CN114614265A - 一种宽带圆极化超表面天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽带圆极化超表面天线，宽带圆极化超表面天线包括：双层介质板和三个金属层；三层金属层分别为顶层的超表面、中间层的开槽地板以及最底层的馈电结构；超表面由四个子单元按90°旋转排列构成，每个子单元为4x4的非均匀矩形贴片阵列；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。该天线较好地解决了低雷达散射截面(RCS)贴片天线工作带宽较窄的问题，具有低RCS、宽阻抗带宽、结构简单的特点。

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技术领域，尤其涉及一种宽带圆极化超表面天线。

背景技术

在无线通信系统中，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。圆极化贴片天线可以接收任意极化的来波，其辐射波也可以由任何极化天线接收，同时它还具有体积小、重量轻、低剖面等优点。因此，圆极化贴片天线在雷达、导航、卫星和遥感遥测等系统中具有重要应用价值。然而，圆极化贴片天线也存在带宽窄和增益低的缺点。为了解决此问题，人们提出采用阵列方式、超表面加载以及加寄生贴片等方式提高天线的工作带宽及增益。然而，在这些方法中又滋生了一些附加问题，如天线的RCS、体积及剖面高度增加等。

发明内容

本发明的目的在于提供一种宽带圆极化超表面天线，旨在解决现有技术中圆极化贴片天线存在带宽窄和增益低的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种宽带圆极化超表面天线，从上到下依次层叠有超表面、第一介质板、开槽地板、第二介质板、馈电结构；所述超表面包括四个子单元，两个相邻的所述子单元之间互相垂直，四个所述子单元所述开槽地板设有用于信号耦合的四个大小相同的矩形槽，且相邻所述矩形槽互相垂直。

其中，每个所述子单元包括四个第一贴片和十二个第二贴片，四个所述第一贴片组成2×2阵列，十二个所述贴片设置在四个所述第一贴片的四周，并与四个所述第一贴片组成4×4阵列。

其中，所述馈电结构为功分相移馈电结构。

其中，所述第一介质板和所述第二介质板均为F4B板，F4B板的介电常数3.5，正切损耗0.003

其中，所述第一介质板的边长和所述第二介质板的边长均为W，所述第一介质板高度为h₁，所述第二介质板高度为h₂，所述第一贴片的长边为l₂、短边为w₂，所述第二贴片的长边为l₁、短边为w₁；两个相邻的所述第一贴片的间距为g₁，两个长边相邻的所述第二贴片的长边间距为g₂、两个长边相邻的所述第二贴片和所述第一贴片的长边间距为g₃；两个短边相邻的所述第二贴片，如果其中一个所述第二贴片位于阵列的角上，则短边间距为g₄，否则短边间距为g₅；所述矩形槽长度为a，宽度为b；

其中，W＝72mm，W₁＝4.8mm，W₂＝6mm，l₁＝6.5mm，l₂＝6.83mm，g₁＝0.5mm，g₂＝1.2mm，g₃＝0.55mm，g₄＝1.1mm，g₅＝1.6mm，h₁＝2.2mm，h₂＝0.6mm，a＝15mm，b＝1.8mm。

本发明的有益效果：采用非均匀贴片构成的超表面，能有效将两个具有相似表面电流分布的特征模融合在一起，极大拓展了子单元的辐射带宽，从而进一步拓展了整个天线的工作带宽。同时，在每个子单元的下方设计矩形缝隙，采用功分器对天线四个子单元按照90°的相位差进行耦合馈电，最终实现宽带、高增益的圆极化辐射。另一方面，利用相位相消原理，对四个子单元的位置进行优化排布，实现了天线在带内的RCS缩减。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是具体实施方式中的宽带圆极化超表面天线中超表面层示意图。

图2是具体实施方式中的宽带圆极化超表面天线中开槽地板层示意图。

图3是具体实施方式中的宽带圆极化超表面天线中馈电结构层示意图。

图4是具体实施方式中的宽带圆极化超表面天线侧视示意图。

图5是具体实施方式中宽带圆极化超表面天线的仿真结果S11示意图。

图6是具体实施方式中宽带圆极化超表面天线的仿真结果轴比示意图。

图7是具体实施方式中宽带圆极化超表面天线的仿真方向图。

图8是具体实施方式中宽带圆极化超表面天线的MS值示意图。

图9是具体实施方式中宽带圆极化超表面天线的特征模电流分布示意图。

图10是具体实施方式中宽带圆极化超表面天线与PEC板的RCS曲线示意图。

图11是具体实施方式中宽带圆极化超表面天线的带内增益示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

请参阅图1至图11，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；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底层的馈电结构；超表面由四个子单元90°旋转排列构成，每个子单元为4x4非均匀矩形贴片超表面；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。

具体的，底层的馈电结构为功分馈电网络。

具体的，介质板为F4B板，F4B板的介电常数3.5，正切损耗0.003。

具体的，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，中心贴片的长边为l₂、短边为w₂，外围贴片的长边l₁、短边w₁；贴片间的间距分为g₁、g₂、g₃、g₄、g₅；矩形槽长度为a，矩形槽宽度为b；传输线宽度为w₃、w₄；扇形的半径为r；扇形的角度为θ；W＝72mm，W₁＝4.8mm，W₂＝6mm，l₁＝6.5mm，l₂＝6.83mm，g₁＝0.5mm，g₂＝1.2mm，g₃＝0.55mm，g₄＝1.1mm，g₅＝1.6mm，h₁＝2.2mm，h₂＝0.6mm，a＝15mm，b＝1.8mm，w₃＝1.36mm，w₄＝0.73mm，r＝2.21mm，θ＝120°。

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，图6为仿真得到的轴比。从图中可以看出，S参数和轴比都具有宽带宽特性，S参数低于-10dB和轴比低于3dB的带宽分别是6.1-10GHz和6.9-9.6GHz。图7为天线的辐射方向图。

对超表面进行特征模分析：

得到了前八个模式的MS值和模态电流。MS参数＝1意味着该模式在这个频率下能有效辐射电磁波。前八个模式的MS参数如图8所示。通过图8可知，模式一在8GHz附近的MS值等于1；模式八在9.25GHz附近的MS值等于1。这两个模式的表面电流分布如图9所示，图中黑色箭头表示模态电流的方向。该表面电流显示，这两个模式能辐射y极化方向的电磁波。因此，若能同时激励这两个模式，则可以在宽频带内产生y极化波辐射。如果将该子单元旋转90°，则可以实现宽频带的x极化波辐射。如果将四个子单元以90°旋转方式进行角向排布，并以90°的相位差激励相邻的子单元，则可产生宽频带的圆极化波辐射。

对RCS缩减特性进行分析：

为了能够实现天线的RCS缩减，对贴片的结构进行了调整，即通过调整长边的长度，选择合适的工作频率；通过调整短边的长度，改变反射波的相位，以实现RCS缩减。图10给出了RCS缩减效果的仿真结果。可以看出，该天线结构在工作频带内实现了至少4dB的RCS缩减。

通过优化，得到天线最优的结构参数为：W＝72mm，W₁＝4.8mm，W₂＝6mm，l₁＝6.5mm，l₂＝6.83mm，g₁＝0.5mm，g₂＝1.2mm，g₃＝0.55mm，g₄＝1.1mm，g₅＝1.6mm，h₁＝2.2mm，h₂＝0.6mm，a＝15mm，b＝1.8mm，w₃＝1.36mm，w₄＝0.73mm，r＝2.21mm，θ＝120°。图5为仿真得到的S11参数随频率的变化曲线。可以看出，在6.1-10GHz的频率范围内，S11小于-10dB。图6为仿真得到的轴比曲线，在6.9-9.6GHz的频率范围内，轴比小于3dB。图11为天线的增益曲线，天线的带内峰值增益达到13.2dBi。

本实施例提出了一种具有低RCS的宽带圆极化超表面天线，该天线由四个相同结构的子单元构成，且四个子单元按照90°旋转的方式沿角向排列。每个子单元为4×4的非均匀矩形贴片。采用非均匀贴片，能有效将两个具有相似表面电流分布的特征模融合在一起，极大拓展了子单元的辐射带宽，从而进一步拓展了整个天线的工作带宽。同时，在每个子单元的下方设计矩形缝隙，采用功分器对天线四个子单元按照90°的相位差进行耦合馈电，最终实现宽带、高增益的圆极化辐射。另一方面，利用相位相消原理，对四个子单元的位置进行优化排布，实现了天线在带内的RCS缩减。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48.44％和32.73％，在工作频带内实现至少4dB的RCS缩减。由于本发明提出的非均匀超表面既是形成宽带、高增益天线的辐射体，又是实现低RCS的散射体，因此该天线又具有结构尺寸小、剖面高度低的优点。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (5)

1.一种宽带圆极化超表面天线，其特征在于，

从上到下依次层叠有超表面、第一介质板、开槽地板、第二介质板、馈电结构；所述超表面包括四个子单元，两个相邻的所述子单元之间互相垂直，所述开槽地板设有用于信号耦合的四个大小相同的矩形槽，且相邻所述矩形槽互相垂直。

2.如权利要求1所述的宽带圆极化超表面天线，其特征在于，

每个所述子单元包括四个第一贴片和十二个第二贴片，四个所述第一贴片组成2×2阵列，十二个所述贴片设置在四个所述第一贴片的四周，并与四个所述第一贴片组成4×4阵列。

3.如权利要求2所述的宽带圆极化超表面天线，其特征在于，

所述馈电结构为功分相移馈电结构。

4.如权利要求3所述的宽带圆极化超表面天线，其特征在于，

所述第一介质板和所述第二介质板均为F4B板，F4B板的介电常数3.5，正切损耗0.003。

5.如权利要求4所述的宽带圆极化超表面天线，其特征在于，

所述第一介质板的边长和所述第二介质板的边长均为W，所述第一介质板高度为h₁，所述第二介质板高度为h₂，所述第一贴片的长边为l₂、短边为w₂，所述第二贴片的长边为l₁、短边为w₁；两个相邻的所述第一贴片的间距为g₁，两个长边相邻的所述第二贴片的长边间距为g₂、两个长边相邻的所述第二贴片和所述第一贴片的长边间距为g₃；两个短边相邻的所述第二贴片，如果其中一个所述第二贴片位于阵列的角上，则短边间距为g₄，否则短边间距为g₅；所述矩形槽长度为a，宽度为b；

其中，W＝72mm，W₁＝4.8mm，W₂＝6mm，l₁＝6.5mm，l₂＝6.83mm，g₁＝0.5mm，g₂＝1.2mm，g₃＝0.55mm，g₄＝1.1mm，g₅＝1.6mm，h₁＝2.2mm，h₂＝0.6mm，a＝15mm，b＝1.8mm。

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