本發(fā)明屬于天線設(shè)計(jì)領(lǐng)域，涉及雙極化天線，具體提供一種低剖面的寬帶低損耗雙極化超表面天線。

背景技術(shù)：

1、隨著無(wú)線通信技術(shù)的快速發(fā)展，為了滿足收發(fā)一體化的需求，天線不僅需要具有小型化、重量輕、寬頻段、高增益等優(yōu)異特性，還需要具有雙極化特性；一方面，雙極化天線能夠同時(shí)發(fā)射或接收兩個(gè)正交極化的電磁波，提高頻譜利用率；另一方面，雙極化天線也能夠有效對(duì)抗信道多徑衰落，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

2、目前，常用的雙極化天線主要有交叉偶極子天線、混合結(jié)構(gòu)天線以及微帶貼片天線；其中，交叉偶極子天線通過(guò)對(duì)兩個(gè)獨(dú)立端口分別饋電的方式實(shí)現(xiàn)雙極化特性，但饋電部分體積大，導(dǎo)致整個(gè)天線的剖面高，不易設(shè)計(jì)；混合結(jié)構(gòu)天線采用不同的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同的極化，但其結(jié)構(gòu)不對(duì)稱性導(dǎo)致難以實(shí)現(xiàn)低交叉極化；微帶貼片天線通過(guò)對(duì)同一層介質(zhì)上或不同介質(zhì)層上的不同貼片進(jìn)行分別饋電的方式實(shí)現(xiàn)雙極化特性，具有低剖面、體積小及饋電結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但其帶寬一般比較窄，即使通過(guò)增加介質(zhì)基板厚度或者添加寄生單元等方式拓寬帶寬，仍然難以滿足現(xiàn)代通信系統(tǒng)對(duì)天線的寬頻帶需求；隨著超表面天線的提出，為雙極化天線設(shè)計(jì)提供了新思路；因此，本發(fā)明提出一種低剖面的寬帶低損耗雙極化超表面天線。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提出一種低剖面的寬帶低損耗雙極化超表面天線，用以解決現(xiàn)有雙極化天線存在的工作頻帶窄、剖面高、交叉極化高等問(wèn)題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

3、一種低剖面的寬帶低損耗雙極化超表面天線，從上往下依次包括：超表面結(jié)構(gòu)1、上層介質(zhì)基板2、金屬地板層3、下層介質(zhì)基板4、微帶饋線網(wǎng)絡(luò)5；其中，所述超表面結(jié)構(gòu)由4塊矩形a貼片1-1、4塊矩形b貼片1-2、4塊矩形c貼片1-3、4塊矩形d貼片1-4、4塊矩形e貼片1-5與4塊矩形f貼片1-6構(gòu)成，矩形a貼片呈2×2陣列排布于中心位置，矩形b貼片沿y軸方向設(shè)置于矩形a貼片的外側(cè)，矩形c貼片沿x軸方向設(shè)置于矩形a貼片的外側(cè)，矩形d貼片沿x軸方向設(shè)置于矩形b貼片的外側(cè)，矩形e貼片沿y軸方向設(shè)置于矩形b貼片的外側(cè)，矩形f貼片沿x軸方向設(shè)置于矩形c貼片的外側(cè)；

4、矩形a貼片沿x軸方向開(kāi)設(shè)1條縫隙，且矩形a貼片中縫隙與矩形a貼片靠近x軸的邊緣的距離為m1，m1<0.5ya，ya為矩形a貼片沿y軸方向的尺寸；矩形b貼片沿y軸方向開(kāi)設(shè)1條縫隙，且矩形b貼片中縫隙與矩形b貼片靠近y軸的邊緣的距離為m2，m2<0.5xb，xb為矩形b貼片沿x軸方向的尺寸；矩形c貼片沿x軸方向開(kāi)設(shè)2條縫隙，將矩形c貼片等分為3個(gè)子貼片；矩形d貼片沿x軸方向與y軸方向分別開(kāi)設(shè)1條縫隙，將矩形d貼片等分為4個(gè)子貼片；矩形e貼片沿y軸方向開(kāi)設(shè)1條縫隙，且矩形e貼片中縫隙與矩形e貼片靠近y軸的邊緣的距離為m2，m2<0.5xe，xe為矩形e貼片沿x軸方向的尺寸；矩形f貼片沿x軸方向開(kāi)設(shè)2條縫隙，同時(shí)沿y軸方向開(kāi)設(shè)1條縫隙，將矩形f貼片等分為6個(gè)子貼片。

5、進(jìn)一步的，超表面結(jié)構(gòu)中，矩形a貼片的尺寸為xa×ya，相鄰矩形a貼片之間的間距為g1；矩形b貼片的尺寸為xb×yb，相鄰矩形b貼片與矩形a貼片之間的間距為g0，相鄰矩形b貼片之間的間距為g2；矩形c貼片的尺寸為xc×yc，相鄰矩形c貼片與矩形a貼片之間的間距為g0，相鄰矩形c貼片之間的間距為g1；矩形d貼片的尺寸為xd×yd，相鄰矩形d貼片與矩形b貼片之間的間距為g0，相鄰矩形d貼片與矩形c貼片之間的間距為g0；矩形e貼片的尺寸為xe×ye，相鄰矩形e貼片與矩形b貼片之間的間距為g0，相鄰矩形e貼片之間的間距為g2；矩形f貼片的尺寸為xf×yf，相鄰矩形f貼片與矩形e貼片之間的間距為g0，相鄰矩形f貼片之間的間距為g0；并且，xd>xb>xa>xc，yd>yb>ya，xe≥xb>ye，yf≥ya>xf，yc=?ya，g0>g2>g1。

6、進(jìn)一步的，超表面結(jié)構(gòu)中，所有縫隙的寬度均為s。

7、進(jìn)一步的，上層介質(zhì)基板的厚度為t1，下層介質(zhì)基板4的厚度為t2，且t2<t1。

8、進(jìn)一步的，金屬地板層上開(kāi)設(shè)3條矩形耦合縫隙，其中，第一條矩形耦合縫隙平行于y軸，且第一條矩形耦合縫隙位于矩形a貼片正下方；第二條矩形耦合縫隙與第三條矩形耦合縫隙平行于x軸，且第二條矩形耦合縫隙、第三條矩形耦合縫隙分別位于矩形a貼片外側(cè)的矩形b貼片下方。

9、進(jìn)一步的，微帶饋電網(wǎng)絡(luò)包括：3組y型微帶傳輸線，其中，第一組y型微帶傳輸線通過(guò)第一條矩形耦合縫隙向超表面結(jié)構(gòu)饋電，激勵(lì)垂直極化電流；第二組y型微帶傳輸線、第三組y型微帶傳輸線分別通過(guò)第二條矩形耦合縫隙、第三條矩形耦合縫隙向超表面結(jié)構(gòu)饋電，激勵(lì)平行極化電流；并且，第二組y型微帶傳輸線與第三組y型微帶傳輸線對(duì)稱分布，且具有180°的饋電相位差。

10、基于上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果在于：

11、本發(fā)明提供一種低剖面的寬帶低損耗雙極化超表面天線，首先，在傳統(tǒng)4×4超表面天線的基礎(chǔ)上，于超表面結(jié)構(gòu)周圍引入兩組寄生貼片，為垂直極化方向和水平極化方向的兩組簡(jiǎn)并模各增加了一個(gè)模式，增大了阻抗匹配帶寬；并且，通過(guò)各個(gè)貼片的開(kāi)縫設(shè)計(jì)，利用縫隙切斷與其正交的電流，使垂直方向和水平方向上的極化電流分離，顯著抑制了交叉極化；同時(shí)，對(duì)于垂直極化，最強(qiáng)電流場(chǎng)分布在位于中心耦合縫隙上方的矩形a貼片上，而對(duì)于水平極化，最強(qiáng)電流場(chǎng)分布在位于兩側(cè)的耦合縫隙上方的矩形b貼片上，本發(fā)明將相應(yīng)縫隙向模式最強(qiáng)場(chǎng)處移動(dòng)，從而增加了諧振頻點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)寬帶輻射特性；另外，本發(fā)明對(duì)產(chǎn)生最強(qiáng)水平極化電流的貼片尺寸以及貼片間距進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化了部分頻點(diǎn)的匹配效果，并通過(guò)增大四角位置的貼片尺寸，有效削弱了高頻處的增益凹陷；

12、綜上所述，本發(fā)明提供了一種具有寬帶寬的低損耗雙極化超表面天線，天線垂直和水平雙極化的相對(duì)帶寬可達(dá)61.5％，工作頻帶內(nèi)的隔離度大于37db，剖面高度僅為0.095λ0（λ0為自由空間中相對(duì)于中心頻率的波長(zhǎng)），具有穩(wěn)定的側(cè)向輻射特性；并且，天線還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于制造、組裝難度低等優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)特征：

1.一種低剖面的寬帶低損耗雙極化超表面天線，從上往下依次包括：超表面結(jié)構(gòu)（1）、上層介質(zhì)基板（2）、金屬地板層（3）、下層介質(zhì)基板（4）、微帶饋線網(wǎng)絡(luò)（5）；其特征在于，所述超表面結(jié)構(gòu)由4塊矩形a貼片（1-1）、4塊矩形b貼片（1-2）、4塊矩形c貼片（1-3）、4塊矩形d貼片（1-4）、4塊矩形e貼片（1-5）與4塊矩形f貼片（1-6）構(gòu)成，矩形a貼片呈2×2陣列排布于中心位置，矩形b貼片沿y軸方向設(shè)置于矩形a貼片的外側(cè)，矩形c貼片沿x軸方向設(shè)置于矩形a貼片的外側(cè)，矩形d貼片沿x軸方向設(shè)置于矩形b貼片的外側(cè)，矩形e貼片沿y軸方向設(shè)置于矩形b貼片的外側(cè)，矩形f貼片沿x軸方向設(shè)置于矩形c貼片的外側(cè)；

2.?根據(jù)權(quán)利要求1所述低剖面的寬帶低損耗雙極化超表面天線，其特征在于，超表面結(jié)構(gòu)中，矩形a貼片的尺寸為xa×ya，相鄰矩形a貼片之間的間距為g1；矩形b貼片的尺寸為xb×yb，相鄰矩形b貼片與矩形a貼片之間的間距為g0，相鄰矩形b貼片之間的間距為g2；矩形c貼片的尺寸為xc×yc，相鄰矩形c貼片與矩形a貼片之間的間距為g0，相鄰矩形c貼片之間的間距為g1；矩形d貼片的尺寸為xd×yd，相鄰矩形d貼片與矩形b貼片之間的間距為g0，相鄰矩形d貼片與矩形c貼片之間的間距為g0；矩形e貼片的尺寸為xe×ye，相鄰矩形e貼片與矩形b貼片之間的間距為g0，相鄰矩形e貼片之間的間距為g2；矩形f貼片的尺寸為xf×yf，相鄰矩形f貼片與矩形e貼片之間的間距為g0，相鄰矩形f貼片之間的間距為g0；并且，xd>xb>xa>xc，yd>yb>ya，xe≥xb>ye，yf≥ya>xf，yc?=?ya，g0>g2>g1。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述低剖面的寬帶低損耗雙極化超表面天線，其特征在于，超表面結(jié)構(gòu)中，所有縫隙的寬度均為s。

4.?根據(jù)權(quán)利要求1所述低剖面的寬帶低損耗雙極化超表面天線，其特征在于，上層介質(zhì)基板的厚度為t1，下層介質(zhì)基板4的厚度為t2，且t2<?t1。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述低剖面的寬帶低損耗雙極化超表面天線，其特征在于，金屬地板層上開(kāi)設(shè)3條矩形耦合縫隙，其中，第一條矩形耦合縫隙平行于y軸，且第一條矩形耦合縫隙位于矩形a貼片正下方；第二條矩形耦合縫隙與第三條矩形耦合縫隙平行于x軸，且第二條矩形耦合縫隙、第三條矩形耦合縫隙分別位于矩形a貼片外側(cè)的矩形b貼片正下方。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述低剖面的寬帶低損耗雙極化超表面天線，其特征在于，微帶饋電網(wǎng)絡(luò)包括：3組y型微帶傳輸線，其中，第一組y型微帶傳輸線通過(guò)第一條矩形耦合縫隙向超表面結(jié)構(gòu)饋電，激勵(lì)垂直極化電流；第二組y型微帶傳輸線、第三組y型微帶傳輸線分別通過(guò)第二條矩形耦合縫隙、第三條矩形耦合縫隙向超表面結(jié)構(gòu)饋電，激勵(lì)平行極化電流；并且，第二組y型微帶傳輸線與第三組y型微帶傳輸線對(duì)稱分布，且具有180°的饋電相位差。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于天線設(shè)計(jì)領(lǐng)域，具體提供一種低剖面的寬帶低損耗雙極化超表面天線，用以解決現(xiàn)有雙極化天線存在的工作頻帶窄、剖面高、交叉極化高等問(wèn)題。本發(fā)明在超表面結(jié)構(gòu)中引入寄生貼片，增大了阻抗匹配帶寬；并且，通過(guò)貼片的開(kāi)縫設(shè)計(jì)，使極化電流分離，有效抑制交叉極化，同時(shí)增加諧振頻點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)寬帶輻射特性；另外，通過(guò)貼片尺寸以及貼片間距的優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化部分頻點(diǎn)的匹配效果，削弱了兩個(gè)極化方向在高頻處的增益凹陷；最終，本發(fā)明中雙極化超表面天線的相對(duì)帶寬可達(dá)61.5％，工作頻帶內(nèi)的隔離度大于37dB，剖面高度僅為0.095λ<subgt;0</subgt;，具有穩(wěn)定的側(cè)向輻射特性；并且，天線還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于制造、組裝難度低等優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)研發(fā)人員：劉思豪,楊心妍,姜統(tǒng)軒,趙志欽,劉賢峰
受保護(hù)的技術(shù)使用者：電子科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9