CN118117333A - 一种基于电磁超表面的超宽带天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于电磁超表面的超宽带天线，涉及全向超表面天线技术领域。包括位于底层的金属地，所述金属地为圆形；位于金属地上层并与金属地贴合的介质板，所述介质板与金属地的直径相同；位于顶层的金属贴片，所述金属贴片印制在介质板上表面，所述金属贴片由中心位置的圆形贴片和位于圆形贴片外围的环形贴片构成；金属化过孔，所述金属化过孔贯穿金属贴片和介质板，通过所述金属化过孔将金属贴片与金属地连通，本发明为单层印制电路板结构，能够有效减小天线的剖面高度，降低天线制作的复杂性，在保持带宽性能的同时实现了整体尺寸的降低，提高了天线的稳定性。

Description

一种基于电磁超表面的超宽带天线

技术领域

本发明涉及全向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超宽带天线。

背景技术

在移动通信中，为了实现信号的覆盖，需要设置用于信号收发的天线，且要求该天线能够与室内任意方向都能实现很好的通信。为了实现360°的信号覆盖，使用的天线需要具有全向特性。当前，超表面天线的整体尺寸比微带贴片天线要大，这限制了其在密集天线阵列中的应用。此外，在紧凑的电磁设备中，天线的尺寸要进行小型化的设计来满足空间要求；在相控阵天线设计中，需要小于半波长的单元间距来抑制栅瓣。所以，如何在保持天线带宽性能的同时实现天线的小型化，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超宽带天线，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：

基于电磁超表面的超宽带天线，所述装置包括：

位于底层的金属地，所述金属地为圆形；

位于金属地上层并与金属地贴合的介质板，所述介质板与金属地的直径相同；

位于顶层的金属贴片，所述金属贴片印制在介质板上表面，所述金属贴片由中心位置的圆形贴片和位于圆形贴片外围的环形贴片构成；

金属化过孔，所述金属化过孔贯穿金属贴片和介质板，通过所述金属化过孔将金属贴片与金属地连通。

进一步地，所述圆形贴片的中心位置还设置有环形缝隙，所述环形缝隙、圆形贴片以及介质板同轴设置。

进一步地，所述环形贴片的直径小于介质板的直径，所述环形贴片包括内环贴片和外环贴片，所述外环贴片的环宽大于内环贴片的环宽。

进一步地，所述内环贴片位于圆形贴片的外围，与圆形贴片保持第一缝隙，所述外环贴片位于内环贴片的外围，与内环贴片保持第二缝隙，所述第二缝隙的宽度小于第一缝隙的宽度。

进一步地，所述内环贴片划分为12个大小相同且同轴的内扇形贴片，所述内扇形贴片的相邻的两个内扇形贴片之间相隔第三缝隙。

进一步地，所述外环贴片划分为12个大小相同且同轴的外扇形贴片，相邻的两个外扇形贴片之间相隔第四缝隙。

进一步地，所述外扇形贴片与内扇形贴片的位置一一对应，对应的第三缝隙与第四缝隙位于一条直线上，且第三缝隙的宽度等于第四缝隙的宽度。

进一步地，所述金属化过孔设置有两组，分别为第一环形组和第二环形组，所述第一环形组和第二环形组均包括12个金属化过孔。

进一步地，所述第一环形组中的12个金属化过孔沿圆形贴片的圆周均匀设置，每个金属化过孔分别与对应的第三缝隙位于一条直线；所述第二环形组中的12个金属化过孔分别设置在12个外扇形贴片内。

进一步地，所述金属地的底面的中心位置设置有同轴耦合馈电结构，同轴耦合馈电结构的同轴外层连接金属地，同轴耦合馈电结构的芯线穿过介质板与圆形贴片的圆心连接。

本发明的有益效果是：

本发明提出了一种超宽带水平全向超表面天线，通过内外层超表面不同尺寸的分布，将具有全向辐射特性的两个模式的电流在一定频率范围内集中在中心圆形贴片上，采用同轴馈电即可同时激励起这两个模式，实现具有全向辐射特性的超宽带超表面天线。该天线为单层印制电路板结构，能够有效减小天线的剖面高度，降低天线制作的复杂性，在保持带宽性能的同时实现了整体尺寸的降低，提高了天线的稳定性。

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超宽带天线的俯视图；

图2为基于电磁超表面的超宽带天线的侧视图；

图3为基于电磁超表面的超宽带天线的尺寸图；

图4为基于电磁超表面的超宽带天线的模式权重系数；

图5为基于电磁超表面的超宽带天线的模式电流与模式方向图；

图6为基于电磁超表面的超宽带天线的S11曲线图；

图7为基于电磁超表面的超宽带天线的方向图。

图中标记：

1、金属地；2、介质板；3、环形缝隙；4、圆形贴片；5、内环贴片；6、外环贴片；7、金属化过孔；8、同轴耦合馈电结构。

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，基于电磁超表面的超宽带天线，包括：

位于底层的金属地1，所述金属地1为圆形；

位于金属地1上层并与金属地1贴合的介质板2，所述介质板2与金属地1的直径相同，介质板2的半径为R_g；

位于顶层的金属贴片，所述金属贴片印制在介质板2上表面，所述金属贴片由中心位置的圆形贴片4和位于圆形贴片4外围的环形贴片构成，圆形贴片4的半径为R_p；

具体的，设置环形贴片等同于加载了带外寄生结构，从而改善阻抗匹配，获得超宽带性能；

通过设置圆形贴片4和环形贴片，能够减弱边缘超表面单元上的电流分布并得到较宽的模式权重系数带宽，保持结构的紧凑性，从而减小了边缘超表面单元的尺寸；

金属化过孔7，所述金属化过孔7贯穿金属贴片和介质板2，通过所述金属化过孔7将金属贴片与金属地1连通，其中，所述金属化过孔的半径为r_via；

具体的，通过在金属贴片和介质板2之间加载金属化过孔7，不仅保持整个结构的对称性，保持了良好的全向特性，还能使全向辐射特性的模式谐振频率下降，从而实现小型化的结构。

本实施例中，所述超宽带天线为单层印制电路板结构，能够有效减小天线的剖面高度，降低天线制作的复杂性，提高天线的稳定性，天线的厚度h＝4.57mm，所述超宽带天线的模式1与模式6具有全向垂直极化辐射特性。

基于以上实施例，所述金属地1的底面的中心位置设置有同轴耦合馈电结构8，同轴耦合馈电结构8的同轴外层连接金属地1，同轴耦合馈电结构8的芯线穿过介质板2连接圆形贴片4的圆心。

基于以上实施例，所述圆形贴片4的中心位置还设置有环形缝隙3，所述环形缝隙3、圆形贴片4以及介质板2的圆心位于同一中轴线；

其中，环形缝隙3的宽度为s、半径为r_c，通过在圆形贴片4的中心位置设置环形缝隙3，能够增强同轴耦合馈电结构8与超宽带表面之间的耦合效果，增强圆形贴片4中心的电流。

基于以上实施例，所述环形贴片的直径小于介质板2的直径，所述环形贴片包括内环贴片5和外环贴片6，所述外环贴片6的环宽w₂大于内环贴片5的环宽w₁。

基于以上实施例，所述内环贴片5位于圆形贴片4的外围，与圆形贴片4保持第一缝隙gap₁，所述外环贴片6位于内环贴片5的外围，与内环贴片5保持第二缝隙gap₂，所述第二缝隙的宽度小于第一缝隙的宽度。

基于以上实施例，所述内环贴片5划分为12个大小相同且同轴的内扇形贴片，所述内扇形贴片的相邻的两个内扇形贴片之间相隔第三缝隙。

基于以上实施例，所述外环贴片6的12个相同大小且同轴的外扇形贴片，相邻的两个外扇形贴片之间相隔第四缝隙。

基于以上实施例，所述外扇形贴片与内扇形贴片的位置一一对应，对应的第三缝隙与第四缝隙位于一条直线上，且第三缝隙的宽度等于第四缝隙的宽度。

基于以上实施例，所述金属化过孔7设置有两组，分别为第一环形组和第二环形组，所述第一环形组和第二环形组均包括12个金属化过孔7。

基于以上实施例，所述第一环形组中的12个金属化过孔7沿圆形贴片4的圆周均匀设置，每个金属化过孔7分别与对应的第三缝隙位于一条直线；所述第二环形组中的12个金属化过孔7分别设置在12个外扇形贴片内；

具体的，所述第一环形组中金属化过孔7到中心点的距离为q₁；所述第二环形组中金属化过孔7到中心点的距离为q₂。

对超宽带天线进行特征模分析，请参阅图4，图中展示了模式1-模式6的模式权重系数(Modal Significance)曲线图。由图可知，在目标频带范围内，模式1与模式6均具有较高的模式权重系数值，表示其可以被激励；在3.25GHz以下，主要模式为模式1，在3.25GHz以上，主要模式为模式6。

分析模式1与模式6的模式电流分布，如图5所示，3.25GHz以下，模式1的模式电流分布主要集中在圆形贴片4上；3.25GHz以上主要被激励模式为模式6，模式6在4GHz、5GHz时，模式电流仍然集中分布圆形贴片4上，在6GHz时，最强电流分布在圆形贴片4与外环贴片6上，因此在工作频带内，所述超宽带天线的辐射方向图始终保持良好的全向辐射特性。

对超宽带天线进行仿真分析，得到超宽带天线的S11曲线如图6所示，带宽为67％(3.1GHz-6.22GHz)，尺寸仅为0.775*0.775*0.046超宽带天线的方向图如图7所示。

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超宽带天线，其特征在于，包括：

位于底层的金属地(1)，所述金属地(1)为圆形；

位于金属地(1)上层并与金属地(1)贴合的介质板(2)，所述介质板(2)与金属地(1)的直径相同；

位于顶层的金属贴片，所述金属贴片印制在介质板(2)上表面，所述金属贴片由中心位置的圆形贴片(4)和位于圆形贴片(4)外围的环形贴片构成；

金属化过孔(7)，所述金属化过孔(7)贯穿金属贴片和介质板(2)，通过所述金属化过孔(7)将金属贴片与金属地(1)连通。

2.根据权利要求1所述的基于电磁超表面的超宽带天线，其特征在于，所述圆形贴片(4)的中心位置还设置有环形缝隙(3)，所述环形缝隙(3)、圆形贴片(4)以及介质板(2)的圆心位于同一中轴线。

3.根据权利要求1所述的基于电磁超表面的超宽带天线，其特征在于，所述环形贴片的直径小于介质板(2)的直径，所述环形贴片包括内环贴片(5)和外环贴片(6)，所述外环贴片(6)的环宽大于内环贴片(5)的环宽。

4.根据权利要求3所述的基于电磁超表面的超宽带天线，其特征在于，所述内环贴片(5)位于圆形贴片(4)的外围，与圆形贴片(4)保持第一缝隙，所述外环贴片(6)位于内环贴片(5)的外围，与内环贴片(5)保持第二缝隙，所述第二缝隙的宽度小于第一缝隙的宽度。

5.根据权利要求3所述的基于电磁超表面的超宽带天线，其特征在于，所述内环贴片(5)划分为12个大小相同且同轴的内扇形贴片，所述内扇形贴片的相邻的两个内扇形贴片之间相隔第三缝隙。

6.根据权利要求5所述的基于电磁超表面的超宽带天线，其特征在于，所述外环贴片(6)划分为12个大小相同且同轴的外扇形贴片，相邻的两个外扇形贴片之间相隔第四缝隙。

7.根据权利要求6所述的基于电磁超表面的超宽带天线，其特征在于，所述外扇形贴片与内扇形贴片的位置一一对应，对应的第三缝隙与第四缝隙位于一条直线上，且第三缝隙的宽度等于第四缝隙的宽度。

8.根据权利要求7所述的基于电磁超表面的超宽带天线，其特征在于，所述金属化过孔(7)设置有两组，分别为第一环形组和第二环形组，所述第一环形组和第二环形组均包括12个金属化过孔(7)。

9.根据权利要求8所述的基于电磁超表面的超宽带天线，其特征在于，所述第一环形组中的12个金属化过孔(7)沿圆形贴片(4)的圆周均匀设置，每个金属化过孔(7)分别与对应的第三缝隙位于一条直线；所述第二环形组中的12个金属化过孔(7)分别设置在12个外扇形贴片内。

10.根据权利要求1所述的基于电磁超表面的超宽带天线，其特征在于，所述金属地(1)的底面的中心位置设置有同轴耦合馈电结构(8)，所述同轴耦合馈电结构(8)的同轴外层连接金属地(1)，同轴耦合馈电结构(8)的芯线穿过介质板(2)与圆形贴片(4)的圆心连接。