本實用新型涉及天線技術(shù)領域，特別是涉及了一種容性、感性表面耦合機制小型化高性能高頻段通信天線罩，可應用于高頻段5G通信及雷達方面。

背景技術(shù)：

隨著4G通信技術(shù)的成熟上市，超高速5G通信技術(shù)為滿足更高移動通信性能要求的新一代通信技術(shù)，并成為如今移動通信行業(yè)研究的熱點，2020年5G移動通信的上市目標也極大地推動5G通信技術(shù)的研究。

5G通信將更加注重用戶體驗，提高通信網(wǎng)絡的傳輸速率、降低能耗，充分利用高頻段頻譜資源，實現(xiàn)5G普遍廣泛應用。因此，要求5G通信需要具有更高傳輸速率和更寬帶寬。按照10Gbit/s的傳輸速率要求，實際中需要有2GHz的通帶帶寬，并且為了保證通信質(zhì)量需要在如此寬通帶內(nèi)的插入損耗小于0.8dB，此外，實際通信中電磁波信號來自四面八方，需要設備具有很好的角度穩(wěn)定性才能保證通信質(zhì)量，對天線罩的設計提出了更高的要求。

如今，天線罩的設計通常采用頻率選擇表面技術(shù)來實現(xiàn)，國內(nèi)外對于這種技術(shù)也有了數(shù)年的研究。傳統(tǒng)的頻率選擇表面結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)較窄的通帶或者阻帶，現(xiàn)在也有人設計出不少新型的頻率選擇表面，可以實現(xiàn)較寬的通帶，但是多數(shù)還是局限于10GHz甚至更低的低頻段，另外，如今的結(jié)構(gòu)選擇性能還有待改進，主要表現(xiàn)在通帶插入損耗過大，造成通信質(zhì)量下降，另一方面主要是通帶邊沿下降速度緩慢，從通帶到阻帶的轉(zhuǎn)換速度不夠快，造成選擇性變差。更重要的一個問題是，角度穩(wěn)定性是如今面臨的一大難題，當電磁波入射角度發(fā)生改變時，造成很大的偏移，對傳輸性能影響很大。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實用新型提供了一種容性、感性表面耦合機制小型化高性能高頻段通信天線罩，通過4層金屬層的巧妙耦合設計，對于空間多個方向入射的電磁波有著穩(wěn)定、高效的選擇透過性。

本實用新型解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

所述天線罩是主要由周期單元陣列組成的頻率選擇表面，每一周期單元分為介質(zhì)層和金屬層，介質(zhì)層包括上下兩層介質(zhì)層及其中間的一層介質(zhì)層，金屬層包括上下兩層介質(zhì)層外表面的完整金屬貼片和相鄰介質(zhì)層之間的金屬縫隙貼片；自由空間的電磁波經(jīng)過所述天線罩選擇性濾波后，濾除其余雜波，輸出所需工作頻段的電磁波。

本實用新型為高頻段通信中角度、極化穩(wěn)定性要求高的超寬帶天線罩設計，通帶內(nèi)插入損耗小且穩(wěn)定，通帶后擁有高抑制的寬阻帶，帶通到帶阻工作狀態(tài)轉(zhuǎn)化速度快，角度、極化穩(wěn)定性及頻率選擇性能極佳。

所述周期單元包括上層金屬貼片P₁、上層薄介質(zhì)D₁、上層金屬縫隙片P₂、中間層厚介質(zhì)D₂、下層金屬縫隙片P₃、下層薄介質(zhì)D₃和下層金屬貼片P₄；上層金屬貼片P₁貼于上層薄介質(zhì)D₁上表面，上層金屬縫隙片P₂位于上層薄介質(zhì)D₁與中間層厚介質(zhì)D₂之間，下層金屬縫隙片P₃位于下層薄介質(zhì)D₃與中間層厚介質(zhì)D₂之間，下層金屬貼片P₄貼于下層薄介質(zhì)D₃下表面；其中上層金屬貼片P₁與下層金屬貼片P₄結(jié)構(gòu)尺寸相同，上層金屬縫隙片P₂與下層金屬縫隙片P₃結(jié)構(gòu)尺寸相同，上層薄介質(zhì)D₁與下層薄介質(zhì)D₃結(jié)構(gòu)尺寸相同。

所述上層金屬縫隙片P₂和下層金屬縫隙片P₃主要由雙工字形金屬貼片結(jié)構(gòu)和外圍方環(huán)金屬貼片以及兩者之間的縫隙組成：所述的雙工字形金屬貼片呈耶魯撒冷十字架形，位于外圍方環(huán)金屬貼片的中心；所述的外圍方環(huán)金屬貼片位于雙工字形金屬貼片的外圈，外邊長與周期單元邊長相同。

所述的上層金屬貼片P₁和下層金屬貼片P₄分別置于上層金屬貼片P₁與下層金屬貼片P₄的中心。

優(yōu)選地，具體實施的上層薄介質(zhì)D₁、中間層厚介質(zhì)D₂和下層薄介質(zhì)D₃的介電常數(shù)為3.5，介質(zhì)損耗角正切值為0.0015。

本實用新型在空間電磁波垂直入射的情況下，在27.15GHz-29.65GHz的通帶范圍內(nèi)插入損耗小于0.4dB，在31.15GHz-33.52GHz的阻帶范圍內(nèi)抑制大于20dB；空間電磁波在±45°的入射時，在27.08GHz-29.80GHz的通帶范圍內(nèi)插入損耗小于1.5dB；并且入射電磁波在±85°入射角度范圍內(nèi)變化時，其傳輸極點與零點基本不發(fā)生改變，角度、極化穩(wěn)定性極高，實現(xiàn)了帶通到帶阻工作狀態(tài)的快速轉(zhuǎn)換，頻率選擇性能極佳。

本實用新型天線罩設計采用了小型化設計，單元尺寸較傳統(tǒng)方案所設計結(jié)構(gòu)尺寸縮小了三倍，但仍適用于傳統(tǒng)PCB工藝進行加工生產(chǎn)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的有益效果是：

本實用新型的上下兩層的方形金屬貼片天線與中間兩層縫隙層外圍金屬方環(huán)為天線罩提供一個帶寬非常大且插入損耗極小的通帶，對于垂直入射到所述天線罩的電磁波，依次經(jīng)過天線罩的各層結(jié)構(gòu)后，其在27.15GHz-29.65GHz頻段范圍內(nèi)通帶插入損耗小于0.4dB。

本實用新型的中間兩層金屬縫隙層為天線罩提供了帶寬范圍廣抑制高的阻帶，兩層金屬縫隙的設計思想進一步提高了通帶到阻帶的轉(zhuǎn)換速度。對于垂直入射到所述天線罩的電磁波，在31.15GHz-33.52GHz頻段范圍內(nèi)阻帶抑制大于20dB。

本實用新型獨特的結(jié)構(gòu)設計，使得本實用新型具有極高的角度穩(wěn)定性能，空間中電磁波在±60°的入射角度范圍內(nèi)各項性能非常穩(wěn)定，在±85°的入射角度范圍內(nèi)，其傳輸極點傳輸零點相當穩(wěn)定，基本不發(fā)生偏移。此外，本實用新型的電磁雙極化性能穩(wěn)定，同時支持TE、TM兩種極化模式。

本實用新型在天線器件小型化、5G等現(xiàn)代通信、雷達及軍事通信中具有極高的應用價值。

附圖說明

圖1是本實用新型實施例的天線罩三維結(jié)構(gòu)圖。

圖2是本實用新型單元結(jié)構(gòu)的三維結(jié)構(gòu)圖。

圖3是本實用新型單元結(jié)構(gòu)的主視圖。

圖4是本實用新型單元結(jié)構(gòu)的俯視圖。

圖5是本實用新型單元結(jié)構(gòu)的中間金屬縫隙層視圖。

圖6是方形金屬貼片尺寸改變時對本實用新型中天線罩傳輸性能影響曲線圖。

圖7是對于垂直入射TE、TM極化模式下的本實用新型天線罩傳輸性能曲線圖。

圖8是TE極化模式電磁波入射角度對于本實用新型中天線罩性能影響曲線圖。

圖9是TM極化模式電磁波入射角度對于本實用新型中天線罩性能影響曲線圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本實用新型進一步說明。

如圖1所示，天線罩是主要由周期單元陣列組成的頻率選擇表面。每一周期單元分為介質(zhì)層和金屬層，介質(zhì)層包括上下兩層介質(zhì)層及其中間的一層介質(zhì)層，金屬層包括上下兩層介質(zhì)層外表面的完整金屬貼片和相鄰介質(zhì)層之間的金屬縫隙貼片。

如圖2和圖3所示，周期單元包括上層金屬貼片P₁、上層薄介質(zhì)D₁、上層金屬縫隙片P₂、中間層厚介質(zhì)D₂、下層金屬縫隙片P₃、下層薄介質(zhì)D₃和下層金屬貼片P₄；上層金屬貼片P₁貼于上層薄介質(zhì)D₁上表面，上層金屬縫隙片P₂位于上層薄介質(zhì)D₁與中間層厚介質(zhì)D₂之間，下層金屬縫隙片P₃位于下層薄介質(zhì)D₃與中間層厚介質(zhì)D₂之間，下層金屬貼片P₄貼于下層薄介質(zhì)D₃下表面；其中上層金屬貼片P₁與下層金屬貼片P₄結(jié)構(gòu)尺寸相同并且布置在表面的位置也相同，上層金屬縫隙片P₂與下層金屬縫隙片P₃結(jié)構(gòu)尺寸相同，上層薄介質(zhì)D₁與下層薄介質(zhì)D₃結(jié)構(gòu)尺寸相同。

天線罩中間層厚介質(zhì)D₂上下表面分別貼有上層金屬縫隙片P₂和下層金屬縫隙片P₃，其中上層金屬縫隙片P₂和下層金屬縫隙片P₃主要由雙工字形金屬貼片結(jié)構(gòu)a和外圍方環(huán)金屬貼片b以及兩者之間的縫隙組成。如圖5所示，雙工字形金屬貼片a呈耶魯撒冷十字架形，位于外圍方環(huán)金屬貼片b的中心，具體是由四個T字形單元以螺旋中心對稱方式沿周向間隔均布而成。外圍方環(huán)金屬貼片b位于雙工字形金屬貼片a的外圈，外邊長與周期單元邊長相同，是一個標準的金屬方環(huán)。

如圖4所示，上層金屬貼片P₁和下層金屬貼片P₄均為位于單元結(jié)構(gòu)中心的方形金屬貼片，分別置于上層金屬貼片P₁與下層金屬貼片P₄的中心。

本實用新型天線罩工作原理如下：

當空間中電磁波的入射角度為θ時，天線罩單元周期尺寸決定了到達各個單元表面的電磁波之間的相位差，該相位差越大造成與電磁波垂直入射時的傳輸性能偏差就越大，為了克服電磁波在多角度入射情況下對天線罩傳輸性能的影響，本實用新型中的天線罩采用了容性、感性表面耦合技術(shù)來實現(xiàn)單元結(jié)構(gòu)的小型化，進而提高本實用新型中天線罩的角度穩(wěn)定性。

其中天線罩最外面兩側(cè)方形金屬貼片層周期性排布后形成一個容性表面，儲存電場能；而中間兩層金屬縫隙層中的外圍方環(huán)金屬可等效為電感，形成一個感性表面，儲存磁場能。這種容性與感性表面的耦合機制抑制了電磁波的波動性，打破了單元尺寸與諧振波長一致的限制，從而實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)單元的小型化設計。

最外面兩側(cè)方形金屬貼片層可分別看作發(fā)射與接收天線，其本身可等效為串聯(lián)諧振回路。中間兩金屬縫隙層的外圍方環(huán)金屬是一感性結(jié)構(gòu)，與最外面兩側(cè)方形金屬貼片形成LC并聯(lián)諧振回路，形成帶通效果。中間兩金屬縫隙層的外圍方環(huán)金屬與中間金屬縫隙層的雙工字形的結(jié)構(gòu)之間縫隙形成容性結(jié)構(gòu)，在加上“雙工字”形結(jié)構(gòu)本身為感性，故看作是一個LC串聯(lián)諧振回路，進而在通帶的下降處產(chǎn)生一個傳輸零點，實現(xiàn)了通帶邊沿的快速下降。

本實用新型的天線罩一方面采用了雙金屬縫隙層的設計，形成高階濾波效果，展寬了帶寬，增加了工作頻帶內(nèi)的平坦度，提高了天線罩的選擇性；另一方面采用了完全對稱的設計思想，實現(xiàn)了電磁波的TE、TM模式下的雙極化穩(wěn)定性設計。

本實用新型的實施例以應用于5G通信工頻段天線罩為例，具體闡述本實用新型各個部分的實施方式及各個結(jié)構(gòu)參數(shù)對于天線罩傳輸性能的影響：

隨著對5G通信技術(shù)的飛速發(fā)展，其相關標準也逐漸成型，現(xiàn)在看來28.5GHz前后2GHz頻段最有可能成為5G通信的工作頻段，同時該頻段內(nèi)的通帶插入損耗需要小于0.8dB，此外還要具有很好的角度、極化穩(wěn)定性。本實用新型采用了容性、感性表面耦合與AFFA技術(shù)實現(xiàn)了5G通信高頻段天線罩的小型化高性能設計，本實用新型中的天線罩，電磁波在±60°入射角度范圍內(nèi)，有穩(wěn)定的傳輸性能，實現(xiàn)了帶通到帶阻工作狀態(tài)的快速轉(zhuǎn)化，具有很好的頻率選擇性能。

如圖1所示，實施例采用了32*32的周期單元陣列，周期單元結(jié)構(gòu)的最外面兩側(cè)的方形金屬貼片P₁和P₂，均為邊長為1.73mm的正方形。實際應用中可根據(jù)具體的設計通帶目標進行該尺寸的選擇。它的尺寸變化影響著通帶兩個傳輸極點的變化。當方形金屬貼片的尺寸增加時，會使整個通帶想低頻方向移動，并且通帶帶寬減小，但是通帶插入損耗有所減小。這主要是由于隨著方形金屬貼片尺寸的增大，其諧振頻率會減小，因而通帶向低頻方向偏移；在不改變其他部分結(jié)構(gòu)尺寸的情況下，由于方形貼片尺寸的增大，使得其與金屬縫隙層的耦合強度增大，進而實現(xiàn)了通帶插入損耗減小，而這種通帶內(nèi)穩(wěn)定性的提高是以犧牲通帶帶寬為代價的。但是方形金屬貼片的尺寸變化對天線罩傳輸零點沒有影響，這主要是因為傳輸零點主要由中間金屬縫隙層控制的。圖6具體描述了方形金屬貼片尺寸變化對于通帶效果的影響。

上層薄介質(zhì)D₁、中間層厚介質(zhì)D₂及下層薄介質(zhì)D₃都是采用的Rogers RO3035板材，其周期單元尺寸為2.53mm。該板材的特點是其介質(zhì)損耗較小，因此對通帶的插入損耗影響更小一些。但是該板材的價格比較高，在實際的應用中也可以選擇與該材料介電常數(shù)類似的板材來進行設計加工，從而減小投產(chǎn)成本。

如圖2、3、4所示，天線罩中間層厚介質(zhì)D₂兩側(cè)表面分別貼有上層金屬縫隙片P₂和下層金屬縫隙片P₃，這兩層金屬縫隙層是本實用新型的設計核心。首先對于最外圍的方環(huán)形金屬貼片結(jié)構(gòu)b，它的外邊長為2.53mm，也即周期單元結(jié)構(gòu)尺寸的大小。結(jié)構(gòu)b的尺寸與最外兩層方形金屬貼片P₁和P₄尺寸決定了天線罩的工作頻帶，周期單元結(jié)構(gòu)尺寸的增加會使得通帶向低頻方向移動，通帶內(nèi)插入損耗增大，通帶帶寬展寬。這主要是單元周期的增加，使得單元間的耦合強度降低，進而通帶插入損耗增大；結(jié)構(gòu)b外邊長的增加，造成諧振頻率降低，通帶向低頻方向移動。同理，最外圍的方環(huán)形金屬貼片的內(nèi)邊長的變化，也會對通帶產(chǎn)生影響。

中間兩金屬縫隙層P₁和P₂除了對通帶的影響，還會對通帶后的阻帶有決定性的意義。如圖5所示，中間雙工字形金屬結(jié)構(gòu)a，它的尺寸決定了阻帶的變化。當結(jié)構(gòu)a的主體結(jié)構(gòu)長度L增大時，阻帶會向低頻方向移動。這主要是由于在其他部分結(jié)構(gòu)不發(fā)生改變而L增大時，結(jié)構(gòu)a和結(jié)構(gòu)b之間的縫隙減小，相當于電容的兩個極板距離減小，進而使得容性增強，使得LC串聯(lián)諧振回路產(chǎn)生的諧振頻率減小，使得阻帶向低頻方向偏移。當雙工字形金屬結(jié)構(gòu)a的臂長J增加時，相應的阻帶也會向低頻方向移動。這主要是由于結(jié)構(gòu)a中J的增加，相當于電容的極板面積增大，從而使得容性增強，導致諧振頻率降低。表1具體描述了“雙工字”形金屬結(jié)構(gòu)a尺寸變化對于阻帶效果的影響。

表1“雙工字”形金屬結(jié)構(gòu)a尺寸變化對于阻帶效果的影響

本實施例在電磁波垂直入射時的傳輸特性曲線如圖7所示，在27.45GHz～29.52GHz帶寬的通帶內(nèi)插入損耗小于0.4dB，在27.19GHz～29.64GHz帶寬內(nèi)的插入損耗小于5G通信插入損耗0.8dB的要求；此外，本實例有極好的頻率選擇性，具體表現(xiàn)在其通帶下降沿下降速度非?？?，實現(xiàn)了從通帶到阻帶的快速轉(zhuǎn)換；在31.18GHz～33.53GHz帶寬的阻帶抑制大于20dB，同時，可以發(fā)現(xiàn)TE、TM兩種極化模式下的傳輸效果完全吻合，很好的滿足了5G通信天線罩設計要求。

如圖8、9所示，描述了實施例的天線罩在電磁波入射角度發(fā)生變化時，對天線罩傳輸性能的影響。圖中能夠發(fā)現(xiàn)在±45°的入射角度范圍內(nèi)，傳輸特性曲線基本上與垂直入射下的傳輸特性曲線基本吻合，擁有相當穩(wěn)定的傳輸性能。此外，隨著入射角度的進一步增加，由于入射角度增加時致使波阻抗發(fā)生改變，產(chǎn)生了TE模式下的通帶插入損耗有所增加，TM模式下的通帶帶寬有所減小等不可避免的問題，但是，可以看到角度的增加，無論TE模式還是TM模式下，其傳輸極點、零點基本上都沒有發(fā)生偏移。

因此，通過上述實施可見本實用新型實現(xiàn)了高頻段通信中寬通帶帶插損、寬阻帶高抑制、通帶陡峭下降邊沿以及角度與雙極化性能相當穩(wěn)定的高性能小型化天線罩設計。