CN209913026U - 基于超表面的高增益双频圆极化天线 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于超表面的高增益双频圆极化天线，它的工作频段是K波段和Ka波段，该天线的金属层包括微带环馈线、开十字槽缝的接地平面、超表面，位于最下方的微带环馈线和位于中间的开缝接地平面互相耦合，电磁波能量耦合到最上层的超表面并被辐射出去，微带环馈线的顺序旋转结构可以产生90度的相位差从而激励圆极化，这种馈电结构能够实现宽的轴比带宽，超表面能够影响高低频段的轴比带宽和增益，该天线在两个频段内的增益都大于5dBic,这个单端口馈电的双频圆极化天线在两个频段带内都具有较好的辐射特性，而且该结构紧凑，易于加工，因此在无线通讯系统中具有较好的使用前景。
Description
技术领域
本实用新型属于光学/微波、无线通信与测试仿真技术领域，具体涉及一种基于超表面的高增益双频圆极化天线。
背景技术
随着社会的进步，通信信息服务不断发展，为了提高通信系统的通讯速率，目前通信频段越来越向高频段发展，尤其在K、Ka波段，工作在这两个频段要求天线具有尺寸小、增益高等相关特性。由于电磁兼容等一些问题，人们通常希望一副天线可以“集成”多个工作频段，这样在很多情况下就能够共用同一副天线。因此天线的双频乃至多频圆极化技术愈发受到关注，因为圆极化天线本身所具有的特性：(1)受法拉第旋转效应的影响小；(2)接收天线与发射天线之间不需要保持方向一致，移动性强；(3)可以接收任意线极化波，其发射波也能被任意线极化天线接收，故这些优点使得圆极化天线成为在现代通信尤其是卫星通信和定位领域中不可或缺的关键部件。
目前有几种能够实现双频工作的天线形式，但各有优缺点。波导缝隙天线是在波导宽边或窄边进行开缝，通常有行波、驻波两种阵列形式，但辐射单元缝隙的增益相对较低，由于为串馈形式，带宽内出现频扫现象，随着工作频率的增高，要求加工精度也越高，需借助较高的焊接工艺加工制造，成品率较低，导致成本较高，且实现双频圆极化共口径辐射，难度较大。反射面天线在Ka频段具有很好的射频性能，差损低、辐射效率高、实现圆极化辐射相对技术较为简单，但该形式天线物理尺寸较大，不适用在一些空间狭小的场合。透镜反射面天线类似，通常采用馈源照射介质球、介质饼等，使波束聚焦，实现高增益照射的目的，但与反射面天线同样具有天线体积尺寸过大，无法实现波束调整的功能。与此同时，由于微带天线自身拥有很多出众的特点，例如结构灵巧、易于集成、造价低廉等，所以特别适合制作双频圆极化天线,本实用新型的目的在于避免上述背景技术中的不足之处而提供一种利用微带线馈电的双频圆极化天线，本实用新型的特点是损耗低，增益高，结构紧凑。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种基于超表面的高增益双频圆极化天线，该天线具有结构简单、增益高等优点。接地平面与单端口的馈电线耦合，激发圆极化的正交模。与传统的圆极化微带贴片天线相比，超表面拓宽了轴比带宽，提高了天线的增益和辐射效率。
实现本实用新型目的的具体技术方案是：
一种基于超表面的高增益双频圆极化天线，特点是该天线为由第一介质基板及由下向上分布的第二介质基板和第三介质基板组成的层叠结构，所述第一介质基板为层叠结构的基础层，第一介质基板为T形，第二介质基板和第三介质基板为正方形；其中：
所述第一介质基板的下表面印制有第一金属层，第一金属层为微带环馈线结构，该结构由微带馈电线、阻抗匹配转换器和枝节转换器连接而成，其枝节转换器为由四节矩形金属臂依次连接而成的矩形环状，阻抗匹配转换器为L形，一端连接枝节转换器、一端连接微带馈电线；
所述第一介质基板的上表面印制有第二金属层即金属接地层上刻蚀有十字槽缝，金属接地层与第一介质基板形状、面积形同，金属接地层上的十字槽缝蚀刻在T形的垂直面上，十字槽缝的几何中心和T形的垂直面的几何中心重合；
所述第二介质基板设于金属接地层的上表面，作用是粘合剂，用来连接附着在第一介质基板上的金属接地层和第三介质基板；
所述第三介质基板的上表面印制有第三金属层，第三金属层是一种嵌套结构，嵌套结构包括四个形状大小完全相同的辐射单元，辐射单元是一个开有矩形槽缝的b形环，环里设有一个正方形贴片，所述四个辐射单元绕着第三介质基板的几何中心依次顺时针旋转90°设置。
所述微带环馈线结构，利用单端口馈电，在两个频段内都产生右旋圆极化。
所述双频圆极化天线的工作频段是从K波段到Ka波段。
所述双频圆极化天线的在两个频段内的增益至少在5dBic。
所述第一金属层、第二金属层及第三金属层的材料均为铜。
本实用新型的有益效果是，本实用新型是单端口馈电的双频圆极化天线，采用顺序旋转的微带环馈线和开了十字缝隙的接地金属面进行耦合，在最上层的超表面有效的提高了双频天线的效率并拓宽了两个频段的轴比带宽，有利于该天线在无线通信中的应用。而且该结构可直接刻蚀在天线的基板上，没有带来任何加工负担，也无需增大天线的体积，在该角度上可看作实现了高增益天线的小型化。
附图说明
图1为本实用新型结构示意图；
图2为本实用新型的微带环馈线结构示意图；
图3为本实用新型的开有十字槽缝的接地层结构示意图；
图4为本实用新型的辐射超表面的结构示意图；
图5为本实用新型的回波损耗、轴比、增益结果图；
图6为本实用新型在20.8GHz下在xoz面的实测辐射方向图；
图7为本实用新型在20.8GHz下在yoz面的实测辐射方向图；
图8为本实用新型在26.8GHz下在xoz面的实测辐射方向图；
图9为本实用新型在26.8GHz下在yoz面的实测辐射方向图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明。
参阅图1，本实用新型所述的天线是一种单端口馈电的多层结构，它的工作频段是K波段和Ka波段。其包括第一介质基板1，以及由下往上布置的第二介质基板2和第三介质基板 3组成的层叠结构，该天线的金属层包括第一金属层4、开十字槽缝6的第二金属层即金属接地层5及第三金属层7，第一介质基板1的下表面是用来馈电的第一金属层4，第一介质基板 1的上表面是一个开有十字槽缝6的T形结构，第二介质基板2位于金属接地层和第三介质基板3的中间，它的作用相当于黏合剂，第三介质基板3的上表面是第三金属层7，超表面7 是一个嵌套结构。位于最下方的第一金属层4和位于中间的开缝金属接地层5互相耦合，电磁波能量耦合到最上层的第三金属层7并被辐射出去，第一金属层4的金属臂结构可以产生 90°的相位差从而激励圆极化，该天线的馈线结构包含四个顺序旋转金属臂，每一个金属臂和地面上的十字缝隙耦合。
本实用新型在低频段的阻抗带宽是从19.0-21.8GHz，相对带宽为13.4％，在整个低频段的增益大于5dBic，在20.20GHz时，最大增益可达6.0dBic，轴比带宽是从19.1-21.0GHz，达到10.47％。在高频段的阻抗带宽是26.49-29.51GHz，相对带宽为10.7％，在高频段增益大于6dBic，在28.4GHz时，最大增益为7.2dBic，轴比带宽是从26.9到29.0GHz，达到7.57％。
所述最上层的超表面结构可将辐射单元顺序旋转得到，通过在全波仿真软件CSTMicrowave Studio中建模并分析其表面的电流分布，超表面可以拓宽天线的轴比带宽。
本实用新型第一介质基板1及第三介质基板3为1-Rogers RO4003C板，第二介质基板2 为-Rogers RO4450B板。
图1是该天线的结构示意图,从该图中可以看到天线各层的分布情况,图2是该天线的馈电结构,该结构是一个微带环馈线,参数L1是微带环馈线中金属臂之间的距离,L1的大小可以决定天线的工作频段,参数W5是该金属臂的宽度，W5的大小可以决定枝节转换器的阻抗，该馈线末端的长度是L2。图3是接地平面的结构示意图,该接地平面是由两部分组成,前半部分是一个宽度为W1的正方形,正方形上面开有一个十字槽缝,正方形和十字槽缝的几何中心重合，该缝隙的宽度是W2,长度是W3，W2和W3的大小共同决定天线的增益高低，该槽缝将能量辐射到辐射超表面，接地平面的后半部分是宽度为W4的矩形贴片,矩形贴片的存在是为了连接馈电接头。图4是天线的超表面,辐射表面是由一个嵌套单元绕着介质基板3的几何中心依次顺时针旋转90°设置，该单元的外层是一个宽度为P1的b形环结构,P1的大小可以决定低频的阻抗带宽，该b形环上缝隙的宽度大小为P3,P3的大小决定低频的轴比带宽，b形环上的枝节是为了平衡电流分布,单元的内部是一个正方形，正方形的边长为P2,P2的大小决定高频的阻抗带宽，各参数具体数值示于表1。
表1天线结构参数
| Parameters | W1 | W2 | W3 | W4 | W5 |
| Value/mm | 8.5 | 0.15 | 3.6 | 14 | 0.25 |
| Parameters | L1 | L2 | P1 | P2 | P3 |
| Value/mm | 2.5 | 9 | 2.2 | 1.5 | 0.15 |
本实用新型的工作原理：将超表面结构加载在双频圆极化天线的最上层，超表面是由四个小单元通过顺时针旋转得到，该辐射贴片可以提高天线的辐射效率,有效的平衡电流分布, 在天线的工作频段内实现较好的圆极化特性。最下层的微带环馈线易于实现阻抗匹配，该结构的创新之处在于仅通过一个输入端口实现双频圆极化,输入端口决定该天线产生右旋圆极化，中间的接地面与下层微带环馈线互相耦合,超表面将电磁能量辐射到空间，拓宽了双频圆极化天线在低频和高频的轴比带宽。
图5是该天线的结果图,该天线在双频段实现了右旋圆极化，天线在低频段的阻抗带宽是从19.0-21.8GHz，在整个低频段的增益大于5dBic，在20.20GHz时，最大增益达到6.0dBic，轴比带宽是从19.1-21.0GHz，达到10.47％。在高频段的阻抗带宽是26.49-29.51GHz，在高频段增益大于6dBic，在28.4GHz时，最大增益为7.2dBic，轴比带宽是从26.9到29.0GHz，达到7.57％。该结果表明本实用新型和传统的圆极化天线相比,拓宽了阻抗带宽和轴比带宽, 而且该天线在两个频段的增益效果良好,能够在实际应用当中发挥稳定的作用。图6和图7分别是在低频时两个主面的实测辐射方向图,在20.8GHz时该天线的主极化为右旋圆极化。图8 和图9分别是在高频时两个主面的实测辐射方向图,在26.8GHz时该天线的主极化为右旋圆极化。
以上所述,仅是本实用新型的较优案例,并非对本实用新型作任何形式上的限制,虽然本实用新型已经对实施案例做了详细的阐述,然而并非用以限定本实用新型,任何熟悉该领域专业人士,在不脱离本实用新型技术方案范围内,当可利用上述揭示的方法及技术内容做出些许的更改或修饰为同等变化的等效实施案例,但凡是未脱离本实用新型技术方案的内容,根据本实用新型的技术实质对上实施案例所作的任何简单修改,等同变化与修饰,仍属本实用新型技术方案的范围内。
Claims (5)
1.一种基于超表面的高增益双频圆极化天线，其特征在于，该天线为由第一介质基板（1）及由下向上分布的第二介质基板（2）和第三介质基板（3）组成的层叠结构，所述第一介质基板（1）为层叠结构的基础层，第一介质基板（1）为T形，第二介质基板（2）和第三介质基板（3）为正方形；其中：
所述第一介质基板（1）的下表面印制有第一金属层（4），第一金属层（4）为微带环馈线结构，该结构由微带馈电线、阻抗匹配转换器和枝节转换器连接而成，其枝节转换器为由四节矩形金属臂依次连接而成的矩形环状，阻抗匹配转换器为L形，一端连接枝节转换器、一端连接微带馈电线；
所述第一介质基板（1）的上表面印制有第二金属层即金属接地层（5），金属接地层（5）上刻蚀有十字槽缝（6），金属接地层（5）与第一介质基板（1）形状、面积形同，金属接地层（5）上的十字槽缝（6）蚀刻在T形的垂直面上，十字槽缝（6）的几何中心和T形的垂直面的几何中心重合；
所述第二介质基板（2）设于金属接地层（5）的上表面，作用是粘合剂，用来连接附着在第一介质基板（1）上的金属接地层（5）和第三介质基板（3）；
所述第三介质基板（3）的上表面印制有第三金属层（7），第三金属层（7）是一种嵌套结构，嵌套结构包括四个形状大小完全相同的辐射单元，辐射单元是一个开有矩形槽缝的b形环，环里设有一个正方形贴片，所述四个辐射单元绕着第三介质基板（3）的几何中心依次顺时针旋转90°设置。
2.根据权利要求1所述的高增益双频圆极化天线，其特征在于，所述微带环馈线结构，利用单端口馈电，在两个频段内都产生右旋圆极化。
3.根据权利要求1所述的高增益双频圆极化天线，其特征在于，所述双频圆极化天线的工作频段是从K波段到Ka波段。
4.根据权利要求1所述的高增益双频圆极化天线，其特征在于，所述双频圆极化天线在两个频段内的增益至少在5dBic。
5.根据权利要求1所述的高增益双频圆极化天线，其特征在于，所述第一金属层（4）、第二金属层（5）及第三金属层（7）的材料均为铜。
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