本實用新型天線技術領域，具體涉及一種基于褶皺金屬周期結構的小型化寬帶的超表面天線，其采用較小的體積，實現(xiàn)較寬的帶寬和較高的增益。

背景技術：

超表面通常是指那些通過人工制作的金屬結構單元和相同或相近的單元結構周期或者非周期排布的電磁材料，其具有自然界中材料所不具備的性質。超表面可以等效為二維超材料，對電磁波具有很強的調控能力，可以實現(xiàn)改變天線的波束指向，產(chǎn)生相位偏移等功能。不僅如此，超表面和微帶天線的結合可以提高傳統(tǒng)天線在工作帶寬、尺寸、增益、輻射效率等多個方面的性能。此外，Chung，K.等人于2011年提出將超表面結構應用到微帶貼片天線上，阻抗帶寬和天線效率等方面性能都得到很大改善。

傳統(tǒng)微帶天線具有質量輕、成本低、容易制造并且可以直接和射頻微波電路集成等特點，因此在移動通信、航天航空、電子對抗及雷達等領域有著廣泛的應用。但當傳統(tǒng)微帶天線工作在較低頻段時，由于其面積大從而不能適應無線通信系統(tǒng)向小型化、集成化方向發(fā)展，從而限制了微帶天線在無線通信系統(tǒng)中的應用，也限制了無限通信系統(tǒng)的發(fā)展。

因此急需研究通過超表面的引入來實現(xiàn)天線基板的電磁參數(shù)數(shù)值的提高，小型化因子得到增大，從而實現(xiàn)天線尺寸小型化。

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的在于提供一種結構簡單，增益高、頻帶寬、尺寸小的基于階梯金屬周期結構的超表面天線。

本實用新型的目的是這樣實現(xiàn)的，包括依次順序重疊設置的天線輻射體、第一介質基板、第一金屬底片、階梯金屬周期結構、第二介質基板和第二金屬底片，所述天線輻射體為采用微帶金屬貼片制作形成的中心饋電微帶天線，其由一長條形金屬貼片和一正六邊形金屬貼片構成，所述第一金屬底片為矩形結構，所述第一金屬底片的面積小于第一介質基板的面積，所述階梯金屬周期結構由多個階梯金屬貼片單元按照3×6陣列排列構成，所述階梯金屬貼片單元的階梯貫穿階梯金屬貼片單元，所述階梯的高度為0.8~1.2mm，階梯縫寬度為0.1~0.3mm。

本實用新型利用階梯金屬周期結構在微波頻段的等效介電常數(shù)為負的特征，以及在負介電常數(shù)材料與正介電常數(shù)材料分界面上將形成表面波的基本原理，將等效為負介電常數(shù)材料的周期性階梯金屬貼片單元按照3×6陣列排列構成階梯金屬周期結構附著于第二介質基板上，構成超表面結構，并通過微帶側饋的天線輻射體激發(fā)超表面結構，形成諧振；由矩形結構構成的第一金屬底片和第二金屬底片主要起接地作用；上述結構共同形成了一種尺寸小、頻帶寬和增益高的超表面天線。

本實用新型中的階梯金屬周期結構和第二介質基板形成了超表面結構，天線輻射體與矩形結構的第一金屬底片共同構成帶有接地板的共面波導，然后將該超表面結構直接設置在共面波導饋電的矩形微帶天線下方，并通過微帶傳輸線進行激發(fā)形成諧振，實現(xiàn)交指電容器效果的低剖面定向天線，使得形成的天線具有寬頻帶、體積小、增益高、結構簡單和制作成本低廉等優(yōu)點。

附圖說明

圖1為本實用新型的結構示意圖；

圖2為圖1的俯視結構示意圖；

圖3為本實用新型中天線輻射體的結構示意圖；

圖4為本實用新型中階梯金屬周期結構的結構示意圖；

圖5為本實用新型中階梯金屬貼片單元的結構示意圖；

圖6為使用本實用新型提供的天線進行回波損耗特性仿真的仿真曲線；

圖7為未使用超表面的微帶天線與使用本實用新型提供的天線進行增益特性仿真的仿真曲線對比圖；

圖8為未使用超表面的微帶天線與使用本實用新型提供的天線進行仿真的歸一化E面方向圖；

圖9為未使用超表面的微帶天線與使用本實用新型提供的天線進行仿真的歸一化H面方向圖；

圖中：1-天線輻射體、2-第一介質基板、3-第一金屬底片、4-褶皺金屬周期結構、5-第二介質基板、6-第二金屬底片。

具體實施方式

如圖1-圖5所示，本實用新型提供的基于階梯金屬周期結構的超表面天線，包括依次順序重疊設置的天線輻射體1、第一介質基板2、第一金屬底片3、階梯金屬周期結構4、第二介質基板5和第二金屬底片6，所述天線輻射體1為采用微帶金屬貼片制作形成的中心饋電微帶天線，所述第一金屬底片3為矩形結構，所述第一金屬底片的面積小于第一介質基板的面積，所述階梯金屬周期結構4由多個階梯金屬貼片單元按照3×6陣列排列構成，所述階梯金屬貼片單元的階梯貫穿階梯金屬貼片單元，所述階梯的高度為0.8~1.2mm，階梯縫寬度為0.1~0.3mm。所述第一金屬底片3與褶皺金屬周期結構4之間的距離為電磁波波長的0.005~0.01倍。

其特征在于所述第一金屬底片3與褶皺金屬周期結構4之間的距離為0.5mm。

所述第一介質基板2采用玻璃環(huán)氧樹膠制作，第二介質基板5采用羅杰斯3003制作。

所述的褶皺金屬周期結構4和第二介質基板5形成了超表面結構，天線輻射體1與矩形結構的第一金屬底片3共同構成帶有接地板的共面波導，然后將該超表面結構直接設置在共面波導饋電的矩形微帶天線下方，并通過微帶傳輸線進行激發(fā)形成諧振，實現(xiàn)交指電容器效果的低剖面定向天線，使得形成的天線具有寬頻帶、體積小、增益高、結構簡單和制作成本低廉等優(yōu)點。

實施例1

采用厚度為0.018mm的微帶金屬貼片制作天線輻射體1，其中天線輻射體的相關參數(shù)為：r=5.5mm、al=12.2mm、aw=3.6mm；第一介質基板2選用羅杰斯3003制作，其長度為25mm、寬度為20mm、厚度為1.5mm，其介電常數(shù)為3；矩形結構的第一金屬底片3采用厚度為0.018mm，長度25mm和寬度10mm的矩形金屬貼片制作；階梯金屬周期結構4采用多個相同的階梯金屬貼片單元按照3×6陣列排列構成，其中每個階梯金屬貼片單元的厚度為0.018mm，長度為Uy=10mm，寬度為Ux=11mm，階梯高度為fh=1mm，階梯縫寬度為s=0.2mm；第二介質基板5選用材料羅杰斯3003制作，其長度為62.4mm、寬度為33mm、厚度為2.5mm，其介電常數(shù)為3；第二金屬底片6的長度為62.4mm、寬度為33mm、厚度為0.018mm；其中矩形結構第一金屬底片3與階梯金屬周期結構4之間的距離為0.5mm。

采用實施例1的結構制作形成了工作在中心頻率為4.3GHz的超表面天線，采用全波三維電磁仿真軟件 Ansoft HFSS 對該天線進行仿真，可得到如圖6所示的天線的回波損耗（S11參數(shù)）特性圖，從圖上可知在天線的工作帶寬3.82～4.78GHz范圍內，回波損耗均在-10dB以下，帶寬為960MHz，其中相對阻抗帶寬達到22.3%；該天線所占用的最大尺寸為33mm*62.4mm，其面積只有0.423，其中為中心頻率所對應的波長（這里為69.8mm）。如圖7所示，本實用新型提供的天線的增益仿真曲線在通帶內的平均增益為7.7dBi，而未使用超表面的微帶天線的平均增益只有1.9dBi，本實用新型提供的天線的平均增益比未使用超表面的微帶天線的增益高5.8 dBi；如圖8和9所示，本實用新型提供的天線和未使用超表面的微帶天線在頻率為4.3GHz時的E面和H面歸一化方向圖，可以看出本實用新型提供的天線的電磁能量大量輻射在天線的一側，天線側向輻射減弱，前向輻射增強，方向性得到改善。

上面結合附圖對本實用新型的實施方式進行了描述，但是本實用新型并不局限于上述的具體實施方式，上述的具體實施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術人員在本實用新型的啟示下，在不脫離本實用新型宗旨和權利要求所保護的范圍情況下，還可以做出許多形式，這均屬于本實用新型的保護之內。