单馈圆极化天线制造技术

本发明专利技术涉及一种单馈圆极化天线，通过多个紧耦合的六边形金属贴片阵列形成一个宏观上各向异性的容性电磁超构表面，使得在其表面传播的电磁波在不同方向上具有不同的相速，以构造圆极化辐射所需的正交电磁场及其相位差；多层相同的容性电磁超构表面水平堆叠在金属反射板上，多层紧耦合的容性电磁超构表面提供额外的层间电容，降低天线谐振频率，实现天线的小型化设计。在保持低剖面和小型化的同时，通过结构简单的谐振器和单个简单的馈电结构实现圆极化天线。解决现在圆极化天线设计复杂、匹配较难、天线单元尺寸大、成本高、辐射效率低问题。问题。问题。

【技术实现步骤摘要】
单馈圆极化天线


[0001]本专利技术涉及一种无线通信技术，特别涉及一种单馈圆极化天线。

技术介绍

[0002]当无线电波的极化面与大地法线面之间的夹角从0～360
°
周期的变化，即电场大小不变，方向随时间变化，电场矢量末端的轨迹在垂直于传播方向的平面上投影是一个圆时，称为圆极化，在电场的水平分量和垂直分量振幅相等，相位相差90度或270度时，可以得到圆极化。若极化面随时间旋转并与电磁波传播方向成右螺旋关系，称右圆极化；反之，若成左螺旋关系，称左圆极化。
[0003]圆极化天线可接收任意极化的来波，且其辐射波也可由任何极化天线收到；圆极化天线具有旋向正交性；极化波入射到对称目标(如平面、球面等)时旋向逆转，不同旋向的电磁波具有较大数值的极化隔离。
[0004]第六代移动通信对海陆空天一体化的下一代无线通信与感知网络提出了要求，圆极化天线及其阵列可以克服电离层对极化失配的影响，降低通信系统误码率。但是，有限的载体尺寸、可用的天线设计净空、有限载荷、对大规模天线阵列的要求，对天线的小型化和低剖面提出了苛刻的要求。
[0005]根据天线馈电点的数量，目前实现低剖面、小型化圆极化天线的方法主要有单馈法和多馈法，其中：
[0006]1、单馈法具有结构简单、成本低、易大规模生产、尺寸小等优点，但是需要通过复杂的谐振器设计(如旋转、开槽、非均匀加载等方法)来实现两个正交模式间的90度相位差，天线单元设计复杂、匹配较难。
[0007]2、多馈法具有轴比小和宽轴比波束的优点，但是需要更复杂的功分移相网络来实现两个正交模式间的90度相位差，馈电网络复杂，损耗高，天线单元尺寸大、成本高、设计困难、辐射效率低。

技术实现思路

[0008]针对圆极化天线现在存在的问题，提出了一种单馈圆极化天线。
[0009]本专利技术的技术方案为：一种单馈圆极化天线，由m层相同的电磁超构表面水平堆叠在金属反射板上而成，m≥2；相邻两层电磁超构表面之间都由介质填充；每层电磁超构表面由n
×
n个大小相同或不同的六边形金属贴片阵列排布构成，n≥2；六边形金属贴片由矩形金属贴片对角切角形成；一个L形探针在除最底层外的任意一层电磁超构表面的边缘中心处，通过导体耦合进行馈电；L形探针与最邻近的六边形金属贴片之间有一个U型槽用于阻抗匹配。
[0010]优选的，所述相邻两层电磁超构表面之间为尺寸和相对介电常数均相同的介质基板。
[0011]优选的，所述由m层相同的电磁超构表面水平堆叠在金属反射板上而成的单馈圆
极化天线的总高度小于0.1λ0，相邻两层电磁超构表面之间的间距小于1/20λ0，λ0为单馈圆极化天线的中心频率时真空中的波长。
[0012]优选的，所述电磁超构表面的最小外接正方形的边长尺寸小于0.5λ0。
[0013]优选的，所述六边形金属贴片阵列排布，相邻的六边形金属贴片之间的缝隙宽度S小于单馈圆极化天线的中心工作频率所对应波长的0.05倍。
[0014]优选的，所述每个六边形金属贴片是对矩形金属贴片对角进行切角获得，切角的角度为θ，切角边深度为C，θ为30
°
到60
°
之间，切角深度C为0.1～0.5倍贴片边长，切角使得沿不同方向传播的电磁波相速不同。
[0015]一种单馈圆极化天线设计方法，通过多个紧耦合的六边形金属贴片阵列形成一个宏观上各向异性的容性电磁超构表面，使得在其表面传播的电磁波在不同方向上具有不同的相速，以构造圆极化辐射所需的正交电磁场及其相位差；多层相同的容性电磁超构表面水平堆叠在金属反射板上，多层紧耦合的容性电磁超构表面提供额外的层间电容，降低天线谐振频率，实现天线的小型化设计。
[0016]本专利技术的有益效果在于：本专利技术单馈圆极化天线，在保持低剖面(天线高度小于0.1λ0)和小型化(辐射表面的最小外接正方形边长尺寸小于0.5λ0)的同时，通过结构简单的谐振器和单个简单的馈电结构实现圆极化天线，其中λ0为单馈圆极化天线的中心频率时真空中的波长。
附图说明
[0017]图1为本专利技术单馈圆极化天线结构示意图；
[0018]图2为本专利技术单馈圆极化天线实施例几何结构图。
具体实施方式
[0019]下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。本实施例以本专利技术技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。
[0020]该专利技术涉及一种单馈圆极化天线，用于卫星通信地面终端和机载终端天线阵列中的天线单元。该专利技术基于小型化多层超构表面结构，通过对矩形金属贴片切角并使用单个L型探针进行耦合馈电，实现圆极化。
[0021]如图1所示单馈圆极化天线结构示意图，该天线由m层(m≥2)相同的电磁超构表面水平堆叠在金属反射板上而成。从上至下，相邻两层电磁超构表面之间的距离为H
i
(i＝1，2，
…
，m
–
1)，并由介质填充(该图中没有显示)。每层超构表面由n
×
n(n≥2)个大小相同或不同的六边形金属贴片阵列排布构成，该六边形金属贴片由矩形金属贴片对角切角形成。一个L形探针在任意一层电磁超构表面(除最底层)的边缘中心处，通过导体耦合进行馈电，与前端射频电路、芯片、信号发生器等连接，探针与最邻近的六边形金属贴片之间有一个U型槽用于阻抗匹配。馈电端口位于探针与金属反射板之间。
[0022]该技术通过多个紧耦合的六边形金属贴片阵列形成一个宏观上各向异性的容性电磁超构表面，使得在其表面传播的电磁波在不同方向上具有不同的相速，以构造圆极化辐射所需的正交电磁场及其相位差。多层紧耦合的容性电磁超构表面提供了额外的层间电
容，降低了天线的谐振频率，从而实现天线的小型化。
[0023]为了验证提出的技术，设计了一个单馈型圆极化天线单元。如图2所示单馈圆极化天线实施例几何结构图，
[0024]1、该天线单元由四层电磁超构表面等间距水平堆叠放置在金属反射板上构成，相邻两层电磁超构表面之间为尺寸和相对介电常数都相同的介质基板(该图中没有显示)，相邻两层电磁超构表面之间的间距小于1/20波长，以保证相邻层电磁超构表面之间的良好耦合，在此具体实施例中设H＝1.524mm，得到该天线单元的总高度为4H＝0.07λ0，λ0是在3.5GHz时真空中的波长。
[0025]2、每层电磁超构表面由3
×
3个完全相同的六边形金属贴片构成正方形阵列，阵列整体的长度和宽度应根据应用场景对天线面积所提出的要求设置，此处以W1＝0.31λ0为例，此为天线单元的辐射表面的最小外接正方形的边长的尺寸,该尺寸由六边形金属贴片的尺寸与相邻六边形金属贴片之间的间距S决定。
[0026]3、六边形金属贴片是对矩形金属贴片对角进行切角获得，切角的角度为θ，切角边深度为C，θ为30
°
到60
°
之间，切角本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种单馈圆极化天线，其特征在于，由m层相同的电磁超构表面水平堆叠在金属反射板上而成，m≥2；相邻两层电磁超构表面之间都由介质填充；每层电磁超构表面由n
×
n个大小相同或不同的六边形金属贴片阵列排布构成，n≥2；六边形金属贴片由矩形金属贴片对角切角形成；一个L形探针在除最底层外的任意一层电磁超构表面的边缘中心处，通过导体耦合进行馈电；L形探针与最邻近的六边形金属贴片之间有一个U型槽用于阻抗匹配。2.根据权利要求1所述单馈圆极化天线，其特征在于，所述相邻两层电磁超构表面之间为尺寸和相对介电常数均相同的介质基板。3.根据权利要求1或2所述单馈圆极化天线，其特征在于，所述由m层相同的电磁超构表面水平堆叠在金属反射板上而成的单馈圆极化天线的总高度小于0.1λ0，相邻两层电磁超构表面之间的间距小于1/20λ0，λ0为单馈圆极化天线的中心频率时真空中的波长。4.根据权利要求3所述单馈圆极化天线，其特征在于，所述电磁超构表面的最小外接正...

【专利技术属性】
技术研发人员：林丰涵，高佳璠，
申请(专利权)人：上海科技大学，
类型：发明
国别省市：