基于多功能超表面的低剖面双极化天线的制作方法

本发明属于无线通信和天线，涉及一种新型低剖面双极化天线，尤其涉及一种基于多功能超表面的低剖面双极化天线。

背景技术：

1、随着5g时代的到来，无线通信技术得到了飞速的发展。与此同时，对天线的要求越来越高。为了减小无线系统的体积，要求天线具有多频带、双极化和低剖面。贴片天线是设计低剖面天线的候选方案之一，但传统微带天线的阻抗带宽(impedance bandwidth，imbw)较窄。贴片天线在适当的馈电结构(如l型和f型探针)激励下可显示出宽带阻抗带宽。现阶段，元表面天线(metasurface antennas，msa)因其宽带宽、增益值高和外形小巧等诱人优势，被用于设计宽带低剖面天线，但mss功能单一，如辐射器或反射器。为了最大限度地利用资源并保持较高的通信可靠性，有必要通过单个ms实现多种功能，以实现多频带和双极化。

2、然而，目前使双极化天线工作在指定频率的前提下，同时实现孔径共享是一个难点，如何巧妙实现超表面复用，提高天线增益的同时还能为另一天线实现低剖面是另一个难点。本发明旨在设计出一款能充分发挥超表面优势，同时实现低剖面、双极化、高隔离度的孔径共享天线。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于多功能超表面的低剖面双极化天线，能够充分发挥超表面优势，同时实现低剖面、双极化、高隔离度的孔径共享天线。

2、为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种基于多功能超表面的低剖面双极化天线，所述的低剖面双极化天线能够实现低剖面双极化孔径共享，所述的低剖面双极化天线包括三层基板、馈电探头、同轴线、四个作为金属墙的矩形铜片。第一层基板正面和背面对称性的布置偶极子，第二层基板正面布置4×4的超表面贴片以及背面带有缝隙的金属地板，第三层基板背面布置馈电用的微带线。4×4的超表面贴片不仅作为缝隙贴片天线的辐射体，提高天线增益，还可以作为人工磁导体(artificial magnetic conductor，amc)，用来降低偶极子天线高度。具体的：

4、所述的三层基板包括矩形薄片介质基板a1、方形薄片介质基板b2，方形薄片介质基板c3。所述介质基板b2放置于介质基板a1的下方，二者通过尼龙柱a4、b5固定并分隔。所述介质基板c3紧贴介质基板b2的下方，二者通过尼龙柱c6、d7、e8、f9固定。所述介质基板a1的正面和背面对称性的印刷有等厚度的扇形金属贴片a10和扇形金属贴片b11，金属贴片a10与金属贴片b11的中心与介质基板a1的中心重合。所述介质基板b2正面印刷有4×4的金属贴片c12，金属贴片c12中心与介质基板b2中心重合；介质基板b2背面印刷有与介质基板b2同面积的金属贴片d13，金属贴片d13上开设缝隙a14、b15、c16、d17、e18，其中缝隙a14、b15为同宽度的长条结构且缝隙a14长于缝隙b15，缝隙c16的尺寸小于缝隙a14和b15，缝隙d17、e18为同尺寸的缝隙且尺寸小于缝隙c16，缝隙a14和缝隙b15正交放置形成十字形结构且中间是断开的，缝隙c16位于缝隙a14的一端并正交放置，缝隙d17和e18分别位于b15的两端并正交放置；所述介质基板c3正面没有印刷任何金属，背面印刷有用于馈电的微带线i23，微带线i23采用一分二结构，开口内包含非金属过孔o42、p43、q44且开口正交于缝隙a14，所述介质基板b2的四个侧面分别印刷与介质基板b2侧面同面积的用于连接金属贴片d13的金属贴片e19、f20、g21、h22，四个矩形铜片a24、b25、c26、d27紧贴金属贴片e19、f20、g21、h22，通过金属贴片e19、f20、g21、h22实现矩形铜片a24、b25、c26、d27与金属贴片d13的连接，相当于延长金属地板d13，可以优化缝隙贴片天线的带宽。所述四个矩形铜片a24、b25、c26、d27的长度与金属贴片e19、f20、g21、h22的长度一致，但矩形铜片a24、b25、c26、d27的宽度要比金属贴片e19、f20、g21、h22的宽度大。所述的金属贴片c12以及介质基板b2和金属贴片d13组成超表面。

5、介质基板a1上设有贯穿的非金属过孔a28、b29和c30：非金属过孔c30位于中心，非金属过孔a28和b29放置在非金属过孔c30两侧，用于放置尼龙柱a4和b5，在介质基板b2与非金属过孔a28和b29相同的位置上设有贯穿的非金属过孔d31和e32，用于放置尼龙柱a4和b5。此外在介质基板b2的中心还设有非金属过孔f33，四个角的位置还设有非金属过孔g34、h35、i36，j37，用于放置尼龙柱c6、d7、e8、f9。在介质基板c3的四个角同样位置也设有非金属过孔k38、l39、m40、n41，用于放置尼龙柱c6、d7、e8、f9，在中心位置有非金属过孔o42、p43、q44，非金属过孔o41、p43用于放置尼龙柱a4和b5。

6、所述的同轴线a45由内外两层导体和导体间的填充介质组成，同轴线a45的内导体45-1穿过介质基板c3、介质基板b2和介质基板a1中心的非金属过孔c30、f33、o42焊接在金属贴片a10，同轴线a45的外导体45-2穿过介质基板c3和介质基板b2中心的非金属过孔c30和f33焊接在金属贴片b11。sma接头46由内外两层导体和导体间的填充介质组成，其内导体46-1焊接在微带线i23靠近介质基板c3边缘处的端口，外导体46-2焊接在金属贴片e19。e19位于微带线开口的反方向。

7、进一步的，所述的金属贴片c12既是缝隙贴片天线的辐射体，又是偶极子天线的反射体。金属贴片c12通过其大的辐射面积提高了缝隙贴片天线的增益。金属贴片c12可以作为人工磁导体(artificial magnetic conductor amc)为偶极子天线实现低剖面，从而减小整体天线的剖面。同样由于使用amc作为偶极子反射体，为偶极子引入第二频段，成功实现双频。即使用amc作为偶极子的反射体激发了偶极子天线的第二频段，使偶极子天线成为双频天线。

8、进一步的，所述的介质基板b2、金属贴片c12、金属贴片d13、缝隙a14、介质基板c3、微带线i23、sma接头a46、矩形铜片a24、矩形铜片b25、矩形铜片c26、矩形铜片d27共同构成缝隙贴片天线。所述的介质基板a1、介质基板b2、金属贴片a10、金属贴片b11、金属贴片c12、金属贴片d13、缝隙b15、缝隙c16、缝隙d17、缝隙e18、介质基板c3、同轴线a45共同构成偶极子天线。

9、进一步的，所述的介质基板b2与介质基板c3以及金属地板d13的边长相等。介质基板a1的尺寸小于介质基板b2且位于介质基板上方4mm处。矩形铜片a24、b25、c26、d27高度与介质基板a1高度一致。进一步的，所述的金属贴片a10、b11、c12、d13、e19、f20、g21、h22以及微带线i23的厚度为0.035mm。

10、进一步的，所述的缝隙a14是微带线i23的馈电缝隙，和超表面一起组成基于超表面的网格缝隙贴片天线，使用超表面作为辐射体可以提高天线辐射面积，进而提高天线增益。在b2侧面贴铜片a24、b25、c26、d27，可以拓展网格缝隙贴片天线的带宽。超表面在4.5ghz处的反射相位是0度，此时超表面可以作为人工磁导体(artificial magneticconductor amc)，用来降低天线高度。同时由于使用amc作为偶极子的反射体，为偶极子引入了第二频段(5.23-5.58ghz)。缝隙b15可以控制偶极子天线第一频带(3.32-3.63ghz)的移动。由于存在缝隙b15，第一频段和第二频段之间引入一个深陷沟，它可以很好的将两个频段分离开，减小互扰。同样由于引入缝隙b15，第二频段的方向图偏离宽边辐射方向，此时引入缝隙c16纠正方向图。缝隙d17和e18用来优化第二频带带宽。具体的：缝隙b15可以调节偶极子频带(第一频带)，同样可以在两个频带间引入深陷沟，减小两个频段的互扰。缝隙c(16)可以纠正偶极子第二频段的方向图，使其可以更好的瞄准宽边辐射。缝隙d(17)、缝隙e(18)可以优化偶极子第二频段带宽。

11、进一步的，所述的介质基板a1为taconic tly-5，相对介电常数为2.2，厚度为0.5mm。介质基板b2为fr-4,相对介电常数为4.3，厚度为3mm。介质基板c3为fr-4,相对介电常数为4.3，厚度为1mm。

12、一种基于多功能超表面的低剖面双极化天线的应用，所述双极化天线高度低，方向图稳定，两个天线实现了双极化孔径共享且两天线隔离度高，可应用于wlan和5g系统。

13、本发明的工作过程为：

14、首先设计基于超表面的网格缝隙贴片天线；然后利用amc，在其上方加载偶极子，实现低剖面双极化天线；第三步为了利用好偶极子天线的第二频段，进行了一些开槽处理。

15、当对同轴线a45馈电时，同轴线a45向金属贴片a10馈电，激发偶极子模式(第一频段)，由于amc作为反射体，激励了第二频段。当对sma接头a46馈电时，sma向微带线i23馈电，与缝隙a14激励缝隙贴片天线模式，同时使用超表面作为辐射体，提高增益。

16、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

17、(1)本发明所述的双极化天线实现了低剖面、小型化设计。天线的整体体积仅为0.58×0.58×0.1λ3(λ为3.5ghz对应的自由波长)。

18、(2)本发明通过使用超表面加载于天线，不仅提供了一种超表面复用的方法且提高了天线增益降低了天线剖面。此外，本发明通过合理开槽为偶极子天线引入第二频段成功实现双频并且提供了一种通过开槽纠正方向图的办法。