CN106099342A - 一种超材料覆层双频相控阵列天线 - Google Patents

一种超材料覆层双频相控阵列天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种超材料覆层双频相控阵列天线，包括覆层结构及天线阵列，覆层结构由M×N个周期排列的矩形蘑菇型覆层组成，天线阵列由周期排列的缝隙耦合天线组成，缝隙耦合天线的个数与矩形蘑菇型覆层的个数相同，每个缝隙耦合天线位于每个矩形蘑菇型覆层的垂直方向下方。本发明解决了传统相控阵列天线在两个频段内无法同时实现较高的增益及不能实现大角度扫描的问题，天线可以实现多频段工作、低频对高频扫描补偿，使得扫描角度大大提升，在布阵方向上几乎没有扫描盲区，适用于多功能天线***。

Description

一种超材料覆层双频相控阵列天线
技术领域
本发明属于通信技术领域，更进一步涉及电磁场与微波技术领域的一种超材料覆层双频相控阵列天线。本发明可用于微波波段，天线可以实现多频段工作、低频对高频扫描补偿，扫描角度大大提升，在布阵方向上几乎没有扫描盲区，适用于多功能天线***。
背景技术
多频带相控阵天线以其高增益、较好扫描特性的优点越来越多地应用于通信领域。伴随着科技创新进步，现代无线通信技术得以迅猛发展，无线通信***不断的更新扩容，其对信道容量的需求日益增长，研发设计出覆盖多个通信标准的多频带天线成为必然趋势。无线局域网作为无线通信技术的重要组成部分，在生活和工作中发挥越来越大的作用，设计出满足无线局域网的双频天线具有实际意义。最近一种基于电磁超材料的宽带低剖面天线被提出来，在这些设计中，利用蘑菇型EBG结构的复合左右手特性，将其用作天线的覆层。
华为技术有限公司在其申请的专利“双频交织相控阵天线”(申请号：201380051897.4，公开号：104685718A)中提出了一种双频交织相控阵天线。该天线可以通过在具有上槽的天线偶极子的馈线和调谐短截线中包含额外的折弯来降低交叉偶极子天线元件的高度。额外的折弯在不缩短馈线长度的情况下将交叉偶极子天线元件缩短多大20％。此外，将通过巴伦馈电偶极子的翼形部分定形成与天线罩的轮廓相配可以降低交叉偶极子天线元件的高度，这样允许交叉偶极子天线元件适配更浅的天线罩并实现更薄的天线模块。但是，该天线结构仍然存在的不足之处是，在两个频段内无法同时实现较高的辐射效率，并且需要进行机械操作才能实现天线在两个频段内工作。
深圳光启创新技术有限公司在其申请的专利“双频天线装置”(申请号：201520080870.4，公开号：204361263U)中提出了一种双频天线装置。该装置包括介质基板以及位于介质基板的一侧表面上的辐射结构，其中，第一辐射分支与第一辐射臂的连接点作为第一馈电点，第二辐射分支与第二辐射臂的连接点作为第二馈电点，第一辐射分支的端部与第二辐射分支的端部相对。该双频天线装置利用辐射结构的设计实现了两个工作频率，在采用超材料介质基板的情形下可以进一步减小天线尺寸和提高天线增益。但是，该天线结构仍然存在的不足之处是，在具有较高天线增益的同时不能实现天线的大角度扫描，且波束扫描不具有连续性。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供了一种超材料覆层双频相控阵列天线。
实现本发明的具体思路是：由矩形蘑菇型覆层组成覆层结构。经缝隙耦合天线发出的电磁波照射到覆层结构上，实现了超材料覆层双频相控阵列天线的双频段工作，通过改变阵列天线单元相位进行辐射角度扫描，电磁波经过覆层结构实现了超材料覆层双频相控阵列天线的大角度波束扫描。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下。
本发明包括覆层结构及天线阵列，覆层结构由M×N个周期排列的矩形蘑菇型覆层组成，天线阵列由周期排列的缝隙耦合天线组成，缝隙耦合天线的个数与矩形蘑菇型覆层的个数相同，每个缝隙耦合天线位于每个矩形蘑菇型覆层的垂直方向下方。
矩形蘑菇型覆层包括矩形金属贴片、金属化过孔及上层介质基板，矩形金属贴片有十二个，并以3×4的排布方式紧贴在上层介质基板的上表面，所述的金属化过孔有十二个，分别位于矩形金属贴片每个的中心轴向处，金属化过孔的上端连接在矩形金属贴片的下表面的中心位置。
缝隙耦合天线包括地板、下层介质基板及馈电线，地板紧贴在下层介质基板的上表面，馈电线紧贴在下层介质基板的下表面。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
第一，由于本发明的超材料覆层双频相控阵列天线采用了缝隙耦合天线，并与覆层结构紧密连接，克服了现有技术存在的在两个频段内无法同时实现较高的辐射效率的缺点，使得本发明实现了天线低剖面、高增益的特性。
第二，由于本发明的超材料覆层双频相控阵列天线采用了矩形蘑菇型覆层结构，实现了在不改变天线结构的前提下的双频段工作，克服了现有技术存在的需要进行机械操作才能实现天线在两个频段内工作的缺点，使得本发明满足了雷达和通信***对于多功能天线***的需求，扩大了相控阵列天线的应用范围。
第三，由于本发明的超材料覆层双频相控阵列天线采用了矩形蘑菇型覆层结构，经过覆层结构的透射波的低频波段扫描角变化剧烈，大大提升了天线辐射波束扫描能力，克服了现有技术存在的在具有较高天线增益的同时不能实现天线的大角度扫描，且波束扫描不具有连续性的缺点，使得本发明实现了天线的大角度波束扫描。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明矩形蘑菇型覆层的结构示意图；
图3为本发明缝隙耦合天线的结构示意图；
图4为本发明在2.7GHz和5GHz时的仿真辐射方向图；
图5为本发明在2.7GHz和5GHz时方向图随扫描角度的变化图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。
参照附图1，对本发明的天线整体结构作进一步详细的说明。
本发明包括覆层结构1及天线阵列2；覆层结构1由M×N个周期排列的矩形蘑菇型覆层3组成，天线阵列2由周期排列的缝隙耦合天线7组成，缝隙耦合天线7的个数与矩形蘑菇型覆层3的个数相同，每个缝隙耦合天线7位于每个矩形蘑菇型覆层3的垂直方向下方。
M×N个周期排列的矩形蘑菇型覆层3中的M表示覆层结构1的总行数，N表示覆层结构1的总列数，M、N的取值为整数，1≤M≤50，1≤N≤50。
参照附图2，对本发明的矩形蘑菇型覆层3的结构作进一步详细的说明。
矩形蘑菇型覆层3包括矩形金属贴片4、金属化过孔5及上层介质基板6，矩形金属贴片4有十二个，并以3×4的排布方式紧贴在上层介质基板6的上表面，金属化过孔5有十二个，分别位于矩形金属贴片4每个的中心轴向处，金属化过孔5的上端连接在矩形金属贴片4的下表面的中心位置。
矩形金属贴片4的长度介于8mm-10mm之间，宽度介于7mm-9mm之间，排布方式中的每行相邻两个矩形金属贴片4的间距为0.5mm，排布方式中的每列相邻两个矩形金属贴片4的间距为1mm。
金属化过孔5的直径介于0.4mm-1.2mm之间，其长度与上层介质基板6所选取的厚度相等。
上层介质基板6采用FR4介质板，介电常数εr＝4.4,损耗tanδ＝0.01，厚度介于2.5mm-3.5mm之间。
参照附图3，对本发明的缝隙耦合天线7的结构作进一步详细的说明。
地板8的正中间蚀刻一个矩形缝隙，矩形缝隙的长介于15mm-25mm之间，宽介于1mm-2mm之间，该矩形缝隙与馈电线10垂直正交。
下层介质基板9采用FR4介质板，介电常数εr＝4.4,损耗tanδ＝0.01，厚度介于0.6mm-1.8mm之间。
馈电线10采用共面波导馈电线。
本发明的实施例1说明不进行角度扫描时，天线在高、低两个频段内的辐射增益特性，利用矩形蘑菇型覆层3和缝隙耦合天线7设计一个1×8的超材料覆层双频相控阵列天线，将天线部分与覆层部分分别集成在一起，相邻两个天线单元的间距为30mm，在缝隙耦合天线7的地板8和共面波导馈电线上开一个宽度为2mm的沟槽，以达到阻抗匹配。
参照附图4，图4是天线在工作频率分别为2.7GHz和5GHz时的仿真辐射方向图，图中横轴表示辐射波束角度，纵轴表示天线增益，方形曲线是工作频率为低频2.7GHz时天线的增益特性曲线，圆形曲线是工作频率为高频5GHz时天线的增益特性曲线，其低频和高频的平均峰值增益分别为9.5dBi和15.3dBi，天线在两个频段的3dB波束宽度分别约为20°和11.5°，副瓣电平均在-13dB以下，说明此时天线工作性能较好。
本发明的实施例2说明进行角度扫描时，天线在高、低两个频段内的方向图随扫描角度的变化，实施例2的超材料覆层双频相控阵列天线设计方法与实施例1一致，在此基础上，通过调整天线阵列的单元相位进行辐射波角度扫描。
参照附图5，图5是天线在工作频率分别为2.7GHz和5GHz时方向图随扫描角度的变化图，图5(a)是低频扫描角为10°，高频扫描角为5°时天线的方向图，图5(b)是低频扫描角为30°，高频扫描角为15°时天线的方向图，图5(c)是低频扫描角为60°，高频扫描角为25°时天线的方向图，图5(d)是低频扫描角为90°，高频扫描角为35°时天线的方向图，各图中横轴表示辐射波束角度，纵轴表示天线增益，方形曲线是工作频率为低频2.7GHz时，天线的增益特性曲线，圆形曲线是工作频率为高频5GHz时，天线的增益特性曲线，其高频扫描角变化范围较小，低频扫描角变化范围较大，能实现低频对高频扫描补偿，使得扫描角度大大提升，在布阵方向上几乎没有扫描盲区。

Claims (8)

1.一种超材料覆层双频相控阵列天线，包括覆层结构(1)及天线阵列(2)；其特征在于，所述的覆层结构(1)由M×N个周期排列的矩形蘑菇型覆层(3)组成；所述的天线阵列(2)由周期排列的缝隙耦合天线(7)组成，缝隙耦合天线(7)的个数与矩形蘑菇型覆层(3)的个数相同，每个缝隙耦合天线(7)位于每个矩形蘑菇型覆层(3)的垂直方向下方；其中：
所述的矩形蘑菇型覆层(3)包括矩形金属贴片(4)、金属化过孔(5)及上层介质基板(6)；所述的矩形金属贴片(4)有十二个，并以3×4的排布方式紧贴在上层介质基板(6)的上表面；所述的金属化过孔(5)有十二个，分别位于矩形金属贴片(4)每个的中心轴向处，金属化过孔(5)的上端连接在矩形金属贴片(4)的下表面的中心位置；
所述的缝隙耦合天线(7)包括地板(8)、下层介质基板(9)及馈电线(10)；所述的地板(8)紧贴在下层介质基板(9)的上表面；所述的馈电线(10)紧贴在下层介质基板(9)的下表面。
2.根据权利要求1所述的一种超材料覆层双频相控阵列天线，其特征在于，所述M×N个周期排列的矩形蘑菇型覆层(3)中的M表示覆层结构(1)的总行数，N表示覆层结构(1)的总列数，M、N的取值为整数，1≤M≤50，1≤N≤50。
3.根据权利要求1所述的一种超材料覆层双频相控阵列天线，其特征在于，所述的矩形金属贴片(4)的长度介于8mm-10mm之间，宽度介于7mm-9mm之间，排布方式中的每行相邻两个矩形金属贴片(4)的间距为0.5mm，排布方式中的每列相邻两个矩形金属贴片(4)的间距为1mm。
4.根据权利要求1所述的一种超材料覆层双频相控阵列天线，其特征在于，所述的金属化过孔(5)的直径介于0.4mm-1.2mm之间，其长度与上层介质基板(6)所选取的厚度相等。
5.根据权利要求1所述的一种超材料覆层双频相控阵列天线，其特征在于，所述的上层介质基板(6)采用FR4介质板，介电常数εr＝4.4,损耗tanδ＝0.01，厚度介于2.5mm-3.5mm之间。
6.根据权利要求1所述的一种超材料覆层双频相控阵列天线，其特征在于，所述的地板(8)的正中间蚀刻一个矩形缝隙，矩形缝隙的长介于15mm-25mm之间，宽介于1mm-2mm之间，该矩形缝隙与馈电线(10)垂直正交。
7.根据权利要求1所述的一种超材料覆层双频相控阵列天线，其特征在于，所述的下层介质基板(9)采用FR4介质板，介电常数εr＝4.4,损耗tanδ＝0.01，厚度介于0.6mm-1.8mm之间。
8.根据权利要求1所述的一种超材料覆层双频相控阵列天线，其特征在于，所述的馈电线(10)采用共面波导馈电线。
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