基于小型化频率选择表面的高增益超宽带天线

1.本发明涉及无源器件中天线技术领域，尤其涉及集成频率选择表面的超宽带天线。


背景技术：

2.自从2002年，3.1~10.6ghz这一频率范围被划定为超宽带民用频段，超宽带技术因其所具备的低功耗、高数据传输速率及宽频带等优点在个人局域网、传感器网络、医疗成像、脉冲雷达和探测雷达等领域得到了广泛的应用，因此超宽带天线是通信系统中不可或缺的一部分。在一些实际应用场景中，超宽带天线的全向辐射特性并不是必要的，因为后向辐射的电磁波意味着能量的损失，而具有定向辐射特性的高增益超宽带天线更符合实际应用需求。因此，如何在保持宽频带特性的前提下提高超宽带天线的增益和方向性成为研究的重点。
3.频率选择表面是一种由周期性排列的金属单元，或者是由周期性开孔的金属单元构成的一种二维周期结构，可以把其看成一种滤波器。它本身不吸收能量，但对入射的电磁波具有反射或透射性质，所以具有频率和极化选择性。自上个世纪以来，许多研究人员对其进行了深入的研究，它被广泛应用于天线罩、天线反射面、吸波材料和极化变换器等领域。目前反射型频率选择表面的结构主要有环形、方形、矩形贴片形及耶路撒冷形等，其反射电磁波的性能主要受到单元结构的尺寸大小、入射电磁波的角度以及介质板参数等因素的影响。
4.将频率选择表面与超宽带天线集成，不仅可以利用其反射电磁波的特性来提高天线的增益和方向性，同时还能够起到拓展带宽的作用。
5.例如申请公布号为cn 108767482 a的中国发明专利公开了一种应用于超宽带天线的频率选择表面结构，包括介质支撑层，在介质支撑层上贴附有金属单元层；金属单元层由一个或多个金属单元结构组成，每个所述金属单元结构均包括正四边形环状内贴片和正四边形环状外贴片，但是此结构体积大不易于与小型通信系统集成。


技术实现要素：

6.本发明的目的是将频率选择表面与超宽带天线进行集成，用于解决超宽带天线增益低和全向辐射所导致的能量损失等问题，使其满足实际工程应用的需要。同时，还对所提出的频率选择表面结构做了优化处理，优化后的结构可以集成到小型通信系统之中，更好的实现小型化。
7.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的，基于小型化频率选择表面的高增益超宽带天线，包括频率选择表面、超宽带天线，所述超宽带天线为单级子超宽带天线，所述频率选择表面设置于超宽带天线的正下方，频率选择表面与超宽带天线之间的距离等于反射相位零点所对应的频率点波长的一半，所述频率选择表面的尺寸大于超宽带天线的尺寸；所述频率选择表面包括若干个频率选择表面单元结构；所述频率选择表面单元结构包
括介质板、金属单元，金属单元印刷在介质板表面。
8.优选的，所述超宽带天线包括 介质基板、辐射贴片、矩形微带馈线、接地板；所述辐射贴片与矩形微带馈线相连接并位于介质基板上表面，所述接地板位于介质基板下表面；所述超宽带天线的接地板面设有矩形槽；所述超宽带天线的接地面上边缘设有矩形槽。
9.优选的，所述矩形槽的宽为2.6~3.4mm，所述矩形槽的长为3.2~4mm。
10.优选的，所述辐射贴片为圆形。
11.优选的，所述频率选择表面单元结构包括第二介质板、第一金属层、第二金属层，所述第二介质板的顶部印刷有第一金属层，所述第二介质板底部印刷有第二金属层，所述第一金属层与第二金属层均为环形结构，所述第一金属层与第二金属层的外周长相等且不超过第二介质板的周长，所述第一金属层的内周长大于第二金属层的内周长。
12.优选的，所述第一金属层与第二金属层均方环形结构，，所述第二介质板的尺寸为8.5
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8.5mm，所述第一金属层与第二金属层的外边长为7.75~8.25 mm，所述第一金属层的内边长为6.75~7.25 mm，所述第二金属层的内宽为3.5~5.5mm，第二金属层的内长为6~7mm。
13.频率选择表面单元结构还可以是包括第一介质板、一对嵌套方形环、一对金属贴片的结构，所述第一介质板顶部印刷有一对嵌套方形环，一对嵌套方形环包括外环和内环，所述外环与内环同心且无接触，外环与内环通过对称分布金属贴片连接；一对金属贴片2对称焊接至外环与内环之间，嵌套方形环之间添加的两个金属贴片可以看作两根导线，使得结构连接形成一个整体，增加其表面的电流路径，从而起到拓展阻带带宽(覆盖超宽带频段)的作用，起到增加电流路径拓展带宽的作用，该结构的阻带带宽为3.08~11.32ghz。
14.虽然这种结构已经能够用于提高超宽带天线的增益，但体积大不易于与小型通信系统集成等问题仍限制其进一步发展。在此基础上，利用双层加载的设计思想，在第二介质板顶部和底层分别印刷形状相似结构不同的金属层，相当于引入两个不同的谐振单元，第二介质板相当于一段传输线，起到分隔和连接的作用。该结构的尺寸大小为8.5mm
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8.5mm，与在第一介质板表面印刷嵌套方形环的结构相比，尺寸将近缩小30%，阻带带宽为3.1~11.32ghz。第一介质板、第二介质板均为fr-4介质板。
15.将两种频率选择表面单元结构分别组成两个6
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6阵列频率选择表面，可以用塑料支撑体将超天线宽带固定于频率选择表面的正上面，使得频率选择表面能够充分反射其后向辐射的电磁波；频率选择表面使超宽带天线后向辐射减少，超宽带天线的方向性增强。
16.本发明具有以下有益效果：（1）本发明设计的频率选择表面单元结构利用双层加载的设计思想，在介质板顶部和底层分别印刷形状相似结构不同的金属层，相当于引入两个不同的谐振单元，介质板相当于一段传输线，起到分隔和连接的作用，使得结构体积小，尺寸将近缩小30%，不仅提高天线的增益和方向性，还解决体积大不易于与小型通信系统集成等问题。
17.（2）本发明将设计的频率选择表面单元结构组成两个6
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6阵列，与一个简单的单极子超宽带天线进行集成，并使用电磁仿真软件hfss进行仿真分析。由仿真结果可知，单极子超宽带天线与频率选择表面阵列集成之后增益提高了5-6db，方向性得到增强，由全向辐射转变为定向辐射，能量朝一个方向集中，避免了能量损失问题。这表明提出了结构能够很好的提高超宽带天线的增益增强方向性，同时改该结构可以更好的与小型无线通信集成，满足小型化应用需求。
10.6ghz)的阻带带宽以及在频带范围内线性下降的反射相位曲线，如图2所示。其中嵌套方形环由一对金属贴片连接，一对金属贴片可以看作两根导线，使得结构连接形成一个整体，起到增加电流路径拓展带宽的作用，从而起到拓展阻带带宽(覆盖超宽带频段)的作用，能够实现更宽的阻带和稳定的反射相位曲线，该结构的阻带带宽为3.08~11.32ghz。
25.图2是第一种频率选择表面单元结构设计过程中对应的传输系数和反射相位曲线示意图。一开始，两个方形环并没有使用金属贴片连接到一起，相当于两个独立的谐振单元，当电磁波入射时会产生两段独立的阻带带宽，分别为3.1-6.9ghz和8.3-11.6ghz。为了拓展单元带宽，使用一对金属贴片将两个方形环连接到一起，增加电长度，形成一个独立的谐振单元，从而产生了一段覆盖超宽带频带范围的阻带带宽(3.08~11.32ghz)。反射相位曲线是检验频率选择表面性能的重要指标之一，当反射相位曲线在频带范围内线性下降时，被频率选择表面反射的电磁波与天线直接辐射的电磁波同相位，则可以起到增强辐射提高增益的作用。结构一的反射相位曲线在带内线性下降，不同的频率对应着不同的相位，在7 ghz时的反射相位为零。
26.图3展示的是第二频率选择表面单元结构，该单元在结构一的基础上优化得到。虽然第一种频率选择表面已经能够用于提高超宽带天线的增益，但体积大不易于与小型通信系统集成等问题仍限制其进一步发展。在此基础之上，提出了第二种结构的设计方法：利用双层加载的设计思想，在第二介质板6的顶部印刷第一金属层3，在第二介质板6的底部印刷第二金属层4，第一金属层3与第二金属层4同心，第一金属层3与第二金属层4均为方环形结构，所述第二介质板6的尺寸为8.5
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8.5mm，所述第一金属层3与第二金属层4的外周长相等且不超过第二介质板6的周长，所述第一金属层3的内周长大于第二金属层4的内周长。第一金属层3与第二金属层4的外边长为7.75~8.25 mm，第一金属层3的内边长为6.75~7.25 mm，第二金属层4的内宽为3.5~5.5mm，第二金属层4的内长为6~7mm。使得结构体积小，实现小型化，该结构的尺寸大小为8.5mm
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8.5mm，与第一个结构相比，尺寸将近缩小30%，阻带带宽为3.1~11.32ghz。
27.图4是第二频率选择表面单元结构对应的传输系数和反射相位曲线。第一金属层的外环尺寸为8.25 mm
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8.25 mm，第一金属层的内环尺寸为7.25mm
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7.25mm，第二金属层的外环尺寸为8.25 mm
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8.25 mm，第二金属层的内环尺寸为5.5mm
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7mm。由图可知，两层金属层可以产生两段阻带带宽，分别为3.4~6.7ghz和5.6~11.8ghz，两段独立的带宽通过第二介质板6连接形成一段覆盖3.1~11.32ghz的超宽阻带带宽。同时，反射相位在频带范围内呈现出线性下降趋势。
28.图5是超宽带天线结构图，该单极子超宽带天线包括介质基板、圆形辐射贴片7、矩形微带馈线8、接地板；辐射贴片可以为其他形状，所设计出来的天线能够满足3.1-10.6ghz的带宽以及稳定的全向辐射方向图等指标要求。所述圆形辐射贴片7与微带馈线8相连接并位于介质基板上表面，所述接地板位于介质基板下表面；结构简单，易于制造，为了达到更好的阻抗匹配效果，在天线背部的接地面上边缘挖去一个矩形槽9，矩形槽的尺寸范围为(2.6mm~3.4mm)
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(3.2mm~4mm)；从而展宽带宽，改善天线各项性能，如：带宽、驻波比、增益以及辐射稳定性等。
29.图6是超宽带天线的反射系数曲线，由图可知，在超宽带天线的接地面挖掉一个矩形槽后，矩形槽的尺寸为3mmx3.6mm，能实现更好的阻抗匹配效果，有效的拓展天线的工作
带宽，天线的带宽从原来的3.6-7.8ghz拓展至3.3-12ghz，完全覆盖超宽带频段。
30.图7是将超宽带天线与频率选择表面阵列集成后的示意图。左边为超宽带天线与第一种频率选择表面单元结构集成，将第一种频率选择表面单元结构在水平方向紧密相连并以6
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6阵列组成第一种频率选择表面，然后加载于超宽带天线的正下方；右边为超宽带天线与第二种频率选择表面单元结构集成，将第二种频率选择表面单元结构在水平方向紧密相连并以6
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6阵列组成第二种频率选择表面，然后加载于超宽带天线的正下方；两种结构均可用于反射天线后向辐射电磁波，避免能量损失，有效提高天线的增益，改善方向性。在集成时可用塑料支撑体将超宽带天线固定于频率选择表面的正上方，使得频率选择表面能够充分反射其后向辐射的电磁波，同时频率选择表面与超宽带天线之间距离约等于反射相位零点所对应的频率点波长的一半。
31.图8是超宽带天线增益变化曲线对比图。由图可知，没有加载反射面时，超宽带天线的平均增益为3.5db，峰值增益为5db。加载结构一后，天线的平均增益达到8.4db，与无反射面相比，天线的平均增益提高了4.9db，峰值增益达到9db。不同频率下，增益提高的效果也不同。在低频段时，增益提高的幅度更大更明显，并随着频率的提高呈现出下降趋势。同样，加载结构二后，天线在频带内也有类似的增益变化，平均增益提高到7.9db。所提出的两种结构都能实现提高增益改善方向性的作用，而且结构二尺寸比结构一小，可以集成到小型无线通信系统中，更好的实现小型化。
32.图9是天线在低频、中频和高频处的二维极坐标方向图。没有加载反射面时，超宽带天线在e面是对称双向的，在h面几乎是全向的，呈现出全向辐射模式。加载反射面后，天线的后向辐射明显减小，辐射模式由全向变为定向，方向性得到增强，两种反射面的效果相似。
33.图10是有无加载频率选择表面反射板的天线三维方向图。原始状态下，超宽带天线呈现出全向辐射模式，即360
°
均匀辐射，后向辐射意味着能量的损失；加载频率选择表面后，可以观察到，超宽带天线后向辐射明显减少，电磁波被反射板反射，能量朝一个方向集中，天线的方向性得到增强，同时，增益得到了显著的提高。
34.上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。