一种基于超表面的宽带紧凑型圆极化天线及方法

1.本发明属于圆极化天线技术领域，具体涉及宽带紧凑型圆极化天线及方法。


背景技术：

2.圆极化天线因其能够有效减小多径反射的影响、抑制雨雾等天气带来的去极化效应、消除电离层的法拉第旋转效应等特点，被广泛应用于卫星通信系统中。但随着无线系统对大信道容量的需求，多个业务系统需同时满足，宽带化已成为目前圆极化天线的主要设计目标。其中，微带贴片天线是最简单也最受欢迎的实现圆极化波的天线形式。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，其阻抗带宽与轴比带宽均较窄、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，但这些方法也存在剖面高或带宽提升有限等问题。
3.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实现宽带低剖面的圆极化天线。超表面结构在降低天线剖面、扩展轴比带宽等方面有非常大的发展前景，但其存在带宽扩展困难、结构尺寸不紧凑的问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种基于超表面的宽带紧凑型圆极化天线及方法，采用互补l型极化扭转超表面结构，通过改变拐角改善后续圆极化天线的轴比带宽，通过蚀刻缝隙实现超表面结构的极化扭转特性，具有轴比带宽宽、尺寸紧凑和结构简单的特点。
5.为达到上述目的，第一方面本发明所采用的技术方案是：
6.一种基于超表面的宽带紧凑型圆极化天线，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；所述下层介质基板上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；
7.所述超表面结构上设置有多个l型超表面单元，各l型超表面单元沿x轴方向和y轴方向阵列分布；所述l型超表面单元包括呈中心对称的两个l型贴片；所述两个l型贴片之间设置有蚀刻缝隙，且两l型贴片以蚀刻缝隙为轴线对称设置；所述蚀刻缝隙相对x轴和y轴倾斜设置。
8.优选的，所述l型贴片的拐角外侧设置为圆角。
9.优选的，所述金属地板设有一个或者两个耦合缝隙。
10.优选的，所述蚀刻缝隙相对x轴倾斜角度为45度或-45度。
11.优选的，所述馈电网络的输出端延伸至耦合缝隙；所述馈电网络的输入端设置为微带线；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。
12.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[0.001λ0,0.1λ0]；λ0为自由空间波长。
[0013]
优选的，相邻的两个l型超表面单元之间间隙宽度g0为[0.001λ0,0.02λ0]，蚀刻缝隙的宽度g1为[0.001λ0,0.02λ0]。
[0014]
优选的，l型贴片的长度w为[0.05λ0,0.2λ0]，所述l型贴片的拐角外侧的圆角半径r为[0.05λ0,0.15λ0]。
[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n
×
ls；所述耦合缝隙的总长度的范围为[0.1λg,0.6λg]，所述耦合缝隙的宽度ws的范围为[0.05λg,0.4λg]，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；ls表示为单个耦合缝隙的长度。
[0016]
优选的，微带线的宽度wf为[0.1λg1,0.5λg1]，其中λg1为下层介质基板的介质有效波长。
[0017]
第二方面本发明提供了一种基于超表面的宽带紧凑型圆极化天线的加工方法，包括：
[0018]
根据圆极化天线的轴比带宽要求，调整l型贴片的拐角外侧的圆角半径和蚀刻缝隙的宽度。
[0019]
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
[0020]
本发明中所述l型超表面单元包括呈中心对称的两个l型贴片；所述两个l型贴片之间设置有蚀刻缝隙，且两l型贴片以蚀刻缝隙为轴线对称设置；所述蚀刻缝隙相对x轴和y轴倾斜设置；l型超表面单元关于x轴和y轴方向不对称；使得超表面结构在x方向和y方向的表面阻抗不再平衡，进而能够实现超表面结构的极化扭转特性；同时本发明具有尺寸紧凑、结构简单和加工成本低的特点。
[0021]
本发明中所述l型贴片的拐角外侧设置为圆角，通过调整l型贴片的拐角外侧的圆角半径以满足圆极化天线的轴比带宽要求，使圆极化天线的加工容易、成本和重量相对较低，有利于大规模生产。
附图说明
[0022]
图1是本发明提供的一种基于超表面的宽带紧凑型圆极化天线的俯视图；
[0023]
图2是本发明实施例一提供的宽带紧凑型圆极化天线的结构图；
[0024]
图3是本发明实施例一提供的金属地板的结构图；
[0025]
图4是本发明实施例一提供的蚀刻缝隙和馈电网络的结构图；
[0026]
图5是本发明提供的三种超表面单元的结构图；
[0027]
图6是本发明图5中三种超表面单元结构的极化扭转特性对比图；
[0028]
图7是本发明中l型超表面单元的参数分析图；
[0029]
图8是本发明中基于图1的圆极化超表面天线的轴比带宽分析图；
[0030]
图9是本发明中图1的圆极化超表面天线的仿真阻抗带宽分析图；
[0031]
图10是本发明中图1的圆极化超表面天线的仿真增益分析图。
[0032]
图中：1上层介质基板、2下层介质基板、3超表面结构、4耦合缝隙、5金属地板、6微带线、7间隙、8蚀刻缝隙、9l型贴片、10拐角、11l型超表面单元。
具体实施方式
[0033]
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0034]
需要说明的是，在本发明的描述中，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发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明描述中使用的术语“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。
[0035]
实施例一
[0036]
如图1至图5所示，一种基于超表面的宽带紧凑型圆极化天线，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上设置有用于输入能量至耦合缝隙4的馈电网络；所述馈电网络的输出端延伸至耦合缝隙4；所述馈电网络的输入端设置为微带线6；所述微带线6设置于下层介质基板2远离上层介质基板1的一侧；微带线6的宽度wf为[0.1λg1,0.5λg1]，其中λg1为下层介质基板的介质有效波长。
[0037]
所述上层介质基板1远离下层介质基板2一侧设置有超表面结构3；所述超表面结构3上设置有多个l型超表面单元11，各l型超表面单元11沿x轴方向和y轴方向阵列分布；所述l型超表面单元11包括呈中心对称的两个l型贴片9；所述l型贴片9的拐角10外侧设置为圆角；所述两个l型贴片9之间设置有蚀刻缝隙8，且两l型贴片9以蚀刻缝隙8为轴线对称设置；所述蚀刻缝隙8相对x轴和y轴倾斜设置，且所述蚀刻缝隙8相对x轴倾斜角度为45度或-45度；l型超表面单元11关于x轴和y轴方向不对称；使得超表面结构在x方向和y方向的表面阻抗不再平衡，进而能够实现超表面结构的极化扭转特性。
[0038]
所述上层介质基板1和下层介质基板2的介电常数为[2.2,10.2]，上层介质基板1的厚度h1和下层介质基板2的厚度h2范围为[0.001λ0,0.1λ0]；λ0为自由空间波长；相邻的两个l型超表面单元11之间间隙宽度g0为[0.001λ0,0.02λ0]，蚀刻缝隙8的宽度g1为[0.001λ0,0.02λ0]；l型贴片9的长度w为[0.05λ0,0.2λ0]，所述l型贴片9的拐角10外侧的圆角半径r为[0.05λ0,0.15λ0]；金属地板5的边长g
l
范围为[0.3λ0,λ0]；耦合缝隙4的总长度为n
×
ls；耦合缝隙4的总长度的范围为[0.1λg,0.6λg]，耦合缝隙的宽度ws的范围为[0.05λg,0.4λg]，其中，λg为上层介质基板1的介质有效波长，n为金属地板中耦合缝隙的数量；ls表示为单个耦合缝隙的长度。
[0039]
本实施例中具体参数设置为：上层介质基板1的厚度h1为3.25mm，下层介质基板2的厚度h2为0.813mm；其中超表面结构3尺寸w1为6.4mm，相邻的两个l型超表面单元11之间间隙宽度g0为0.4mm，蚀刻缝隙8的宽度g1为0.5mm,所述l型贴片9的拐角10外侧的圆角半径r为3.4mm；金属地板5的边长g
l
为31mm；在金属地板上所开耦合缝隙4的总长度为22mm，宽度ws为1.4mm，微带线6的宽度wf为1.96mm。
[0040]
如图6所示，本实施例的超表面结构与方环超表面结构相比，本实施例的表面结构的反射系数гtm/tm幅度在一定频段内远小于-10db，表示入射波与反射波极化方向完全相反，即发生极化扭转，且圆滑互补l型超表面结构的极化扭转频段最宽，可达到45％左右。与此同时，本实施例的表面结构在5.8ghz附近，гte/tm相位曲线为90
°
，刚好在极化扭转频带
内。因此，当频率5.8ghz左右的平面入射波垂直入射该结构时，其反射波不但发生极化扭转，相位差也相差90
°
，因而入射波和反射波正交极化同时相位相差90
°
，两者的综合场便为圆极化波。
[0041]
如图7所示，对于l型超表面单元而言，可通过调节蚀刻缝隙8的宽度和l型贴片的拐角外侧的圆角半径r对极化扭转带宽进行调控。
[0042]
如图8至图10所示，本实施例中基于圆滑互补l型超表面单元的圆极化天线的轴比带宽可达32.1％(5.09～7.05ghz)左右，阻抗带宽可达47％(4.4～7.12ghz)左右，且阻抗带宽完全包含轴比带宽；此外，最大的左旋圆极化增益约为6.4dbi；天线的整体尺寸约为0.62λ0
×
0.62λ0
×
0.08λ0；由上可知，本实施例提供的宽带紧凑圆极化天线可以有效地实现宽带圆极化、结构紧凑、低剖面等特性。
[0043]
实施例二
[0044]
一种基于超表面的宽带紧凑型圆极化天线的加工方法，本实施例提供的加工方法可以应用于实施例一所述的宽带紧凑型圆极化天线，所述加工方法包括：
[0045]
根据圆极化天线的轴比带宽要求，调整l型贴片9的拐角10外侧的圆角半径和蚀刻缝隙8的宽度；通过调整l型贴片的拐角10外侧的圆角半径和蚀刻缝隙8的宽度，以满足圆极化天线的轴比带宽要求，使圆极化天线的加工容易、成本和重量相对较低，有利于大规模生产。
[0046]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。