CN112909528B - 一种宽带圆极化超表面天线 - Google Patents

一种宽带圆极化超表面天线 Download PDF

Info

Publication number
CN112909528B
CN112909528B CN202110164196.8A CN202110164196A CN112909528B CN 112909528 B CN112909528 B CN 112909528B CN 202110164196 A CN202110164196 A CN 202110164196A CN 112909528 B CN112909528 B CN 112909528B
Authority
CN
China
Prior art keywords
super
antenna
circularly polarized
patch
mode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202110164196.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112909528A (zh
Inventor
高喜
田国伟
许恩永
王国富
陈华金
曾伟光
李思敏
谢先明
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Guangxi University of Science and Technology
Original Assignee
Guangxi University of Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Guangxi University of Science and Technology filed Critical Guangxi University of Science and Technology
Priority to CN202110164196.8A priority Critical patent/CN112909528B/zh
Publication of CN112909528A publication Critical patent/CN112909528A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112909528B publication Critical patent/CN112909528B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/36—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith
    • H01Q1/38—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith formed by a conductive layer on an insulating support
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/48—Earthing means; Earth screens; Counterpoises
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/50—Structural association of antennas with earthing switches, lead-in devices or lightning protectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H01Q15/0006—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices
    • H01Q15/0086—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices said selective devices having materials with a synthesized negative refractive index, e.g. metamaterials or left-handed materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H01Q15/24—Polarising devices; Polarisation filters 
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02D—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES [ICT], I.E. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES AIMING AT THE REDUCTION OF THEIR OWN ENERGY USE
    • Y02D30/00—Reducing energy consumption in communication networks
    • Y02D30/70—Reducing energy consumption in communication networks in wireless communication networks

Landscapes

  • Waveguide Aerials (AREA)

Abstract

本发明涉及一种宽带圆极化超表面天线，解决的是方向图不稳定、带宽窄的技术问题，通过采用双层介质板和三个金属层，两层介质板规格相同；三层金属层分别为顶层的超表面贴片、中间层的开槽地板以及最底层的馈电结构；超表面为4×4金属方形贴片，超表面上开有用于形成环形电流以产生圆极化辐射的圆环形槽；中间的金属地板设有用于信号耦合的四个大小相同的矩形槽的技术方案，较好的解决了该问题，可用于宽带、方向图稳定的圆极化天线中。

Description

一种宽带圆极化超表面天线
技术领域
本发明涉及射频天线领域，具体涉及一种方向图稳定的宽带圆极化超表面天线。
背景技术
在无线通信***中，天线是必不可少的一部分，它能够完成电磁波信号的发送与接收。其中，微带贴片天线由于其体积小、易共性、易于制造等优点而得以快速发展。方向图特性是微带贴片天线的一个重要指标，方向图的好坏对天线的工作频带有直接影响。在许多情况下，正是由于天线方向图的畸变从而限制了天线的带宽及其在工程中的应用。影响天线方向图的因素有很多，例如有限地板的尺寸，贴片之间的耦合，高阶模的影响等。为了改善天线的方向图，研究人员提出了许多方法。圆极化贴片天线能够有效减轻天线的多径失真以及低极化失配损耗等特性，因此在卫星通信等领域具有重要的应用价值。尤其对于超表面加载的圆极化天线，具有工作带宽宽、增益高等优良性能，而得到广泛关注。
在天线中加载超表面后，也增加了天线的设计难度和复杂度。尤其在分析天线性能时，通常将天线辐射体及加载的超表面作为一个黑匣子进行整体仿真，这使得我们很难得到清晰的物理概念，且需要花费大量的时间和计算资源来得到性能优良的天线。
为了解决这一问题，本发明利用特征模理论，研究了一种宽带且方向图稳定的圆极化超表面天线。首先，对超表面进行特征模分析，研究各个模式的表面电流分布及远场辐射特性，并根据预定的天线辐射特性，选取合适的工作模式。在此基础上，进一步对超表面进行开槽处理，截断不想要的模式电流，以消除其对天线方向图的影响。对于设计好的天线，我们采取顺序螺旋馈电的方式对所选择的模式进行激励，形成方向图稳定的宽带圆极化超表面天线。实验和理论分析结果表明，天线的相对阻抗带宽和轴比带宽分别为29.5％和24.6％，且带内方向图稳定。该天线在无线通信中的WIFI频段具有很好的应用价值。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有技术中存在的方向图不稳定、带宽窄的问题。提供一种新的宽带圆极化超表面天线，该宽带圆极化超表面天线具有方向图稳定、带宽宽的特点。
为解决上述技术问题，采用的技术方案如下：
一种宽带圆极化超表面天线，所述宽带圆极化超表面天线包括：双层介质板和三个金属层，两层介质板规格相同；三层金属层分别为顶层的超表面贴片、中间层的开槽地板以及最底层的馈电结构；超表面为4×4金属方形贴片，超表面上开有用于形成环形电流以产生圆极化辐射的圆环形槽；中间层的开槽地板设有用于信号的耦合的四个大小相同的矩形槽。
上述方案中，为满足相位要求，将最底层的馈电结构为顺序螺旋馈电结构。
进一步地，所述介质板为F4B板，F4B板的介电常数4.4，正切损耗0.001。
进一步地，介质板边长为W，上层介质板高度为h1，下层介质板高度为h2，金属方形贴片的边长为p，贴片间距为g；圆环型槽的内径为R，槽距为s；矩形槽长度为gw，矩形槽宽度为gl；W＝48mm，p＝8.8mm，g＝0.8mm，s＝0.5mm，R＝9.6mm，gw＝8mm，gl＝1mm，h1＝1.65mm，h2＝0.7mm。
本发明的有益效果：天线的相对阻抗带宽和轴比带宽分别为29.5％和24.6％，且带内方向图稳定。该天线在无线通信中的WIFI频段具有很好的应用价值。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1，实施例1中的宽带圆极化超表面天线中超表面层示意图。
图2，实施例1中的宽带圆极化超表面天线中开槽地板层示意图。
图3，实施例1中的宽带圆极化超表面天线中馈电结构层示意图。
图4，实施例1中的宽带圆极化超表面天线侧视示意图。
图5，仿真结果S11和轴比示意图。
图6，初始天线仿真方向图。
图7，高频处6.7GHz超表面电流分布示意图。
图8，各个模式的MS值示意图。
图9，前六个模式的电流分布示意图。
图10，开槽后的超表面示意图。
图11，开槽后模式的MS值示意图。
图12，开槽后超表面各个模式的电流分布示意图。
图13，开槽后天线的S参数和轴比示意图。
图14.，超表面修正后天线增益示意图。
图15，开槽后的天线方向图。
图16，仿真与测试的S参数对比示意图。
图17，仿真与测试AR对比示意图。
图18，实测天线增益示意图。
图19，仿真与测试归一化方向图对比示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本实施例提供一种宽带圆极化超表面天线，如图1、图2、图3，所述宽带圆极化超表面天线包括：双层介质板和三个金属层，两层介质板规格相同；三层金属层分别为顶层的超表面贴片、中间层的开槽地板以及最底层的馈电结构；超表面为4×4金属方形贴片，超表面上开有用于形成环形电流以产生圆极化辐射的圆环形槽；中间层的开槽地板设有用于信号耦合的四个大小相同的矩形槽。
具体地，最底层的馈电结构为顺序螺旋馈电结构。
具体地，所述介质板为F4B板，F4B板的介电常数4.4，正切损耗0.001。
具体地，介质板边长为W，上层介质板高度为h1，下层介质板高度为h2，金属方形贴片的边长为p，贴片间距为g；圆环型槽的内径为R，槽距为s；矩形槽长度为gw，矩形槽宽度为gl；W＝48mm，p＝8.8mm，g＝0.8mm，s＝0.5mm，R＝9.6mm，gw＝8mm，gl＝1mm，h1＝1.65mm，h2＝0.7mm。
为了研究天线的辐射特性，首先用CST电磁仿真软件对天线进行仿真分析。图5为仿真得到的S11参数和轴比。从图中可以看出，S参数和轴比都有很好的宽带特性，S参数低于-10dB和轴比低于3dB的带宽分别是5.25-6.8GHz和5.38-6.75GHz。图6为天线的辐射方向图，图中显示，当频率小于6.45GHz时，E面及H面的方向图具有很好的稳定性，而当频率高于6.45GHz时，E面和H面的方向图都开始发生畸变。这种方向图畸变的现象，将极大压缩了天线的工作带宽。
为了分析天线在高频段发生方向图畸变的原因，我们观察了高频端(如6.7GHz)处，超表面的表面电流分布，如图7所示。从电流分布我们不难发现，在环形槽周围形成了环形电路分布，这一环形电流能有效形成圆极化辐射，可是在超表面的四个拐角处的贴片同样激励起了电流，这一电流同样会产生辐射，该部分电流的辐射是天线方向图畸变的物理本质。因此，要抑制高频段天线方向图的畸变，必须消除超表面四个拐角处的表面电流。
本实施例对超表面进行模式分析：
为了探究消除超表面四个拐角处的表面电流，我们采用特征模理论，研究超表面不同特征模电流的分布特点。根据特征模分析，我们首先给出了超表面前六个模式的MS值，如图8所示，可以看到，不管是基模还是高次模式都存在MS＝1的频点，说明该模式谐振于该频率点。对于MS＝1的特征模，只要设计合适的装置激励该模式，就能产生相应的辐射。图9为前六个谐振模式的电流分布。可以看出，模式4的电流为环形分布，因此该模式能够形成圆极化辐射；而模式3和模式5在超表面四个拐角处处都有较大的电流分布，但是模式5的电流与模式4的电流在四个拐角的位置正交。由图7的分析可知，天线方向图畸变的主要原因是由拐角处的贴片电流产生的辐射所致。由此推断，我们设计的激励装置，在激励模式4的同时，也激励了模式5，从而导致天线的方向图畸变。
为了能有效抑制模式5，我们对超表面的最外层贴片进行修正，即以超表面中心位置为圆心，以R1为半径(R1＝19.7mm)画圆，去掉圆外的金属，结构如图10所示。对该结构，我们进一步用特征模理论分析其表面电流的分布。图8为修正的超表面的前六个特征模的MS值。比较图8和图11，我们发现修正超表面后，使得特征模的MS值随频率分布更陡峭，但是对MS＝1的频点位置没有太大影响，这说明对超表面修正后，各个模式仍然能有效谐振，且谐振频率没有太大变化。
进一步，我们观察了六个特征模在谐振频率处的表面电流分布，如图12所示。比较图9和图12中的模式4和模式5，我们发现模式4的电流分布没有太大变化，而模式5的电流分布出现了较大变化。没有修正超表面前，模式5在最外层的四个拐角处的金属贴片上有较大的电流分布；而对超表面修正后，模式5在最外层的四个拐角处的金属贴片上的电流几乎消失，这正是我们想要的结果。对于模式6，也出现了与模式5类似的现象。因此，对超表面作上述修正后，能够有效抑制模式5和模式6的激励，从而稳定天线辐射的方向图。
本实施例由于对超表面进行修正后，超表面的结构参数应做相应的微调，以获得最佳的辐射性能。通过优化，得到天线最优的结构参数为：W＝48mm，p＝8.8mm，g＝0.8mm，s＝0.5mm，R＝9.6mm，gw＝8mm，gl＝1mm，h1＝1.65mm，h2＝0.7mm，R1＝19.7mm.图13为仿真得到的S11参数和轴比随频率的变化曲线，可以看出，在5.2-7GHz的频率范围内，S11小于-10dB；而在5.35-6.85GHz的频率范围内，轴比小于3dB。与超表面未修正之前的结果相比，天线的阻抗带宽和轴比带宽都有小许拓展。图14为天线的增益曲线，可以看出，天线的带内增益为6.2-8dBic。图15为对天线修正后的方向图。可以看出，在整个频带内，天线的E面和H面的方向图都比较稳定。比较图6和图15可知，对超表面进行修正后，完全消除了天线方向图畸变的问题，极大限度改善了天线的辐射性能。
图16和图17实测的S11参数和轴比参数与仿真结果的对比。可以看出，S参数的仿真结果与实测结果有一定差异，但是带内谐振点的分布以及带宽范围是比较吻合的，都在5.2-7GHz的频率范围内，产生这一差异的主要原因可能是由加工和测试过程中的误差所致；比较轴比曲线可知，仿真结果与测试结果有很好的一致性。图18为天线的增益，可以看到在轴比带宽内，仿真与测试的增益曲线的趋势比较一致，且带内增益都是从6-8.1dBic。图19为天线仿真与实测对比的归一化方向图，在这里我们给出了5.4GHz、6.2GHz和6.8GHz三个点的xoz面和yoz面的归一化方向图。其中，(a)为5.4GHz，(b)为6.2GHz，(c)为6.8GHz。本实施例只测试了正向辐射的方向图。从整体看，仿真与实测方向图比较吻合。
本实施例提出了一种低剖面、宽带的圆极化超表面天线，且带内天线方向图稳定。通过利用特征模理论对超表面进行特征模分析，选择出我们所需要的模式，并且根据分析的模式电流结果，对超表面进行修正，通过抑制不想要的模式电流，消除天线方向图的畸变。采用顺序旋转馈电结构有效激励所需要的特征模，最终实现了高性能的圆极化辐射。实验和方真结果证实了天线的性能，该天线在无线通信***中具有良好的应用前景。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员能够理解本发明，但是本发明不仅限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员而言，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明精神和范围内，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (3)

1.一种宽带圆极化超表面天线，其特征在于：所述宽带圆极化超表面天线包括：双层介质板和三个金属层，两层介质板规格相同；三层金属层分别为顶层的超表面贴片、中间层的开槽地板以及最底层的馈电结构，馈电结构为顺序螺旋馈电结构；超表面为4×4金属方形贴片，超表面正中间上开有用于形成环形电流以产生圆极化辐射的圆环形槽，圆环形槽的半径为单个方形贴片的对角线长度；中间层的开槽地板设有用于信号耦合的四个大小相同的矩形槽，矩形槽为斜45°设置，其沿线相互垂直；矩形槽、馈电结构、圆环形槽在垂直方向上是重合的。
2.根据权利要求1所述的宽带圆极化超表面天线，其特征在于：所述介质板为F4B板，F4B板的介电常数4.4，正切损耗0.001。
3.根据权利要求2所述的宽带圆极化超表面天线，其特征在于：介质板边长为W，上层介质板高度为h1，下层介质板高度为h2，金属方形贴片的边长为p，贴片间距为g；圆环型槽的内径为R，槽距为s；矩形槽长度为gw，矩形槽宽度为gl；W＝48mm，p＝8.8mm，g＝0.8mm，s＝0.5mm，R＝9.6mm，gw＝8mm，gl＝1mm，h1＝1.65mm，h2＝0.7mm。
CN202110164196.8A 2021-02-05 2021-02-05 一种宽带圆极化超表面天线 Active CN112909528B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110164196.8A CN112909528B (zh) 2021-02-05 2021-02-05 一种宽带圆极化超表面天线

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110164196.8A CN112909528B (zh) 2021-02-05 2021-02-05 一种宽带圆极化超表面天线

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112909528A CN112909528A (zh) 2021-06-04
CN112909528B true CN112909528B (zh) 2023-03-17

Family

ID=76123164

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110164196.8A Active CN112909528B (zh) 2021-02-05 2021-02-05 一种宽带圆极化超表面天线

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112909528B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113690600B (zh) * 2021-08-16 2022-11-08 电子科技大学 一种双极化全向超表面天线

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110148833A (zh) * 2019-05-13 2019-08-20 华东师范大学 基于超表面的高增益双频圆极化天线

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014080360A2 (en) * 2012-11-21 2014-05-30 Tagsys Miniaturized patch antenna
CN104319461B (zh) * 2014-10-01 2017-12-22 广东工业大学 基于人工电磁媒质的宽带多模卫星导航天线
US9590314B2 (en) * 2014-12-31 2017-03-07 Trimble Inc. Circularly polarized connected-slot antenna
CN105870623A (zh) * 2016-06-07 2016-08-17 电子科技大学 加载超表面的宽带圆极化高增益低剖面微带缝隙天线
CN109888481B (zh) * 2018-12-28 2020-05-12 电子科技大学 一种全向圆极化超表面太阳能天线

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110148833A (zh) * 2019-05-13 2019-08-20 华东师范大学 基于超表面的高增益双频圆极化天线

Also Published As

Publication number Publication date
CN112909528A (zh) 2021-06-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN113629398B (zh) 一种具有一致辐射方向图且增益提高的宽带耦合贴片天线
US20090184880A1 (en) Ultra Wideband Loop Antenna
Li et al. Mode compression method for wideband dipole antenna by dual-point capacitive loadings
Xiao et al. Dual-band structure-shared antenna with large frequency ratio for 5G communication applications
Kumar et al. Wideband triple resonance patch antenna for 5G Wi-Fi spectrum
Li et al. A fifth-order single-layer dual-band half-mode SIW filtering antenna with a multifunctional single slot
Raviteja et al. Gain and bandwidth considerations for microstrip patch antenna employing U and quad L shaped slots with DGS and parasitic elements for WiMax/WiFi applications
Swain et al. An investigation of dual-band dual-squarering (DSR) based microstrip antenna for WiFi/WLAN and 5G-NR wireless applications
Hu et al. Low-profile single-layer half-mode SIW filtering antenna with shorted parasitic patch and defected ground structure
Rahman et al. Metamaterial-based compact antenna with defected ground structure for 5G and beyond
CN112909528B (zh) 一种宽带圆极化超表面天线
Ramakrishna et al. Quadruple band-notched compact monopole UWB antenna for wireless applications
Bakali et al. Design and realization of dual band notch UWB MIMO antenna in 5G and Wi-Fi 6E by using hybrid technique
Yu et al. A compact microstrip four port dual circularly polarized MIMO antenna for SUB-6G application
Hakanoglu et al. Stub Loaded Patch Antenna and a Novel Method for Miniaturization at Sub 6 GHz 5G and Wi-Fi Frequencies.
Radhakrishnan et al. Axial Ratio Bandwidth Enhanced Proximity Fed Fractal MGS-Based Circularly Polarized Patch Antenna.
Kumar et al. A novel microstrip fed L-shaped arm slot and notch loaded RMPA with mended ground plane for bandwidth improvement
Malekpoor et al. Compact broadband microstrip triangular antennas fed by folded triangular patch for wireless applications
Zhang et al. Pattern reshaping of the third resonant mode of dipole and slot using parasitic elements
Narayana et al. Analysis of a Quad Port Dual Band MIMO Antenna for Sub-6 GHz Applications
Wu et al. Dual-Band Dual-Circularly Polarized Shared-Aperture mmWave Antenna
Sang et al. Compact tri-band trapezoid CPW-fed antenna with SRR structure for WLAN/WiMAX applications
Xie et al. Differentially Fed Dual-Polarized SIW Cavity-Backed Patch Antenna with Wide Bandwidth under Multimode Resonance
Yuan et al. A compact ultra‐wideband multiple‐input–multiple‐output antenna with dual band‐notched performance using slot‐line transmission
Patanvariya et al. A Low Profile Modified Y-shaped RDRA for Triple-band Wireless Applications

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant