一种具有宽带稳定辐射特性的风车型超表面天线制造技术

本发明专利技术公开了天线领域的一种具有宽带稳定辐射特性的风车型超表面天线，包括堆叠设置的上层介质基板和下层介质基板；所述上层介质基板和下层介质基板之间设置有金属地板；所述金属地板设有耦合缝隙；所述下层介质基板底部设置有用于输入能量至耦合缝隙的馈电网络；所述上层介质基板一侧设置有风车型超表面结构；所述风车型超表面结构包括若干个风车型金属贴片；所述风车型金属贴片之间设置有锯齿状缝隙，且风车型金属贴片自身呈中心对称设置；本发明专利技术通过蚀刻锯齿状缝隙实现了新型的风车型超表面结构，具有宽带、辐射特性稳定、尺寸紧凑和结构简单的特点。和结构简单的特点。和结构简单的特点。

【技术实现步骤摘要】
一种具有宽带稳定辐射特性的风车型超表面天线


[0001]本专利技术属于宽带天线
，具体涉及宽带稳定辐射特性的风车型超表面天线。

技术介绍

[0002]随着通信技术的快速发展，具有低剖面、宽带、辐射稳定、高增益和体积小的天线也日益成为无线通信领域的研究热点。其中，微带贴片天线是最简单也最受欢迎的实现低剖面天线的形式。该类天线具有剖面低、重量轻、成本低，易与印刷电路兼容等优点。但是，其阻抗带宽较窄、增益也比较低。虽然目前已有许多技术可以克服这一缺点，比如加载U型缝隙、加载寄生结构、采用非接触式容性馈电、加载背腔或是增加介质基板的厚度等，但这些方法也存在带宽提升有限或结构过于复杂等问题。
[0003]另外，近年来，超表面结构(Metasurface,MS)因其能够调控电磁波的独特电磁特性而被广泛应用于天线中以改善性能。因此，超表面结构也常用于提高微带贴片天线的增益或增大带宽。比如采用蘑菇型超表面结构、网格状超表面结构或是菱形超表面结构，通过阵列排布超表面单元，可以实现不同程度改善阻抗带宽或是实现单频点处高增益，具有非常大的发展前景，但这些方法无法在较宽的频段范围内实现非常稳定的辐射特性，这也是目前宽频带超表面天线的一个技术难点。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种具有宽带稳定辐射特性的风车型超表面天线，采用一种新型的风车型超表面结构，通过蚀刻锯齿状缝隙构建具有宽带稳定辐射特性的超表面结构，并将其应用到天线设计中，能够在较宽的频段范围内实现非常稳定的辐射特性。与传统的超表面天线相比，本专利技术具有宽带、辐射稳定、尺寸紧凑和结构简单的特点。
[0005]为达到上述目的，本专利技术所采用的第一种技术方案是：
[0006]一种具有宽带稳定辐射特性的风车型超表面天线，包括堆叠设置的上层介质基板和下层介质基板；所述上层介质基板和下层介质基板之间设置有金属地板；所述金属地板设有耦合缝隙；所述下层介质基板底部设置有用于输入能量至耦合缝隙的馈电网络；所述上层介质基板一侧设置有风车型超表面结构。
[0007]所述风车型超表面结构包括若干个沿x轴和y轴阵列排布的风车型金属贴片；所述风车型金属贴片之间设置有蚀刻缝隙，且风车型金属贴片自身呈中心对称设置。
[0008]优选的，所述相邻风车型贴片单元的轮廓相互契合，且阵列分布的风车型贴片单元相互拼接形成面。
[0009]优选的，所述金属地板设有一个耦合缝隙。
[0010]优选的，所述蚀刻缝隙为锯齿状。
[0011]优选的，所述馈电网络与所述耦合缝隙的垂直投影相交；所述馈电网络的输入端设置为Y字型微带线；所述微带线设置于下层介质基板远离上层介质基板的一侧。
[0012]优选的，所述上层介质基板和下层介质基板的介电常数为[2.2,10.2]，上层介质基板的厚度h1和下层介质基板的厚度h2范围为[0.001λ0,0.2λ0]；λ0为自由空间波长。
[0013]优选的，相邻的两个风车型金属贴片之间的锯齿状蚀刻缝隙的宽度g为[0.001λ0,0.05λ0]。
[0014]优选的，风车型金属贴片的中心间距d为[0.05λ0,0.4λ0]。
[0015]优选的，金属地板的边长G
L
范围为[0.3λ0,λ0]；耦合缝隙的总长度为2
×
(L
s1
+L
S2
)；所述耦合缝隙的总长度的范围为[0.1λ
g
,0.6λ
g
]，所述耦合缝隙最宽处的宽度Ws1的范围为[0.05λg,0.4λg]，最窄处的宽度Ws2的范围为[0.01λg,0.2λg]，其中，λg为上层介质基板的介质有效波长，n为金属地板中耦合缝隙的数量；L
s1
表示为单个耦合缝隙最宽处对应的长度，L
s2
表示为单个耦合缝隙最窄处对应的长度。
[0016]优选的，Y字型微带线的宽度wf为[0.1λg1,0.5λg1]，Y字形上端部分的长度S为[0.2λg1,λg1]，其中λg1为下层介质基板的介质有效波长。
[0017]进一步地，本专利技术提供了一种改进型超表面天线方案：
[0018]由于超表面天线的外围部分在馈电后表面电流较弱，对天线整体的辐射影响不明显。为了进一步提高辐射效率，通过切割风车型超表面天线边缘对天线尺寸进行修改，构建了一个具有宽带、辐射稳定的紧凑型超表面天线。
[0019]与现有技术相比，本专利技术所达到的有益效果：
[0020]本专利技术中所述风车型超表面结构包括若干个风车型金属贴片；所述风车型金属贴片之间设置有锯齿状蚀刻缝隙，且风车型金属贴片自身呈中心对称设置。超表面金属贴片间的锯齿状蚀刻缝隙可看作是平滑的传输线，一方面能够使得电流路径更加平滑，另一方面也使得阻抗变化非常小，进而能够实现超表面结构的宽带稳定辐射特性；同时本专利技术具有尺寸紧凑、结构简单和加工成本低的特点，有利于大规模生产。
附图说明
[0021]图1是本专利技术提供的一种具有宽带稳定辐射特性的风车型超表面天线的俯视图；
[0022]图2是本专利技术实施例一提供的具有宽带稳定辐射的风车型超表面天线的结构图；
[0023]图3是本专利技术实施例一提供的金属地板的结构图；
[0024]图4是本专利技术实施例一提供的蚀刻缝隙和馈电网络的结构图；
[0025]图5是本专利技术中风车型超表面结构的模式系数图；
[0026]图6是本专利技术中基于图1的超表面天线的电流分布图；
[0027]图7是本专利技术中基于图1的超表面天线的辐射方向图；
[0028]图8是本专利技术实施例二提供的改进型天线结构图；
[0029]图9是本专利技术中实施例二的阻抗匹配特性图和仿真增益分析图(Fig.11)。
[0030]图中：1上层介质基板、2下层介质基板、3风车型金属贴片、4耦合缝隙、5金属地板、6微带线、7锯齿状蚀刻缝隙、8超表面结构。
具体实施方式
[0031]下面结合附图对本专利技术作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本专利技术的技术方案，而不能以此来限制本专利技术的保护范围。
[0032]需要说明的是，在本专利技术的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图中所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术而不是要求本专利技术必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利技术的限制。本专利技术描述中使用的术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”指的是附图中的方向，术语“内”、“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
[0033]实施例一
[0034]如图1至图4所示，一种具有宽带稳定辐射特性的风车型超表面天线，包括堆叠设置的上层介质基板1和下层介质基板2；所述上层介质基板1和下层介质基板2之间设置有金属地板5；所述金属地板5设有一个或者两个耦合缝隙4；所述下层介质基板2底部设置有用于输入能量至耦本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有宽带稳定辐射特性的风车型超表面天线，其特征在于，包括堆叠设置的上层介质基板和下层介质基板；所述上层介质基板和下层介质基板之间设置有金属地板；所述金属地板设有耦合缝隙；所述下层介质基板底部设置有用于输入能量至耦合缝隙的馈电网络；所述上层介质基板远离下层介质基板一侧设置有超表面结构；所述超表面结构上设置有若干个风车型超表面金属贴片，各风车型超表面金属贴片沿x轴方向和y轴方向阵列分布；所述风车型超表面金属贴片之间设置有锯齿状蚀刻缝隙，且风车型金属贴片自身呈中心对称设置。2.根据权利要求1所述的一种具有宽带稳定辐射特性的风车型超表面天线，其特征在于，所述风车型贴片单元间为锯齿状缝隙，该锯齿状缝隙用于使超表面结构本身即具有宽带稳定的辐射特性。3.根据权利要求1所述的一种具有宽带稳定辐射特性的风车型超表面天线，其特征在于，所述相邻风车型贴片单元的轮廓相互契合，且阵列分布的风车型贴片单元相互拼接形成面。4.根据权利要求1所述的一种具有宽带稳定辐射特性的风车型超表面天线，其特征在于，所述金属地板设有一个或者两个或是多个耦合缝隙，用于激励上层风车型超表面结构；所述的耦合缝隙可为矩形缝隙或是阶梯状缝隙。5.根据权利要求1所述的一种具有宽带稳定辐射特性的风车型超表面天线，其特征在于，所述馈电网络与所述耦合缝隙的垂直投影相交；所述馈电网络的输入端设置为金属条带状的微带线；所述馈电网络的输出端延伸至耦合缝隙的部分可为矩形状、Y状...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈东旭，谷艺琳，杨琬琛，刘浩田，石楠，陈嘉琪，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：