CN110994163A - 一种基于超表面的低剖面宽带微带天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于超表面的低剖面宽带微带天线，包括从上到下依次设置的超表面辐射层、介质基板层和馈电层；所述超表面辐射层贴装在介质基板的上层，所述馈电层贴装在介质基板下层；所述超表面辐射层包含9个圆形辐射单元；所述馈电层包括CPW馈线、三角形金属分支、渐变式耦合缝隙和金属地板；信号由CPW馈线输入，经过三角形金属分支和渐变式耦合缝隙将信号耦合至超表面辐射层，从而形成一个较宽的阻抗带宽。本发明采用以圆形贴片为辐射单元的超表面结构，既提高了整个天线的阻抗带宽，同时，也保证了高频段天线的方向性。采用渐变式耦合馈电结构，与CPW馈线耦合馈电相比，渐变式结构能够大幅度提高天线阻抗带宽并降低天线剖面。
Description
技术领域
本发明涉及X频段天线技术领域，具体涉及的是一种低剖面宽带超表面 微带天线。
背景技术
随着无线通信***技术的快速发展，对天线性能的要求也不断提高，常 规天线已不能完全满足现代通信要求。在现代通信中需要在相同空间内装备 更多的通信设备，那么需要相应增加天线的数量，这样就使得各个天线间的 耦合直接影响到天线的电气指标，从而最终影响通信质量；因此，需要一种 天线满足更高的传输性能。
发明内容
本发明提出来一种宽带低剖面超表面天线，这种天线具备可实现频带宽， 剖面低，小型化，低成本等特点。其方法是增加天线的工作带宽，让不同的 通信设备共用同一天线，从而减少天线的实际安装数量；再通过缩小天线的 外形尺寸，并解决耦合等干扰问题，实现满足现代通信的要求。
本发明的技术方案是：
一种基于超表面的低剖面宽带微带天线，包括从上到下依次设置的超表 面辐射层、介质基板层和馈电层；所述超表面辐射层贴装在介质基板层的上 端，所述馈电层贴装在介质基板层的下端；所述超表面辐射层包含9个圆形 辐射单元；所述馈电层包括CPW馈线、三角形金属分支、渐变式耦合缝隙和 金属地板；信号由CPW馈线输入，经过三角形金属分支和渐变式耦合缝隙将 信号耦合至超表面辐射层，从而形成一个较宽的阻抗带宽。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述9个圆形辐射单元按照3x3方式排列，中间一排圆形辐射单元的半 径要大于上下两排圆形辐射单元的半径。
所述中间一排各圆形辐射单元的半径大小相同；上下两排各圆形辐射单 元的半径相同。
所述CPW馈线一端输入信号，另一端与金属地板短路；所述CPW馈线 末端连接三角形金属分支，所述三角形金属分支位于渐变式耦合缝隙中。
所述超表面辐射层的轴线与渐变式耦合缝隙的轴线重合；所述金属地板 的边缘与介质基板层的边缘重合。
本发明的有益效果为：
1、本发明采用以圆形贴片为单元的超表面结构，既提高了整个天线的阻 抗带宽，同时，也保证了高频段天线的方向性。采用渐变式耦合馈电结构， 与CPW馈线耦合馈电相比，渐变式结构能够大幅度提高天线阻抗带宽并降低 天线剖面。
2、低剖面天线具有轮廓低，风阻小，易于实现与载体共形等特点，为实 现低剖面宽带天线提供了一种新的途径；超表面基于亚波长结构在二维平面 规则或非规则排布，是超材料的二维平面情形，由于其亚波长及相位调控的 特性，超表面能够在很小的范围内实现电磁波的传播控制，便于微波器件、 隐身材料和天线的小型化设计；因此，超表面应用在低剖面宽带微带天线方 面具有缩小天线的外形尺寸和解决耦合干扰的技术效果。
3、本发明设计的低剖面宽带超表面天线，是为X波段无线通信设计的， 可以广泛应用于无人机***、遥感测试***、侦查***以及载体共形方面。
附图说明
图1为整体结构图；
图2是馈电层结构示意图；
图3为辐射层示意图；
图4为剖面结构示意图；
图5是本发明S11仿真曲线，并包括了3x3方形辐射超表面与简单单极 子的仿真S11曲线；
图6是本发明和3x3方形辐射超表面8GHzH面增益方向图；
图7是本发明和3x3方形辐射超表面10GHzH面增益方向图；
图8是本发明和3x3方形辐射超表面11GHzH面增益方向图。
附图标记：1、超表面辐射层；2、介质基板层；3、馈电层；4、圆形辐 射单元；5、CPW馈线；6、三角形金属分支；7、渐变式耦合缝隙；8、金属 地板。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行 清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而 不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做 出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并 不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加，以及“上”、“下”、 “中间”、“上端”、“下端”等术语仅区分位置关系，并无具体限定。
下面结合附图对本发明的实施进行详细说明。
如图1所示：一种基于超表面的低剖面宽带微带天线，包括从上到下依 次设置的超表面辐射层1、介质基板层2和馈电层3；超表面辐射层1贴装在 介质基板层2的上端，馈电层3贴装在介质基板层2的下端；超表面辐射层1 包含9个圆形辐射单元4；馈电层3包括CPW馈线5、三角形金属分支6、 渐变式耦合缝隙7和金属地板8；信号由CPW馈线5输入，经过三角形金属 分支6和渐变式耦合缝隙7将信号耦合至超表面辐射层1，从而形成一个较宽 的阻抗带宽。天线采用印刷电路板工艺，其中辐射层1和馈电层3材料为金 属铜，介质基板层2所用材料为RO4350B。
如图2所示：CPW馈线5一端输入信号，另一端与金属地板8短路；CPW 馈线5末端连接三角形金属分支6，三角形金属分支6位于渐变式耦合缝隙7 中。超表面辐射层1的轴线与渐变式耦合缝隙7的轴线重合；金属地板8的 边缘与介质基板层2的边缘重合。
进一步地；CPW馈线5下端与剖面平齐，上端与金属地板8连通形成短 路，CPW馈线5上端为三角形金属分支6，三角形金属分支6与CPW馈线5 连通；馈电层3为梯型耦合馈电结构。CPW馈线5的宽度为S，馈线延伸到 平面中心并且与金属地板8连通形成短路，馈线与金属地板8之间间隙为g； 三角形金属分支6左右对称，与馈线直接相连，其长直角边边长为L1，与金 属地板8之间的距离为WF/2；渐变式耦合缝隙7位于整个平面的中心，其中 渐变距离为L2，上下对称，渐变处最宽宽度为WF，最窄宽度为0。
更进一步；S为1-1.5mm；g<0.5mm；L1为2.5-3mm；WF为1-1.5mm； L2为3.5-4mm。
如图3所示，3x 3圆形辐射单元4由规则超表面结构构成，上下两排相 邻圆形辐射单元4中心之间的距离为固定值Wp+Ws，上中下三列圆形单元的 直径不同，其中，上下两排圆形单元直径为Wp，中间一排的直径为Wa；整 个阵列处于天线的中心位置。
如图4所示的介质基板层2尺寸是Wg x Wg x H。
更进一步的，Wa为5.5-6mm；Wp为5-5.5mm；Ws为1-1.5mm；Wg为 35-40mm；H为2.5-3mm。
实施例1：一种基于超表面的低剖面宽带微带天线，如图1所示；包括从 上到下依次设置的超表面辐射层1、介质基板层2和馈电层3；超表面辐射层 1贴装在介质基板层2的上端，馈电层3贴装在介质基板层2的下端；超表面 辐射层1包含9个圆形辐射单元4；馈电层3包括CPW馈线5、三角形金属 分支6、渐变式耦合缝隙7和金属地板8；信号由CPW馈线5输入，经过三 角形金属分支6和渐变式耦合缝隙7将信号耦合至超表面辐射层1，从而形成 一个较宽的阻抗带宽。天线采用印刷电路板工艺，其中辐射层1和馈电层3 材料为金属铜，介质基板层2所用材料为RO4350B。整个介质基板层边缘与 金属地板8边缘以及CPW馈线5底端平齐，超表面辐射层1轴线、介质基板 层轴线和2阶耦合缝隙轴线重合。
如图2所示：CPW馈线5下端与剖面平齐，上端与金属地板8连通形成 短路，CPW馈线5上端为三角形金属分支6，三角形金属分支6与CPW馈线 5连通；馈电层3为梯型耦合馈电结构。CPW馈线5的宽度S为1mm，馈线 延伸到平面中心并且与金属地板8连通形成短路，馈线与金属地板8之间间 隙g为0.1mm；三角形金属分支6左右对称，与馈线直接相连，其长直角边边长L1为2.5mm，与金属地板8之间的距离WF/2为0.5mm；渐变式耦合缝 隙7位于整个平面的中心，其中渐变距离L2为3.5mm，上下对称，渐变处最 宽宽度为WF，最窄宽度为0。
更进一步；S为1-1.5mm；g<0.5mm；L1为2.5-3mm；WF为1-1.5mm； L2为3.5-4mm。
如图3所示，3x 3圆形辐射单元4由规则超表面结构构成，上下两排相 邻圆形辐射单元4中心之间的距离Wp+Ws为固定值6mm，上中下三列圆形 单元的直径不同，其中，上下两排圆形单元直径为Wp为5mm，中间一排的 直径为Wa为5.5mm；整个阵列处于天线的中心位置。
如图4所示的介质基板层2尺寸是Wg x Wg x H，其中Wg为35mm；H 为2.5mm。
实施例2：本实施例与实施例1的区别在于：
CPW馈线5的宽度S为1.5mm，馈线延伸到平面中心并且与金属地板8 连通形成短路，馈线与金属地板8之间间隙g为0.2mm；三角形金属分支6 左右对称，与馈线直接相连，其长直角边边长L1为3mm，与金属地板8之 间的距离WF/2为0.5mm；渐变式耦合缝隙7位于整个平面的中心，其中渐变 距离L2为4mm，上下对称，渐变处最宽宽度为WF，最窄宽度为0。
上下两排相邻圆形辐射单元4中心之间的距离为固定值7mm，上中下三 列圆形单元的直径不同，其中，上下两排圆形单元直径为Wp为5.2mm，中 间一排的直径为Wa为5.9；整个阵列处于天线的中心位置；Ws为1.2mm。
如图4所示的介质基板层2尺寸是Wg x Wg x H，其中Wg为35mm；H 为2.5mm。
实施例3：本实施例与实施例1的区别在于：
如图2所示：CPW馈线5的宽度S为1.2mm，馈线延伸到平面中心并且 与金属地板8连通形成短路，馈线与金属地板8之间间隙g为0.3mm；三角 形金属分支6左右对称，与馈线直接相连，其长直角边边长L1为2.8mm，与 金属地板8之间的距离WF/2为0.6；渐变式耦合缝隙7位于整个平面的中心， 其中渐变距离L2为3.7mm，上下对称，渐变处最宽宽度为WF，最窄宽度为 0。
如图3所示，3x 3圆形辐射单元4由规则超表面结构构成，上下两排相 邻圆形辐射单元4中心之间的距离Wp+Ws为固定值6.5mm，上中下三列圆形 单元的直径不同，其中，上下两排圆形单元直径为Wp为5.2mm，中间一排 的直径为Wa为5.8mm；整个阵列处于天线的中心位置，Ws为1.3mm。
如图4所示的介质基板层2尺寸是Wg x Wg x H，其中Wg为38mm；H 为2.8mm。
实施例4：本实施例与实施例1的区别在于：
CPW馈线5的宽度S为1.5mm，馈线延伸到平面中心并且与金属地板8 连通形成短路，馈线与金属地板8之间间隙g为0.49mm；三角形金属分支6 左右对称，与馈线直接相连，其长直角边边长L1为3mm，与金属地板8之 间的距离WF/2为0.75mm；渐变式耦合缝隙7位于整个平面的中心，其中渐 变距离L2为4mm，上下对称，渐变处最宽宽度为WF，最窄宽度为0。
上下两排相邻圆形辐射单元4中心之间的距离为固定值7mm，上中下三 列圆形单元的直径不同，其中，上下两排圆形单元直径为Wp为5.5mm，中 间一排的直径为Wa为5.5；整个阵列处于天线的中心位置；Ws为1.5mm。
如图4所示的介质基板层2尺寸是Wg x Wg x H，其中Wg为35mm；H 为2.5mm。
更进一步地；将实施例2通过仿真测试结果分析如下：
所图5-8所示，在本发明所设计的天线中，所设计的圆形规则超表面结构 是改善天线性能的关键设计。从图5可以看出，该发明所设计的天线可以实 现S11小于-10dB的频率范围为8GHz-15GHz，
完全 覆盖X波段频率范围，相对带宽高达56％，而在没有采用超表面结构的单极 子辐射贴片在采用相同馈电结构的情况下相对带宽只有3％。因此，本发明提 出的圆形超表面结构能够显著提高微带天线的带宽，有效解决微带天线窄带 的缺点。整个天线的高度为0.09λ0，大小为1.28λ0×1.28λ0，利于天线与***的 共形与兼容，具有小型化低成本等特点。同时，本发明所设计的圆形超表面 相比于正方形超表面天线系数也有明显的提升，在阻抗带宽方面，从图5可 以看出，正方形超表面S11小于-10dB的频率范围为7.3GHz-12.5GHz，相对 带宽为52％。从方向性系数上看，结合图6图7图8可以看出，本发明所设 计的天线在频率为11GHz时仍然保持着良好的方向性，没有出现明显的栅瓣； 而其他结构在频率为10GHz时就已经出现明显的栅瓣。
实施例1高频(12GHz)辐射方向图更加稳定；fmin和fmax都向高频移 动；高频(12GHz)增益提高；相对带宽变窄；阻抗匹配性较实施例2变差。
实施例3低频(8GHz)辐射方向图得到改善；fmin和fmax都往低频移 动；低频(8GHz)增益提高；相对带宽变窄；阻抗匹配性较实施例2变差。 实施例4低频(8GHz)辐射方向图得到改善；fmin和fmax都往低频移动； 低频(8GHz)增益提高；相对带宽变窄；阻抗匹配性较实施例2变差。
在不限定范围情况下，实施例2作用本发明的实施优选例。
本发明采用的渐变式耦合馈电结构也有利于提高天线的带宽，更重要的 是，采用耦合馈电结构可以将馈线层与辐射层1分离，大大降低了馈线对辐 射特性的影响。同时，该分离结构利于天线与其他***的集成，大大方便了 整体***的设计和集成。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方 式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领 域的人员而言，对于本领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明的原理和 精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，因此在 不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细 节。
Claims (5)
1.一种基于超表面的低剖面宽带微带天线，其特征在于：包括从上到下依次设置的超表面辐射层(1)、介质基板层(2)和馈电层(3)；所述超表面辐射层(1)贴装在介质基板层(2)的上端，所述馈电层(3)贴装在介质基板层(2)下端；所述超表面辐射层(1)包含9个圆形辐射单元(4)；所述馈电层(3)包括CPW馈线(5)、三角形金属分支(6)、渐变式耦合缝隙(7)和金属地板(8)；信号由CPW馈线(5)输入，经过三角形金属分支(6)和渐变式耦合缝隙(7)将信号耦合至超表面辐射层(1)，从而形成一个较宽的阻抗带宽。
2.根据权利要求1所述的基于超表面的低剖面宽带微带天线，其特征在于：所述9个圆形辐射单元(4)按照3x3方式排列，中间一排圆形辐射单元(4)的半径要大于两侧两排圆形辐射单元(4)的半径。
3.根据权利要求2所述的基于超表面的低剖面宽带微带天线，其特征在于：所述中间一排各圆形辐射单元(4)的半径大小相同；两侧两排各圆形辐射单元(4)的半径相同。
4.根据权利要求1所述的基于超表面的低剖面宽带微带天线，其特征在于：所述CPW馈线(5)一端输入信号，另一端与金属地板(8)短路；所述CPW馈线(5)末端连接三角形金属分支(6)，所述三角形金属分支(6)位于渐变式耦合缝隙(7)中。
5.根据权利要求1-5任一所述的基于超表面的低剖面宽带微带天线，其特征在于：所述超表面辐射层(1)的轴线与渐变式耦合缝隙(7)的轴线重合；所述金属地板(8)的边缘与介质基板层(2)的边缘重合。
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