一種寬角度圓極化超表面天線的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種天線結(jié)構(gòu)，尤其涉及一種寬角度圓極化超表面天線結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]超材料通常是將具有特定幾何形狀的亞波長(zhǎng)基本單元周期性或者非周期性地排列所構(gòu)成的新型人工電磁材料，具有自然界中材料所不具備的性質(zhì)。超表面可以等效為二維超材料，對(duì)電磁波具有很強(qiáng)的調(diào)控能力，可以實(shí)現(xiàn)極化轉(zhuǎn)換，極化旋轉(zhuǎn)等功能。不僅如此，將超表面應(yīng)用在天線設(shè)計(jì)中，可以提高傳統(tǒng)天線在工作帶寬，方向性，輻射效率，增益等多個(gè)方面的性能，這種將超表面結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)天線相結(jié)合所設(shè)計(jì)的新型天線可以稱(chēng)為超表面天線。Chung，K.等人在2011年提出將傳統(tǒng)的探針饋電的微帶貼片天線與方形回路狀超表面結(jié)合，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了貼片天線在阻抗帶寬和天線效率等方面性能的提高。超表面天線這一全新的概念自此而產(chǎn)生，并引起了研究者的極大興趣。
[0003]圓極化天線因其在信號(hào)接收上的穩(wěn)定性正廣泛應(yīng)用于無(wú)線射頻識(shí)別，雷達(dá)，無(wú)線局域網(wǎng)，衛(wèi)星通信和傳感系統(tǒng)中。傳統(tǒng)的圓極化天線通常需要在線極化天線的饋電部分加以設(shè)計(jì)來(lái)產(chǎn)生等幅正交的線極化波，從而產(chǎn)生圓極化輻射，這不僅增大了圓極化天線的設(shè)計(jì)難度，也可能使得整個(gè)天線結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。超表面結(jié)構(gòu)的應(yīng)用可以簡(jiǎn)化圓極化天線的設(shè)計(jì)。在上述方形回路狀超表面結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，有人設(shè)計(jì)了一種超表面結(jié)構(gòu)，其單元包含一個(gè)矩形回路狀金屬貼片以及矩形內(nèi)部的一條對(duì)角線金屬條帶，將此超表面結(jié)構(gòu)放置在源天線附近可以將源天線輻射的線極化波轉(zhuǎn)換成圓極化波。還有研究小組利用正交工字型超表面實(shí)現(xiàn)寬帶范圍內(nèi)的線極化到圓極化的轉(zhuǎn)換。
[0004]—系列研究成果表明利用超表面實(shí)現(xiàn)圓極化，尤其是寬頻帶圓極化是相對(duì)容易的，但是寬角度圓極化卻幾乎沒(méi)有實(shí)現(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明將利用超表面結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)半波長(zhǎng)偶極子天線的結(jié)合，設(shè)計(jì)一種寬角度圓極化超表面天線，同時(shí)實(shí)現(xiàn)降低雷達(dá)散射截面的功能。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的:
[0007]—種寬角度圓極化超表面天線，其特征在于:包括超表面結(jié)構(gòu)以及放置在超表面結(jié)構(gòu)正上方一定高度處的半波長(zhǎng)偶極子天線；
[0008]所述超表面結(jié)構(gòu)由超表面單元在X和y方向分別按一定周期進(jìn)行周期延拓構(gòu)成，形成超表面單元mXn的無(wú)間隙排列結(jié)構(gòu)，其中m、n均為大于等于2的自然數(shù)；所述超表面單元由介質(zhì)基板、設(shè)置在介質(zhì)基板一個(gè)面上的接地板和設(shè)置在介質(zhì)基板另一個(gè)面上的雙箭頭形狀的金屬貼片組成。
[0009]本發(fā)明一方面利用超表面結(jié)構(gòu)將偶極子天線沿-z方向的輻射波反射，并改變反射波的極化方式，由X線極化波轉(zhuǎn)換成y線極化波；另一方面利用偶極子天線與超表面結(jié)構(gòu)之間的距離，使得沿+z方向y極化的反射波與偶極子天線沿+z方向X極化的直射波之間產(chǎn)生90°的相位差。其特征在于:包括超表面結(jié)構(gòu)以及放置在超表面結(jié)構(gòu)正上方一定高度處的半波長(zhǎng)偶極子天線。
[0010]對(duì)于相位差為90°的等幅正交線極化波，可以產(chǎn)生純圓極化波；本發(fā)明采用的超表面結(jié)構(gòu)可以將偶極子天線沿-z方向的輻射波近乎全反射，通過(guò)調(diào)整偶極子天線與超表面結(jié)構(gòu)之間的距離可以使得反射波與偶極子天線的直射波之間的相位差恰好在90°附近，進(jìn)而該超表面天線可以在某個(gè)頻率下產(chǎn)生軸比接近OdB的純度極高的圓極化波，在某個(gè)頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生軸比小于3dB的符合工程要求的圓極化波，實(shí)現(xiàn)了良好的圓極化功能；
[0011]本發(fā)明采用的超表面結(jié)構(gòu)可以在C波段(4GHz?8GHz)實(shí)現(xiàn)線極化波的高效極化轉(zhuǎn)換；再者，由于超表面結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)極化轉(zhuǎn)換的有效工作頻段受超表面單元的幾何參數(shù)控制，增大或減小超表面單元的尺寸可以使得極化轉(zhuǎn)換頻段向低頻或高頻移動(dòng)，所以超表面天線具有頻率易調(diào)特性。超表面單元在X和y方向的排列數(shù)量可以根據(jù)工作頻段和超表面單元尺寸靈活確定。
[0012]本發(fā)明可以同時(shí)降低雷達(dá)散射截面，進(jìn)一步拓展了該寬角度圓極化超表面天線的應(yīng)用范圍，同時(shí)為新型天線的設(shè)計(jì)提供了一種全新的思路和方案。
[0013]本發(fā)明具有如下有益效果:
[0014]1.本發(fā)明的寬角度圓極化超表面天線，一方面利用超表面結(jié)構(gòu)的極化轉(zhuǎn)換性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了偶極子天線反射波的線極化轉(zhuǎn)換；另一方面利用偶極子天線直射波與反射波的交叉極化，在偶極子天線上方空間產(chǎn)生圓極化輻射波，實(shí)現(xiàn)線極化天線到圓極化天線的轉(zhuǎn)換。這種超表面天線不必設(shè)計(jì)額外的饋電結(jié)構(gòu)來(lái)產(chǎn)生等幅正交的線極化波，簡(jiǎn)化了圓極化天線的設(shè)計(jì)過(guò)程，縮短了圓極化天線的設(shè)計(jì)周期。
[0015]2.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單:本發(fā)明包括超表面結(jié)構(gòu)以及放置在超表面結(jié)構(gòu)正上方的半波長(zhǎng)偶極子天線，超表面結(jié)構(gòu)直接由mn個(gè)相同的超表面單元按mXn的方式無(wú)間隙排列組合而成，構(gòu)造簡(jiǎn)單且易加工。
[0016]3.創(chuàng)新性強(qiáng)，技術(shù)前瞻性好:本發(fā)明利用傳統(tǒng)偶極子天線與超表面結(jié)構(gòu)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了線極化天線到圓極化天線的轉(zhuǎn)換，可有效降低結(jié)構(gòu)的雷達(dá)散射截面，創(chuàng)新性強(qiáng)，國(guó)內(nèi)外未見(jiàn)此類(lèi)天線結(jié)構(gòu)，拓展了該圓極化天線的應(yīng)用范圍，具有很好的技術(shù)前瞻性。
[0017]4.圓極化角度寬，性能好:本發(fā)明可在5.12?5.53GHz頻段實(shí)現(xiàn)圓極化天線功能；在頻率5.5GHz處，天線兩個(gè)主平面上軸比小于3dB的角度范圍可以達(dá)到123° (phi =0°，xz平面)和90° (phi = 90°，yz平面)，圓極化角度寬；在中心頻率5.35GHz處，最大輻射方向軸比為0.25dB，圓極化純度高，性能好；改變結(jié)構(gòu)的幾何尺寸同樣可實(shí)現(xiàn)太赫茲波段的相應(yīng)功能。
【附圖說(shuō)明】
:
[0018]圖1是超表面天線的二維視圖；
[0019]圖2(a)是超表面單兀的基板頂部結(jié)構(gòu)不意圖；
[0020]圖2(b)是超表面單兀的基板底部結(jié)構(gòu)不意圖；
[0021]圖3是超表面結(jié)構(gòu)的反射系數(shù)關(guān)于頻率的變化曲線；
[0022]圖4是超表面天線的S參數(shù)；
[0023]圖5(a)是超表面天線最大輻射方向軸比關(guān)于頻率的變化曲線；
[0024]圖5(b)是5.5GHz頻率下超表面天線兩個(gè)主平面的軸比關(guān)于theta的變化曲線；
[0025]圖6是超表面結(jié)構(gòu)與金屬板結(jié)構(gòu)雷達(dá)散射截面的對(duì)比。
具體實(shí)施方案:
[0026]下面結(jié)合附圖對(duì)技術(shù)方案的實(shí)施作進(jìn)一步的詳細(xì)描述:
[0027]實(shí)施例一
[0028]如圖1所示，寬角度圓極化超表面天線由兩個(gè)部分組成。第一部分為超表面結(jié)構(gòu)，其由九個(gè)相同的橫截面為正方形的超表面單元按三乘三的方式無(wú)間隙排列組合而成，沿X和y方向的周期均為P= 12毫米。超表面單元由介質(zhì)基板、設(shè)置在介質(zhì)基板一個(gè)面上的接地板和設(shè)置在介質(zhì)基板另一個(gè)面上的雙箭頭形狀的金屬貼片組成。介質(zhì)基板厚度h = 6毫米，接地板和金屬貼片厚度均為t = 0.018毫米。第二部分為傳統(tǒng)的半波長(zhǎng)偶極子天線，長(zhǎng)度L = 25毫米，放置在超表面結(jié)構(gòu)正上方，且距離超表面上方垂直高度Η = 8毫米；
[0029]實(shí)施例二
[0030]如圖2所示結(jié)構(gòu)為超表面單元，雙箭頭形狀金屬貼片由中間金屬條帶及金屬條帶兩端對(duì)稱(chēng)的“L”型金屬貼片組成，整個(gè)金屬貼片結(jié)構(gòu)沿超表面單元的對(duì)角線放置且關(guān)于兩條對(duì)角線均對(duì)稱(chēng)(關(guān)于超表面單元中心對(duì)稱(chēng))。金屬條帶長(zhǎng)度1 = 10毫米，寬度w = 1.2毫米，兩端對(duì)稱(chēng)“L”型金屬貼片長(zhǎng)度d = 5.7毫米，寬度g = 1毫米。
[0031]如圖3所示為超表面結(jié)構(gòu)的反射系數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)C波段同極化反射系數(shù)都在-15dB以下，交叉極化反射系數(shù)接近OdB，實(shí)現(xiàn)了高效率的極化轉(zhuǎn)換功能。此外，超表面結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)極化轉(zhuǎn)換的有效工作頻段受超表面單元的幾何參數(shù)控制，增大或減小超表面單元的尺寸可以使得極化轉(zhuǎn)換頻段向低頻或高頻移動(dòng)，從而超表面天線具有頻率易調(diào)特性。
[0032]根據(jù)實(shí)施例二，利用電磁仿真軟件可得到如圖4所示的超表面天線的回波損耗特性。在天線的工作帶寬4.89?5.7GHz范圍內(nèi)，回波損耗均在_10dB以下。
[0033]根據(jù)實(shí)施例二，利用電磁仿真軟件可得到如圖5所示的圓極化性能。圖5(a)所示為最大輻射方向軸比關(guān)于頻率的變化曲線，在5.12?5.53GHz范圍內(nèi)，軸比在3dB以下，此范圍即為天線的圓極化工作帶寬；在中心頻率5.35GHz處，最大輻射方向軸比為0.25dB，圓極化純度高，性能好；圖5(b)為超表面天線兩個(gè)主平面的軸比關(guān)于theta的變化曲線，在
5.5GHz處，天線兩個(gè)主平面上軸比小于3dB的角度范圍可以達(dá)到123° (phi =0°，xz平面)和90° (phi = 90°，yz平面)，實(shí)現(xiàn)了寬角度圓極化功能。
[0034]根據(jù)實(shí)施例二，利用電磁仿真軟件可得到如圖6所示的降低雷達(dá)散射截面功能。通過(guò)對(duì)比偶極子天線下方相同位置處放置超表面結(jié)構(gòu)和同樣大小的普通金屬板結(jié)構(gòu)兩種情況下的單站雷達(dá)散射截面，在5?6GHz范圍內(nèi)，普通金屬板結(jié)構(gòu)的雷達(dá)散射截面從-19.ldBsm變化到-18.5dBsm,如圖6中虛線所示，而超表面結(jié)構(gòu)的雷達(dá)散射截面從-25dBsm變化到-37dBsm，從而超表面天線可在圓極化工作頻段5.12?5.53GHz范圍內(nèi)有效降低雷達(dá)散射截面，且最大縮減量可達(dá)10.4dB。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種寬角度圓極化超表面天線，其特征在于:包括超表面結(jié)構(gòu)以及放置在超表面結(jié)構(gòu)正上方一定高度處的半波長(zhǎng)偶極子天線； 所述超表面結(jié)構(gòu)由超表面單元在X和y方向分別按一定周期進(jìn)行周期延拓構(gòu)成，形成超表面單元mXn的無(wú)間隙排列結(jié)構(gòu)，其中m、n均為大于等于2的自然數(shù)；所述超表面單元由介質(zhì)基板、設(shè)置在介質(zhì)基板一個(gè)面上的接地板和設(shè)置在介質(zhì)基板另一個(gè)面上的雙箭頭形狀的金屬貼片組成。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種寬角度圓極化超表面天線，其特征在于所述超表面單元橫截面為正方形。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種寬角度圓極化超表面天線，其特征在于超表面單元在X和y方向的排列周期相同。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種寬角度圓極化超表面天線，其特征在于超表面單元在X和y方向的排列數(shù)量相等。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種寬角度圓極化超表面天線，其特征在于:所述金屬貼片和接地板厚度相同。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種寬角度圓極化超表面天線，其特征在于所述金屬貼片由中間金屬條帶及金屬條帶兩端對(duì)稱(chēng)的“L”型金屬貼片組成，呈雙箭頭形狀，且關(guān)于超表面單元中心對(duì)稱(chēng)。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種寬角度圓極化超表面天線，其特征在于金屬條帶位于超表面單元的對(duì)角線上。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供一種寬角度圓極化超表面天線，包括超表面結(jié)構(gòu)以及放置在超表面結(jié)構(gòu)正上方一定高度處的半波長(zhǎng)偶極子天線；所述超表面結(jié)構(gòu)由超表面單元在x和y方向分別按一定周期進(jìn)行周期延拓構(gòu)成，形成超表面單元m×n的無(wú)間隙排列結(jié)構(gòu)，其中m、n均為大于等于2的自然數(shù)；所述超表面單元由介質(zhì)基板、設(shè)置在介質(zhì)基板一個(gè)面上的接地板和設(shè)置在介質(zhì)基板另一個(gè)面上的雙箭頭形狀的金屬貼片組成。本發(fā)明可以在偶極子天線上方空間產(chǎn)生圓極化輻射波，且通過(guò)改變超表面單元和偶極子天線的尺寸以及兩者之間的垂直距離，可以使得超表面天線工作在不同的頻段，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，頻率易調(diào)，圓極化角度寬，可降低雷達(dá)散射截面等一系列優(yōu)點(diǎn)。
【IPC分類(lèi)】H01Q1/38, H01Q1/48, H01Q21/00, H01Q15/24
【公開(kāi)號(hào)】CN105305048
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510710926
【發(fā)明人】李茁, 陳晨, 劉亮亮, 徐佳, 王婷婷, 許秉正, 陳新蕾, 顧長(zhǎng)青
【申請(qǐng)人】南京航空航天大學(xué)
【公開(kāi)日】2016年2月3日
【申請(qǐng)日】2015年10月27日