一种宽带高增益双极化超表面天线

本发明属于天线设计领域，涉及双极化天线，具体提供一种宽带高增益双极化超表面天线。

背景技术：

1、随着雷达、通信及电子对抗的发展，不仅要求天线小型化、重量轻、宽频段、高增益要求，同时为了满足收发一体化的需求，还需要天线具有双极化特性；双极化天线能同时发射或接收两个正交极化的电磁波，因此双极化天线还能提高频谱的利用率，能够有效地对抗信道多径衰落，提高系统的抗干扰能力。

2、目前，常用的双极化形式天线主要有交叉偶极子天线、混合结构的天线以及微带贴片天线；其中，交叉偶极子天线通常采用对两个独立端口分别馈电来实现天线的极化方式，但馈电部分体积大，导致整个天线的剖面高，不易设计；混合结构的天线采用不同的结构产生不同的极化，但由于结构不对称会导致很难实现低交叉极化，微带贴片天线通过对同一层介质上的不同贴片进行馈电或者不同介质层上的不同贴片进行馈电实现极化方式，其通常具有低剖面、体积小和馈电结构简单等优点，但是带宽一般比较窄，即使通过增加介质基板厚度或者添加寄生单元来拓宽带宽也很难满足现代通信系统对天线宽频带的需求；随着超表面天线的提出，为解决微带天线存在的问题提供了新思路。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对传统双极化微带天线带宽窄的问题，提供一种宽带高增益双极化超表面天线，具有宽带、高增益的优点，且结构简单。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种宽带高增益双极化超表面天线，从上往下依次包括：超表面结构1、第一介质基板2、金属地板层3、第二介质基板4、微带馈线结构5；其中，超表面结构设置于第一介质基板的上表面，金属地板层和微带馈线结构分别设置于第二介质基板的上表面和下表面；

4、其特征在于，所述超表面结构位于第一介质基板上表面的中心位置，且关于中心线对称；超表面结构包括：呈2×2阵列排布于中心位置的四个中心正方形贴片1-3、围绕中心正方形贴片排布的八个直角梯形贴片1-1与四个边缘正方形贴片1-4、以及对应排布于直角梯形贴片1-1外侧的八个矩形贴片1-2，其中，直角梯形贴片1-1对应排布于中心正方形贴片的外侧，边缘正方形贴片1-4分别排布于四角。

5、所述中心正方形贴片1-3沿对角线开设十字缝隙，中心正方形贴片的边长为w，相邻中心正方形贴片的间距为g1，十字缝隙的宽度为s1；

6、所述直角梯形贴片1-1的下底边对应中心正方形贴片、上底边对应矩形贴片、斜腰对应边缘正方形贴片，直角梯形贴片的上底边、下底边均与相邻边缘正方形贴片的边缘齐平；直角梯形贴片的下底边的长度为w1、上底边的长度为w2、高为w，且w2为w1的七分之六；直角梯形贴片1-1与相邻中心正方形贴片1-3的间距为g1，直角梯形贴片1-1与相邻矩形贴片1-2的间距为g1，同侧直角梯形贴片的间距为g、且g＝g1+(w-w1)，直角梯形贴片的斜腰与相邻边缘正方形贴片的最小间距为g1；直角梯形贴片1-1上平行于斜腰开设第一条形缝隙，第一条形缝隙的宽度为s2，第一条形缝隙在上底边的开口距离直角腰的距离为d、且d＝0.64×w2；

7、所述矩形贴片1-2沿x轴方向的中线开设第二条形缝隙，矩形贴片的长度为w3、宽度为w4，且w>w3>w1>w2，第二条形缝隙的宽度为s4；

8、所述边缘正方形贴片1-4开设井字缝隙、并等分为九个子贴片，边缘正方形贴片的边长为w，井字缝隙的宽度为s3。

9、进一步的，金属地板层3上开设有四条相同的矩形耦合缝隙，四条矩形耦合缝隙呈正方形排布、且分别位于直角梯形贴片1-1的下方，矩形耦合缝隙平行于直角梯形贴片的底边设置、且近邻下底边。

10、进一步的，所述第一介质基板位于第二介质层正上方，且第一介质基板的厚度大于第二介质层的厚度。

11、进一步的，直角梯形贴片的上底边的长度为下底边的七分之六。

12、进一步的，微带馈线结构5由t型微带馈线结构5-1和偏t型微带馈线结构5-2构成；其中，t型微带馈线结构将第一路信号等分为两路等幅同相的信号，两路信号通过一对平行的矩形耦合缝隙为顶层的超表面结构进行耦合馈电，激励起对应位置的四个直角梯形贴片的同相电流，使其产生侧向辐射；偏t型微带馈线结构将第二路信号等分为两路等幅同相的信号，两路信号通过另一对平行的矩形耦合缝隙为顶层的超表面结构进行耦合馈电，激励起对应位置的四个直角梯形贴片的同相电流，使其产生侧向辐射。

13、本发明的原理是：为了实现双极化特性，均匀4×4超表面结构被一个t型功分网络耦合双缝隙的结构和一个偏t型功分网络耦合双缝隙的结构共同激励，其中t型功分网络通过平行于x轴的缝隙激励起x极化场，而偏t型功分网络激励起y极化场。四条缝隙分别放置在四条边沿的中间两个贴片下方，两条相互平行的缝隙分别被同相激励，因此只有在四条边沿的中间贴片上具有同相强电流的模式可以被激励。注意，把激励缝隙设置在四条边沿的中间贴片下方是为了可以更好地激励多个高次模式，从而实现宽带特性。这里以x极化为例描述天线实现宽带高增益的原理，y极化具有相似的原理，只是通带内激励模式与x极化通带内的激励模式具有正交场分布特点。均匀4×4超表面结构有两个侧向模式可以被激励起来，分别是退化的基模和高次模式1。基模在四周的中间贴片电流比较弱，因此没有办法被很好地激励；退化的基模虽然可以被激励起来，但是它在中间四个贴片、上下边沿的八个贴片上的电流与左右边沿的中间两个贴片上的电流反相，正是由于反相电流的存在导致退化的基模在侧向的增益被抵消，使得侧向增益低；高次模式1在中间四个贴片以及四个角的贴片电流与四条边沿的中间两个贴片电流反相，由于反相电流的存在导致高次模式1在侧向的增益也被降低；综上，退化的基模和高次模式1虽然都被激励起来，但是由于反相电流存在使得它们的侧向增益比较低。为了激励基模，同时提升退化的基模和高次模式1的增益，原始均匀4×4结构被优化成了变形结构1，中间四个贴片被沿对角线的十字缝隙分割成为中心正方形贴片1-3，十字缝隙同时减小了中间贴片在x方向和y方向的电长度，使得基模的最强电流从中间贴片移向了边缘贴片，从而使得基模也能被位于边缘的缝隙激励，同时，沿对角线的十字缝隙使得中间贴片与周围贴片的边保持完整，不会减小与周围贴片的能量耦合。边缘贴片由原本的正方形变为了直角梯形贴片1-1，相邻两个直角梯形的间距大于原本正方形贴片的间距，这样有利于减小该方向上电流的耦合，梯形的斜边也可以减弱与中心正方形贴片1-3的能量耦合，从而减小反相电流对于增益的影响，沿斜边的缝隙可以保持主极化电流大小的同时减小交叉极化方向的电流，优化增益与交叉极化特性。四角上的正方形贴片被井字缝隙分割为边缘正方形贴片1-4，缝隙的引入可以减小四角上贴片的反相电流，最外层引入了八个矩形贴片1-2，从而引入一个新的高次模2，拓宽天线的带宽，其上的缝隙可以减小交叉极化方向的电流，优化天线的增益与交叉极化特性。

14、综上，本发明通过在传统4×4超表面基础上增加贴片的方式引入新的一对简并高次模式，通过激励三对简并模式的方式实现宽带特性。通过在中心引入沿对角线分布的十字缝隙的方式，在不影响中心贴片与四周贴片耦合的情况下，减小中间贴片的电尺寸，从而将三对模式的最强电流均调整至贴片1-1上，使得放置于其下的缝隙能够同时高效地激励三对模式。通过在贴片1-1和贴片1-2上引入缝隙，利用缝隙对同向电流影响小，垂直电流影响大的效应，实现对两个极化模式电流的独立调节，在不影响工作模式的前提下，减小其上反相电流的分布，从而提高天线的增益。最终实现具有高增益的宽带双极化天线。