一种基于超材料的宽带天线

1.本发明涉及移动通信技术领域，更具体地说，它涉及一种基于超材料的宽带天线。


背景技术：

2.现代无线通信系统经历了几十年的发展，用户的体验也得到了很大的提升。现代无线通信系统发展至今，4g网络已经得到了很好的普及，5g通信逐渐成为了如今无线通信系统的热点。4g工作在2300mhz-2690mhz频段，5g的sub-6g频段则为3300mhz-3600mhz和4800mhz-5000mhz，使4g和5g两个移动通信制式共存在一起，对于实现基站天线的宽带化、多频化的需求有很大的意义。
3.双极化天线提供极化分集以减少多径衰落的副作用，还可以增加信道容量。双极化天线可以实现天线的宽带化，与此同时，关于使用超材料实现天线宽带化的研究已经得到广泛的关注。在现有的技术中，可通过加载超材料表面来实现天线的小型化、宽带化、多频化。它具有周期性结构，对于入射的电磁波而言具有优良的反射和辐射特性，但是选择合适的超材料表面单元结构是一个重要的问题。
4.中国发明专利(cn113488761a)公开了一种5g宽带双极化基站天线，该发明将两个t型馈电线与馈电同轴线的一端连接，馈电同轴线的另一端与金属反射板连接，从而实现馈电，通过金属反射板来降低后向辐射，从而提高天线增益；通过金属挡板增加增益及控制波束宽度。但是该发明的工作频带仅仅为3.3-5ghz，所以不能满足现代移动通信小型化、多频化的实际应用要求。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种基于超材料的宽带天线，通过将超材料表面与天线加载在同一块介质板上，可以使得天线结构上变得简单，同时通过天线与超材料表面进行耦合，产生一个新的谐振模式，从而拓宽工作频带，同时位于天线上方的超材料表面改变天线的辐射特性，使增益增加，解决天线高度降低后带来的阻抗匹配变差的问题。该基于超材料的宽带天线能够用于4g、5g的工作频段。
6.本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种基于超材料的宽带天线，包括介质板，所述介质板顶面印刷有表面集和两条钳形微带馈电线，所述介质板的底面印刷有四个天线辐射贴片和四条寄生贴片；所述表面集由多个形状为l型的超材料表面构成，多个所述超材料表面环绕辐射贴片排布；
7.所述介质板内设有两根金属短路柱，两条所述钳形微带馈电线交叉分布，且其中一条所述钳形微带馈电线位于交叉位置与两个金属短路柱连接实现过桥处理；
8.所述介质板的正下方设有顶部开口金属反射腔，所述金属反射腔的底部固定设有两根同轴线；两根所述巴伦的顶部与天线辐射贴片连接；所述同轴线包括内芯和包裹在内芯表面的外导体；两个所述外导体的顶部均与介质板的底面固定连接，两个所述内芯的顶部穿过介质板并与钳形微带馈电线的端部分别连接。
9.本发明进一步设置为：所述金属反射腔的底面为正方形，所述金属反射腔的侧壁中间位置开口且向外设有水平反射板。
10.本发明进一步设置为：四条所述寄生贴片均为矩形，且四条所述寄生贴片沿介质板的几何中心处环形分布。
11.本发明进一步设置为：所述宽带天线高度小于其工作中心频率的0.25倍波长。
12.本发明进一步设置为：所述天线辐射贴片边沿为不规则锯齿形。
13.综上所述，本发明具有以下有益效果：
14.1、本发明通过增加四片寄生贴片，增加电流路径，有效改善天线的匹配阻抗，实现了宽带天线的宽带化；
15.2、本发明通过将超材料表面加载于介质板顶面，实现了超材料表面与天线集成在一块介质板的小型化；
16.3、本发明通过将金属反射板中间开口，有效解决交叉极化过大的问题，并且在开口处加一小段水平反射板提高增益；
17.4、超材料表面有效增强天线的辐射特性，提高了天线的增益；
18.5、通过设置钳形微带馈电线，增大了微带馈电线对于天线辐射贴片的馈电面积，有效地改善了阻抗匹配，增加带宽；
19.6、在降低天线的高度时，会造成阻抗不匹配的问题，本发明提出的一种基于超材料的宽带天线实现了更低的高度和更宽的工作带宽，从而利于实现4g和5g频段共存的问题；
20.7、本发明的相对带宽可以达到74％，实现了宽带天线的宽带化；
21.8、本发明平均增益大于9dbi，实现了宽带天线的高增益。
附图说明
22.图1是本发明实施例中一种基于超材料的宽带天线的立体图；
23.图2是本发明实施例中介质板的结构示意图；
24.图3是本发明实施例中一种基于超材料的宽带天线在2300mhz-5000mhz频段的驻波比曲线；
25.图4是本发明实施例中一种基于超材料的宽带天线在2300mhz-5000mhz频段的增益曲线。
26.图中：1、介质板；2、天线辐射贴片；3、内芯；4、外导体；5、金属反射腔；6、巴伦；7、寄生贴片；8、超材料表面；9、钳形微带馈电线；10、金属短路柱；11、水平反射板。
具体实施方式
27.以下结合附图1-4对本发明作进一步详细说明。
28.实施例：一种基于超材料的宽带天线，如图1、图2所示，包括介质板1，介质板1顶面印刷有表面集和两条钳形微带馈电线9，介质板1的底面印刷有四个天线辐射贴片2和四条寄生贴片7，表面集由20个形状为l型的超材料表面8构成，20个超材料表面8如图1所示环绕辐射贴片2排布；超材料表面8整体的周期结构对于天线辐射贴片2发射出的电磁波具有特定的散射特性，可以提高增益，调节方向图；并且单个的超材料表面8单元则可以看成特殊
形状的小型谐振贴片，不同位置的谐振贴片可以产生不同的电流路径，从而可以有效地拓展天线的工作带宽，对于各个l型超材料表面进行等间距分布则是为了有效控制谐振模式的位置，是实现宽带天线的关键之处。
29.介质板1的底面印刷有四个天线辐射贴片2和四条寄生贴片7；四条天线辐射贴片2边沿为不规则锯齿形，并且按照如图2所示的方式进行排布，天线辐射贴片2的电流在贴片边缘分布最密集，不规则锯齿形的天线辐射贴片2可以改变电流路径，有效拓展工作带宽；介质板1内固定安装两根金属短路柱10，两条钳形微带馈电线9交叉分布，且其中一条钳形微带馈电线9位于交叉位置与两个金属短路柱10连接实现过桥处理；
30.介质板1的正下方设有顶部开口金属反射腔5，金属反射腔5的底部固定设有两根同轴线；两根巴伦6的顶部与天线辐射贴片2连接，巴伦6用于调节阻抗匹配和减小交叉极化，将巴伦6放置在天线辐射贴片2中间，可以有效调节低频处谐振模式的位置，从而改善阻抗匹配；同轴线包括内芯3和包裹在内芯3表面的外导体4；两个外导体4的顶部均与介质板1的底面固定连接，两个内芯3的顶部穿过介质板1并与钳形微带馈电线9的端部分别连接，这样可以对微带馈电线有效地进行馈电，同时避免同轴线外导体4与天线辐射贴片2相接触，这样可以保证微带馈电线与天线辐射贴片2之间以耦合馈电的方式实现能量的传输，从而可以达到拓展工作带宽的效果。
31.本实施例优选的，金属反射腔5的底面为正方形，金属反射腔5的侧壁中间位置开口且向外设有水平反射板11，用以反射电磁波，控制波束宽度，增大增益。
32.本实施例优选的，四条寄生贴片7均为矩形，且四条寄生贴片7沿介质板1的几何中心处环形分布。
33.本实施例优选的，宽带天线高度小于其工作中心频率的0.25倍波长。
34.从图3和图4中可以看出，驻波比在工作频段小于1.5，平均增益在9dbi以上，实现了宽带天线的宽频带和高增益的特点。
35.本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。