述的多模谐振的宽带小型超表面天线，其特征在于，所述第一介质基板(4)的材质为聚四氟乙烯玻璃布覆铜箔板F4BM350，相对介电常数εr＝3.5，损耗tanδ＝0.003；所述第二介质基板(5)的材质为聚四氟乙烯玻璃布覆铜箔板F4BM350，相对介电常数εr＝3.5，损耗tanδ＝0.003。
5.根据权利要求2所述的多模谐振的宽带小型超表面天线，其特征在于，所述金属地(8)及金属条带(9)的材质均为铜；四个第一种超表面单元(3-1)、四个第二种超表面单元(3-2)及四个第三种超表面单元(3-3)中的金属矩形贴片及金属交指贴片的材质均为铜。
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| CN202410202017.9A Pending CN117977210A (zh) | 2024-02-23 | 2024-02-23 | 多模谐振的宽带小型超表面天线 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117977210A (zh) |
-
2024
- 2024-02-23 CN CN202410202017.9A patent/CN117977210A/zh active Pending
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Legal Events
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