一种基于极化相关超表面结构的宽带低剖面天线制造技术

本发明专利技术公开了一种基于极化相关超表面结构的宽带低剖面天线。所述天线包括采用双层叠放方式放置的上层介质基板和下层介质基板；上层介质基板上表面印制有极化相关超表面结构，下表面印制有开有耦合缝隙的金属地板；下层介质基板上表面与金属地板贴合，下表面印制有馈电网络；能量由馈电网络输入，经金属地板上的耦合缝隙耦合到具有多谐振特性的极化相关超表面结构将能量定向地向上辐射，实现基于极化相关超表面结构的宽带低剖面天线。和经典的微带贴片天线相比，本发明专利技术能在实现低剖面的同时达到较宽的带宽和较高的增益。与周期超表面天线相比，本发明专利技术在保证了一定周期性的同时，提高设计自由度。本发明专利技术天线结构简单，加工容易，可以大规模生产。

【技术实现步骤摘要】
一种基于极化相关超表面结构的宽带低剖面天线
本专利技术涉及超表面天线领域，具体涉及一种基于极化相关超表面结构的宽带低剖面天线。
技术介绍
随着现代无线通信系统的发展，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，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(H.W.Lai,K.M.Luk,“Designandstudyofwide-bandpatchantennafedbymeanderingprobe”,IEEETrans.AntennasPropag.,vol.54,pp.564-571,2006.)，L探针馈电(K.-F.Lee,K.-F.Tong,“Microstrippatchantennas-basiccharacteristicsandsomerecentadvances”,Proc.IEEE,vol.100,no.7,pp.2169-2180,Jul.2012.)，孔径耦合，U/E开槽贴片(M.Khan,D.Chatterjee,“Characteristicmodeanalysisofaclassofempiricaldesigntechniquesforprobe-fedU-slotmicrostrippatchantennas”,IEEETrans.AntennasPropag.,vol.64,no.7,pp.2758-2770,Jul.2016.)和堆叠贴片(E.NishiyamaandM.Aikawa,“Wide-bandandhigh-gainmicrostripantennawiththickparasiticpatchsubstrate,”Proc.IEEEAntennasPropag.Soc.Int.Symp.(APSURSI),vol.1.Jun.2004,pp.273–276.)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达到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(W.Liu,Z.N.Chen,X.Qing,“Metamaterial-basedlow-profilebroadbandaperture-coupledgrid-slottedpatchantenna”,IEEETrans.AntennasPropag.,vol.63,no.7,pp.3325-3329,Jul.2015.W.Liu,Z.N.Chen,X.Qing,“Metamaterial-basedlow-profilebroadbandmushroomantenna”,IEEETrans.AntennasPropag.,vol.62,no.3,pp.1165-1172,Mar.2014.)，在剖面仅为0.06λ0时，阻抗带宽达到28％。这一性能和传统的微带贴片天线相比，虽然剖面大大降低，但带宽优势并不明显。目前的超表面天线基本采用结构完全对称的单元形式进行周期性排列，例如方形、方环、圆形等结构，不仅实现的带宽比较有限(<35％)，设计自由度也比较局限。
技术实现思路
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本专利技术提供一种基于极化相关超表面结构的宽带低剖面天线，通过合理优化极化相关超表面单元的结构排布，实现具有多谐振特性的超表面辐射结构。本专利技术能在较低的剖面下实现宽带、平稳高增益的超表面天线。本专利技术的目的至少通过如下技术方案之一实现。一种基于极化相关超表面结构的宽带低剖面天线，包括上层介质基板和下层介质基板，上层介质基板和下层介质基板采用双层叠放方式放置；上层介质基板上表面印制有极化相关超表面结构，下表面印制有开有耦合缝隙的金属地板；下层介质基板上表面与金属地板贴合，下表面印制有馈电网络；能量由馈电网络输入，经金属地板上的耦合缝隙耦合到具有多谐振特性的极化相关超表面结构，极化相关超表面结构将能量定向地向上辐射，实现基于极化相关超表面结构的宽带低剖面天线。进一步地，所述极化相关超表面结构呈中心对称，由若干个独立的极化相关超表面单元和极化相关超表面单元之间的窄型缝隙构成；所述极化相关超表面结构中的各行的极化相关超表面单元沿着不同方向排列，在与耦合缝隙垂直的方向上，由中心向外呈不同取向排列，为横纵向交叠规律排列或纵横向交叠规律排列。进一步地，每个极化相关超表面单元为具有轴对称且非中心对称的金属贴片；所述金属贴片的形状采用开缝的方形、开缝的圆形、矩形或者椭圆形。进一步地，通过构建极化相关超表面单元，利用其极化相关特性，将不同取向的极化相关超表面单元按照横纵向交叠规律排列或纵横向交叠规律排列，使得不同取向的极化相关超表面单元在不同的谐振频点处被激励，实现具有多谐振特性的极化相关超表面结构。进一步地，所述金属地板中心开有耦合缝隙，用于耦合所述极化相关超表面结构并使其将能量进行辐射；所述耦合缝隙的形状包括但不局限于矩形、阶梯状矩形、梯形。进一步地，选取耦合缝隙的激励方式，使得具有多谐振特性的极化相关超表面结构，结合耦合缝隙本身的谐振频点，从而形成多谐振，使带宽达到40％以上。进一步地，所述馈电网络包括微带金属片，用于耦合所述金属地板上的缝隙进行馈电，从而进一步使得极化相关超表面结构将能量进行辐射；其中，所述微带金属片的形状包括但不局限于Y型、矩形、阶梯状矩形。相比于现有技术，本专利技术的优点在于：本专利技术首次采用极化相关超表面结构，根据其极化相关特性，将其沿着不同方向进行排列，实现具有多谐振特性的超表面辐射结构；本专利技术采用同一结构、不同取向的极化相关超表面单元，在保证一定周期性的同时，提高设计自由度；将具有多谐振特性的极化相关超表面辐射结构应用于天线设计中，并选取合适的馈电形式，从而实现具有低剖面、宽带、平稳高增益等特性的超表面天线。本专利技术采用缝隙耦合的馈电方式，激励不同取向的极化相关单元，进一步产生谐振点形成多谐振，从而进一步扩大带宽；本专利技术结构简单，加工容易，成本和重量都相对较小，可以大规模生产。附图说明图1为基于极化相关超表面结构的宽带低剖面天线的结构示意图，其中，图1a为3D结构图，图1b为俯视图，图1c为仰视图，图1d为侧视图。图2为常见的中心对称的超表面单元结构与轴对称(非中心对称)的极化相关超表面单元的结构对比示意图，其中，图2a为中心对称的方形超表面单元结构的俯视图，图2b为本专利技术中的极化相关超表面单元结构的俯视图，图2c为两种超表面单元共同的侧视图。图3为基于图2的两种超表面单元结构的反射特性对比示意图，其中，图3a为反射相位曲线对比示意图，图3b为反射系数曲线对比示意图。图4为本专利技术的宽带低剖面超表面天线与用作参考的其它三种周期超表面天线的结构对比示意图，其中，图4a为常见的方形超表面天线，图4b为同一单元取向且均为纵向排布的极化相关超本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于极化相关超表面结构的宽带低剖面天线，其特征在于，包括上层介质基板（6）和下层介质基板（7），上层介质基板（6）和下层介质基板（7）采用双层叠放方式放置；/n上层介质基板（6）上表面印制有极化相关超表面结构（1），下表面印制有开有耦合缝隙（4）的金属地板（3）；下层介质基板（7）上表面与金属地板（3）贴合，下表面印制有馈电网络（5）；/n能量由馈电网络（5）输入，经金属地板（3）上的耦合缝隙（4）耦合到具有多谐振特性的极化相关超表面结构（1），极化相关超表面结构（1）将能量定向地向上辐射，实现基于极化相关超表面结构的宽带低剖面天线。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于极化相关超表面结构的宽带低剖面天线，其特征在于，包括上层介质基板（6）和下层介质基板（7），上层介质基板（6）和下层介质基板（7）采用双层叠放方式放置；
上层介质基板（6）上表面印制有极化相关超表面结构（1），下表面印制有开有耦合缝隙（4）的金属地板（3）；下层介质基板（7）上表面与金属地板（3）贴合，下表面印制有馈电网络（5）；
能量由馈电网络（5）输入，经金属地板（3）上的耦合缝隙（4）耦合到具有多谐振特性的极化相关超表面结构（1），极化相关超表面结构（1）将能量定向地向上辐射，实现基于极化相关超表面结构的宽带低剖面天线。


2.根据权利要求1所述的一种基于极化相关超表面结构的宽带低剖面天线，其特征在于，所述极化相关超表面结构（1）呈中心对称，由若干个独立的极化相关超表面单元（2）和极化相关超表面单元（2）之间的窄型缝隙（8）构成；所述极化相关超表面结构（1）中的各行的极化相关超表面单元（2）沿着不同方向排列，在与耦合缝隙（4）垂直的方向上，由中心向外呈不同取向排列，为横纵向交叠规律排列或纵横向交叠规律排列。


3.根据权利要求2所述的一种基于极化相关超表面结构的宽带低剖面天线，其特征在于，每个极化相关超表面单元（2）为具有轴对称且非中心对称的金属贴片；所述金属贴片的形状采用开缝的方形、开缝的圆形...

【专利技术属性】
技术研发人员：车文荃，杨琬，陈东旭，薛泉，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44