一种六边形超表面宽带高增益天线

1.本发明属于超表面天线技术领域，具体地说，涉及一种六边形超表面宽带高增益天线。


背景技术：

2.随着现代无线通信技术的快速发展，移动通信系统、雷达、卫星通信等对高速率数据传输和大信道容量的需求日益增长，使得宽带高增益天线的需求越来越高。波导天线、透镜天线、微带天线等都是高增益天线；但是，高增益波导天线和透镜天线体积庞大，不适用于小型化和集成，而微带天线由于其外型小巧、易于集成、制造成本低，已被广泛应用于各种无线通信系统中。然而传统的微带天线增益和带宽是有限的，并且微带阵列天线介质损耗随着天线频率的增加而增加，限制了其实际应用。
3.近年来，超材料得到了广泛的关注，超表面是一种二维超材料结构，具有低剖面、设计简单、低损耗等特性，在极化控制和提高增益方面有许多显著的优点。超表面已被应用于天线领域，用以改善天线性能，如提高辐射增益，实现极化转换，改善阻抗带宽，以及减小天线的尺寸等。
4.现有的超表面天线主要有以下三种：
5.第一种，提出了一种基于缝隙耦合馈电的超表面天线，利用单层周期分布的超表面单元实现阻抗带宽为28％，增益达到9.8db。
6.第二种，提出了中超表面天线，利用非均匀超表面单元实现了天线的小型化，阻抗带宽达到21％，最高增益为7.2db。
7.第三种，提出了利用双层超表面提高增益和展宽天线带宽，阻抗带宽可以达到44％，最高增益达到11.5db。
8.但是，上述两种超表面天线的单层超表面的带宽不会超过30％。无法实现高速率数据传输，且大信道容量的通信系统带宽范围窄。虽然第三种超表面天线提高了阻抗带宽，但是，该天线的增益平坦度并不好，都在整个频段范围内出现了较大的增益变化，并且谐振效果较差，部分频段驻波较大，天线的稳定性得不到保证。为了展宽超表面天线的阻抗带宽和提高天线的增益，本发明设计了一种新型六边形超表面单元结构，利用六边形贴片单元尺寸渐变改善超表面的辐射特性，并设计相应的分支型耦合缝隙增强天线的稳定性。该天线实物测试的阻抗带宽范围是3.99～6.91ghz,相对带宽达到54％，相比文献[3]阻抗带宽扩展了10％，并且天线的增益平坦度相较其山峰式变化改善为更加平稳的增益变化，即天线在4～6ghz范围内增益范围为9～12db，从而改善了天线的稳定性。此外该天线的剖面尺寸缩减了1mm，意味着该超表面天线是一款宽带、高增益、低剖面天线，以上的优点使得它可以应用于更加广泛的无线通信系统中。


技术实现要素：

[0009]
为解决现有技术存在的上述缺陷，本发明提出了一种六边形超表面宽带高增益天
线，该天线为正六边形结构，其从上至下依次顺序包括：第一超表面单元结构层、第二超表面单元结构层、空气介质层和馈电接地层；
[0010]
所述第一超表面单元结构层和第二超表面单元结构层堆叠在一起，且第二超表面单元结构层与馈电接地层之间为非接触式地上下设置，且二者之间形成的空气腔为空气介质层；
[0011]
第一超表面单元结构层和第二超表面单元结构层均印制有多个呈六边形环绕的正六边形金属辐射贴片阵列，每个呈六边形环绕的正六边形金属辐射贴片阵列均包括多个呈六边形环绕的正六边形金属辐射贴片。
[0012]
作为上述技术方案的改进之一，所述第一超表面单元结构层和第二超表面单元结构层均为正六边形介质基板，正六边形介质基板上印制有多个呈六边形环绕的正六边形金属辐射贴片阵列；
[0013]
以正六边形介质基板的中部印制的正六边形金属辐射贴片为中心，由该中心向正六边形介质基板的边缘，每个呈六边形环绕的正六边形金属辐射贴片阵列中的正六边形金属辐射贴片的尺寸，逐渐减小；且每个正六边形金属辐射贴片阵列中的多个正六边形金属辐射贴片的尺寸均相同。
[0014]
作为上述技术方案的改进之一，所述正六边形介质基板的介电常数为ε
r
＝3.55；损耗角正切值为δ＝0.0027；厚度h＝1.52mm；六边形基板对角线上的相邻贴片间隙g＝1mm
±
0.1mm。
[0015]
作为上述技术方案的改进之一，所述空气介质层的厚度hair＝1
±
0.1mm。
[0016]
作为上述技术方案的改进之一，所述馈电接地层为馈电介质基板，其上层印制多枝节缝隙，其下层印制末端为开扇形的矩形金属馈电微带线。
[0017]
作为上述技术方案的改进之一，金属馈电微带线的长度为l
f
＝37.5mm
±
0.5mm，金属馈电微带线的宽度为w
f
＝2mm
±
0.2mm，金属馈电微带线的末端的开扇形的张角θ＝120
°±1°
，其扇形半径r＝2.5mm
±
0.25mm。
[0018]
作为上述技术方案的改进之一，所述馈电接地层的厚度h1＝0.813mm。
[0019]
本发明与现有技术相比的有益效果是：
[0020]
1、本发明的高增益天线，采用了非均匀分布的超表面，其阻抗带宽范围扩展到3.99～6.93ghz，相对阻抗带宽为54％，相较于均匀分布的超表面结构带宽增加了10％，大大提高了增益和宽带；
[0021]
2、本发明的一种非均匀分布尺寸渐变六边形超表面宽带高增益低剖面天线，通过采用多枝节型缝隙耦合结构和尾端开扇形的金属馈电微带线，以及结合非均匀分布、且贴片尺寸由内向外逐渐减小的超表面结构，实现增加天线邻近谐振点，从而增加天线阻抗带宽至54％，提高天线峰值增益至12.05db,降低天线剖面尺寸至4.581mm，使得天线满足宽频带，高增益，低剖面的特性，可以应用于移动通信系统，雷达导航，卫星通信等诸多领域。
附图说明
[0022]
图1是本发明的一种六边形超表面宽带高增益天线的结构示意图；
[0023]
图2是本发明的一种六边形超表面宽带高增益天线的正六边形介质基板的结构示意图；
[0024]
图3是本发明的一种六边形超表面宽带高增益天线的馈电介质基板的下层的结构示意图；
[0025]
图4是本发明的一种六边形超表面宽带高增益天线的馈电介质基板的上层的结构示意图；
[0026]
图5是图1的本发明的本发明的一种六边形超表面宽带高增益天线侧视图；
[0027]
图6是本发明的一种六边形超表面宽带高增益天线的的反射系数s11参数曲线结果图；
[0028]
图7是本发明的一种六边形超表面宽带高增益天线的天线增益曲线结果图；
[0029]
图8是本发明的一种六边形超表面宽带高增益天线在4.2ghz e面，h面方向图；
[0030]
图9是本发明的一种六边形超表面宽带高增益天线在5.2ghz e面，h面方向图；
[0031]
图10是本发明的一种六边形超表面宽带高增益天线在6.2ghz e面，h面方向图。
[0032]
附图标记：
[0033]
1、第一超表面单元结构层
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2、第二超表面单元结构层
[0034]
3、空气介质层
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4、馈电接地层
具体实施方式
[0035]
现结合附图对本发明作进一步的描述。
[0036]
本发明提供了一种六边形超表面宽带高增益天线，具体涉及一种新型非均匀尺寸渐变的六边形超表面单元结构，利用六边形贴片单元尺寸渐变改善超表面的辐射特性，并设计相应的分支型耦合缝隙，增强天线的稳定性。该天线实物测试的阻抗带宽范围是3.99～6.91ghz，相对带宽达到54％，相比现有技术，其阻抗带宽扩展了10％，并且天线的增益平坦度相较其山峰式变化改善为更加平稳的增益变化，即天线在4～6ghz频率范围内，其增益范围为9～12db，从而改善了天线的稳定性。此外该天线的剖面尺寸缩减了1mm，意味着该超表面天线是一种更宽的宽带、高增益、低剖面的高增益天线，以上的优点使得它可以应用于更加广泛的无线通信系统中。
[0037]
如图1和5所示，该天线为正六边形结构，其从上至下依次顺序包括：第一超表面单元结构层1、第二超表面单元结构层2、空气介质层3和馈电接地层4；
[0038]
所述第一超表面单元结构层1和第二超表面单元结构层2堆叠且紧贴在一起，且第二超表面单元结构层2与馈电接地层4之间为非接触式地上下设置，且二者之间形成的空气腔为空气介质层3；
[0039]
第一超表面单元结构层1和第二超表面单元结构层2均印制有多个呈六边形环绕的正六边形金属辐射贴片阵列，每个六边形环绕的正六边形金属辐射贴片阵列均包括多个呈六边形环绕的正六边形金属辐射贴片。
[0040]
其中，空气介质层3的厚度为hair＝1mm；馈电接地层4的厚度为h1＝0.813mm。
[0041]
其中，如图2所示，所述第一超表面单元结构层1和第二超表面单元结构层2均为正六边形介质基板，正六边形介质基板上印制有多个呈六边形环绕的正六边形金属辐射贴片阵列；
[0042]
以正六边形介质基板的中部印制的正六边形金属辐射贴片为中心，由该中心向正六边形介质基板的边缘，每个呈六边形环绕的正六边形金属辐射贴片阵列中的正六边形金
属辐射贴片的尺寸，逐渐减小；且每个正六边形金属辐射贴片阵列中的多个正六边形金属辐射贴片的尺寸均相同。
[0043]
其中，所述六边形基板的厚度为h＝1.52mm，其对角线上的相邻贴片间隙g为1mm，将具有相同尺寸的正六边形金属辐射贴片的多个几何中心相连，形成一个六边形结构，如图1所示，每个六边形结构代表一个正六边形金属辐射贴片阵列；
[0044]
每个呈六边形环绕的正六边形金属辐射贴片阵列中的正六边形金属辐射贴片的个数是不同的，且离该中心越远的呈六边形环绕的正六边形金属辐射贴片阵列中的正六边形金属辐射贴片的尺寸越小，正六边形金属辐射贴片的个数也越多，即由内向外，正六边形金属辐射贴片的尺寸逐渐减小，正六边形金属辐射贴片的个数越来越多，这种非均匀分布、且呈六边形环绕的结构可以产生多个相邻谐振点，从而展宽天线阻抗带宽，并且不同的间隙，也可以使天线的整个频带增益变化幅度变小。
[0045]
本发明的天线中堆叠设置的两层大小相同的正六边形介质基片，正六边形金属辐射贴片的尺寸渐变关系为：
[0046]
w
n+1
＝w
n
+d
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0047]
其中，w
n
为从基板中心n＝1处向外扩散的正六边形金属辐射贴片的宽度；d为与之相邻的正六边形金属辐射贴片的尺寸差，即均匀分布时d＝0，非均匀分布时d≠0，由于本发明的径向方向上的正六边形金属辐射贴片之间的尺寸差不为0，因此设置d＝1。
[0048]
如图2所示，在本实施例中，正六边形介质基板上印制有3个呈六边形环绕的正六边形金属辐射贴片阵列，以中部所设置的正六边形金属辐射贴片为中心，两侧的正六边形金属辐射贴片的尺寸依次减小，且最内侧的六边形环绕的正六边形金属辐射贴片阵列中的6个正六边形金属辐射贴片的尺寸是相同的，中间侧的六边形环绕的正六边形金属辐射贴片阵列中的12个正六边形金属辐射贴片的尺寸是相同的，最外侧的六边形环绕的正六边形金属辐射贴片阵列中的18个正六边形金属辐射贴片的尺寸是相同的，最外侧的六边形环绕的正六边形金属辐射贴片阵列中的正六边形金属辐射贴片的个数最多，尺寸最小。其中，如图2所示，位于中心处的正六边形金属辐射贴片的宽度w1＝11
±
1mm；最内侧的正六边形金属辐射贴片的宽度w2＝10
±
1mm；中间侧的正六边形金属辐射贴片的宽度w3＝9
±
1mm；最外侧的正六边形金属辐射贴片的宽度w4＝8
±
1mm。
[0049]
多个呈六边形环绕的正六边形金属辐射贴片阵列，作为周期性网格排列组成的超表面，通过传输线模型分析，可以将其等效于电容特性的辐射表面，可以使天线产生两个相邻的谐振频率，并在这两个频点以不同的传输模式达到谐振，从而展宽带宽。本文提出的这种周期性六边形超表面，也可以等效为电容特性的辐射表面，并且非均匀分布能产生三个谐振点，如图6所示，通过观察分析天线测试结果，发现非均匀分布超表面具有更好的宽带和高增益特性。不难看出非均匀超表面天线在低频处产生谐振点，这是因为贴片尺寸的渐变改变了整个辐射表面的阻抗特性，正六边形介质基板的中心设置的最大的正六边形金属辐射贴片对应低频波长长，基板边缘小尺寸贴片对应高频波长短，并且这种通过缝隙耦合的馈电方式也使得处在基板中心处的大尺寸贴片的表面电流高于靠近边缘处的小尺寸贴片表面电流，导致天线低频增益大于高频增益。
[0050]
如图3所示，所述馈电接地层4为馈电介质基板，其上层印制多枝节缝隙，即多枝节缝隙的接地金属，其下层印制末端开扇形的金属馈电微带线。
[0051]
金属馈电微带线起始端中心和正六边形介质基板的中心对齐，金属馈电微带线的长度为l
f
＝37.5mm，金属馈电微带线宽度为w
f
＝2mm，金属馈电微带线的末端的扇形张角θ＝120
°
，其扇形半径r＝2.5mm。
[0052]
如图4所示，馈电介质基板的上层印制的多枝节缝隙与正六边形介质基板上印制的正六边形金属辐射贴片之间的缝隙重合，以达到最好的耦合效果，因此利用非均匀分布的正六边形金属辐射贴片和一个长为l
s
＝10
±
0.5mm，宽为w
s
＝27
±
0.5mm的矩形金属馈电微带线进行布尔运算相减，得到接地板耦合缝隙图案，相当于将正六边形金属辐射贴片之间缝隙截取部分缝隙，并将其印制在馈电介质基板的上层，使其与正六边形介质基板上印制的正六边金属辐射贴片之间的缝隙重合，所截取的缝隙尺寸的长为l
s
＝10mm，宽为w
s
＝27mm，形成多枝节缝隙。
[0053]
本发明的天线的整体尺寸为1.25λ0×
1.44λ0×
0.08λ0(λ0是中心频率在自由空间中的波长)。本发明设计的超表面天线增益变化曲线结果图，如图7所示，可以看出天线的峰值增益为12.02db，并且拥有良好的增益平坦度，即天线在4.1～5.9ghz范围内，增益范围为9～12db，相较于均匀分布的超表面天线增益从7db逐渐升高到11.5db，然后迅速降到7.5db，增益平坦度改善了很多。同时本发明的超表面天线剖面高度仅为4.853mm,相较于现有的天线剖面尺寸减少了1mm，验证了该天线拥有宽带，高增益，低剖面的性能，从而使超表面天线的应用范围更加广泛。
[0054]
本发明的超表面天线阻抗带宽范围内三个代表性频点的e面和h面方向图，如图8所示，4.2ghz天线e面方向图3db波束宽度为46
°
，4.2gz天线h面方向图3db波束宽度为64
°
；如图9所示，5.2ghz天线e面方向图3db波束宽度为30
°
，5.2ghz天线h面方向图3db波束宽度为42
°
；如图10所示6.2ghz天线e面方向图3db波束宽度为33
°
，h面方向图3db波束宽度为47
°
。可以看出高频时天线出现多波束形状方向图，这是由于非均匀超表面单元以及耦合缝隙共同对天线辐射特性的影响，因此，本发明的超表面天线在4.2ghz、5.2ghz、6.2ghz三个频点都显示出了较宽的波束宽度辐射特性。
[0055]
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。