CN212848811U - 一种基于amc超表面的低剖面天线 - Google Patents

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徐文虎
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Abstract

本实用新型涉及无线通信技术领域,尤其涉及一种基于AMC超表面的低剖面天线,包括偶极子天线和AMC超表面反射板,偶极子天线包括介质板、正面领结形金属贴片和背面领结形金属贴片,正面领结形金属贴片设置在介质板的上表面,背面领结形金属贴片设置在介质板的下表面,正面领结形金属贴片和背面领结形金属贴片相互正交。本实用新型降低了整个天线剖面高度,同时增加了天线增益,拓展了带宽。

Description

一种基于AMC超表面的低剖面天线
技术领域
本实用新型涉及无线通信技术领域,尤其涉及一种基于AMC超表面的低剖面天线。
背景技术
天线作为无线通信系统的重要组成部分,是将导线中的电信号转变为电磁信号向空间传播。它是波源与空间的匹配元器件,是有线和无线通信的重要桥梁纽带,是通信、遥测、雷达、导航等各种无线电应用中不可或缺的设备。天线的小型化研究与设计一直都是天线领域非常重要的热点。早期的天线由于工作频段较低,整体尺寸较大,天线的运输与架设极为困难。随着天线在车辆、飞机、舰船等移动物体上被广泛应用,笨重而庞大的天线很显然不能再满足应用的需求,小型化的天线因此受到了广泛的关注。
众所周知,移动通信网络主要由移动业务交换中心、基站、移动台和中继等部分组成。其中,基站天线是通信网络的感知器官,是基站和服务区域内终端网络的无线传输部件,具有极为重要的地位,对网络的整体性能影响很大。但为了节约站址资源,各大运营商的基站天线往往被要求安装在同一个铁塔上;另外,人口密集的小区为了美观和隐蔽,也要求基站天线体积小。因此设计一款小尺寸、高性能的基站天线对提升空间利用率、美化环境,降低人的感知,提高无线网覆盖质量至关重要。
一般情况下,小型化基站天线的研究主要从纵向和横向两个方面考虑,即从纵向实现低剖面高度,从横向减小辐射单元面积。实现低剖面高度的方法有利用高介电常数的介质基板、采用折叠技术,加载技术等,但这些都或多或少的增加的结构复杂度,变相增加了制备成本。
超表面由于其独特的电磁特性,逐渐被用于颠覆性地改造微波器件及天线设计。总所周知,传统的金属地板(PEC)对电磁波反射的相位为Φ=180°(即反相),为了保证电磁波能在辐射方向同相位叠加,往往需要把天线放置在距离地板四分之一波长(λ/4)的距离,这在低频情况下会导致很大的剖面高度。
西北工业大学申请号为201610136135.X的专利中提出了一种适用于4G LTE通信的低剖面偶极子天线,其将传统的偶极子天线进行变形,偶极子部分类似于Vivadi天线的辐射形式,在天线与金属背腔之间增加了一块频率选择性表面反射板,使天线增益显著提高,但其结构和馈电方式较为复杂;申请号为202010178031.1的专利中提出了一种基于极化相关超表面结构的宽带低剖面天线,通过合理优化其超表面单元结构排布,实现了具有多谐振特性的超表面辐射结构,实现了宽带且平稳高增益的性能要求;申请号为200720037083.7的专利中提出了一种两侧翻遍的低剖面天线单元,解决了低剖面天线单元之间隔离度不高,前后比较差的问题,但其依旧采用传统的金属地(PEC)作为反射板,没有克服工作在低频时天线整体高度过大的问题。
因此,设计低剖面高度、宽工作频带、结构简单,工艺成熟的基站天线是通信领域的迫切需求。
实用新型内容
本实用新型提供了一种基于AMC超表面的低剖面天线,降低了整个天线剖面高度,同时增加了天线增益,拓展带宽。
为了实现本实用新型的目的,所采用的技术方案是:一种基于AMC超表面的低剖面天线,包括偶极子天线和AMC超表面反射板,偶极子天线包括介质板、正面领结形金属贴片和背面领结形金属贴片,正面领结形金属贴片设置在介质板的上表面,背面领结形金属贴片设置在介质板的下表面,正面领结形金属贴片和背面领结形金属贴片相互正交;AMC超表面反射板包括第三金属贴片、介质基板和金属背板,介质基板正面印有周期性排列的第三金属贴片,金属背板位于介质基板的下方。
作为本实用新型的优化方案,偶极子天线还包括圆环状金属贴片,圆环状金属贴片设置在介质板的上表面,圆环状金属贴片设置在正面领结形金属贴片的外周。
作为本实用新型的优化方案,AMC超表面反射板设置有四个矩形缺角。
作为本实用新型的优化方案,基于AMC超表面的低剖面天线的厚度为20mm。
作为本实用新型的优化方案,正面领结形金属贴片包括第一正面领结形金属贴片和第二正面领结形金属贴片,第一正面领结形金属贴片和第二正面领结形金属贴片关于介质板的对角线轴对称,第一正面领结形金属贴片和基于AMC超表面的低剖面天线的同轴馈线的内芯导体连接,基于AMC超表面的低剖面天线的同轴馈线的外导体与第二正面领结形金属贴片连接。
作为本实用新型的优化方案,第一正面领结形金属贴片和第二正面领结形金属贴片均包括圆弧边、第一边和第二边,所述的第一边和第二边垂直相交,第一边和第二边的末端均与圆弧边连接。
本实用新型具有积极的效果:1)本实用新型的偶极子天线同时往上、下两个半空间辐射电磁波,AMC超表面反射板将偶极子天线往下半空间辐射的电磁波反射回上半空间,并保证反射的电磁波与偶极子原来往上半空间辐射的电磁波进行同相叠加,这区别于以往常用的金属反射板,因为用金属反射板,偶极子与反射板间距必须大于1/4波长,剖面高度比较大。AMC超表面与偶极子之间的间距可以很小,剖面高度小;
2)本实用新型的AMC超表面反射板具有良好的工作带宽,实际工作频段1700-2680MHz,涵盖3G、4G移动通信标准的所有频段;
3)本实用新型具有很低的剖面高度,天线厚度总体约20mm;
4)本实用新型可以实现整个工作频段内较好的驻波和较高的增益,工作频段内驻波均小于1.7,天线增益约10dBi;
5)本实用新型结构简单,易于低成本批量生产。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
图1是偶极子天线的正面图;
图2是偶极子天线的背面图;
图4是AMC超表面反射板的单元结构图;
图3是AMC超表面反射板的俯视图;
图5是电磁波入射AMC超表面反射板的反射相位图;
图6是本实用新型天线的回波损耗图;
图7是本实用新型整体的输入驻波比图;
图8是本实用新型在1700MHz时的E面辐射方向图;
图9是本实用新型在2200MHz时的辐射方向图;
图10是本实用新型在2680MHz时的辐射方向图。
其中:2、AMC超表面反射板,11、介质板,12、正面领结形金属贴片,13、背面领结形金属贴片,14、圆环状金属贴片,21、第三金属贴片,22、介质基板,23、金属背板。
具体实施方式
如图1-10所示,本实用新型公开了一种基于AMC超表面的低剖面天线,包括偶极子天线和AMC超表面反射板2,偶极子天线包括介质板11、正面领结形金属贴片12和背面领结形金属贴片13,正面领结形金属贴片12设置在介质板11的上表面,背面领结形金属贴片13设置在介质板11的下表面,正面领结形金属贴片12和背面领结形金属贴片13相互正交;AMC超表面反射板2包括第三金属贴片21、介质基板22和金属背板23,介质基板22正面印有周期性排列的第三金属贴片21,金属背板23位于介质基板22的下方。其中,正面领结形金属贴片12设置成领结形具有工作频带宽的优点,背面领结形金属贴片13进一步增加工作带宽。金属背板和介质基板22之间是空气间隔。正面领结形金属贴片12和背面领结形金属贴片13实现了双极化电磁波的收发。
偶极子天线还包括圆环状金属贴片14,圆环状金属贴片14设置在介质板11的上表面,圆环状金属贴片14设置在正面领结形金属贴片12的外周。其中,圆环状金属贴片14用以增加天线整体的工作带宽。
AMC超表面反射板2设置有四个矩形缺角。该设计既有利于减小整个天线系统的面积,也方便天线的安装,降低了整体成本。
介质板11为FR-4介质板。偶极子天线采用PCB工艺印刷在FR-4介质板上。
正面领结形金属贴片12包括第一正面领结形金属贴片和第二正面领结形金属贴片,第一正面领结形金属贴片和第二正面领结形金属贴片关于介质板11的对角线轴对称,第一正面领结形金属贴片和基于AMC超表面的低剖面天线的同轴馈线的内芯导体连接,基于AMC超表面的低剖面天线的同轴馈线的外导体与第二正面领结形金属贴片连接。
第一正面领结形金属贴片和第二正面领结形金属贴片均包括圆弧边、第一边和第二边,第一边和第二边垂直相交,第一边和第二边的末端均与圆弧边连接。该种设计具有工作频带宽的优点。
如图5所示是电磁波入射AMC超表面反射板的反射相位图,一般规定反射相位位于[-90°,+90°]区间为同向反射相位,其对应的频带宽度为同相反射相位带宽。从图中可以直接看出本实用新型中所使用的AMC超表面反射板2在设计频段内具有良好的同相位反射特性。
如图6所示是本实用新型天线的回波损耗图,从图中可以看出在1700-2680MHz频段中,回波损耗(S11)在-12dB以下,整体保持一个良好的性能。
如图7所示是本实用新型整体的输入驻波比图,在整个频段内,驻波整体小于1.7。
如图8所示是本实用新型在1700MHz时的E面辐射方向图,从图中可以看出辐射增益最大方向为-2°,增益最大为9.64dBi,3dB波束宽度为62°,背向辐射为-22.8dB。
如图9所示是本实用新型在2200MHz时的辐射方向图,从图中可以看出辐射增益最大方向为-3°,增益最大为9.69dBi,3dB波束宽度为62°,背向辐射为-25.7dB。
如图10所示是本实用新型在2680MHz时的辐射方向图,从图中可以看出辐射增益最大方向为-2°,增益最大为10.2dBi,3dB波束宽度为55.1°,背向辐射为-25.8dB。
从以上的辐射方向图可以清楚地看出本实用新型所设计的天线在设计频段内既保持了良好的回波损耗,同时也保证了良好的单向辐射性能。
以上所述的具体实施例,对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已,并不用于限制本实用新型,凡在本实用新型的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于AMC超表面的低剖面天线,包括偶极子天线和AMC超表面反射板(2),其特征在于:偶极子天线包括介质板(11)、正面领结形金属贴片(12)和背面领结形金属贴片(13),所述的正面领结形金属贴片(12)设置在介质板(11)的上表面,背面领结形金属贴片(13)设置在介质板(11)的下表面,所述的正面领结形金属贴片(12)和背面领结形金属贴片(13)相互正交;所述AMC超表面反射板(2)包括第三金属贴片(21)、介质基板(22)和金属背板(23),介质基板(22)正面印有周期性排列的第三金属贴片(21),金属背板(23)位于介质基板(22)的下方。
2.根据权利要求1所述的一种基于AMC超表面的低剖面天线,其特征在于:所述偶极子天线还包括圆环状金属贴片(14),所述圆环状金属贴片(14)设置在介质板(11)的上表面,所述的圆环状金属贴片(14)设置在正面领结形金属贴片(12)的外周。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于AMC超表面的低剖面天线,其特征在于:所述AMC超表面反射板(2)设置有四个矩形缺角。
4.根据权利要求3所述的一种基于AMC超表面的低剖面天线,其特征在于:所述基于AMC超表面的低剖面天线的厚度为20mm。
5.根据权利要求4所述的一种基于AMC超表面的低剖面天线,其特征在于:正面领结形金属贴片(12)包括第一正面领结形金属贴片和第二正面领结形金属贴片,所述第一正面领结形金属贴片和第二正面领结形金属贴片关于介质板(11)的对角线轴对称,第一正面领结形金属贴片和基于AMC超表面的低剖面天线的同轴馈线的内芯导体连接,基于AMC超表面的低剖面天线的同轴馈线的外导体与第二正面领结形金属贴片连接。
6.根据权利要求5所述的一种基于AMC超表面的低剖面天线,其特征在于:所述的第一正面领结形金属贴片和第二正面领结形金属贴片均包括圆弧边、第一边和第二边,所述的第一边和第二边垂直相交,第一边和第二边的末端均与圆弧边连接。
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