双层超表面结构的低剖面双频双极化高增益超表面天线

1.本发明属于无线通信技术领域，更具体地说，涉及一种双层超表面结构的低剖面双频双极化高增益超表面天线。


背景技术：

2.目前2g/3g/lte通信系统已经覆盖了0.69-0.96ghz和1.7-2.7ghz频段，我国四大运营商划分的5g频段已经覆盖了2.515-2.675ghz和3.3-3.6ghz频段，同时4.8-5.0ghz频段也划分为我国5g通信系统的备用频段。除了移动通信频段外，无线局域网以及全球互联接入网络也占用了2.4-2.7ghz与5.15-5.85ghz频段。可以看出，为了在满足多种领域需求的情况下同时又不另外占用额外的天面资源，基站天线多频化具有非常重要的意义。
3.单天线多频技术只存在一个辐射体，整体结构较为紧凑。但是由于不同频段天线组阵时所需的天线数以及单元间距不同，这种天线难以构成大规模多频阵列。对于室外宏基站需要高增益广覆盖，双频带或多频带应用需要具有紧凑尺寸、低成本、低质量、高孔径利用率和易于集成的优点，因此多天线多频系统更加适用，同时使用多天线系统更加容易实现双极化性能。
4.目前，已经有许多的研究者使用偶极子天线共口径技术来实现多频宽带覆盖，但是这种技术存在一定的局限性，例如其增益较低，且高度较高。近年来，研究者们发现超表面天线在实现宽带、高增益的同时还能保持非常紧凑的尺寸，这使得超表面天线成为近些年来的研究热点。因此利用超表面天线的优点来设计基站天线具有重要意义。


技术实现要素：

5.为了解决上述技术问题至少之一，根据本发明的一方面，提供了一种双层超表面结构的低剖面双频双极化高增益超表面天线，包括：
6.依序层叠设置的微带馈电结构、底层介质基板、金属接地板以及双层超表面结构；
7.所述双层超表面结构包括依序层叠设置的中层介质板、下层超表面、空气加载层、顶层介质板和上层超表面。
8.进一步的，所述下层超表面，包括中心贴片、第一矩形加载贴片、第二矩形加载贴片、第三矩形加载贴片和第四矩形加载贴片；
9.所述中心贴片，位于底层介质基板的正中心，且所述第一矩形加载贴片、第二矩形加载贴片、第三矩形加载贴片和第四加载矩形贴片环绕所述中心贴片放置；
10.所述第一矩形加载贴片与所述中心贴片的距离为g3，所述第二矩形加载贴片、第三矩形加载贴片和第四矩形加载贴片与所述中心贴片的距离为g2。
11.进一步的，所述金属接地板刻蚀有6个缝隙，分别为：第一i型馈电缝隙、第二i型馈电缝隙、第一矩形加载缝隙、第二矩形加载缝隙、第三矩形加载缝隙和第四矩形加载缝隙；
12.其中，所述第一i型馈电缝隙和是第二i型馈电缝隙尺寸不同且相互垂直，分别刻蚀于所述金属地板中心位置的两侧；
13.所述第一i型馈电缝隙，用于激励垂直极化辐射模式；
14.所述第二i型馈电缝隙，用于激励水平极化辐射模式；
15.所述第一矩形加载缝隙、第二矩形加载缝隙、第三矩形加载缝隙和第四矩形加载缝隙分别刻蚀于所述第一i型馈电缝隙和第二i型馈电缝隙的四周。
16.进一步的，所述第一矩形加载缝隙、第二矩形加载缝隙、第三矩形加载缝隙和第四矩形加载缝隙的刻蚀位置分别位于下层超表面的第一矩形加载贴片、第二矩形加载贴片、第三矩形加载贴片和第四矩形加载贴片的正下方。
17.进一步的，所述微带馈电结构由第一y型微带馈线和第二y型馈电馈线构成，所述第一y型微带馈线位于所述第一i型馈电缝隙的正下方，所述第二y型馈电馈线位于所述第二i型馈电缝隙正下方，分别控制垂直和水平极化辐射模式。
18.进一步的，所述第一y型微带馈线加载了电桥结构，并在末端进行弯折。
19.相比于现有技术，本发明至少具有如下有益效果：
20.本发明具有低剖面、双宽带、高隔离度以及高增益特性，能够在两个5g频带轻松实现稳定的双极化定向辐射性能。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例，而非对本发明的限制。
22.图1为本发明双层超表面结构的低剖面双频双极化高增益超表面天线实施例的结构剖面示意图；
23.图2为本发明双层超表面结构的低剖面双频双极化高增益超表面天线实施例的结构示意图；
24.图3为本发明双层超表面结构的低剖面双频双极化高增益超表面天线实施例的上层超表面结构示意图；
25.图4为本发明双层超表面结构的低剖面双频双极化高增益超表面天线实施例的下层超表面结构示意图；
26.图5为本发明双层超表面结构的低剖面双频双极化高增益超表面天线实施例的金属接地板结构示意图；
27.图6为本发明双层超表面结构的低剖面双频双极化高增益超表面天线实施例的微带馈电结构示意图；
28.图7为本发明双层超表面结构的低剖面双频双极化高增益超表面天线实施例的两个端口的s参数(s11、s22和s21)；
29.图8为本发明双层超表面结构的低剖面双频双极化高增益超表面天线实施例两个极化模式的正z方向增益。
30.图9为本发明双层超表面结构的低剖面双频双极化高增益超表面天线实施例在2.5ghz、2.75ghz、3.32ghz以及3.61ghz时两个极化模式的h面和e面的辐射方向图。
具体实施方式
31.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例
的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
32.除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。
33.实施例1：
34.本实施例提供一种双层超表面结构的低剖面双频双极化高增益超表面天线，所有层叠结构通过4个螺钉孔使用尼龙螺丝和尼龙螺柱进行固定，非常方便。
35.本实施例中，天线的整体结构如图1所示。所述天线整体呈正方形，包括：从下至上层叠设置的微带馈电结构(8)、底层介质基板(7)、金属接地板(6)、以及双层超表面结构；其中双层超表面结构包括中层介质板(5)、下层超表面(4)、空气加载层(3)、顶层介质板(2)和上层超表面(1)。
36.本实施例中，所有介质板的边长均为l＝100mm，其中顶层介质板(2)采用介电常数为3.5的f4bm350板材，厚度为h1＝0.5mm；中层介质板(5)采用介电常数为2.2的f4bm220板材，厚度为h2＝1.5mm；底层介质板(7)采用介电常数为3.5的f4bm350板材，厚度为h3＝0.5mm；空气加载层(3)的厚度为ha＝4mm。天线总体厚度为6.5mm(0.053倍最低工作频率波长)，具有低剖面的优点，根据应用还可对厚度参数进行适当调节。
37.本实施例的上层超表面结构如图3所示，总共包括16个均匀排布的边长为d1＝18mm的正方形贴片，相邻正方形贴片之间的间距为g1＝0.6mm。
38.本实施例的下层超表面结构如图4所示，它由一块中心贴片(9)和第一矩形加载贴片(10-1)、第二矩形加载贴片(10-2)、第三矩形加载贴片(10-3)和第四矩形加载贴片(10-4)构成；且所述第一矩形加载贴片(10-1)、第二矩形加载贴片(10-2)、第三矩形加载贴片(10-3)和第四矩形加载贴片(10-4)分别环绕中心贴片(9)放置，其中第一矩形加载贴片(10-1)与中心贴片(9)的距离为g3，第二矩形加载贴片(10-2)、第三矩形加载贴片(10-3)和第四矩形加载贴片(10-4)与中心贴片(9)的距离为g2；g2和g3的值会对天线的阻抗匹配产生影响，g3的值相较g2更大可以减小i型馈电缝隙(11-2)偏移中心所导致的方向图偏转；中心贴片(9)的长和宽分别为d2＝29mm、d3＝28mm；第一矩形加载贴片(10-1)和第三矩形加载贴片(10-3)的长和宽分别为d2＝29mm、w2＝18mm；第二矩形加载贴片(10-2)和第四矩形加载贴片(10-4)的长和宽分别为d3＝28mm、w3＝18mm。
39.本实施例的金属接地板结构如图5所示，总共刻蚀有6个缝隙，其中第一i型馈电缝隙(11-1)和第二i型馈电缝隙(11-2)尺寸不同且相互垂直，分别刻蚀于金属地板(6)中心位置的两侧，第一i型馈电缝隙(11-1)的中心偏离中心位置dv2,而第二i型馈电缝隙(11-2)的中心偏离中心位置dv1，偏离可使第一i型馈电缝隙(11-1)和第二i型馈电缝隙(11-2)均处于中心贴片(9)的下方，并且不会发生位置重叠，改变偏移距离dv1和dv2会对天线的阻抗匹配产生一定影响；其中第一i型馈电缝隙(11-1)用于激励垂直极化辐射模式，而第二i型馈电缝隙(11-2)用于激励水平极化辐射模式；另外，第一矩形加载缝隙(12-1)、第二矩形加载缝隙(12-2)、第三矩形加载缝隙(12-3)和第四矩形加载缝隙(12-4)分别刻蚀于第一i型馈电缝隙(11-1)和第二i型馈电缝隙(11-2)的四周；矩形加载缝隙(12-1、12-2、12-3、12-4)的刻蚀位置分别对应分布于下层超表面矩形加载贴片(10-1、10-2、10-2、10-3)的正下方，能够有效增强激励结构与超表面结构之间的耦合，使超表面结构能够更好的发挥结构优势以
实现更高的增益。
40.本实施例的微带馈电结构如图6所示，所述微带馈电结构(8)由第一y型微带馈线(13-1)和第二y型馈电馈线(13-2)构成，第一y型微带馈线(13-1)位于第一i型馈电缝隙的正下方，第二y型馈电馈线(13-2)位于第二i型馈电缝隙(11-2)正下方，分别控制垂直和水平极化辐射模式，其中第一y型微带馈线(13-1)加载了电桥结构(14)，并在末端进行弯折；电桥结构能够有效抑制馈线之间的谐振，同时能提高端口间的隔离度。在每组微带馈线两侧设置有两个焊盘(15)，焊盘通过金属化通孔连接至金属接地板，以方便焊接sma接口。
41.本实施例的两个端口的s参数如图7所示，可以看出，在2.46-2.83ghz和3.22-3.72ghz范围内，该天线两个端口的回波损耗均小于-10db，两个极化模式端口均匹配良好，可以完全覆盖2.515-2.675ghz和3.3-3.6ghz两个5g频段。同时，在2.46-2.83ghz范围内，s21《-40db，在3.22-3.72ghz范围内，s21《-50db，两个端口均具有较高的端口隔离度。
42.本实施例天线两个极化辐射模式的正z方向的增益如图8所示，在2.46-2.83ghz范围内，两个极化辐射模式正z方向的增益均大于8.4dbi，最大增益可达9.88dbi；而在3.22-3.72ghz范围内，两个极化辐射模式正z方向的增益均大于9.12dbi，最大增益可达11.85dbi，可见该天线定向辐射效果良好，具有较高增益。
43.如图9所示是本实施例天线工作在2.5ghz、2.75ghz、3.32ghz以及3.61ghz时两个极化模式的h面和e面的辐射方向图。可以看出，两种极化模式在工作带宽内具有稳定的定向辐射效果。
44.本发明所述实例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种双层超表面结构的低剖面双频双极化高增益超表面天线，其特征在于，包括：依序层叠设置的微带馈电结构、底层介质基板、金属接地板以及双层超表面结构；所述双层超表面结构包括依序层叠设置的中层介质板、下层超表面、空气加载层、顶层介质板和上层超表面。2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述下层超表面，包括中心贴片、第一矩形加载贴片、第二矩形加载贴片、第三矩形加载贴片和第四矩形加载贴片；所述中心贴片，位于底层介质基板的正中心，且所述第一矩形加载贴片、第二矩形加载贴片、第三矩形加载贴片和第四加载矩形贴片环绕所述中心贴片放置；所述第一矩形加载贴片与所述中心贴片的距离为g3，所述第二矩形加载贴片、第三矩形加载贴片和第四矩形加载贴片与所述中心贴片的距离为g2。3.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述金属接地板刻蚀有6个缝隙，分别为：第一i型馈电缝隙、第二i型馈电缝隙、第一矩形加载缝隙、第二矩形加载缝隙、第三矩形加载缝隙和第四矩形加载缝隙；其中，所述第一i型馈电缝隙和第二i型馈电缝隙尺寸不同且相互垂直，分别刻蚀于所述金属地板中心位置的两侧；所述第一i型馈电缝隙，用于激励垂直极化辐射模式；所述第二i型馈电缝隙，用于激励水平极化辐射模式；所述第一矩形加载缝隙、第二矩形加载缝隙、第三矩形加载缝隙和第四矩形加载缝隙分别刻蚀于所述第一i型馈电缝隙和第二i型馈电缝隙的四周。4.根据权利要求3所述的天线，其特征在于，所述第一矩形加载缝隙、第二矩形加载缝隙、第三矩形加载缝隙和第四矩形加载缝隙的刻蚀位置分别位于下层超表面的第一矩形加载贴片、第二矩形加载贴片、第三矩形加载贴片和第四矩形加载贴片的正下方。5.根据权利要求3所述的天线，其特征在于，所述微带馈电结构由第一y型微带馈线和第二y型馈电馈线构成，所述第一y型微带馈线位于所述第一i型馈电缝隙的正下方，所述第二y型馈电馈线位于所述第二i型馈电缝隙正下方，分别控制垂直和水平极化辐射模式。6.根据权利要求5所述的天线，其特征在于，所述第一y型微带馈线加载了电桥结构，并在末端进行弯折。

技术总结
本发明公开了一种双层超表面结构的低剖面双频双极化高增益超表面天线，包括依序层叠设置的微带馈电结构、底层介质基板、金属接地板以及双层超表面结构；所述双层超表面结构包括依序层叠设置的中层介质板、下层超表面、空气加载层、顶层介质板和上层超表面。本发明通过设计多层超表面结构，结合加载缝隙以及合理的馈电结构，最终实现了具有低剖面、双宽带、高隔离度以及高增益特性的双层超表面结构的低剖面双频双极化高增益超表面天线。剖面双频双极化高增益超表面天线。剖面双频双极化高增益超表面天线。


技术研发人员：常玉梅 岑浩宇 隽月 李波 许丽洁
受保护的技术使用者：南京邮电大学
技术研发日：2023.03.21
技术公布日：2023/7/18