CN113839216A - 一种基于超表面的低剖面宽带圆极化天线 - 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圆极化天线，涉及通信***综合设计中的天线技术领域，解决了目前无线通信***圆极化天线带宽窄、剖面高的技术难题。本发明包括第一基板和第二基板；超表面设置于第一基板上表面，4×4的方形贴片对称布置，且贴片中心刻蚀有Z字形缝隙；接地板设置于第二基板上表面，中心刻蚀倾斜的不等长十字形缝隙；微带馈线设置于第二基板下表面，为阶梯形结构。采用缝隙耦合方式激励超表面，缝隙天线的谐振模式与超表面的谐振模式组合在一起实现宽带圆极化辐射。本发明可以工作在C‑band(3.7‑4.2GHz)频段，结构简单，成本低，易于加工，满足无线通信***天线低剖面和宽频带的要求，具有较高的工程实用价值。

Description

一种基于超表面的低剖面宽带圆极化天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体涉及一种基于超表面的低剖面宽带圆极化天线。
背景技术
随着社会信息化进程不断加速，无线通信的优越性日益彰显。天线作为电磁波收发装置，其性能好坏直接影响无线通信的质量和效率。圆极化天线因其具有较强的抗多径干扰和抗衰落能力得到了广泛应用，例如手持便携式设备、无线传感器和全球导航卫星***等。传统的圆极化微带天线结构简单，轴比带宽较窄，无法满足高传输速率和高信道容量的需求。超表面作为一种二维超材料，应用于微带天线设计中能够改善天线的带宽、增益等性能。
近年来，基于超表面的圆极化天线引起广泛关注。国内外学者提出了多种基于超表面的圆极化天线设计方案，如采用超表面的多个谐振模式或者组合超表面与馈电结构的谐振模式实现宽带圆极化，但它们的共同缺点是天线的性能较差，具体表现为天线的剖面高、圆极化轴比带宽窄。
如何设计出一种具有低剖面和宽带性能的圆极化天线是一个有待于解决的技术难题。因此，研究基于超表面的低剖面宽带圆极化天线是解决无线通信***圆极化天线带宽窄、剖面高技术难题的有效途径。
发明内容
针对无线通信***圆极化天线带宽窄、剖面高的技术问题，本发明提供了一种基于超表面的低剖面宽带圆极化天线。
为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：
一种基于超表面的低剖面宽带圆极化天线，包括第一基板和第二基板；超表面设置于第一基板上表面，所述超表面为4×4排布的方形贴片，贴片中心刻蚀Z字形缝隙，所述Z字形缝隙包括一个竖直缝隙和两个水平缝隙；接地板设置于第二基板上表面，所述接地板中心刻蚀倾斜的不等长十字形缝隙，所述十字形缝隙的长缝隙沿-45°方向，短缝隙沿45°方向；微带馈线设置于第二基板下表面，所述微带馈线为阶梯形结构，包括第一微带线和第二微带线。
进一步，所述第一基板和第二基板均为矩形介质基板。
进一步，所述第一基板和第二基板采用介电常数为4.4的FR4环氧树脂材料，厚度分别为3.2mm和0.8mm。
进一步，所述第一基板和第二基板的尺寸为55mm×55mm。
进一步，所述超表面方形贴片的边长为11mm，贴片间距为0.8mm；所述Z字形缝隙中竖直缝隙的尺寸为2.6mm×0.6mm，两个水平缝隙的尺寸均为1.3mm×0.6mm。
进一步，所述接地板的尺寸为55mm×55mm；接地板中心刻蚀倾斜的不等长十字形缝隙，所述十字形缝隙中长缝隙的尺寸为24.4mm×1.4mm，短缝隙的尺寸为14.4mm×1.4mm。
进一步，所述微带馈线为阶梯形馈线结构；第一微带线的尺寸为16mm×1mm，第二微带线的尺寸为16mm×1.5mm。
一方面，接地板中心刻蚀有倾斜的不等长十字形缝隙，其长缝隙和短缝隙产生90°相位差，使得缝隙天线实现圆极化辐射。另一方面，超表面单元刻蚀有Z字形缝隙，其水平、竖直缝隙引入两个幅度相等、相位差为90°的电场分量，使得超表面具备圆极化性能。此外，天线的带宽随着介质基板厚度增加而增大，很难在低剖面的同时实现宽带性能。本发明通过接地板中心的倾斜十字形缝隙激励超表面，缝隙天线的谐振模式与超表面的谐振模式组合在一起实现了宽带圆极化性能，在两层基板总厚度为4mm的情况下，获得了27.1％的圆极化带宽，具有低剖面和宽带性能。本发明解决了无线通信***圆极化天线带宽窄、剖面高技术难题。
与现有技术相比本发明具有以下优点：
1.超表面单元刻蚀Z字形缝隙，提高了天线的圆极化带宽；
2.缝隙天线的谐振模式与超表面的谐振模式共同实现了宽带圆极化辐射；
3.本发明在两层基板总厚度为4mm的情况下，获得了27.1％的圆极化带宽，具有低剖面和宽带性能；
4.本发明可工作在卫星通信***C-band(3.7-4.2GHz)频段，天线结构简单，成本低，容易加工制作，为无线通信***天线的低剖面、宽带圆极化辐射提供行之有效的解决途径。
附图说明
图1为本发明低剖面宽带圆极化天线结构示意图；
图2为本发明低剖面宽带圆极化天线的S参数；
图3为本发明低剖面宽带圆极化天线的轴比；
图4为本发明低剖面宽带圆极化天线在3.75GHz的辐射方向图；
图5为本发明低剖面宽带圆极化天线在4.2GHz的辐射方向图；
图6为本发明低剖面宽带圆极化天线在4.65GHz的辐射方向图；
图7为本发明低剖面宽带圆极化天线的增益。
其中，1-第一基板，2-第二基板，3-超表面，4-Z字形缝隙，41-竖直缝隙，42-水平缝隙，5-接地板，6-十字形缝隙，61-长缝隙，62-短缝隙，7-微带馈线。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，本发明是一种基于超表面的低剖面宽带圆极化天线，包括第一基板1和第二基板2；超表面3设置于第一基板1上表面，所述超表面3为4×4排布的方形贴片，贴片中心刻蚀Z字形缝隙4，所述Z字形缝隙4包括一个竖直缝隙41和两个水平缝隙42；接地板5设置于第二基板2上表面，所述接地板5中心刻蚀倾斜的不等长十字形缝隙6，所述十字形缝隙6的长缝隙61沿-45°方向，短缝隙62沿45°方向；微带馈线7设置于第二基板2下表面，所述微带馈线7为阶梯形结构，包括第一微带线和第二微带线。
进一步，所述第一基板1和第二基板2为矩形介质基板。
进一步，所述第一基板1和第二基板2采用介电常数为4.4的FR4环氧树脂材料，厚度分别为3.2mm和0.8mm。
进一步，所述第一基板1和第二基板2的尺寸为55mm×55mm。
进一步，所述超表面3方形贴片的边长为11mm，贴片间距为0.8mm；所述Z字形缝隙4中竖直缝隙41的尺寸为2.6mm×0.6mm，两个水平缝隙42的尺寸均为1.3mm×0.6mm。
进一步，所述接地板5的尺寸为55mm×55mm；接地板5中心刻蚀倾斜的不等长十字形缝隙6，所述十字形缝隙6中长缝隙61的尺寸为24.4mm×1.4mm，短缝隙62的尺寸为14.4mm×1.4mm。
进一步，所述微带馈线7为阶梯形馈线结构；第一微带线的尺寸为16mm×1mm，第二微带线的尺寸为16mm×1.5mm。
本发明的优点可以通过仿真结果进一步说明。对上述实施例中的基于超表面的低剖面宽带圆极化天线进行建模分析。超表面的Z字形缝隙和接地板的十字形缝隙分别引入两个幅度相等、相位差为90°的电场分量，实现了圆极化辐射。采用缝隙耦合方式激励超表面，缝隙天线的谐振模式与超表面的谐振模式组合在一起实现了宽带性能。本发明在两层基板总厚度为4mm的情况下，获得了27.1％的圆极化带宽，具有低剖面和宽带性能。
图2示出了本发明所述的基于超表面的低剖面宽带圆极化天线的S参数，其中横坐标代表频率变量，单位为GHz，纵坐标代表幅度变量，单位为dB。如图所示，天线的-10dB阻抗带宽为3.44-4.68GHz，相对带宽为30.5％。图3示出了本发明所述的基于超表面的低剖面宽带圆极化天线的轴比。如图所示，天线的3dB轴比带宽为3.56-4.74GHz，相对带宽为28.4％。由图2和图3可知，天线的工作频段为3.56-4.68GHz，圆极化带宽高达27.1％，覆盖了C波段下行(3.7-4.2GHz)频段。
图4-6示出了本发明所述的基于超表面的低剖面宽带圆极化天线在3.75GHz、4.2GHz和4.65GHz的归一化辐射方向图。从图中可以看出，天线在整个工作频段内实现了左旋圆极化辐射。图7示出了本发明所述的基于超表面的低剖面宽带圆极化天线的增益。由图可知，天线的峰值增益达到了6.9dBi。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (8)

1.一种基于超表面的低剖面宽带圆极化天线，包括第一基板(1)和第二基板(2)；超表面(3)设置于第一基板(1)上表面，所述超表面(3)为4×4排布的方形贴片，贴片中心刻蚀Z字形缝隙(4)；接地板(5)设置于第二基板(2)上表面，所述接地板(5)中心刻蚀倾斜的不等长十字形缝隙(6)；微带馈线(7)设置于第二基板(2)下表面，所述微带馈线(7)为阶梯形结构。
2.根据权利要求1所述的低剖面宽带圆极化天线，其特征在于：所述超表面(3)为4×4排布的方形贴片，贴片中心刻蚀Z字形缝隙(4)，所述Z字形缝隙(4)包括一个竖直缝隙(41)和两个水平缝隙(42)。
3.根据权利要求1所述的低剖面宽带圆极化天线，其特征在于：所述接地板(5)中心刻蚀倾斜的不等长十字形缝隙(6)，所述十字形缝隙(6)的长缝隙(61)沿-45°方向，短缝隙(62)沿45°方向。
4.根据权利要求1所述的低剖面宽带圆极化天线，其特征在于：所述第一基板(1)和第二基板(2)均为矩形介质基板。
5.根据权利要求1所述的低剖面宽带圆极化天线，其特征在于：所述第一基板(1)和第二基板(2)采用介电常数为4.4的FR4环氧树脂材料，厚度分别为3.2mm和0.8mm。
6.根据权利要求1所述的低剖面宽带圆极化天线，其特征在于：所述第一基板(1)和第二基板(2)的尺寸均为55mm×55mm。
7.根据权利要求1所述的低剖面宽带圆极化天线，其特征在于：所述超表面(3)方形贴片的边长为11mm，贴片间距为0.8mm；所述Z字形缝隙(4)中竖直缝隙(41)的尺寸为2.6mm×0.6mm，两个水平缝隙(42)的尺寸均为1.3mm×0.6mm。
8.根据权利要求1所述的低剖面宽带圆极化天线，其特征在于：所述接地板(5)的尺寸为55mm×55mm；所述十字形缝隙(6)中长缝隙(61)的尺寸为24.4mm×1.4mm，短缝隙(62)的尺寸为14.4mm×1.4mm。
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