加载多圈扇形超表面的宽带高增益单极子天线制造技术

本发明专利技术公开一种加载多圈扇形超表面的宽带高增益单极子天线，工作在5G频段，包括单极子天线，所述单极子天线的顶部加载用于提高天线增益的超表面结构，所述超表面结构包括与单极子天线的轴线同轴环形布置且由多个扇形超表面单元排列构成的内圈超表面结构以及外圈超表面结构，所述内圈超表面结构以及外圈超表面结构相互间隔开；内圈超表面结构激发第一个谐振模式；外圈超表面结构激发第二个谐振模式；通过中心加载环形金属贴片，延长了电流等效路径，使得谐振频率向低频移动；通过加载两圈超表面结构使得天线产生两个谐振模式，将两个谐振模式耦合实现了宽带宽，通过镜像原理和超表面作用，实现了天线的高增益性能。实现了天线的高增益性能。实现了天线的高增益性能。

【技术实现步骤摘要】
加载多圈扇形超表面的宽带高增益单极子天线


[0001]本专利技术涉及天线
，特别是涉及一种工作在5G频段的加载多圈扇形超表面的宽带高增益单极子天线。

技术介绍

[0002]垂直单极子天线的结构简单，且呈锥形辐射，在室内基站、卫星通信、制导跟踪等领域具有很强的竞争力。许多类型的天线可以产生锥形辐射图，但是目前设计的锥形波束天线难以兼顾宽带宽和高增益的良好性能。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是针对现有技术中的问题，而提供一种加载多圈扇形超表面的宽带高增益单极子天线，利用超表面结构与垂直单极子相结合，利用镜像原理和频带叠加，使天线具有较宽的带宽和较高的增益。
[0004]本专利技术是这样实现的，一种加载多圈扇形超表面的宽带高增益单极子天线，工作在5G频段，包括单极子天线，所述单极子天线的顶部加载用于提高天线的增益的超表面结构，所述超表面结构包括与单极子天线的轴线同轴环形布置且分别由多个扇形超表面单元排列构成的内圈超表面结构以及外圈超表面结构，所述内圈超表面结构以及外圈超表面结构相互间隔开；内圈超表面结构激发第一个谐振模式；外圈超表面结构激发第二个谐振模式；通过中心加载环形金属贴片，延长了电流等效路径，使得谐振频率向低频移动；通过加载两圈超表面结构使得天线产生两个谐振模式，将两个谐振模式耦合实现了宽带宽，通过镜像原理和超表面作用，实现了天线的高增益性能。
[0005]其中，所述单极子天线的顶部连接上介质基板的中心的第一过孔，底部连接有下介质基板的中心的第二过孔；下层介质基板的中心通过第二过孔与单极子天线的底部连接，使用SMA馈电方式激励单极子天线产生辐射。
[0006]其中，所述下层介质基板的底部连接有金属地，所述单极子天线通过所述第二过孔与金属地连接。
[0007]其中，所述的上介质基板与下介质基板均为FR4板材，厚度为0.5mm，相对介电常数为4.4。
[0008]其中，所述内圈超表面结构由多个扇形超表面单元相互间均匀间隔开排列形成，外圈超表面结构由多个扇形超表面单元相互间均匀隔开排列形成。
[0009]其中，内圈超表面结构由八个扇形超表面单元通过直线缝隙均匀间隔，外圈超表面结构由十二个扇形超表面单元通过梯形缝隙相隔开。
[0010]其中，所述超表面结构的超表面单元的材质为金属片。
[0011]其中，所述超表面结构的超表面面单元的材质为厚度一致的镀铜层。
[0012]其中，所述超表面结构的超表面面单元的材质的厚度为0.035mm。
[0013]其中，所述单极子天线是高度为11mm，半径为0.7mm的单极子天线。
[0014]本专利技术的天线，通过在单极子顶部加载超表面结构，使得天线的相对带宽由23.25％提高到48.5％，带内增益提高2dBi。
[0015]另外，所用的两层介质基板全部使用FR4板材，厚度为0.5mm，相对介电常数为4.4，大大减小了生产成本。
[0016]本专利技术的天线，经过一系列的优化，可覆盖3.3
‑
3.6、4.8
‑
5.0GHz的频带。
附图说明
[0017]图1为本专利技术实施例的加载多圈扇形超表面的宽带高增益单极子天线的爆炸结构示意图。
[0018]图2为本专利技术实施例的加载多圈扇形超表面的宽带高增益单极子天线的俯视示意图。
[0019]图3为本专利技术实施例的加载多圈扇形超表面的宽带高增益单极子天线的主视示意图。
[0020]图4、图5分别为本专利技术实施例天线的内圈超表面(R_patch＝6mm，D_patch＝21mm)、外圈超表面(R_patch2＝14mm，D_patch2＝14mm；)的俯视示意图。
[0021]图6、图7分别为本专利技术实施例天线3.56GHz时天线Phi＝90
°
方向图、3.56GHz时天线Theta＝30
°
方向图。
[0022]图8、图9分别为本专利技术实施例天线4.92GHz时天线Phi＝90
°
方向图、4.92GHz时天线Theta＝20
°
方向图图。
[0023]图10是本专利技术实施例天线仿真和测试S
11
和增益图。
具体实施方式
[0024]为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0025]在天线设计中通过加载超表面结构可以获得高增益、宽带宽和低剖面等高性能天线，基于此，结合单极子天线的结构及超表面结构，本专利技术实施例提供一种加载多圈扇形超表面的宽带高增益单极子天线。
[0026]如图1至图5所示，本专利技术实施例提供的一种加载多圈扇形超表面的宽带高增益单极子天线，包括单极子天线7，所述单极子天线的顶部加载用于提高天线的增益的超表面结构，所述超表面结构包括单极子天线的轴线同轴环形布置且且分别由扇形超表面构成的内圈超表面结构以及外圈超表面结构，所述内圈超表面结构以及外圈超表面结构相互间隔开。
[0027]一些实施例下，加载的所述超表面结构，其超表面材质为金属片，优选的为镀铜层。
[0028]一些实施例下，所述单极子天线的顶端连接上介质基板4的中心的第一过孔1，底端连接下介质基板的中心的第二过孔2，下层介质基板的中心通过第一过孔与单极子天线底端连接，单极子天线通过第二过孔2与设置于下层介质基板下表面的金属地6连接，使用SMA馈电方式激励单极子天线产生辐射；通过上层介质基板的上表面的加载外圈的金属贴
片材质的超表结构，激发了第二谐振模式。通过上层介质基板的上表面的中心加载环形金属贴片，延长了电流等效路径，使得谐振频率向低频移动。通过加载两圈超表面结构，使得天线产生两个谐振模式，将两个谐振模式耦合实现了宽带宽，通过镜像原理和超表面的作用，实现了天线的高增益性能。
[0029]一些实施例下，所述内圈超表面结构由多个扇形镀铜层均匀间隔开排列形成，如8个；外圈超表面结构由多个扇形镀铜层均匀排列形成，如12个。由于外圈扇形镀铜层的加入，激发了第二个谐振模式。
[0030]优选的，超表面材质的镀铜层为0.035mm，内外圈超表面结构之间通过弧形未镀铜缝隙隔开，内圈超表面结构由8个扇形片通过直线缝隙均匀间隔工，间距为0.5mm，外圈超表面结构由12个扇形镀铜层通过梯形缝隙相隔开，如外边短内边长的等腰梯形缝隙，更为优选的是相邻两个梯形缝隙位于相邻两个直线缝隙的延长线形成的扇形区域中。
[0031]进一步的，所述的内圈超表面结构的中心布置有的内环形金属贴片，所述内环形金属贴片外侧布置有外环形金属贴片，优选的为铜片或铜层，相互间隔开，外环形金属贴片与内圈超表面结构也相互隔开。通过在中心加载环形金属贴片，延长了电流等效路径，使得谐振频率向低频移动。
[0032]本专利技术实施例可以是通过分别调整内圈超表面结本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.加载多圈扇形超表面的宽带高增益单极子天线，其特征在于，工作在5G频段，包括单极子天线，所述单极子天线的顶部加载用于提高天线增益的超表面结构，所述超表面结构包括与单极子天线的轴线同轴环形布置且分别由多个扇形超表面单元排列构成的内圈超表面结构以及外圈超表面结构，所述内圈超表面结构以及外圈超表面结构相互间隔开；内圈超表面结构激发第一个谐振模式；外圈超表面结构激发第二个谐振模式；通过中心加载环形金属贴片，延长了电流等效路径，使得谐振频率向低频移动；通过加载两圈超表面结构使得天线产生两个谐振模式，将两个谐振模式耦合实现了宽带宽，通过镜像原理和超表面作用，实现了天线的高增益性能。2.根据权利要求1所述加载多圈扇形超表面的宽带高增益单极子天线，其特征在于，所述单极子天线的顶部连接上介质基板的中心的第一过孔，底部连接有下介质基板的中心的第二过孔；下层介质基板的中心通过第二过孔与单极子天线的底部连接，使用SMA馈电方式激励单极子天线产生辐射。3.根据权利要求2所述加载多圈扇形超表面的宽带高增益单极子天线，其特征在于，所述下层介质基板的底部连接有金属地，所述单极子天线通过所述第二过孔与金属地连接。4.根据权利要求2所述加载多圈扇形超表面...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗宇，王琰山，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：