一種超材料覆層雙頻相控陣列天線的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)一種超材料覆層雙頻相控陣列天線，包括覆層結(jié)構(gòu)及天線陣列，覆層結(jié)構(gòu)由M×N個(gè)周期排列的矩形蘑菇型覆層組成，天線陣列由周期排列的縫隙耦合天線組成，縫隙耦合天線的個(gè)數(shù)與矩形蘑菇型覆層的個(gè)數(shù)相同，每個(gè)縫隙耦合天線位于每個(gè)矩形蘑菇型覆層的垂直方向下方。本發(fā)明解決了傳統(tǒng)相控陣列天線在兩個(gè)頻段內(nèi)無(wú)法同時(shí)實(shí)現(xiàn)較高的增益及不能實(shí)現(xiàn)大角度掃描的問(wèn)題，天線可以實(shí)現(xiàn)多頻段工作、低頻對(duì)高頻掃描補(bǔ)償，使得掃描角度大大提升，在布陣方向上幾乎沒(méi)有掃描盲區(qū)，適用于多功能天線系統(tǒng)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種超材料覆層雙頻相控陣列天線
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于通信技術(shù)領(lǐng)域，更進(jìn)一步涉及電磁場(chǎng)與微波技術(shù)領(lǐng)域的一種超材料覆層雙頻相控陣列天線。本發(fā)明可用于微波波段，天線可以實(shí)現(xiàn)多頻段工作、低頻對(duì)高頻掃描補(bǔ)償，掃描角度大大提升，在布陣方向上幾乎沒(méi)有掃描盲區(qū)，適用于多功能天線系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]多頻帶相控陣天線以其高增益、較好掃描特性的優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越多地應(yīng)用于通信領(lǐng)域。伴隨著科技創(chuàng)新進(jìn)步，現(xiàn)代無(wú)線通信技術(shù)得以迅猛發(fā)展，無(wú)線通信系統(tǒng)不斷的更新擴(kuò)容，其對(duì)信道容量的需求日益增長(zhǎng)，研發(fā)設(shè)計(jì)出覆蓋多個(gè)通信標(biāo)準(zhǔn)的多頻帶天線成為必然趨勢(shì)。無(wú)線局域網(wǎng)作為無(wú)線通信技術(shù)的重要組成部分，在生活和工作中發(fā)揮越來(lái)越大的作用，設(shè)計(jì)出滿(mǎn)足無(wú)線局域網(wǎng)的雙頻天線具有實(shí)際意義。最近一種基于電磁超材料的寬帶低剖面天線被提出來(lái)，在這些設(shè)計(jì)中，利用蘑菇型EBG結(jié)構(gòu)的復(fù)合左右手特性，將其用作天線的覆層。
[0003]華為技術(shù)有限公司在其申請(qǐng)的專(zhuān)利“雙頻交織相控陣天線”(申請(qǐng)?zhí)?201380051897.4，公開(kāi)號(hào):104685718A)中提出了一種雙頻交織相控陣天線。該天線可以通過(guò)在具有上槽的天線偶極子的饋線和調(diào)諧短截線中包含額外的折彎來(lái)降低交叉偶極子天線元件的高度。額外的折彎在不縮短饋線長(zhǎng)度的情況下將交叉偶極子天線元件縮短多大20%。此外，將通過(guò)巴倫饋電偶極子的翼形部分定形成與天線罩的輪廓相配可以降低交叉偶極子天線元件的高度，這樣允許交叉偶極子天線元件適配更淺的天線罩并實(shí)現(xiàn)更薄的天線模塊。但是，該天線結(jié)構(gòu)仍然存在的不足之處是，在兩個(gè)頻段內(nèi)無(wú)法同時(shí)實(shí)現(xiàn)較高的輻射效率，并且需要進(jìn)行機(jī)械操作才能實(shí)現(xiàn)天線在兩個(gè)頻段內(nèi)工作。
[0004]深圳光啟創(chuàng)新技術(shù)有限公司在其申請(qǐng)的專(zhuān)利“雙頻天線裝置”(申請(qǐng)?zhí)?201520080870.4，公開(kāi)號(hào):204361263U)中提出了一種雙頻天線裝置。該裝置包括介質(zhì)基板以及位于介質(zhì)基板的一側(cè)表面上的輻射結(jié)構(gòu)，其中，第一輻射分支與第一輻射臂的連接點(diǎn)作為第一饋電點(diǎn)，第二輻射分支與第二輻射臂的連接點(diǎn)作為第二饋電點(diǎn)，第一輻射分支的端部與第二輻射分支的端部相對(duì)。該雙頻天線裝置利用輻射結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)工作頻率，在采用超材料介質(zhì)基板的情形下可以進(jìn)一步減小天線尺寸和提高天線增益。但是，該天線結(jié)構(gòu)仍然存在的不足之處是，在具有較高天線增益的同時(shí)不能實(shí)現(xiàn)天線的大角度掃描，且波束掃描不具有連續(xù)性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種超材料覆層雙頻相控陣列天線。
[0006]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的具體思路是:由矩形蘑菇型覆層組成覆層結(jié)構(gòu)。經(jīng)縫隙耦合天線發(fā)出的電磁波照射到覆層結(jié)構(gòu)上，實(shí)現(xiàn)了超材料覆層雙頻相控陣列天線的雙頻段工作，通過(guò)改變陣列天線單元相位進(jìn)行輻射角度掃描，電磁波經(jīng)過(guò)覆層結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了超材料覆層雙頻相控陣列天線的大角度波束掃描。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下。
[0008]本發(fā)明包括覆層結(jié)構(gòu)及天線陣列，覆層結(jié)構(gòu)由MXN個(gè)周期排列的矩形蘑菇型覆層組成，天線陣列由周期排列的縫隙耦合天線組成，縫隙耦合天線的個(gè)數(shù)與矩形蘑菇型覆層的個(gè)數(shù)相同，每個(gè)縫隙耦合天線位于每個(gè)矩形蘑菇型覆層的垂直方向下方。
[0009]矩形蘑菇型覆層包括矩形金屬貼片、金屬化過(guò)孔及上層介質(zhì)基板，矩形金屬貼片有十二個(gè)，并以3X4的排布方式緊貼在上層介質(zhì)基板的上表面，所述的金屬化過(guò)孔有十二個(gè)，分別位于矩形金屬貼片每個(gè)的中心軸向處，金屬化過(guò)孔的上端連接在矩形金屬貼片的下表面的中心位置。
[0010]縫隙耦合天線包括地板、下層介質(zhì)基板及饋電線，地板緊貼在下層介質(zhì)基板的上表面，饋電線緊貼在下層介質(zhì)基板的下表面。
[0011 ]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0012]第一，由于本發(fā)明的超材料覆層雙頻相控陣列天線采用了縫隙耦合天線，并與覆層結(jié)構(gòu)緊密連接，克服了現(xiàn)有技術(shù)存在的在兩個(gè)頻段內(nèi)無(wú)法同時(shí)實(shí)現(xiàn)較高的輻射效率的缺點(diǎn)，使得本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了天線低剖面、高增益的特性。
[0013]第二，由于本發(fā)明的超材料覆層雙頻相控陣列天線采用了矩形蘑菇型覆層結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了在不改變天線結(jié)構(gòu)的前提下的雙頻段工作，克服了現(xiàn)有技術(shù)存在的需要進(jìn)行機(jī)械操作才能實(shí)現(xiàn)天線在兩個(gè)頻段內(nèi)工作的缺點(diǎn)，使得本發(fā)明滿(mǎn)足了雷達(dá)和通信系統(tǒng)對(duì)于多功能天線系統(tǒng)的需求，擴(kuò)大了相控陣列天線的應(yīng)用范圍。
[0014]第三，由于本發(fā)明的超材料覆層雙頻相控陣列天線采用了矩形蘑菇型覆層結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)覆層結(jié)構(gòu)的透射波的低頻波段掃描角變化劇烈，大大提升了天線輻射波束掃描能力，克服了現(xiàn)有技術(shù)存在的在具有較高天線增益的同時(shí)不能實(shí)現(xiàn)天線的大角度掃描，且波束掃描不具有連續(xù)性的缺點(diǎn)，使得本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了天線的大角度波束掃描。
【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖2為本發(fā)明矩形蘑菇型覆層的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖3為本發(fā)明縫隙耦合天線的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖4為本發(fā)明在2.7GHz和5GHz時(shí)的仿真輻射方向圖；
[0019]圖5為本發(fā)明在2.7GHz和5GHz時(shí)方向圖隨掃描角度的變化圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。
[0021]參照附圖1，對(duì)本發(fā)明的天線整體結(jié)構(gòu)作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。
[0022]本發(fā)明包括覆層結(jié)構(gòu)I及天線陣列2;覆層結(jié)構(gòu)I由MXN個(gè)周期排列的矩形蘑菇型覆層3組成，天線陣列2由周期排列的縫隙耦合天線7組成，縫隙耦合天線7的個(gè)數(shù)與矩形蘑菇型覆層3的個(gè)數(shù)相同，每個(gè)縫隙耦合天線7位于每個(gè)矩形蘑菇型覆層3的垂直方向下方。
[0023]MXN個(gè)周期排列的矩形蘑菇型覆層3中的M表示覆層結(jié)構(gòu)I的總行數(shù)，N表示覆層結(jié)構(gòu)I的總列數(shù)，M、N的取值為整數(shù)，I彡M彡50，I彡N彡50。
[0024]參照附圖2，對(duì)本發(fā)明的矩形蘑菇型覆層3的結(jié)構(gòu)作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。
[0025]矩形蘑菇型覆層3包括矩形金屬貼片4、金屬化過(guò)孔5及上層介質(zhì)基板6，矩形金屬貼片4有十二個(gè)，并以3X4的排布方式緊貼在上層介質(zhì)基板6的上表面，金屬化過(guò)孔5有十二個(gè)，分別位于矩形金屬貼片4每個(gè)的中心軸向處，金屬化過(guò)孔5的上端連接在矩形金屬貼片4的下表面的中心位置。
[0026]矩形金屬貼片4的長(zhǎng)度介于8mm-10mm之間，寬度介于之間，排布方式中的每行相鄰兩個(gè)矩形金屬貼片4的間距為0.5mm，排布方式中的每列相鄰兩個(gè)矩形金屬貼片4的間距為Imm ο
[0027]金屬化過(guò)孔5的直徑介于0.4mm-l.2mm之間，其長(zhǎng)度與上層介質(zhì)基板6所選取的厚度相等。
[0028]上層介質(zhì)基板6采用FR4介質(zhì)板，介電常數(shù)er= 4.4，損耗tan5 = 0.01，厚度介于
2.5mm-3.5mm 之間。
[0029]參照附圖3，對(duì)本發(fā)明的縫隙耦合天線7的結(jié)構(gòu)作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。
[0030]地板8的正中間蝕刻一個(gè)矩形縫隙，矩形縫隙的長(zhǎng)介于15mm-25mm之間，寬介于之間，該矩形縫隙與饋電線1垂直正交。
[0031]下層介質(zhì)基板9采用FR4介質(zhì)板，介電常數(shù)er= 4.4，損耗tan5 = 0.01，厚度介于
0.6mm-1.8mm之間。
[0032]饋電線10采用共面波導(dǎo)饋電線。
[0033]本發(fā)明的實(shí)施例1說(shuō)明不進(jìn)行角度掃描時(shí)，天線在高、低兩個(gè)頻段內(nèi)的輻射增益特性，利用矩形蘑菇型覆層3和縫隙耦合天線7設(shè)計(jì)一個(gè)I X 8的超材料覆層雙頻相控陣列天線，將天線部分與覆層部分分別集成在一起，相鄰兩個(gè)天線單元的間距為30mm，在縫隙耦合天線7的地板8和共面波導(dǎo)饋電線上開(kāi)一個(gè)寬度為2_的溝槽，以達(dá)到阻抗匹配。
[0034]參照附圖4，圖4是天線在工作頻率分別為2.7GHz和5GHz時(shí)的仿真輻射方向圖，圖中橫軸表示輻射波束角度，縱軸表示天線增益，方形曲線是工作頻率為低頻2.7GHz時(shí)天線的增益特性曲線，圓形曲線是工作頻率為高頻5GHz時(shí)天線的增益特性曲線，其低頻和高頻的平均峰值增益分別為9.5dBi和15.3dBi，天線在兩個(gè)頻段的3dB波束寬度分別約為20°和
11.5°，副瓣電平均在-13dB以下，說(shuō)明此時(shí)天線工作性能較好。
[0035]本發(fā)明的實(shí)施例2說(shuō)明進(jìn)行角度掃描時(shí)，天線在高、低兩個(gè)頻段內(nèi)的方向圖隨掃描角度的變化，實(shí)施例2的超材料覆層雙頻相控陣列天線設(shè)計(jì)方法與實(shí)施例1 一致，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)調(diào)整天線陣列的單元相位進(jìn)行輻射波角度掃描。
[0036]參照附圖5，圖5是天線在工作頻率分別為2.7GHz和5GHz時(shí)方向圖隨掃描角度的變化圖，圖5(a)是低頻掃描角為10°，高頻掃描角為5°時(shí)天線的方向圖，圖5(b)是低頻掃描角為30°，高頻掃描角為15°時(shí)天線的方向圖，圖5(c)是低頻掃描角為60°，高頻掃描角為25°時(shí)天線的方向圖，圖5(d)是低頻掃描角為90°，高頻掃描角為35°時(shí)天線的方向圖，各圖中橫軸表示輻射波束角度，縱軸表示天線增益，方形曲線是工作頻率為低頻2.7GHz時(shí)，天線的增益特性曲線，圓形曲線是工作頻率為高頻5GHz時(shí)，天線的增益特性曲線，其高頻掃描角變化范圍較小，低頻掃描角變化范圍較大，能實(shí)現(xiàn)低頻對(duì)高頻掃描補(bǔ)償，使得掃描角度大大提升，在布陣方向上幾乎沒(méi)有掃描盲區(qū)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種超材料覆層雙頻相控陣列天線，包括覆層結(jié)構(gòu)(I)及天線陣列(2);其特征在于，所述的覆層結(jié)構(gòu)(I)由MXN個(gè)周期排列的矩形蘑菇型覆層(3)組成;所述的天線陣列(2)由周期排列的縫隙耦合天線(7)組成，縫隙耦合天線(7)的個(gè)數(shù)與矩形蘑菇型覆層(3)的個(gè)數(shù)相同，每個(gè)縫隙耦合天線(7)位于每個(gè)矩形蘑菇型覆層(3)的垂直方向下方;其中: 所述的矩形蘑菇型覆層(3)包括矩形金屬貼片(4)、金屬化過(guò)孔(5)及上層介質(zhì)基板(6);所述的矩形金屬貼片(4)有十二個(gè)，并以3X4的排布方式緊貼在上層介質(zhì)基板(6)的上表面;所述的金屬化過(guò)孔(5)有十二個(gè)，分別位于矩形金屬貼片(4)每個(gè)的中心軸向處，金屬化過(guò)孔(5)的上端連接在矩形金屬貼片(4)的下表面的中心位置； 所述的縫隙耦合天線(7)包括地板(8)、下層介質(zhì)基板(9)及饋電線(10);所述的地板(8)緊貼在下層介質(zhì)基板(9)的上表面;所述的饋電線(10)緊貼在下層介質(zhì)基板(9)的下表面。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超材料覆層雙頻相控陣列天線，其特征在于，所述MXN個(gè)周期排列的矩形蘑菇型覆層(3)中的M表示覆層結(jié)構(gòu)(I)的總行數(shù)，N表示覆層結(jié)構(gòu)(I)的總列數(shù)，M、N的取值為整數(shù)，I彡M彡50，I彡N彡50。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超材料覆層雙頻相控陣列天線，其特征在于，所述的矩形金屬貼片(4)的長(zhǎng)度介于8mm-10mm之間，寬度介于之間，排布方式中的每行相鄰兩個(gè)矩形金屬貼片(4)的間距為0.5mm，排布方式中的每列相鄰兩個(gè)矩形金屬貼片(4)的間距為Imm04.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超材料覆層雙頻相控陣列天線，其特征在于，所述的金屬化過(guò)孔(5)的直徑介于0.4mm-l.2mm之間，其長(zhǎng)度與上層介質(zhì)基板(6)所選取的厚度相等。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超材料覆層雙頻相控陣列天線，其特征在于，所述的上層介質(zhì)基板(6)采用?1?4介質(zhì)板，介電常數(shù)￡: = 4.4，損耗丨3]15 = 0.01，厚度介于2.51]1111-3.51111]1之間。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超材料覆層雙頻相控陣列天線，其特征在于，所述的地板(8)的正中間蝕刻一個(gè)矩形縫隙，矩形縫隙的長(zhǎng)介于15mm-25mm之間，寬介于之間，該矩形縫隙與饋電線(10)垂直正交。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超材料覆層雙頻相控陣列天線，其特征在于，所述的下層介質(zhì)基板(9)采用?1?4介質(zhì)板，介電常數(shù)￡: = 4.4，損耗丨3]15 = 0.01，厚度介于0.61]1111-1.81111]1之間。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超材料覆層雙頻相控陣列天線，其特征在于，所述的饋電線(10)采用共面波導(dǎo)饋電線。
【文檔編號(hào)】H01Q1/38GK106099342SQ201610518812
【公開(kāi)日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年7月4日
【發(fā)明人】李龍, 張?zhí)炝? 巫釗, 薛煒民, 張 林
【申請(qǐng)人】西安電子科技大學(xué)