CN115663483B - 一种超表面端射宽带偶极子阵列天线及加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超表面端射宽带偶极子阵列天线及加工方法，属于无线通信技术领域。该天线由基片集成双线、宽带偶极子阵列和超表面单元组成。基片集成双线包括顶、底层金属外导体、金属内导体、上层介质层、下层介质层和中间粘合层；宽带偶极子阵列中的偶极子单元按长短顺序排布于同一平面，通过基片集成双线延伸出的金属内导体串联；超表面结构由若干按尺寸由大到小排列的正方形金属贴片构成，既可以起到良好的引向器作用，并且可以用来补偿高频处偶极子电流的不一致性，不仅可以提高天线在端射方向的增益，还能拓展天线的频带宽度。本发明具有低损耗、小型化、宽频带、高增益、易于集成等一系列优点。
Description
技术领域
本发明涉及宽带天线技术领域,尤其涉及一种超表面端射宽带偶极子阵列天线及加工方法。
背景技术
现代通信***的发展日新月异，各种通信设备之间的信息传播速率也在飞速上升。作为无线电信号接发装置的天线，通信***也对其提出了越来越高的要求。天线作为通信***中的重要一环，其性能的优化程度对整个通信***的性能指标有重大影响，同时还面临着宽带化、小型化的挑战。
基片集成双线技术（substrate-integrated double line, SIDL）是结合了基片集成同轴线和共面带状线的一种新型传输线，它具有低电磁辐射、低***损耗、结构紧凑、易于集成等优点。基片集成双线具有奇模和偶模两种TEM传输模式，为天线设计研究提供了更多灵活的应用。基片集成双线既可以实现高性能的微波和毫米波组件，又有利于实现天线的平面化设计。
偶极子天线是无线电通信中结构最简单、应用最广泛的一类天线。印刷偶极子天线由于其体积小、结构简单，可以实现宽的阻抗带宽和稳定的增益，在无线通信***中得到了广泛的应用。
传统的串联偶极子阵列带宽窄且副瓣电平高，在高频段辐射方向图发生畸变，旁瓣增大，不能获得良好的阻抗匹配。
发明内容
本发明针对以上问题,提供了一种能够实现高增益、宽带宽的工作性能的超表面端射宽带偶极子阵列天线及加工方法。
本发明为的技术方案如下：一种超表面端射宽带偶极子阵列天线包括结构基板，所述结构基板从前到后依次设有基片集成双线、宽带偶极子阵列和超表面结构，
所述结构基板包括从上到下依次设置的上层介质层、中间粘合层和下层介质层；
所述基片集成双线包括顶层金属外导体、底层金属外导体和金属内导体，
所述顶层金属外导体设在上层介质层的上表面，所述底层金属外导体设在下层介质层的下表面，
所述金属内导***于中间粘合层的中间、包括平行的左侧金属内导体和右侧金属内导体；
所述宽带偶极子阵列位于中间粘合层中，所述金属内导体向后延伸、用于对宽带偶极子阵列馈电；
所述超表面结构设在上层介质层的上表面，所述超表面结构包括若干排金属贴片。
所述宽带偶极子阵列若干平行的偶极子单元，所述偶极子单元的长度沿着的金属内导体延伸方向逐渐减小，
所述偶极子单元包括一对对称的偶极子臂，所述金属内导***于一对偶极子臂中间，
一对偶极子臂分别连接左侧金属内导体和右侧金属内导体。
所述左侧金属内导体与其对应连接的偶极子臂之间的夹角为40-50°。
若干偶极子单元中，相邻偶极子单元之间的距离沿着金属内导体延伸方向逐渐减小。
所述金属贴片呈正方形，若干排金属贴片的尺寸沿着的金属内导体延伸方向逐渐减小。
所述超表面结构的前端中间设有C形口，在垂直方向上，所述宽带偶极子阵列伸入C形口内。
所述基片集成双线上设有两排金属化通孔, 所述金属内导***于两排金属化通孔的中间。
所述金属化通孔的直径为5 mm，每排中相邻金属化通孔的孔距为8mm。
所述的上层介质层与下层介质层均为厚度1 mm的印刷电路基板，所述中间粘合层为厚度0.1mm的半固化片。
一种超表面端射宽带偶极子阵列天线的加工方法，包括以下步骤:
S1、结构基板制作，从上到下依次设置上层介质层、中间粘合层和下层介质层；
S2、在结构基板上从前到后依次设置基片集成双线、宽带偶极子阵列和超表面结构；
其中，所述基片集成双线包括顶层金属外导体、底层金属外导体和金属内导体，
将所述顶层金属外导体设在上层介质层的上表面，所述底层金属外导体设在下层介质层的下表面，
所述金属内导***于中间粘合层的中间、包括平行的左侧金属内导体和右侧金属内导体；
将所述宽带偶极子阵列设在中间粘合层中，所述金属内导体向后延伸、用于对宽带偶极子阵列馈电；
将所述超表面结构设在上层介质层的上表面，所述超表面结构包括若干排金属贴片。
本发明在工作中,包括基片集成双线、宽带偶极子阵列和超表面结构，其中，基片集成双线内的金属内导体延伸与宽带偶极子阵列连接，为宽带偶极子阵列馈电，两者相结合实现了天线馈电结构一体化设计，同时加入了超表面结构提升天线性能。
本发明一方面使用了封闭性良好的基片集成双线进行馈电，易与其他电路集成，同时可以减小能量传播过程中的损耗；另一方面添加的超表面结构既可以起到良好的引向器作用，并且可以用来补偿高频处偶极子电流的不一致性，不仅可以提高天线在端射方向的增益，还能拓展天线的频带宽度。
附图说明
图1为本发明的结构示意图,
图2为上层介质层的结构示意图,
图3为中间粘合层的结构示意图,
图4为下层介质层的结构示意图,
图5为基片集成双线的结构示意图,
图6示出本发明在添加超表面前后，反射系数对比图，
图7示出本发明在添加超表面前后，增益曲线对比图，
图8示出本发明在添加超表面前后，300MHz时E面方向图对比，
图9示出本发明在添加超表面前后，400MHz时E面方向图对比，
图10示出本发明在添加超表面前后，500MHz时E面方向图对比，
图11示出本发明在添加超表面前后，600MHz时E面方向图对比，
图中：1-7为偶极子单元，8为左侧金属内导体，9为右侧金属内导体，10为顶层金属外导体，11为底层金属外导体，12为上层介质层，13为下层介质层，14为中间粘合层，15为金属化通孔，a-f为超表面单元，Ⅰ为基片集成双线，Ⅱ为宽带偶极子阵列，Ⅲ为超表面结构。
具体实施方式
为了进一步阐述本发明为达到预定发明目的所采取的技术手段，以下结合附图及具体实施方式，对超表面端射宽带偶极子阵列天线进行详细说明。
如图1-5所示,本发明提供的一种超表面端射宽带偶极子阵列天线包括结构基板，所述结构基板从前到后依次设有基片集成双线Ⅰ、宽带偶极子阵列Ⅱ和超表面结构Ⅲ，
所述结构基板包括从上到下依次设置的上层介质层12、中间粘合层14和下层介质层13；
所述基片集成双线包括顶层金属外导体10、底层金属外导体11和金属内导体，
所述顶层金属外导体10设在上层介质层12的上表面，所述底层金属外导体11设在下层介质层13的下表面，
所述金属内导***于中间粘合层14的中间、包括平行的左侧金属内导体8和右侧金属内导体9；
所述宽带偶极子阵列位于中间粘合层14中，所述金属内导体向后延伸、用于对宽带偶极子阵列馈电；
所述超表面结构设在上层介质层12的上表面，所述超表面结构包括若干排金属贴片。
本发明在工作中,包括基片集成双线、宽带偶极子阵列和超表面结构，其中，基片集成双线内的金属内导体延伸与宽带偶极子阵列连接，为宽带偶极子阵列馈电，两者相结合实现了天线馈电结构一体化设计，同时加入了超表面结构提升天线性能。
本发明一方面使用了封闭性良好的基片集成双线进行馈电，易与其他电路集成，同时可以减小能量传播过程中的损耗；另一方面添加的超表面结构既可以起到良好的引向器作用，并且可以用来补偿高频处偶极子电流的不一致性，不仅可以提高天线在端射方向的增益，还能拓展天线的频带宽度。
所述宽带偶极子阵列若干平行的偶极子单元，所述偶极子单元的长度沿着的金属内导体延伸方向逐渐减小，形似“雪松”，如图3所示，
所述偶极子单元包括一对对称的偶极子臂，所述金属内导***于一对偶极子臂中间，
一对偶极子臂分别连接左侧金属内导体8和右侧金属内导体9。
基片集成双线的两根金属内导体向外延伸，延伸出的金属内导体上引入额外的枝节（即偶极子臂），两侧的枝节关于基片集成双线的中心线对称分布。奇模传输模式下金属内导体的电场相位反相，从而使得对称的金属枝节组成偶极子单元。
串联的多个偶极子单元可以增加天线的阻抗，从而增大带宽。
同时，短偶极子臂可作为长偶极子在低频辐射的引向器，长偶极子臂可作为短偶极子在高频辐射的反射器，从而提高天线的前后比，提高增益。
所述左侧金属内导体8与其对应连接的偶极子臂之间的夹角为40-50°。
如设置7个偶极子单元连接在延伸出的金属内导体上，并与金属内导体呈45°夹角，以减小天线尺寸和降低偶极子单元间的互耦。
若干偶极子单元中，相邻偶极子单元之间的距离沿着金属内导体延伸方向逐渐减小，以缩减天线的尺寸，同时避免相邻偶极子单元间距离过近产生互耦。
偶极子单元的臂长决定了天线的工作频率，偶极子单元1的臂长为220mm，内导体连接处与基片集成双线的间距为180mm；
偶极子单元2的臂长为200mm，其与金属内导体连接处同偶极子单元1与金属内导体连接处间距为90mm；
偶极子单元3的臂长为180mm，其与金属内导体连接处同偶极子单元2与金属内导体连接处间距为85mm；
偶极子单元4的臂长为160mm，其与金属内导体连接处同偶极子单元3与金属内导体连接处间距为80mm；
偶极子单元5的臂长为140mm，其与金属内导体连接处同偶极子单元4与金属内导体连接处间距为75mm；
偶极子单元6的臂长为120mm，其与金属内导体连接处同偶极子单元5与金属导体连接处间距为70mm；
偶极子单元7的臂长为100mm，其与金属内导体连接处同偶极子单元6与金属导体连接处间距为65mm。
所述金属贴片呈正方形，若干排金属贴片的尺寸沿着的金属内导体延伸方向逐渐减小。
如设置6排按尺寸由大到小等间距排列的正方形金属贴片，间距为40mm。方形金属贴片a边长为35mm，方形金属贴片b边长为33mm，方形金属贴片c边长为29mm，方形金属贴片d边长为25mm，方形金属贴片e边长为20mm，方形金属贴片f边长为15mm。
所述超表面结构的前端中间设有C形口，在垂直方向上，所述宽带偶极子阵列伸入C形口内，避免与天线重合，使天线H面方向图恶化。超表面结构位于天线辐射方向前端，可以整合天线辐射波束，达到提升天线增益的效果。
所述基片集成双线上设有两排金属化通孔15, 所述金属内导***于两排金属化通孔15的中间。
使用金属化通孔15形成封闭式结构，具有良好屏蔽型；本发明中金属材料均为金属铜。
所述金属化通孔15的直径为5 mm，每排中相邻金属化通孔15的孔距为8mm。合适的通孔尺寸和孔距可以降低加工难度同时达到防止电磁波泄露的目的。
所述的上层介质层12与下层介质层13均为厚度1 mm的Rogers RO4003C印刷电路基板，所述中间粘合层14为厚度0.1mm的Rogers RO4450B半固化片。
一种超表面端射宽带偶极子阵列天线的加工方法，包括以下步骤:
S1、结构基板制作，从上到下依次设置上层介质层12、中间粘合层14和下层介质层13；
S2、在结构基板上从前到后依次设置基片集成双线、宽带偶极子阵列和超表面结构；
其中，所述基片集成双线包括顶层金属外导体10、底层金属外导体11和金属内导体，
将所述顶层金属外导体10设在上层介质层12的上表面，所述底层金属外导体11设在下层介质层13的下表面，
所述金属内导***于中间粘合层14的中间、包括平行的左侧金属内导体8和右侧金属内导体9；
将所述宽带偶极子阵列设在中间粘合层14中，所述金属内导体向后延伸、用于对宽带偶极子阵列馈电；
将所述超表面结构设在上层介质层12的上表面，所述超表面结构包括若干排金属贴片。
在本实例中，使用仿真软件对天线进行参数仿真，由于天线是在自由空间内工作的，在天线模型创建完成后，将天线边界设置为理想边界条件，天线输入端口设置为波导端口，对100MHz-1000MHz频段的性能进行分析计算。
如图6所示，给出了天线在添加超表面前后的反射系数参数仿真图对比，可以看出在未添加超表面时，天线的-10dB阻抗带宽为300-580 MHz，而添加了超表面结构后，天线的-10dB阻抗带宽为300-620MHz，拓展了天线的带宽。
如图7所示，给出了天线的增益的仿真与测试图，可以看出本发明在未添加超表面时的增益在频带内为4.76 -7.38 dBi，天线增益在高于450MHz的频带内急剧下降，这是因为天线在高频出辐射方向图发生了畸变，旁瓣增大，不能获得良好的阻抗匹配。超表面结构可以补偿高频处偶极子电流的不一致性，提高了天线在端射方向的增益，使天线的带内增益保持在6 dBi以上。
如图8-11所示，未添加超表面的天线在频率升高后，辐射方向图发生了畸变，旁瓣增大，从而使增益降低。而超表面的引入可以减小方向图在高频出的畸变，保持了良好的端射特性。
根据以上说明，本发明具有宽频带、高增益与小型化等特点，天线适用频段为300-620MHz。
本发明通过将基片集成双线、偶极子阵列天线与超表面结合，可以实现天线馈电结构一体化设计，同时拥有宽带宽、高增益、低副瓣、高前后比等特性。
Claims (7)
1.一种超表面端射宽带偶极子阵列天线，包括结构基板，其特征在于，所述结构基板从前到后依次设有基片集成双线、宽带偶极子阵列和超表面结构，
所述结构基板包括从上到下依次设置的上层介质层（12）、中间粘合层（14）和下层介质层（13）；
所述基片集成双线包括顶层金属外导体（10）、底层金属外导体（11）和金属内导体，
所述顶层金属外导体（10）设在上层介质层（12）的上表面，所述底层金属外导体（11）设在下层介质层（13）的下表面，
所述金属内导***于中间粘合层（14）的中间、包括平行的左侧金属内导体（8）和右侧金属内导体（9）；
所述宽带偶极子阵列位于中间粘合层（14）中，所述金属内导体向后延伸、用于对宽带偶极子阵列馈电；
所述超表面结构设在上层介质层（12）的上表面，所述超表面结构包括若干排金属贴片；
所述宽带偶极子阵列若干平行的偶极子单元，所述偶极子单元的长度沿着的金属内导体延伸方向逐渐减小，
所述偶极子单元包括一对对称的偶极子臂，所述金属内导***于一对偶极子臂中间，
一对偶极子臂分别连接左侧金属内导体（8）和右侧金属内导体（9）；
若干偶极子单元中，相邻偶极子单元之间的距离沿着的金属内导体延伸方向逐渐减小；
所述超表面结构的前端中间设有C形口，在垂直方向上，所述宽带偶极子阵列伸入C形口内。
2.根据权利要求1所述的一种超表面端射宽带偶极子阵列天线，其特征在于，所述左侧金属内导体（8）与其对应连接的偶极子臂之间的夹角为40-50°。
3.根据权利要求1所述的一种超表面端射宽带偶极子阵列天线，其特征在于，所述金属贴片呈正方形，若干排金属贴片的尺寸沿着金属内导体延伸方向逐渐减小。
4.根据权利要求1所述的一种超表面端射宽带偶极子阵列天线，其特征在于，所述基片集成双线上设有两排金属化通孔(15), 所述金属内导***于两排金属化通孔(15)的中间。
5.根据权利要求4所述的一种超表面端射宽带偶极子阵列天线，其特征在于，
所述金属化通孔（15）的直径为5 mm，每排中相邻金属化通孔(15)的孔距为8mm。
6.根据权利要求1所述的一种超表面端射宽带偶极子阵列天线，其特征在于，所述的上层介质层（12）与下层介质层（13）均为厚度1 mm的印刷电路基板，所述中间粘合层（14）为厚度0.1 mm的半固化片。
7.一种超表面端射宽带偶极子阵列天线的加工方法，其特征在于，包括以下步骤:
S1、结构基板制作，从上到下依次设置上层介质层（12）、中间粘合层（14）和下层介质层（13）；
S2、在结构基板上从前到后依次设置基片集成双线、宽带偶极子阵列和超表面结构；
其中，所述基片集成双线包括顶层金属外导体（10）、底层金属外导体（11）和金属内导体，
将所述顶层金属外导体（10）设在上层介质层（12）的上表面，所述底层金属外导体（11）设在下层介质层（13）的下表面，
所述金属内导***于中间粘合层（14）的中间、包括平行的左侧金属内导体（8）和右侧金属内导体（9）；
将所述宽带偶极子阵列设在中间粘合层（14）中，所述金属内导体向后延伸、用于对宽带偶极子阵列馈电；
将所述超表面结构设在上层介质层（12）的上表面，所述超表面结构包括若干排金属贴片。
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