一种高隔离宽带低剖面的双极化天线及使用方法

1.本发明属于天线技术领域，具体涉及超表面复用的高隔离宽带低剖面的双极化天线及使用方法。


背景技术：

2.随着通信技术的快速发展，具有低剖面、宽带、高增益和体积小的天线也日益成为无线通信领域的研究热点。传统的天线通常可以分为单极化天线和双极化天线。单极化天线只能发射或接收电磁波的一个方向极化，而双极化天线能够同时发射或接收电磁波的两种方向极化。在实际应用中，双极化天线具有提高通信的可靠性，减少信号的衰减和失真等优点，因此双极化技术得到了广泛的应用。虽然目前已有交叉偶极子天线、缝隙天线和贴片天线来实现双极化改善带宽。然而，同时实现高隔离、低剖面和宽带操作是一项挑战。
3.另外，近年来，超表面结构(metasurface,ms)因其能够调控电磁波的独特电磁特性而被广泛应用于天线中以改善性能。因此，超表面结构也常用于提高天线的增益、增大带宽以及降低剖面。比如超表面结构堆叠、超表面结构复用，可以在低剖面的情况下不同程度改善阻抗带宽或增大增益，具有非常大的发展前景，但这些方法无法在较宽的频段范围内实现高隔离，这也是目前双极化超表面天线的一个技术难点。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种高隔离宽带低剖面的双极化天线及使用方法，双极化分别采用缝隙耦合馈电和差分同轴馈电，使天线能够在较宽的频段范围内实现高隔离。
5.为达到上述目的，第一方面本发明所采用的技术方案是：
6.一种高隔离宽带低剖面的双极化天线，包括堆叠设置的上层介质基板、中层介质基板和下层介质基板；所述上层介质基板远离中层介质基板的一侧设置有矩形贴片；所述矩形贴片下方设置有差分同轴线；所述差分同轴线用于输入能量至矩形贴片；所述差分同轴线垂直贯穿上层介质基板、中层介质基板和上层介质基板；所述矩形贴片向外辐射差分同轴线输入的能量；
7.所述上层介质基板和中层介质基板之间设置有超表面结构；所述中层介质基板和下层介质基板之间设置有金属地板；所述金属地板设有耦合缝隙；所述下层介质基板底部设置有馈电网络；所述馈电网络输入能量至耦合缝隙后通过超表面结构向外辐射。
8.优选的，所述超表面结构包括若干个方形金属贴片，各方形金属贴片呈矩阵分布，相邻的两方形金属贴片之间设置有刻蚀缝隙。
9.优选的，所述方形金属贴片分为方形金属贴片a和方形金属贴片b；若干个方形金属贴片a矩阵分布形成矩阵单元，所述矩阵单元与所述方形金属贴片b的尺寸相等，若干个矩阵单元和若干个方形金属贴片b组合形成超表面结构；所述矩形贴片分布于耦合缝隙的一侧，所述矩阵单元分布于耦合缝隙的另一侧。
10.优选的，所述矩阵单元设为2
×
2矩阵分布的4个方形金属贴片a；所述超表面结构
设置为由矩阵单元和方形金属贴片b组成的4
×
4矩阵；所述耦合缝隙的中心与所述超表面结构的中心相对应。
11.优选的，所述矩形贴片下方设置有多个差分同轴线；所述差分同轴线电性连接至所述矩形贴片。
12.优选的，所述馈电网络的输入端设置为微带线；所述馈电网络的输出端设置为矩形状、y状或是扇形状；所述微带线的垂直投影与所述耦合缝隙的垂直投影相交。
13.优选的，所述耦合缝隙两端的宽度大于所述耦合缝隙中部的宽度。
14.优选的，所述上层介质基板、中层介质基板和上层介质基板的介电常数范围为[1,10]，上层介质基板的厚度h1、中层介质基板的厚度h2和下层介质基板的厚度h3范围为[0.001λ0,0.1λ0]；λ0为自由空间波长。
[0015]
优选的，矩形贴片的长度a范围为[0.08λ0,0.3λ0]，宽度b范围为[0.03λ0,0.2λ0]。
[0016]
优选的，超表面结构中相邻的两个方形金属贴片之间的缝隙宽度g范围为[0.01λg,0.05λg]；方形金属贴片b的边长d范围为[0.2λg,0.4λg]，其中，λg为上层介质基板的介质有效波长。
[0017]
优选的，所述金属地板设置为正方形；金属地板的边长g
l
范围为[0.9λ0,1.2λ0]；耦合缝隙的总长度范围为[0.1λ
g1
,0.6λ
g1
]，耦合缝隙的宽度范围为[0.03λ
g1
,0.4λ
g1
]，其中，λ
g1
为中层介质基板的介质有效波长。
[0018]
优选的，所述微带线的宽度wf范围为[0.1λ
g2
,0.5λ
g2
]；馈电网络的输出端沿耦合缝隙方向的长度s范围为[0.1λ
g2
,0.4λ
g2
]，馈电网络的输出端沿微带线方向长度l范围为[0.1λ
g2
,0.5λ
g2
]，其中λ
g2
为下层介质基板的介质有效波长。
[0019]
第二方面本发明提供了一种高隔离宽带低剖面的双极化天线的使用方法，包括：
[0020]
在水平极化时，通过所述差分同轴线输入能量至矩形贴片；所述矩形贴片向外辐射差分同轴线输入的能量；所述超表面结构向上反射所述矩形贴片辐射的能量；
[0021]
在垂直极化时，通过所述馈电网络输入能量至耦合缝隙后，通过超表面结构向外辐射。
[0022]
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
[0023]
本发明所述差分同轴线用于输入能量至矩形贴片；所述矩形贴片向外辐射差分同轴线输入的能量；所述上层介质基板和中层介质基板之间设置有超表面结构；所述中层介质基板和下层介质基板之间设置有金属地板；所述金属地板设有耦合缝隙；所述下层介质基板底部设置有馈电网络；所述馈电网络输入能量至耦合缝隙后通过超表面结构向外辐射；采用缝隙耦合馈电和差分同轴馈电，进而能够在较宽的频段范围内实现高隔离。
[0024]
本发明若干个方形金属贴片a矩阵分布形成矩阵单元，若干个矩阵单元和若干个方形金属贴片b组合形成超表面结构；所述矩形贴片分布于耦合缝隙的一侧，所述矩阵单元分布于耦合缝隙的另一侧；通过矩阵单元破坏反向电流，同时保持方向图的对称性。
[0025]
本发明在水平极化时，通过所述差分同轴线输入能量至矩形贴片；所述矩形贴片向外辐射差分同轴线输入的能量；所述超表面结构向上反射所述矩形贴片辐射的能量；在垂直极化时，通过所述馈电网络输入能量至耦合缝隙后，通过超表面结构向外辐射，超表面结构复用，降低天线剖面；具有尺寸紧凑、结构简单和加工成本低的特点，有利于大规模生产。
附图说明
[0026]
图1为本发明中实施例1提供的双极化天线的俯视图；
[0027]
图2为本发明中实施例1提供的双极化天线的的剖视图；
[0028]
图3为本发明中实施例1提供的金属底板和耦合缝隙的结构图；
[0029]
图4为本发明中实施例1提供的馈电结构的结构图；
[0030]
图5为本发明中实施例1提供的在5.5ghz时双极化超表面天线的e面辐射方向图；
[0031]
图6为本发明中实施例1提供的在5.5ghz时双极化超表面天线的h面辐射方向图；
[0032]
图7为本发明中实施例1提供的在6.2ghz时双极化超表面天线的e面辐射方向图；
[0033]
图8为本发明中实施例1提供的在6.2ghz时双极化超表面天线的h面辐射方向图；
[0034]
图9为本发明中实施例1提供的双极化超表面天线的s参数特性图；
[0035]
图10为本发明中实施例1提供的双极化超表面天线的双极化增益图。
[0036]
图中：1上层介质基板、2中层介质基板、3下层介质基板、4矩形贴片、5差分同轴线、6超表面结构、7方形金属贴片、71方形金属贴片a、72方形金属贴片b、8刻蚀缝隙、9金属地板、10耦合缝隙、11微带线。
具体实施方式
[0037]
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0038]
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图中所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明描述中使用的术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”指的是附图中的方向，术语“内”、“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
[0039]
实施例1
[0040]
如图1至图4所示，一种高隔离宽带低剖面的双极化天线，包括堆叠设置的上层介质基板1、中层介质基板2和下层介质基板3；所述上层介质基板1远离中层介质基板2的一侧设置有矩形贴片4；所述矩形贴片4下方设置有多个差分同轴线5；所述差分同轴线5电性连接至所述矩形贴片4；所述差分同轴线5用于输入能量至矩形贴片4；所述差分同轴线5垂直贯穿上层介质基板1、中层介质基板2和下层介质基板3；所述矩形贴片4向外辐射差分同轴线5输入的能量；
[0041]
所述上层介质基板1和中层介质基板2之间设置有超表面结构6；所述超表面结构包括若干个方形金属贴片7，相邻的两方形金属贴片7之间设置有刻蚀缝隙8；所述方形金属贴片7分为方形金属贴片a71和方形金属贴片b72；2
×
2矩阵分布的4个方形金属贴片a71设为矩阵单元，所述矩阵单元与所述方形金属贴片b72的尺寸相等，所述方形金属贴片b72的长度d等于两方形金属贴片a71的长度加刻蚀缝隙8的宽度，4个矩阵单元和12个方形金属贴片b72组合形成4
×
4矩阵的超表面结构6。
[0042]
所述中层介质基板2和下层介质基板3之间设置有金属地板9；所述金属地板9设有耦合缝隙10，所述矩形贴片4分布于耦合缝隙10的一侧，所述矩阵单元分布于耦合缝隙10的另一侧；所述耦合缝隙10的中心与所述超表面结构的中心相对应，通过矩阵单元破坏反向
电流，同时保持方向图的对称性；所述耦合缝隙10两端的宽度大于所述耦合缝隙10中部的宽度。
[0043]
所述下层介质基板3底部设置有馈电网络；所述馈电网络的输入端设置为微带线11；所述馈电网络的输出端设置为矩形状、y状或是扇形状；所述微带线11的垂直投影与所述耦合缝隙10的垂直投影相交，并且所述微带线11与所述耦合缝隙10相互垂直。所述馈电网络输入能量至耦合缝隙10后通过超表面结构6向外辐射。
[0044]
所述上层介质基板1、中层介质基板2和上层介质基板3的介电常数范围为[1,10]，上层介质基板1的厚度h1、中层介质基板2的厚度h2和下层介质基板3的厚度h3范围为[0.001λ0,0.1λ0]；λ0为自由空间波长。矩形贴片4的长度a范围为[0.08λ0,0.3λ0]，宽度b范围为[0.03λ0,0.2λ0]。
[0045]
相邻的两个方形金属贴片7之间长条状蚀刻缝隙8的宽度g范围为[0.01λg,0.05λg]；方形金属贴片b72的边长d范围为[0.2λg,0.4λg]。λg为上层介质基板1的介质有效波长。
[0046]
金属地板9的边长g
l
范围为[0.9λ0,1.2λ0]；耦合缝隙10的总长度为2
×
(l
s1
+l
s2
)；所述耦合缝隙10的总长度的范围为[0.1λ
g1
,0.6λ
g1
]，所述耦合缝隙10最宽处的宽度ws1的范围为[0.05λ
g1
,0.4λ
g1
]，最窄处的宽度ws2的范围为[0.03λ
g1
,0.3λ
g1
]，其中，λ
g1
为中层介质基板2的介质有效波长，n为金属地板中耦合缝隙10的数量；l
s1
表示为单个耦合缝隙10最宽处对应的长度，2
s2
表示为单个耦合缝隙10最窄处对应的长度。
[0047]
y字型微带线11的宽度wf为[0.1λ
g2
,0.5λ
g2
]，馈电网络的输出端沿耦合缝隙10方向的长度s范围为[0.1λ
g2
,0.4λ
g2
]，馈电网络的输出端沿微带线11方向长度l范围为[0.1λ
g2
,0.5λ
g2
]，其中，λ
g2
为下层介质基板3的介质有效波长。
[0048]
本实施例中具体参数设置为：上层介质基板1的厚度h1为0.254mm，中层介质基板2的厚度h2为3.25mm，下层介质基板3的厚度h3为0.813mm；其中矩形贴片4的长度a为15.5mm，宽度b为6mm；相邻的两个方形金属贴片7之间长条状蚀刻缝隙8的宽度g为1.1mm，方形金属贴片b72的边长d为8.1mm；金属地板9的边长g
l
为60mm；在金属地板上所开耦合缝隙10的总长度为28.9mm，最宽处的宽度ws1为1.6mm，对应长度l
s1
为13.2mm，最窄处的宽度ws2为1.4mm，对应长度l
s2
为1.25mm，y字型微带线11的宽度wf为1.85mm，馈电网络的输出端长度s为7.5mm，馈电网络的输出端长度l为10mm。
[0049]
如图5至图8所示，本实施例提供的双极化超表面天线在不同频率下的辐射方向图。在带宽范围内选取5.5ghz、6.2ghz进行观察，辐射方向可以保持对称且主极化远高于交叉极化。本实例提供的双极化超表面天线在较大的频段内增益较高，且抗干扰能力强。
[0050]
如图9所示，本实施例提供的双极化超表面天线s参数特性图；可以看出，|s
11
|《-10db的工作阻抗带宽垂直极化约为28.4％(4.84～6.44ghz)，水平极化约为38.7％(4.83～7.15ghz)。已实现的隔离度曲线在整个工作阻抗带宽上非常高，隔离度最低超过51db。由上可知，本实施例提供的超表面天线可以有效地实现宽带和高隔离特性。
[0051]
如图10所示，本实施例提供的双极化增益图。在整个工作阻抗带宽上增益较高，实现垂直极化增益的峰值约为9.6dbi，实现水平极化增益的峰值约为9.1dbi。由上可知，本实施例提供的超表面天线可以有效地实现高增益特性。
[0052]
实施例2
[0053]
本实施例提供了一种高隔离宽带低剖面的双极化天线的使用方法，本实施提供的
使用方法可以应用于实施例1所述双极化天线；所述使用方法包括：
[0054]
在水平极化时，通过所述差分同轴线输入能量至矩形贴片；所述矩形贴片向外辐射差分同轴线输入的能量；所述超表面结构向上反射所述矩形贴片辐射的能量；
[0055]
在垂直极化时，通过所述馈电网络输入能量至耦合缝隙后，通过超表面结构向外辐射。
[0056]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种高隔离宽带低剖面的双极化天线，其特征在于，包括堆叠设置的上层介质基板、中层介质基板和下层介质基板；所述上层介质基板远离中层介质基板的一侧设置有矩形贴片；所述矩形贴片下方设置有差分同轴线；所述差分同轴线用于输入能量至矩形贴片；所述差分同轴线垂直贯穿上层介质基板、中层介质基板和上层介质基板；所述矩形贴片向外辐射差分同轴线输入的能量；所述上层介质基板和中层介质基板之间设置有超表面结构；所述中层介质基板和下层介质基板之间设置有金属地板；所述金属地板设有耦合缝隙；所述下层介质基板底部设置有馈电网络；所述馈电网络输入能量至耦合缝隙后通过超表面结构向外辐射。2.根据权利要求1所述的一种高隔离宽带低剖面的双极化天线，其特征在于，所述超表面结构包括若干个方形金属贴片，各方形金属贴片呈矩阵分布，相邻的两方形金属贴片之间设置有刻蚀缝隙。3.根据权利要求2所述的一种高隔离宽带低剖面的双极化天线，其特征在于，所述方形金属贴片分为方形金属贴片a和方形金属贴片b；若干个方形金属贴片a矩阵分布形成矩阵单元，所述矩阵单元与所述方形金属贴片b的尺寸相等，若干个矩阵单元和若干个方形金属贴片b组合形成超表面结构；所述矩形贴片分布于耦合缝隙的一侧，所述矩阵单元分布于耦合缝隙的另一侧。4.根据权利要求1所述的一种高隔离宽带低剖面的双极化天线，其特征在于，所述馈电网络的输入端设置为微带线；所述馈电网络的输出端设置为矩形状、y状或是扇形状；所述微带线的垂直投影与所述耦合缝隙的垂直投影相交。5.根据权利要求1所述的一种高隔离宽带低剖面的双极化天线，其特征在于，所述上层介质基板、中层介质基板和上层介质基板的介电常数范围为[1,10]，上层介质基板的厚度h1、中层介质基板的厚度h2和下层介质基板的厚度h3范围为[0.001λ0,0.1λ0]；λ0为自由空间波长。6.根据权利要求1所述的一种高隔离宽带低剖面的双极化天线，其特征在于，矩形贴片的长度a范围为[0.08λ0,0.3λ0]，宽度b范围为[0.03λ0,0.2λ0]。7.根据权利要求3所述的一种高隔离宽带低剖面的双极化天线，其特征在于，超表面结构中相邻的两个方形金属贴片之间的缝隙宽度g范围为[0.01λ
g
,0.05λ
g
]；方形金属贴片b的边长d范围为[0.2λ
g
,0.4λ
g
]，其中，λ
g
为上层介质基板的介质有效波长。8.根据权利要求1所述的一种高隔离宽带低剖面的双极化天线，其特征在于，所述金属地板设置为正方形；金属地板的边长g
l
范围为[0.9λ0,1.2λ0]；耦合缝隙的总长度范围为[0.1λ
g1
,0.6λ
g1
]，耦合缝隙的宽度范围为[0.03λ
g1
,0.4λ
g1
]，其中，λ
g1
为中层介质基板的介质有效波长。9.根据权利要求4所述的一种高隔离宽带低剖面的双极化天线，其特征在于，所述微带线的宽度w
f
范围为[0.1λ
g2
,0.5λ
g2
]；馈电网络的输出端沿耦合缝隙方向的长度s范围为[0.1λ
g2
,0.4λ
g2
]，馈电网络的输出端沿微带线方向长度l范围为[0.1λ
g2
,0.5λ
g2
]，其中λ
g2
为下层介质基板的介质有效波长。10.根据权利要求1至9任一项所述的双极化天线的使用方法，其特征在于，包括：在水平极化时，通过所述差分同轴线输入能量至矩形贴片；所述矩形贴片向外辐射差分同轴线输入的能量；所述超表面结构向上反射所述矩形贴片辐射的能量；
在垂直极化时，通过所述馈电网络输入能量至耦合缝隙后，通过超表面结构向外辐射。

技术总结
本发明公开了天线领域的一种高隔离宽带低剖面的双极化天线及使用方法，包括堆叠设置的上层介质基板、中层介质基板和下层介质基板；所述上层介质基板设置有矩形贴片；所述矩形贴片下方设置有差分同轴线；所述差分同轴线用于输入能量至矩形贴片；所述矩形贴片向外辐射差分同轴线输入的能量；所述上层介质基板和中层介质基板之间设置有超表面结构；所述中层介质基板和下层介质基板之间设置有金属地板；所述金属地板设有耦合缝隙；所述下层介质基板底部设置有馈电网络；所述馈电网络输入能量至耦合缝隙后通过超表面结构向外辐射；双极化分别采用缝隙耦合馈电和差分同轴馈电，使天线能够在较宽的频段范围内实现高隔离。够在较宽的频段范围内实现高隔离。够在较宽的频段范围内实现高隔离。


技术研发人员：陈东旭 刘浩田 陈嘉琪 杨琬琛 曹宁
受保护的技术使用者：河海大学
技术研发日：2023.06.30
技术公布日：2023/8/13