一种基于平板电容加载的超表面天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，具体涉及宽带紧凑型天线。

背景技术

随着现代无线通信系统的发展，对宽带天线的需求日益增加。微带贴片天线由于其剖面低、重量轻、成本低，易于与印刷电路兼容等优点而受到广泛关注。但是，传统的微带贴片天线阻抗带宽较窄、增益较低，虽然目前有许多技术可以克服这一缺点，比如利用电容探针馈电、L探针馈电、孔径耦合、U/E 开槽贴片和堆叠贴片等，但通常需要介电常数较低的厚介质基板，难以实现低剖面。

近年来倍受关注的超表面天线，采用周期性的贴片单元，可以在实现低剖面的同时获得较宽的带宽和较好的辐射性能。W.Liu等人提出了口径耦合的超表面天线，在剖面仅为0.06λ

目前来说，实现超表面天线的小型化方法一般有以下几种：采用双层/多层结构、加载谐振结构、增加电流路径、减小单元间的缝隙、使用高介电常数的介质板等，但这些方法通常存在剖面高、带宽窄、尺寸减小有限等问题。因此，如何在设计出结构紧凑的超表面天线的同时保持高性能是亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于平板电容加载的超表面天线，在保证宽带需求的同时，减小超表面结构物理尺寸，具有结构紧凑和平稳高增益的特点。

为达到上述目的，第一方面本发明所采用的技术方案是：

一种基于平板电容加载的超表面天线，包括自上而下依次堆叠设置的第一层介质基板、第二层介质基板和第三层介质基板；所述第三层介质基板底部设置有馈电网络；所述第二层介质基板和第三层介质基板之间设置有金属地板；所述金属地板上开设有耦合缝隙；所述第一层介质基板上设置有由多个超表面单元组成的超表面结构；

所述超表面单元包括超表面贴片；所述超表面贴片设置于所述第一层介质基板上表面；所述超表面贴片两侧设置有相互对应的金属壁，所述金属壁沿着天线极化方向；所述金属壁嵌入于所述第一层介质基板内，且所述金属壁与超表面贴片接触；能量由馈电网络输入，经金属地板的耦合缝隙耦合到超表面结构，所述超表面结构将能量定向的向上辐射。

优选的，所述第一层介质基板上的多个超表面单元呈矩形阵列分布。

优选的，所述超表面结构单元之间的间隙宽度G

优选的，多个金属柱沿着天线极化方向并排设置形成所述金属壁；所述多个金属柱嵌入第一层介质基板内，并与所述超表面贴片接触；所述金属壁长度 W

优选的，所述第一层介质基板的介电常数范围为[2.2,10.2]，厚度h

优选的，所述耦合缝隙设置为梯形、矩形或者两侧呈锯齿状的矩形。

优选的，金属地板为正方形，且边长GL范围为[0.3λ

优选的，馈电网络设为微带金属片，微带金属片长度范围为[0.1λ

优选的，所述微带金属片设置为Y型、矩形或者两侧呈锯齿状的矩形。

优选的，所述馈电网络与所述耦合缝隙垂直设置，所述耦合缝隙以所述馈电网络中线为轴线对称设置。

优选的，所述超表面贴片两侧设置有一个或多个金属壁；当所述超表面贴片两侧设置有多个金属壁时，所述超表面贴片一侧的多个金属壁并列设置。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

本发明中所述第一层介质基板上设置有由多个超表面单元组成的超表面结构；所述超表面单元包括超表面贴片；所述超表面贴片设置于所述第一层介质基板上表面；所述超表面贴片两侧设置有相互对应的金属壁，所述金属壁沿着天线极化方向；所述金属壁嵌入于所述第一层介质基板内，且所述金属壁与超表面贴片接触；本发明中在减小超表面结构物理尺寸的同时，实现平板电容加载，在保证宽带的同时，使超表面天线结构更加紧凑；选取合适的馈电形式，可以在较低剖面下扩大超表面天线的宽带，保证超表面天线的平稳高增益特性。

本发明中所述超表面贴片两侧设置有一个或多个金属壁；当所述超表面贴片两侧设置有多个金属壁时，所述超表面贴片一侧的多个金属壁并列设置；通过并列设置多个金属壁使超表面天线进一步的小型化，提高了超表面天线的设计自由度。

附图说明

图1是本发明提供的一种基于平板电容加载的超表面天线的结构图；

图2是本发明实施例提供的第一层介质基板的俯视图；

图3是本发明实施例提供的馈电网络与耦合缝的结构图；

图4是本发明实施例提供的一种基于平板电容加载的超表面天线的剖视图；

图5是本发明提供的传统方形超表面天线的结构图；

图6是本发明提供的传统方形超表面天线的截面图；

图7是本发明提供的单折叠超表面结构单元的结构图；

图8是本发明提供的单折叠超表面结构单元的截面图；

图9是本发明提供的多折叠超表面结构单元的结构图；

图10是本发明提供的多折叠超表面结构单元的截面图；

图11是本发明提供的多种超表面结构单元的对比图；

图12是本发明中图11的三种超表面单元结构的反射特性对比示意图；

图13是本发明中图11的三种超表面单元结构的S

图14是本发明中图11的三种超表面单元结构的增益曲线对比示意图；

图15是本发明中单折叠超表面结构单元的超表面天线在6.2GHz处的辐射方向图；

图16是本发明中单折叠超表面结构单元的超表面天线在7.6GHz处的辐射方向图；

图17是本发明中单折叠超表面结构单元的超表面天线在8.8GHz处的辐射方向图；

图中：1超表面结构单元、2超表面贴片、3金属地板、4耦合缝隙、5馈电网络、6第二层介质基板、7第三层介质基板、8第一层介质基板、9金属壁、 10金属柱、11间隙、12扇形连接部、13超表面结构、14单折叠超表面结构单元、15多折叠超表面结构单元。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图中所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明描述中使用的术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”指的是附图中的方向，术语“内”、“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

实施例一

如图1至图4所示，一种基于平板电容加载的超表面天线，包括自上而下依次堆叠设置的第一层介质基板8、第二层介质基板6和第三层介质基板7；所述第一层介质基板8的介电常数范围为[2.2,10.2]，厚度h

所述第三层介质基板7底部设置有馈电网络5；馈电网络5设为微带金属片，所述微带金属片一侧与扇形连接部12连接；微带金属片长度范围为[0.1λ

所述第二层介质基板6和第三层介质基板7之间设置有金属地板3；金属地板3可以为不限于正方形。当金属地板3为正方形时，金属地板3边长GL范围为[0.3λ

所述第一层介质基板8上设有多个超表面结构单元1，所述超表面结构单元 1矩形阵列分布形成超表面结构13；所述超表面结构单元1之间的间隙11宽度 G

所述超表面单元1的种类包括单折叠超表面结构单元14和多折叠超表面结构单元15；

如图7和图8所示，所述单折叠超表面结构单元14包括超表面贴片2；所述超表面贴片2可以但不限于为正方形，所述超表面贴片2的对角可以选择设置为倒角或圆角；所述超表面贴片2设置于所述第一层介质基板6上表面；所述超表面贴片2两侧设置有相互对应的单个金属壁9形成平板电容，所述金属壁9沿着天线极化方向；多个金属柱10沿着天线极化方向并排设置形成所述金属壁9；所述多个金属柱9嵌入第一层介质基板6内，并与所述超表面贴片2接触；所述金属壁9长度范围为[0.05λ

如图9和图10所示，多折叠超表面结构单元15与所述单折叠超表面结构单元14相比，所述多折叠超表面结构单元15中的超表面贴片2两侧设置有多个金属壁9，所述超表面贴片2一侧的多个金属壁9并列设置。

能量由馈电网络输入，经金属地板的耦合缝隙耦合到超表面结构单元，所述超表面结构单元将能量定向的向上辐射。

超表面天线为单端口输入时可以实现单极化超表面天线的小型化，超表面天线为双端口输入时可以实现双极化超表面天线的小型化；在不同形状的周期性超表面贴片2边缘设置金属壁，可以实现不同极化模式下的超表面天线小型化；正方形超表面单元情况下可以实现线极化超表面天线的小型化；对角设置为倒角或圆角的超表面贴片2可以实现圆极化超表面天线的小型化。

以实施例中的基于单折叠超表面结构单元14的超表面天线为例，如图7和图8所示，具体实施方案及尺寸如下：

第一层介质基板8的介电常数为3.55，厚度h

第一层介质基板6上设置有单层4×4的方形超表面单元1；超表面单元1 的设有若干个金属柱10形成的金属壁9，实现超表面结构物理尺寸的单次折叠，并形成平板电容；其中，金属壁9沿着超表面贴片2两侧的边缘对称放置，最终实现具有宽带小型化特性的平板电容加载的超表面结构13。

超表面天线的极化选取为单端口的沿着x方向的线极化时，因此，金属柱 10沿x方向分布形成超表面单元1，超表面单元1中金属壁9长度W

如图5至图10所示，通过传统的方形超表面单元与本发明通过不同折叠方式得到的两种平板电容加载超表面单元的结构对比，可以发现，传统的方形超表面单元通常为单层结构，尺寸较大，设计自由度比较小；而本发明中的超表面结构通过折叠的方式引入平板电容加载，尺寸很小，设计自由度比较大。

结合图11、图12和表1，通过方形超表面单元结构、单折叠超表面结构单元14和多折叠超表面结构单元15的反射特性对比及尺寸对比，可以发现，在保证中心频率及带宽基本不变的情况下，相比于传统的方形超表面单元(整体尺寸为0.154λ

表1多种超表面单元结构参数表

如图11、图13和图14所示，方形超表面单元结构、单折叠超表面结构单元14和多折叠超表面结构单元15的结构对比，可以发现，在同一工作频段下，相比于方形超表面天线(超表面结构尺寸为0.67λ

其中，单折叠超表面结构单元14的超表面天线的带宽为45.9％，多折叠超表面结构单元15的超表面天线的带宽为46.9％。这些结果表明，与常见的方形超表面天线相比，本发明的平板电容加载的超表面天线在保证带宽的同时，有效地实现了超表面天线的小型化；同时，由于超表面单元1的引入，容性加载的方式具有多样性，使得整体天线的设计自由度提高。

如图15至图17所示，由基于图11(b)的单折叠超表面结构单元14的带内各频点处的辐射方向图可以发现，其交叉极化抑制效果较好，可达到30dB左右。

结合表2，与常见的方形超表面天线相比，本发明的超表面单元1在保证带宽的同时，能够有效地减小尺寸；超表面单元尺寸最小可缩小至0.356λ

表2多种超表面单元性能参数表

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。