CN107394373B - 一种超材料加载的低互耦天线阵 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超材料加载的低互耦天线阵，包括接地面、金属贴片、金属连接杆、馈电探针和介质基板，所述金属贴片依次通过所述金属连接杆、馈电探针与所述接地面相连，所述接地面与所述金属贴片之间为空气介质；所述金属贴片呈N×N阵列式分布，且所述金属贴片上开有U型槽；所述介质基板位于所述接地面上，且所述介质基板位于相邻的两个所述金属贴片之间，所述介质基板上蚀刻有双开口环单元，N指金属贴片的阵列数。本发明的有益效果为：采用空气介质，在贴片上蚀刻U型槽从而实现了宽带特性；利用双开口环结构固有的带阻特性在其阻带内有效抑制了天线阵列的互耦影响；具有紧凑的结构和互耦抑制的特性，平面结构易于加工，适合大批量生产。

Description

一种超材料加载的低互耦天线阵

技术领域

本发明涉及超材料加载的天线阵列技术领域，尤其涉及一种超材料加载的低互耦天线阵。

背景技术

自无线通讯技术诞生百年以来，天线技术迅速发展，日趋成熟。不管是在家里还是在工作，不管是交通工具还是卫星甚至航天飞机中，天线随处可见，在社会生活中的重要性与日俱增，已经广泛应用于日常生活的各个领域之中。在实际工程应用中，经常需要天线具有高增益、大功率、低旁瓣等特性。很多时候，只用单个的微带天线往往很难满足要求，这就需要将微带天线组成阵列，以符合指定要求。几十年来，阵列技术广泛应用于实际工程中，大大推动了阵列技术理论的发展。

在研究阵列天线时，一般都假设各单元在理想情况下工作，互不干扰。然而，在实际的阵列天线***中，各天线单元都属于开放型电路，它们之间因为存在电磁耦合而相互影响。受互耦效应影响，阵列天线工作时，各单元天线所接收的信号包括对入射的平面波的响应和对周围单元天线所引起散射场的响应两部分；当发射信号时，各单元天线的表面电流不仅包括馈源激励，还包括相邻单元的散射激励。天线的互耦效应会直接对天线各性能指标产生很多不利的影响，如增益降低，辐射方向图失真，信噪比变差，电流分布变化，驻波比变化，输入阻抗变化。总之，在设计天线时，由于互耦效应的存在，天线很难达到理想的最佳设计效果。

对于解决阵列天线互耦效应的问题，目前提出了很多抑制的方法，但各自有其局限性。由于目前微带天线阵的小型化设计趋势，天线单元之间不可避免存在能量的互相耦合，即互耦效应，这大大影响了天线阵列的效率，导致天线方向图恶化，甚至影响馈电网络的匹配，因此，互耦的影响不可低估，在设计紧凑高效的天线阵列时必须充分考虑。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种超材料加载的低互耦天线阵，用以解决现有技术天线阵列中阵元之间互耦抑制的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种超材料加载的低互耦天线阵，主要包括接地面、金属贴片、金属连接杆、馈电探针和介质基板，所述金属贴片依次通过所述金属连接杆、馈电探针与所述接地面相连，所述接地面与所述金属贴片之间为空气介质；所述金属贴片呈N×N阵列式分布，且所述金属贴片上开有U型槽；所述介质基板位于所述接地面上，且所述介质基板位于相邻的两个所述金属贴片之间，所述介质基板上蚀刻有双开口环单元，N指金属贴片的阵列数。

本发明天线阵中采用空气介质，同时在金属贴片上开有U型槽，能够实现天线的宽带特性；同时，本发明在相邻的金属贴片之间加载双开口环单元，有效抑制了天线阵的互耦影响。

进一步的，所述金属贴片上蚀刻有U型槽，所述金属贴片的长宽高尺寸是210mm×115mm×2mm。

本发明上述尺寸是由阵列天线工作频率决定的，采用上述尺寸可以确保天线单元的中心频率满足指标要求。

进一步的，所述U型槽位于金属贴片的上表面，所述U型槽的开口垂直于所述金属贴片的长边。

本发明将U型槽的开口垂直于金属贴片的长边是因为开口方向与贴片表面的电流路径和密度分布有关，开口垂直于金属贴片的长边能够拓展带宽，实现宽带特性。

进一步的，所述金属贴片的材质是铜。

本发明选择铜作为金属贴片的材质，能够保证天线阵的性能，同时降低成本。

进一步的，所述U型槽由两个相互平行的纵段和一个横段组成，所述纵段的长宽尺寸是72.7×10.2mm；所述横段的长宽尺寸是68.6×8.9mm。

本发明选择上述尺寸，能够实现0.96-1.25GHz驻波比均小于2的宽带特性。

进一步的，所述接地面为金属铜板，所述接地面上开有矩形槽，所述矩形槽位于相邻两个所述金属贴片之间，所述介质基板固定在所述矩形槽的上方。

本发明在相邻的每两个金属贴片之间均开有一个矩形槽，有利于抑制相邻天线单元间的互耦特性。

进一步的，所述介质基板通过螺钉固定在所述矩形槽上方，所述介质基板的背面与所述矩形槽的上表面接触。

本发明将介质基本固定在矩形槽上的原因是为了用介质板背面的金属镀层代替矩形槽部分被掏空的金属接地板。

进一步的，所述介质基板的尺寸大于所述矩形槽的尺寸。

进一步的，所述介质基板的材质是聚四氟乙烯；在所述介质基板背面有一层镀铜金属，在所述镀铜金属表面蚀刻有双开口环单元。

本发明使用聚四氟乙烯作为介质基板材料，能够降低成本；在介质基板上镀铜是为了代替接地面上开有矩形槽的部分，同时能够与接地金属铜板的材质保持一致，镀铜厚度为0.035mm；本发明在介质基板背面镀铜是为了代替矩形槽部分被掏空的金属，所以介质基板与矩形槽的上表面接触；可通过PCB技术在介质基板背面的覆铜层上蚀刻所需的双开口环图案，避免直接在金属铜板上进行蚀刻，大大降低了加工难度。

进一步的，所述双开口环单元包括2个双开口环和1个矩形缝，每个所述双开口环包括2个圆环，2个双开口环分别位于所述矩形缝的两端。

进一步的，所述圆环包括同心的内环和外环，所述内环和外环上分别开有开口，所述内环与所述外环的开口相反。

本发明内环与外环的开口相反，能够实现超材料特性，即介电常数与磁导率双负的特性。

进一步的，每两个双开口环单元的外圆环之间的间距为1mm。

上述距离可以很好的实现双开口环单元间所需的耦合强度，进而实现所需的带宽对互耦进行抑制。

进一步的，所述矩形缝的长宽尺寸是7mm×28mm，该尺寸可实现双开口环单元所需的谐振强度和带宽。

进一步的，所述金属连接杆为圆柱形结构，金属连接杆的半径和高度分别是3mm和19mm。

进一步的，所述金属连接杆的材质是金属铜

本发明金属连接杆起到匹配和支撑的作用。

进一步的，所述天线阵的阵元数为4×4＝16，所述接地面的尺寸为1200mm×800mm。

进一步的，所述接地面上开有孔，所述馈电探针穿过接地面上的开孔后焊接在所述金属连接杆上。

本发明一种超材料加载的低互耦天线阵的原理：首先通过空气介质结构和金属贴片上的U型槽结构实现阵列单元的宽带特性；然后由于双开口环单元固有的谐振特性，在其谐振频率附近会产生带阻特性，周期性排列后由于单元间的耦合作用可以拓展阻带的带宽，因此在阵列单元之间的接地面上加载该结构可以在其阻带内抑制互耦的影响。

本发明有益效果如下：

1)本发明提供的一种超材料加载的低互耦天线阵中的单元结构采用了空气介质，同时在贴片上蚀刻U型槽结构从而实现了宽带特性，通过改变贴片及U型槽的尺寸可以灵活的调整阵元的频率特性；

2)本发明提供的一种超材料加载的低互耦天线阵在相邻阵元间加载了双开口环单元，利用其固有的带阻特性在其阻带内有效抑制了天线阵列的互耦影响；

3)本发明提供的一种超材料加载的低互耦天线阵具有紧凑的结构和互耦抑制的特性，且其平面结构易于加工，完全适合大批量生产。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的特征和优点从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。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

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1是本发明实施例1中超材料加载天线阵列的结构示意图；

图2是本发明实施例1中天线阵列单元结构俯视图；

图3是本发明实施例1中天线阵列单元结构左视图；

图4是本发明实施例1中双单元阵列天线俯视图；

图5是本发明实施例1中双单元阵列天线背面图；

图6是本发明实施例1中双开口环结构图；

图7是本发明实施例1中阵元驻波比曲线；

图8是本发明实施例1中阵元增益曲线；

图9是本发明实施例1中双单元阵列天线S参数曲线。

图中，1-金属贴片，2-接地面，3-介质基板，4-双开口环单元，5-U型槽，6-馈电点，7-金属连接杆，8-馈电探针，9-矩形槽，10-加载后S11曲线，11-加载后S21曲线，12-未加载S11曲线，13-未加载S21曲线。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

实施例1

一种超材料加载的低互耦天线阵，如图1所示，主要包括金属贴片1、接地面2、金属连接杆7和馈电探针8，金属贴片1依次通过金属连接杆7、馈电探针8与接地面2相连；接地面1上固定有介质基板3，介质基板3分布在相邻两个金属贴片1之间。

金属贴片1为长方形金属板，但不仅限于长方形，本实施例中有阵列数为4×4＝16的金属贴片1，如图2所示，金属贴片1的长边L＝210mm，宽边W＝115mm，厚度为2mm；金属贴片1的材质是铜，在金属贴片1的上表面中间位置开有U型槽5，U型槽5的开口方向与金属贴片1的长边垂直，U型槽5包括2个相互平行的纵段和1个连接两纵段的横段，U型槽5按照纵段、横段、纵段的连接顺序形成U型；U型槽5横段的长度L1＝68.6mm，宽度c2＝8.9mm，纵段的长度L2＝72.7mm，宽度c1＝10.2mm，U型槽5的深度为63.8mm；U型槽5中间有馈电点6，馈电点6为金属连接杆7与金属贴片1焊接的位置。

金属贴片1的下表面通过馈电点6与金属连接杆7的上端相连，金属连接杆7的下端与馈电探针8的上端相连，馈电探针8的下端与接地面2相连，如图3所示，金属贴片1与接地面2的上表面之间的垂直距离h＝20mm，h也称作金属贴片1与接地面2之间的空气介质厚度；金属连接杆7为圆柱形结构，半径r1＝3mm，高度h1＝19mm，金属连接杆7的材质是铜；金属连接杆7焊接在金属贴片1的馈电点6处，馈电探针8为圆柱形结构，半径r2＝0.65mm，高度h2＝1mm，馈电探针8焊接在金属连接杆7上。

接地面2为长方形板状结构，如图4所示，接地面2的长宽尺寸为1200mm×800mm，厚度t＝3mm；在接地面2上开有若干矩形槽9，矩形槽9位于每两个贴片1之间，矩形槽的长边a＝110mm，宽边b＝130mm；本实施例中矩形槽为24个；介质基板3固定在矩形槽上方，在介质基板3的四个角打孔后通过螺钉进行固定，介质基板3的上表面为平板，没有镀铜，下表面镀铜，如图5所示，介质基板3的长宽尺寸大于矩形槽的长宽尺寸，厚度为0.25mm，介质基板3的材质为聚四氟乙烯，在介质基板3的下表面镀一层厚度为0.035mm的铜，介质基板3的下表面蚀刻有相互平行的3个双开口环单元4；本实施例中矩形槽的长宽尺寸是110mm×130mm，介质基板的长宽尺寸是140mm×140mm。

双开口环单元4的结构如图6所示，包括两个圆环和一个矩形槽缝，矩形槽缝的两端用于分别连接两个圆环，圆环包括外环和内环，外环与内环为同心圆环，外环半径re＝13.5mm，环宽c＝1mm，内外环间距d＝1mm，圆环的内环和外环上分别开有一个开口，两环上开口的位置相对，方向相反，且开口宽度g＝1mm；矩形槽缝的长度为l＝29.7mm，宽度w＝7mm；本实施例中，每个介质基板3上蚀刻有3个双开口环单元4，相邻的两个双开口环单元4的圆环之间的距离s＝1mm；双开口环单元中，圆环上的两环上开口连线方向与矩形缝的开缝方向垂直；每个介质基板上矩形缝的开缝方向与位于该介质基板两侧的金属贴片的排列方向垂直。

值得注意的，天线阵中所有的金属贴片1中U型槽的方向都是一致的。

值得注意的，天线阵中相连的两个金属贴片1之间安装有介质基板3，即介质基板3与金属贴片1交替排列，交替排列可实现抑制相邻单元的互耦特性。

图7所示为本发明阵列天线单元结构的驻波比曲线，由图中可以看出，在0.895-1.3GHz的频率范围内驻波比都小于2，完全满足指标要求的0.96-1.25GHz的频率范围。

图8为本发明阵列天线单元在中心频率1.1GHz处的增益曲线，其中，实线为phi＝0度的增益，虚线为phi＝90度的增益，说明天线单元的性能良好，可用于组阵。

图9为加载超材料结构前后阵列天线S参数对比图，曲线13、曲线14和曲线11、曲线12分别为加载超材料前后的仿真结果；由图中曲线可以看出，加载超材料结构后，阵列天线的S11曲线，即驻波比系数基本保持不变，说明加载CSRR后对天线性能基本没有影响；但是，S21曲线，也就是两个阵元间的互耦系数在1.04-1.25GHz范围内均低于未加载情况的结果，可以看到加载后的互耦系数在1.09GHz出达到了最大衰减，约为-79.32dB，远低于未加载情况的-39.45dB，说明本发明加载超材料结构对阵列天线互耦特性的抑制作用非常明显。

值得注意的，本发明同样适用于其他工作频率，只需针对于不同的工作频率，利用商业电磁仿真软件(如ANSYS HFSS)，对阵元和双开口环结构进行建模仿真，调整参数，以适应所需频率。

综上所述，本发明提供了一种超材料加载的低互耦天线阵，本发明天线阵中单元结构采用采用空气介质，同时在金属贴片上蚀刻U型槽结构从而实现了宽带特性，通过改变贴片及U型槽的尺寸可以灵活的调整阵元的频率特性；同时，本发明天线阵在相邻阵元间加载了双开口环结构，利用其固有的带阻特性在其阻带内有效抑制了天线阵列的互耦影响。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种超材料加载的低互耦天线阵，其特征在于，主要包括接地面、金属贴片、金属连接杆、馈电探针和介质基板，所述金属贴片依次通过所述金属连接杆、馈电探针与所述接地面相连，所述接地面与所述金属贴片之间为空气介质；所述金属贴片呈N×N阵列式分布，且所述金属贴片上开有U型槽，所述金属贴片的材质是铜；所述介质基板位于所述接地面上，且所述介质基板位于相邻的两个所述金属贴片之间，所述介质基板的材质是聚四氟乙烯；在所述介质基板背面有一层镀铜金属，在所述镀铜金属表面蚀刻有双开口环单元，N指金属贴片的阵列数；所述接地面为金属铜板，所述接地面上开有矩形槽，所述矩形槽位于相邻两个所述金属贴片之间，所述介质基板固定在所述矩形槽的上方，所述介质基板的尺寸大于所述矩形槽的尺寸；所述金属贴片的长宽高尺寸是210mm×115mm×2mm；

所述U型槽由两个相互平行的纵段和一个横段组成，所述纵段的长宽尺寸是72.7×10.2mm；所述横段的长宽尺寸是68.6×8.9mm，U型槽的深度为68.6mm；所述U型槽位于金属贴片的上表面，所述U型槽的开口垂直于所述金属贴片的长边；

所述双开口环单元包括2个双开口环和1个矩形缝，每个所述双开口环包括2个圆环，2个双开口环分别位于所述矩形缝的两端；所述圆环包括同心的内环和外环，所述内环和外环上分别开有开口，所述内环与所述外环的开口相反；

每两个双开口环单元的外圆环之间的间距为1mm；

所述矩形缝的长宽尺寸是7mm×28mm；

所述天线阵的阵元数为4×4＝16，所述接地面的尺寸为1200mm×800mm；天线阵中所有的金属贴片中U型槽的方向都是一致的；

所述金属贴片与所述接地面的上表面之间的垂直距离h＝20mm，h也称作金属贴片与接地面之间的空气介质厚度；所述天线阵在0.895-1.3GHz的频率范围内驻波比都小于2。

2.根据权利要求1所述的一种超材料加载的低互耦天线阵，其特征在于，所述金属连接杆为圆柱形结构。

3.根据权利要求1所述的一种超材料加载的低互耦天线阵，其特征在于，所述接地面上开有孔，所述馈电探针穿过接地面上的开孔后焊接在所述金属连接杆上。