一种基于超表面的小型化赋形天线

技术领域

本发明涉及无线通信系统的技术领域，尤其是涉及一种基于超表面的小型化赋形天线。

背景技术

在天线领域中，赋形天线是指通过对天线的布局、馈电方式、天线结构等进行调整，使其能够产生特定的辐射方向图，提高目标区域内的电磁波强度，减小其他区域的干扰，从而实现高质量的通信传输。

在移动通信技术中，为了保证通信质量，通常会将一个大的目标区域划分为多个小的区域，在每个小区域内分别一台收发天线完成信号覆盖；但是大部分传统天线的波束覆盖都是圆形的，圆形分区会带来诸如覆盖范围不全面、相邻分区信号重叠带来干扰等问题；而矩形波束的赋形天线能够在辐射边缘能量快速滚降，拥有清晰的边界范围，能够有效地减少相邻小区间的同频干扰和信号重叠覆盖的问题。因此，矩形波束的赋形天线能够很好地满足分区覆盖的要求，是当前天线研究的热点和重点。

其次，在现有的研究中，为了实现矩形波束，大部分方案都是采用大规模阵列幅度加权的方式来实现的，这种方案存在诸多问题：1）需要的阵子数量较多，最小是3×3的阵列，多的甚至可达几十个阵子，这大大提高了天线阵列的设计难度和生产成本，天线阵列体积和重量也有极大的劣势；2）天线阵列中每个阵子的能量馈入幅度和相位分布都是不一样的，而且天线阵子数量较大，阵子间能量相位的差异也极大，因此在设计馈电网络或者通过其他手段对阵子馈电时，大大增加了设计的难度和成本；3）现有的矩形赋形天线半功率波束角外波瓣跌落不够快，副瓣水平较大，不能有效的消除相邻复用小区的覆盖重叠或盲区。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于超表面的小型化赋形天线。

为实现上述目的，本发明提供的方案为一种基于超表面的小型化赋形天线，包括介质基板、超表面层、金属围栏、以及设于介质基板上的多个阵子单元，其中，所述超表面层设于阵子单元的上方位置且超表面层的中部成型有开口；所述金属围栏环设于阵子单元的四周位置；所述介质基板的底面上设有馈电网络，所述馈电网络的输出端贯穿介质基板与各阵子单元连接。

进一步，包括四个呈矩阵排列的阵子单元。

进一步，所述超表面层为金属网格结构。

进一步，所述超表面层的开口呈方形形状。

进一步，所述介质基板还设有多块寄生贴片，各所述寄生贴片与各个所述阵子单元一一对应且呈临近布置，其中，所述寄生贴片在高度方向上呈倾斜布置且在平面方向上呈倾斜布置。

进一步，所述金属围栏由四块金属侧板及四个角连接件拼装而成，其中，任一所述角连接件与相邻的两块金属侧板相连接。

进一步，所述超表面层通过尼龙螺丝分别固定连接在四个角连接件的顶面上。

进一步，所述馈电网络包括第一微带线和第二微带线，其中，所述第一微带线和第二微带线均以一分四形成四个输出端，所述第一微带线的四个输出端分别与四个阵子单元的一端连接；所述第二微带线的四个输出端分别与四个阵子单元的另一端连接。

本发明的有益效果为：1）通过采用超表面层对电磁波辐射方向和范围、以及通过寄生贴片进行二次辐射的方式，从而对阵子的数量要求和馈电要求极其简单，有效地解决了传统方式阵列规模大、馈电复杂的问题，具备有成本低、结构简单等特点。2）通过采用金属围栏以及寄生贴片的方式，能够有效地调节辐射波束的旁瓣水平，最高可达16.8dB，通过金属围栏以及超表面层的开口，能够有效调节各个阵子单元的增益水平和边缘增益滚降速度，令天线的增益可达7.5dBi左右，矩形系数为1.53，具有较好的传播距离和清晰的分区边界。

附图说明

图1为赋形天线的结构示意图。

图2为超表面层的结构示意图。

图3为无超表面层的赋形天线结构示意图。

图4为无超表面层的赋形天线的俯视图。

图5为馈电网络的示意图。

图6为超表面层透射率和反射率的仿真图。

图7为超表面层对天线阵列场强分布的影响图。

图8为天线的3D辐射方向图。

图9为天线参数图。

其中，1-介质基板，2-超表面层，21-开口，3-金属围栏，31-角连接件，32-金属侧板，4-阵子单元，41-寄生贴片，51-第一微带线，52-第二微带线。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面参照附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解得更加透彻全面。需要说明的是，本发明所述“第一”、“第二”不代表具体的数量及顺序，仅仅用于名称的区分。

参见附图1-5所示，在本实施例中，一种基于超表面的小型化赋形天线，包括介质基板1、超表面层2、金属围栏3和四个阵子单元4，其中，四个阵子单元4呈矩阵排列于介质基板1的中间位置，任意相邻的两个阵子单元4之间的间距相等。

在本实施例中，介质基板1的底面设有馈电网络，其中，馈电网络是通过印刷的方式设于介质基板1的底面上，具体地，本实施例的馈电网络包括第一微带线51和第二微带线52，第一微带线51和第二微带线52均具有一个输入端口，且第一微带线51和第二微带线52均以一分四形成四个输出端，第一微带线51的四个输出端分别贯穿介质基板1上预设有的穿孔后与四个阵子单元4的一端连接；第二微带线52的四个输出端分别贯穿介质基板1上预设有的穿孔后与四个阵子单元4的另一端连接。采用上述的双极化1分4微带线功分网络的馈电网络，解决传统方式馈电复杂的问题。具有极大地的成本和设计优势，成本更低，更易设计。

在本实施例中，金属围栏3环设于阵子单元4的四周位置，其中，本实施例的金属围栏3由四块金属侧板32及四个角连接件31拼装而成，其中，四个角连接件31位于四个边角位置且任一角连接件31与相邻的两块金属侧板32相连接，任意相邻的两块金属侧板32之间呈垂直布置。

在本实施例中，超表面层2设于阵子单元4的上方位置，具体地，超表面层2为金属网格结构。超表面层2的四个边角通过尼龙螺丝分别固定连接在四个角连接件31的顶面上，由此借助角连接件31对超表面层2的固定及支撑。其次，超表面的中部成型有开口21，其中，该开口21呈方形形状。通过带有开口21的超表面层2能够有效对天线的辐射波束进行赋形，使圆锥辐射波束转化为方形的平顶辐射波束，同时设置有开口21的方式，还能够有效增加电磁波ton过滤，进而有效地提高阵子单元4的辐射增益，令最终阵子单元4的增益可达7.5dBi以上。

在本实施例中，所述介质基板1还设有多块寄生贴片41，各所述寄生贴片41与各个所述阵子单元4一一对应且呈临近布置，其中，寄生贴片41在高度方向上呈倾斜布置且在平面方向上呈倾斜布置，具体地，每块寄生贴片41在高度方向的倾斜角度为45°，在平面方向上的倾斜角度为45°。

通过在每个振子单元附近设置一块寄生贴片41，同时在外围加载一圈金属围栏3，能够有效地降低振子单元的旁瓣水平，同时能够使辐射波束在辐射边缘的滚降速度增大，降低天线阵的副瓣水平有利于形成清晰的分区边界。

上述采用4个振子单元组成的四单元阵列形式，振子数量大大减少，属工作在3.3-3.6 GHz的交叉偶极子天线，通过介质基板1的馈电网络而组成2×2的天线阵列，其体积重量以及设计难度大大减小。

为了便于对上述的天线的理解，以下结合附图6-9对天线的参数性能作进一步解释说明。

参见图6所示的超表面层2透射率和反射率的仿真图中，可得出：超表面层2的透射率几乎为0，能量都会被反射回来，因此，超表面层2的开口21能够将波束变为一个矩形，同时也能提高天线的辐射增益。

参见图7所示的仿真的超表面层2对天线阵列场强分布的影响图中，以无超表面层2的天线为参照例，可得出：在加载了超表面层2后，天线主要辐射集中在中间的方形区域，同时主辐射区域和其他区域的能量对比度也更高了，即在主辐射区域边缘能量下降得很快，分区边界清晰。

参见图8所示的天线的3D辐射方向图，可得出：平顶状辐射、矩形波束以及边缘快速滚降。

参见图9所示的天线阵列S参数、天线阵列增益、端口1辐射波束以及端口2辐射波束的性能参数图，可得出：天线的性能能够满足要求，具备有高性能等特点。

以上所述之实施例仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出更多可能的变动和润饰，或修改均为本发明的等效实施例。故凡未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明之思路所做的等同等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围内。