基于超构表面的宽带高增益天线阵列

1.本发明属于缝隙天线技术领域，涉及基于超构表面的宽带高增益天线阵列。


背景技术：

2.在过去几十年里平面天线由于其外形美观、易于集成等优点，得到了广泛的应用。然而，他们总是存在着增益较低的问题。以往的研究提出了很多方法提高贴片天线的增益。最常用的方法是在增加平面天线轮廓的同时增加介质板厚度。除了低阶模外，研究人员还关注高阶模，高阶模往往具有高增益。在贴片的适当位置引入缝隙，以抑制其旁瓣。具有特定介电常数的超层或介质层也有助于获得高增益。
3.近年来，基于超材料的天线被广泛应用以获得高指向性。与三维(3d)超构材料相比，由电小表面散射体组成的二维超构表面具有结构紧凑、损耗低、制备方便等优点。因此，超构表面在过去的几年里有了更多的普遍性和越来越多的关注。很多研究学者提出了各种类型的超构表面来提升天线系统的性能，比如相位梯度超构表面的透射透镜天线、聚焦传播平面波的超构表面。超宽带极化转换超构表面，它也可以实现高增益等等。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种基于超构表面的宽带高增益天线阵列，提高了现有缝隙天线的增益，展宽工作带宽。
5.本发明所采用的技术方案是，基于超构表面的宽带高增益天线阵列，包括上层介质板和下层介质板，上层介质板的顶部设置由2
×
2个子阵组成金属贴片超构表面阵列，每个子阵上设置有16个金属贴片，16个金属贴片在上子阵内呈4
×
4对角分布，下层介质板的顶部设置有金属地板，金属地板中心刻蚀4个带有对称枝节的长条形缝隙，4个缝隙同相对称放置，缝隙位于超构表面子阵的正下方，下层介质板的底部设置有微带馈电功分移相网络，微带馈电功分移相网络的馈电线终端与50ω的sma接头相连。
6.本发明的特点还在于：
7.缝隙的辐射零点附近对称加载有两个短枝节。
8.16个金属贴片按对角型分布，轴向距离相同。
9.4个超构表面子阵同相对称放置。
10.4个馈电端口同相放置，相邻端口幅度相同。
11.本发明的有益效果是：本发明基于超构表面的宽带高增益天线阵列，提高了现有缝隙天线的增益，展宽工作带宽。引入多模谐振理论，展宽天线带宽，超构表面位于辐射天线的顶部，16个金属单元按对角型分布，轴向距离相同，进一步提高增益。4个子阵对称分布，组成2
×
2阵列，进一步提高增益。
附图说明
12.图1是本发明基于超构表面的宽带高增益天线阵列中子阵的结构示意图；
13.图2是本发明基于超构表面的宽带高增益天线阵列中s参数随频率变化曲线；
14.图3是本发明基于超构表面的宽带高增益天线阵列中增益随频率变化曲线；
15.图4是本发明基于超构表面的宽带高增益天线阵列在5ghz时增益方向图随频率变化曲线；
16.图5是本发明基于超构表面的宽带高增益天线阵列中5ghz时表面电流分布；
17.图6是本发明基于超构表面的宽带高增益天线阵列的结构示意图；
18.图7是本发明基于超构表面的宽带高增益天线阵列中s参数随频率变化的仿真实测曲线；
19.图8是本发明基于超构表面的宽带高增益天线阵列中增益随频率变化的仿真实测曲线；
20.图9是本发明基于超构表面的宽带高增益天线阵列中5ghz时e面方向图的仿真实测曲线；
21.图10是本发明基于超构表面的宽带高增益天线阵列中5ghz时h面方向图随频率变化的仿真实测曲线；
具体实施方式
22.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
23.本发明基于超构表面的宽带高增益天线阵列，如图1所示，包括上层介质板和下层介质板，上层介质板的顶部设置由2
×
2个子阵组成金属贴片超构表面阵列，每个子阵上设置有16个金属贴片，16个金属贴片在上子阵内呈4
×
4对角分布，下层介质板的顶部设置有金属地板，金属地板中心刻蚀4个带有对称枝节的长条形缝隙，4个缝隙同相对称放置，缝隙位于超构表面子阵的正下方，下层介质板的底部设置有微带馈电功分移相网络，微带馈电功分移相网络的馈电线终端与50ω的sma接头相连。缝隙的辐射零点附近对称加载有两个短枝节。引入了额外的辐射模式，有效的展宽了天线的工作带宽。16个金属贴片按对角型分布，轴向距离相同。4个超构表面子阵同相对称放置。4个馈电端口同相放置，相邻端口幅度相同。宽带功分网络由匹配线和3个t型功分器构成。
24.本发明基于超构表面的宽带高增益天线阵列，由两层介质板和三层金属面组成，上层介质板的顶部放置有16个对角分布金属贴片单元，将位于一三象限的8个单元旋转180
°
，形成新型超构表面单元分布。下层介质板的顶部设置有金属地板，金属地板中心刻蚀带有对称枝节的长条形缝隙，下层介质板的底部设置有微带馈电线，馈电线终端与50ω的sma接头相连。天线由多模缝隙天线进行馈电,两个短枝节与对称添加在缝隙的辐射零点附近，引入了额外的辐射模式，有效的展宽了天线的工作带宽。
25.本发明基于超构表面的宽带高增益天线阵列，介质板采用两块的介电常数为3.38的rogers 4003c介质板，厚度分别为h1和h2，介质板尺寸l1×
l1，16个的对角分布金属贴片单元位于上层介质板顶面，金属地板位于下层介质板顶面，两层介质板之间无空隙。金属地板中心刻蚀带有对称枝节的长条形缝隙，下层介质板的底部设置有微带馈电线。本发明基于超构表面的宽带高增益天线阵列的宽带圆极化基片集成波导谐振腔天线采用侧向馈电，共有1个馈电端口，馈电线终端与50ω的sma接头相连。
26.本发明基于超构表面的宽带高增益天线阵列，传统的缝隙耦合辐射天线也有不足
的地方，其中表现最突出的就是工作带宽窄，后向辐射大，增益低的问题，本发明基于超构表面的宽带高增益天线阵列在馈电部分引入多模谐振理论，展宽天线带宽。其次在辐射天线的顶部加载超构表面，同时改变超构部分单元旋向，进一步提升增益性能。
27.图2给出了天线子阵s参数随频率变化曲线，可以看出由于辐射缝隙采用多模谐振技术，工作带宽得到了明显的提升，仿真的阻抗带宽为1.7ghz(4.3-6ghz)。从图3中看到天线子阵在整个工作频带内增益稳定，增益浮动2dbi。满足3db增益带宽的要求。从图4中看到天线子阵在提升增益的同时，保持了较低的副瓣，后向辐射可控。为了进一步说明通过改进超构表面提升天线增益的原理。图5给出了超构单元表面电流分布图。因为4
×
4的单元完全相同，所以在同一相位电流的指向基本相同，那么将位于一三象限的8个单元旋转180
°
，二四象限的单元电流指向不变，而一三象限的单元指向也随着单元的旋转而发生改变，从图5中可以看到明显的电流方向的变化，电流的叠加作用引起了电流强度的增加，从而导致了辐射能量的增强，最终引起增益的提升。
28.宽带高增益天线阵列结构图如图6所示，天线阵列依然由两层介质板和三层金属面构成，和单元有相似的结构，阵元间距为m，为了减小尺寸，阵元之间的间距比较相近，同时正是因为siw谐振腔能够有效抑制能量的泄露，相邻阵元之间耦合较小，很多学者前期的工作也证明了这一点，所以m可以尽可能的小，所以本发明基于超构表面的宽带高增益天线阵列进一步的实现了天线的小型化。蓝色部分是馈电网络结构，为减少设计的难度，提高可用性，阵列的馈电网络由传统1分4等幅同相功分器组成。
29.图7给出了s参数随频率变化的仿真实测图，从图7中可以看出，天线的仿真工作带宽分别为2.15ghz(3.95-6.1ghz)，而实测带宽为2.1ghz(4-6.1ghz)。仿真结果与实测结果的差异主要是由于加工误差和焊缝质量造成的。图8给出了增益随频率变化的仿真实测图，可以看到因为组阵的影响，天线阵列对比与子阵，增益有大概3db的提升，这符合阵列天线的基本理论，说明本发明基于超构表面的宽带高增益天线阵列并没有出现栅瓣影响整天阵列的性能。同时高增益阵列在工作频带内增益变化范围是10.4-14.2dbi，在3.95-5.75ghz范围内增益从浮动范围0.9dbi，仿真增益曲线的变化趋势和子阵基本相似，进一步验证本发明基于超构表面的宽带高增益天线阵列的正确性。仿真和实测增益的吻合度较好，稳定性较高。图9和10分别给出了高增益天线阵列工作在5ghz时的e面和h面的仿真和实测方向图曲线，可以看出仿真和实测的相似度较高，特别是主瓣的吻合度很好，差异主要来自于测试环境的影响以及加工误差。
30.本发明基于超构表面的宽带高增益天线阵列，包括两层介质板和三层金属面，上层介质板的顶部放置由2
×
2个子阵组成金属贴片超构表面阵列，每个子阵有16个的对角分布金属贴片单元，呈4
×
4分布，下层介质板的顶部设置有金属地板，金属地板中心4个刻蚀带有对称枝节的长条形缝隙，4个缝隙同相对称放置，每个缝隙位于超构表面子阵的正下方，下层介质板的底部设置有微带馈电功分移相网络，馈电线终端与50ω的sma接头相连。基于超构表面的宽带高增益天线阵列，提高了传统缝隙天线的增益，展宽工作带宽。引入多模谐振理论，展宽天线带宽，超构表面位于辐射天线的顶部，16个金属单元按对角型分布，轴向距离相同，进一步提高增益。4个子阵对称分布，组成2
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2阵列，进一步提高增益。
31.本发明基于超构表面的宽带高增益天线阵列，提高了现有缝隙天线的增益，展宽工作带宽。入多模谐振理论，展宽天线带宽，超构表面位于辐射天线的顶部，16个金属单元
按对角型分布，轴向距离相同，进一步提高增益。4个子阵对称分布，组成2
×
2阵列，进一步提高增益。