CN211957932U - 超材料宽频阵列天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及天线技术领域，公开了一种超材料宽频阵列天线，其包括：导电地板；安装于导电地板上含馈电结构的馈电层；位于馈电层上方具有耦合腔体的耦合层；位于耦合层上方的超材料结构层；以及位于超材料结构层上方的天线阵列单元层，其中，天线阵列单元层、超材料结构层、耦合层和馈电层依次层叠形成层状结构，天线阵列单元层包括第一介质板和形成于第一介质板上呈阵列布置的多个辐射贴片，超材料结构层包括第二介质板和形成于第二介质板上呈阵列布置且与辐射贴片上下对应的多个网状超材料结构单元。本实用新型可提高天线辐射效率，能实现宽角扫描的阻抗匹配，并达到低剖面和性能要求，能够采用印刷电路技术进行批量生产。

Description

超材料宽频阵列天线

技术领域

本实用新型涉及天线技术领域，具体涉及一种超材料宽频阵列天线。

背景技术

随着现代化无线通信系统的日益发展，图像、音频，视频等大量信息的传输使通讯信息量日益增大，现代社会全面进入了信息时代。这对天线的带宽，增益，定向性等各个方面的性能提出了进一步的要求，从而单独采用单个独立的天线无法满足高增益等方面的需求。天线阵列因为具有高增益、相位扫描、方向图赋形等优势，因此得到广泛的应用。

近年来，为了满足阵列天线带宽的需求，超宽带天线阵得到了长足的发展，并提出并设计了各式各样特点不同的超宽带天线阵。但随着研究的不断深入，阵列间的耦合给阵列天线的辐射性能带来不好的影响。由于天线阵列的阵元往往排布紧密，相邻单元间会产生强烈的耦合，使得阵列单元的场分布与单个超宽带天线不同，进而影响整个阵列的辐射性能。传统的超宽带天线阵为了保持阵列的辐射性能，往往采用一些方法抑制单元间的耦合，例如在单元间加入金属隔板，或者加入吸波材料等等。除了物理上的隔离外，也有选择补偿的方式来抑制耦合，即在馈电前将信号乘以一个逆耦合因子，以消除互耦的影响。但是这些方法往往会带来一定负面影响，例如增益下降，方向图畸变，增加设计难度等等。

除了上述耦合问题外，现有技术中超宽带天线阵的体积问题还存在缺陷，例如传统Vivaldi天线阵、脊型渐变开槽天线阵为了实现阻抗的渐变，往往需要较长的长度；而传统的平面螺旋天线，为了实现超宽带特性，需要较大的半径。可见传统的超宽带天线阵由于其体积，难以实现小型化、易共形等要求。

实用新型内容

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种超材料宽频阵列天线，可以提高天线辐射效率，和实现宽角扫描的阻抗匹配，以及达到低剖面和性能要求，同时方便采用印刷电路技术进行批量生产。

根据本实用新型提供的一种超材料宽频阵列天线，其包括：

导电地板；

安装于导电地板上含馈电结构的馈电层；

位于馈电层上方具有耦合腔体的耦合层；

位于耦合层上方的超材料结构层；以及

位于超材料结构层上方的天线阵列单元层，

其中，天线阵列单元层、超材料结构层、耦合层和馈电层依次层叠形成层状结构，

天线阵列单元层包括第一介质板和形成于第一介质板上呈阵列布置的多个辐射贴片，超材料结构层包括第二介质板和形成于第二介质板上呈阵列布置且与该辐射贴片上下对应的多个网状超材料结构单元。

优选地，前述耦合层包括第三介质板和形成于第三介质板上呈阵列布置且与前述辐射贴片上下对应的多个前述耦合腔体，

前述馈电层包括第四介质板和形成于第四介质板上呈阵列布置的前述馈电结构，该馈电层采用T型等幅同向功分器通过孔径与上层的耦合层耦合，在前述耦合层的耦合口上方设置前述耦合腔体，并形成一分四功分器。

优选地，前述辐射贴片为正多边形或圆形辐射贴片，每2*2的4个辐射贴片形成一个天线阵列单元。

优选地，超材料结构层的每个网状超材料结构单元均对应一个天线阵列单元。

优选地，前述耦合层中的耦合腔体为“工”字形，每个耦合腔体与位于天线阵列单元层的一个前述天线阵列单元相对应。

优选地，前述馈电层中的馈电结构为按行或列呈阵列布置，其中，每个馈电结构包括多个一分二T型结功分器。

优选地，前述馈电层中的馈电结构按行呈阵列布置，其中，同一行中相邻的两个前述耦合腔体间的馈电网络为第一一分二T型结功分器，每两个相邻的第一一分二T型结功分器的输入端口与一个第二一分二T型结功分器的两个输出端口通过微带线相连，

每两个相邻的第二一分二T型结功分器的输入端口与一个第三一分二T型结功分器的两个输出端口通过微带线相连，该第三一分二T型结功分器输入端口作为馈电端口。

优选地，前述超材料宽频阵列天线还包括：

馈电接头，该馈电接头的外导体与所述导电地板连接，内导体穿过第四介质板与前述馈电结构连接，

并且，在前述馈电层中位于相邻行的馈电结构里，前述第三一分二T型结功分器的输入端口与该馈电接头的内导体链接。

优选地，前述超材料宽频阵列天线还包括：

位于前述第二介质板和前述耦合层之间的天线波束移相层，该天线波束移相层包括：

第五介质板和形成于第五介质板上呈阵列布置的多个金属体，

其中，每个金属体与一个前述天线阵列单元在竖直方向上相对应。

优选地，每个金属体形成有第一结构窗和第二结构窗，以及连接于该第一结构窗两端的第一微型组件和连接于该第二结构窗两端的第二微型组件，

其中，该第一微型组件为容性或感性元器件，该第二微型元件为容性或感性元器件。

优选地，前述超材料宽频阵列天线还包括：

第六介质板，位于前述天线阵列单元层的上方。

优选地，前述第六介质板的相对介电常数为4.5，厚度为0.5mm。

优选地，前述第一介质板、第三介质板和所述第四介质板中任一项的相对介电常数为2.55，厚度为1.5mm。

优选地，前述第二介质板的相对介电常数为2.9，厚度为2mm。

本实用新型的有益效果是：本实用新型提供的超材料宽频阵列天线，通过引入具有导电材质的超材料形成的超材料结构层，以异形结构的优化与调节使不同介质金属结构产生电磁波来相互抵消电磁场，从而使天线阵列单元之间耦合变小以提高天线辐射效率；

同时在天线波束移相层通过调节每个金属体单元结构窗大小和结构尺寸，以及连接金属体结构窗的电磁晶体微型组件(第一微型组件和/或第二微型组件)的不同特性变化实现对天线波束宽的宽角度扫描和阻抗匹配的作用；

阵列天线的馈电层通过功率合成网络可将多个天线阵列单元合并成若干大型天线阵列。

此外，本实用新型提供的超材料宽频阵列天线还具有结构简单、剖面低、加工方便、性能优良的特点，能够采用印刷电路技术进行批量生产。

附图说明

通过以下参照附图对本实用新型实施例的描述，本实用新型的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。

图1示出根据本实用新型提供的实施例中超材料宽频阵列天线的分解结构图；

图2a和2b示出图1中天线阵列单元层的结构示意图；

图3a和3b示出图1中超材料结构层的结构示意图；

图4a和4b示出图1中天线波束移相层的结构示意图；

图5a和5b示出图1中耦合层的结构示意图；

图6a和6b示出图1中馈电层的结构示意图；

图7示出图1中超材料宽频阵列天线的电压驻波比曲线图；

图8～图10分别示出图1中超材料宽频阵列天线在不同频点的阵列方向图。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对本实用新型进行更全面的描述。附图中给出了本实用新型的较佳实施例。但是，本实用新型可以通过不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反的，提供这些实施例的目的是使对本实用新型的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。

下面，参照附图对本实用新型进行详细说明。

图1示出根据本实用新型提供的实施例中超材料宽频阵列天线的分解结构图，图2a和2b示出图1中天线阵列单元层的结构示意图，图3a和3b示出图1中超材料结构层的结构示意图，图4a和4b示出图1中天线波束移相层的结构示意图，图5a和5b示出图1中耦合层的结构示意图，图6a和6b示出图1中馈电层的结构示意图。参考图1～6b，本实用新型实施例提供的一种超材料宽频阵列天线100包括：导电地板170、安装于导电地板170上含馈电结构162的馈电层160、位于馈电层160上方具有耦合腔体152的耦合层150、位于耦合层150上方的超材料结构层130，以及位于超材料结构层130上方的天线阵列单元层120，

其中，天线阵列单元层120、超材料结构层130、耦合层150和馈电层160依次层叠形成层状结构，天线阵列单元层120包括第一介质板121和形成于第一介质板121上呈阵列布置的多个辐射贴片1221，

超材料结构层130包括第二介质板131和形成于第二介质板131上呈阵列布置且与辐射贴片1221上下对应的多个网状超材料结构单元132，该超材料结构层130为超材料导电几何结构。

进一步的，耦合层150包括第三介质板151和形成于第三介质板151上呈阵列布置且与辐射贴片1221上下对应的多个耦合腔体152，馈电层160包括第四介质板161和形成于第四介质板161上呈阵列布置的馈电结构162，馈电层160采用T型等幅同向功分器通过孔径与上层耦合层150耦合，在耦合层150的耦合口上方设置耦合腔体152，并形成一分四功分器。

进一步的，辐射贴片1221为正多边形或圆形辐射贴片，在本实施例中采用圆形辐射贴片1221，采用2N*2N的阵列排布形式，即一共2N行，每行2N个圆形辐射贴片，每2*2的4个辐射贴片1221形成一个天线阵列单元122，如图2a和图2b所示。

整个天线阵列单元层120共形成有N*N个天线阵列单元122，构成每个天线阵列单元122的辐射贴片1221在行、列方向上均按同一间距一一对应排列，对于每个天线阵列单元122，在耦合层150的耦合口上方设置耦合腔体152，并形成一分四微带功分器，使用一个一分四微带功分器将四个辐射贴片贴片连接起来。在本实用新型提供的实施例中，16*16的辐射贴片阵列排布形成天线阵列单元层120，整个天线阵列单元层120共形成有8*8个天线阵列单元122，微带功分器为由细窄微带线构成的一个正向放置的“工”形结构，四个圆形辐射贴片1221各自与“工”字形微带功分器的一个端口相连，这样的四个辐射贴片形成一个天线阵列单元122。进一步的，超材料结构层130的每个网状超材料结构单元132均对应一个天线阵列单元122。

超材料由介质基板和设置在基板上的人造微结构组成，可以提供各种普通材料不具有的特性。人造微结构对外加电场和磁场具有电响应和磁响应，从而表现出等效介电常数和等效磁导率。而且，人造微结构的等效介电常数和等效磁导率可通过设计人造微结构的几何尺寸参数来人为地控制。例如，通过设计每个人造微结构的图案和/或尺寸并将人造微结构按一定规律排布，使得材料整体的电磁参数呈一定规律排布。规律排布的电磁参数使得超材料对电磁波具有宏观上的响应，例如，汇聚电磁波、发散电磁波、吸收电磁波等。

实践中，一般根据天线的空间辐射特性，计算出超材料层上每个位置处所需要的电磁参数，进而通过仿真软件反向计算出该处人造微结构的几何参数。在本实施例中，通过第二介质板131和在第二介质板131上呈阵列布置的网状超材料结构单元132形成超材料的超材料结构层130，其中，网状超材料结构单元132为导电几何结构，其开口形状与大小和天线阵列单元122中的2*2的4个辐射贴片1221相匹配，通过几何参数的调节使不同介质金属结构产生电磁波继而相互抵消电磁场，从而使天线阵列单元之间耦合变小，可达到提高阵列天线增益和改善互耦的目的。如图3a和3b所示。超材料结构层130包括第二介质板131和与天线阵列单元层120中多个天线阵列单元122相对应的多个网状超材料结构单元132。图3a和3b只是示出了单层中与一个天线阵列单元122相对应的超材料金属层的部分，相应地，该部分上仅示出了单层中与该天线阵列单元122相对应的导电几何结构，应当理解的是，超材料结构层130可以包括位于第二介质板131上下两面的超材料金属层，位于不同层中的导电几何结构可具有相同的构造。

进一步的，耦合层150中的耦合腔体152为“工”字形，每个耦合腔体152与位于天线阵列单元层120的一个天线阵列单元122相对应，如图5a和图5b所示。

进一步的，馈电层160中的馈电结构162为按行或列呈阵列布置，其中，每个馈电结构162包括多个一分二T型结功分器。

进一步的，馈电层160中的馈电结构162按行呈阵列布置，其中，连接在耦合层150同一行中相邻的两个耦合腔体152间的馈电网络为第一一分二T型结功分器1623，每两个相邻第一一分二T型结功分器1623输入端口与一个第二一分二T型结功分器1622的两个输出端口通过微带线相连，每两个相邻第二一分二T型结功分器1622输入端口与一个第三一分二T型结功分器1621的两个输出端口通过微带线相连，其中，第三一分二T型结功分器1621的输入端口162a作为馈电端口，如图6a和图6b所示。

进一步的，本实施例中的超材料宽频阵列天线100还包括：馈电接头(未示出)，该馈电接头外导体与导电地板170连接，内导体穿过第四介质板161与馈电结构162连接。进一步的，馈电层160中位于相邻行的馈电结构162中，第三一分二T型结功分器1621的输入端口162a与该馈电接头的内导体。

阵列天线的馈电层160通过功率合成网络将多个天线阵列单元合并成若干大型天线阵列，进一步的，例如可通过外界传输控制电路形成多路相同或不同宽度的天线波束，以此避免使用单一T型结功分器时造成的波束偏移，和/或天线整体空间浪费的问题。

进一步的，本实施例中的超材料宽频阵列天线100还包括：天线波束移相层140，位于第二介质板131和耦合层150之间，其包括第五介质板141和形成于第五介质板141上呈阵列布置的多个金属体142，其中，每个金属体142与天线阵列单元122在竖直方向上相对应。进一步的，金属体142形成有第一结构窗1421和第二结构窗1422，以及连接于第一结构窗1421两端的第一微型组件(未示出)和连接于第二结构窗1422两端的第二微型组件(未示出)，如图4a和图4b所示。

在本实用新型实施例的天线波束移相层140中，利用周期性排布的人造微结构调节天线辐射的近场分布，引导传播方向，对表面波进行调节，从而调制辐射元与辐射元间的互耦效应，最终改变口径场的幅相分布。具体如本实用新型中，在天线波束移相层通过调节每个金属体单元U型结构窗大小和结构尺寸以及连接金属体结构窗的电磁晶体微型组件的不同特性变化实现对天线波束宽的宽角度调控和阻抗匹配的作用。

进一步的，本实施例中的超材料宽频阵列天线100还包括：第六介质板110，位于天线阵列单元层120的上方。

本实用新型实施例中，超材料宽频阵列天线通过多层介质板叠加形成的不同覆盖层厚度使覆盖层具有非均匀反射系数幅值分布，可修正天线的非均匀口径场分布，从而提高天线增益和口径效率。一般的，覆盖层的反射系数幅值与介质板的相对介电常数和厚度密切相关，当覆盖层的厚度不变时反射系数幅值随相对介电常数的增大而增大。为尽可能提高增益，应该选取反射系数幅值较高的介质板作为覆盖层。但实际中为使增益达到最优的同时也要控制天线剖面尺寸和成本。在本实施例中，优选为第六介质板110的相对介电常数为4.5，厚度为0.5mm。第一介质板121、第三介质板151和第四介质板161中任一项的相对介电常数为4.5，厚度为0.5mm。第二介质板131的相对介电常数为2.9，厚度为2mm。

利用软件对本实用新型实施例中的超材料宽频阵列天线进行仿真，图7中纵坐标表示天线阵列的驻波比VSWR，横坐标表示频率，单位为GHz，从图中可以看出天线单元能够在E面和H面的±45°范围内进行扫描，频率在1.2GHz～15GHz的范围内电压驻波比不会超过3。天线阵列在工作频段内驻波比均小于3，轴向上工作频带范围内驻波比最低点出现在2GHz附近，在E面±45°范围进行扫描时，其工作频带范围内驻波比最低点出现在2GHz和10.4GHz附近，最终天线的工作频带覆盖1.2GHz至15GHz的频率范围。

在E面±45°范围内进行扫描时，对应不同频点的方向图，如图8～10所示，具体的，图8示出阵列天线在2GHz且方位面内phi＝0°时，对应在俯仰面内Theta分别为0°、30°、45°和60°时的增益曲线，图9示出阵列天线在6GHz且方位面内phi＝0°时，对应在俯仰面内Theta分别为0°、30°、45°和60°时的增益曲线，图10示出阵列天线在10GHz且方位面内phi＝0°时，对应在俯仰面内Theta分别为0°、30°、45°和60°时的增益曲线，从图8～图10的仿真结果可以验证本实用新型提出的天线结构的正确性与有效性，显示天线性能良好。

在本实施例中，天线阵列单元层、超材料结构层、天线波束移相层和耦合层中至少之一采用平面贴片形式，馈电层采用基片集成波导的形式。该超材料宽频阵列天线的总体结构采用多层印制电路板工艺实现，上述多层结构不在同一层介质板上实现，总体结构上包含六块介质板，结合上述仿真结果，由此本实用新型提供的超材料宽频阵列天线还具有结构简单、剖面低、加工方便、性能优良的特点，能够采用印刷电路技术进行批量生产。

应当说明的是，在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，在本文中，所含术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种超材料宽频阵列天线，其特征在于，包括：

导电地板；

安装于所述导电地板上含馈电结构的馈电层；

位于所述馈电层上方具有耦合腔体的耦合层；

位于所述耦合层上方的超材料结构层；以及

位于所述超材料结构层上方的天线阵列单元层，

其中，所述天线阵列单元层、超材料结构层、耦合层和馈电层依次层叠形成层状结构，

所述天线阵列单元层包括第一介质板和形成于所述第一介质板上呈阵列布置的多个辐射贴片，所述超材料结构层包括第二介质板和形成于所述第二介质板上呈阵列布置且与所述辐射贴片上下对应的多个网状超材料结构单元。

2.根据权利要求1所述的超材料宽频阵列天线，其特征在于，

所述耦合层包括第三介质板和形成于所述第三介质板上呈阵列布置且与所述辐射贴片上下对应的多个所述耦合腔体，

所述馈电层包括第四介质板和形成于所述第四介质板上呈阵列布置的所述馈电结构，所述馈电层采用T型等幅同向功分器通过孔径与上层所述耦合层耦合，在所述耦合层的耦合口上方设置所述耦合腔体，并形成一分四功分器。

3.根据权利要求1所述的超材料宽频阵列天线，其特征在于，所述辐射贴片为正多边形或圆形辐射贴片，每2*2的4个所述辐射贴片形成一个天线阵列单元。

4.根据权利要求3所述的超材料宽频阵列天线，其特征在于，所述超材料结构层的每个网状超材料结构单元均对应一个所述天线阵列单元。

5.根据权利要求3所述的超材料宽频阵列天线，其特征在于，所述耦合层中的耦合腔体为“工”字形，每个耦合腔体与位于所述天线阵列单元层的一个所述天线阵列单元相对应。

6.根据权利要求5所述的超材料宽频阵列天线，其特征在于，所述馈电层中的馈电结构为按行或列呈阵列布置，其中，每个所述馈电结构包括多个一分二T型结功分器。

7.根据权利要求6所述的超材料宽频阵列天线，其特征在于，所述馈电层中的馈电结构按行呈阵列布置，

其中，同一行中相邻的两个所述耦合腔体间的馈电网络为第一一分二T型结功分器，每两个相邻所述第一一分二T型结功分器输入端口与一个第二一分二T型结功分器的两个输出端口通过微带线相连，

每两个相邻所述第二一分二T型结功分器输入端口与一个第三一分二T型结功分器的两个输出端口通过微带线相连，所述第三一分二T型结功分器输入端口作为馈电端口。

8.根据权利要求7所述的超材料宽频阵列天线，其特征在于，还包括：

馈电接头，所述馈电接头外导体与所述导电地板连接，内导体穿过第四介质板与所述馈电结构连接，

并且，在所述馈电层中位于相邻行的所述馈电结构里，所述第三一分二T型结功分器的输入端口与所述馈电接头的内导体连接。

9.根据权利要求3所述的超材料宽频阵列天线，其特征在于，还包括：

位于所述第二介质板和所述耦合层之间的天线波束移相层，所述天线波束移相层包括：

第五介质板和形成于所述第五介质板上呈阵列布置的多个金属体，

其中，每个所述金属体与一个所述天线阵列单元在竖直方向上相对应。

10.根据权利要求9所述的超材料宽频阵列天线，其特征在于，每个所述金属体具有第一结构窗和第二结构窗，以及连接于所述第一结构窗两端的第一微型组件和连接于所述第二结构窗两端的第二微型组件，

其中，所述第一微型组件为容性或感性元器件，所述第二微型元件为容性或感性元器件。

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