[發明專利]一種基于非均勻周期結構加載的寬帶表面波天線

有效

• 申請號: 201710365687.2
• 申請日: 2017-05-23
• 公開（公告）號: CN107275766B
• 公開（公告）日: 2020-04-17
• 發明（設計）人: 馮桂榮;陳蕾;史小衛;楊耀州;岳浩
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: H01Q1/38
• 分類號: H01Q1/38;H01Q1/48;H01Q1/50;H01Q21/00;H01Q21/06
• 代理公司: 西安長和專利代理有限公司 61227
• 代理人: 黃偉洪

本發明屬于天線技術領域，公開了一種基于非均勻周期結構加載的寬帶表面波天線，包括：周期性金屬貼片陣列，周期性金屬貼片陣列印刷在第一介質基板的上表面；第一介質基板位于第二介質基板的上方且采用空氣介質間隔；圓形貼片印刷在第二介質基板的上表面；金屬地板位于第二介質基板的下表面；同軸探針的內導體連接圓形貼片和金屬地板的中心。本發明非均勻周期性貼片單元與現有的表面波天線采用的均勻周期貼片單元相比，同時激勵出兩個相鄰的諧振模式，通過合并兩個諧振模式，展寬天線的帶寬；與現有表面波天線未加載空氣介質的結構相比，饋電單元利用空氣近耦合提供較寬的阻抗帶寬；金屬地板半徑的減小，增加表面波衍射場的路徑，具有寬帶特性。

技術領域

本發明屬于天線技術領域，尤其涉及一種基于非均勻周期結構加載的寬帶表面波天線。

背景技術

現代無線通信系統，如WLAN(無線局域網)，通常要求天線輻射一水平全向方向圖。傳統單極子天線，結構簡單，能夠提供垂直極化且水平方向圖具有良好的全向特性，但它最大的缺點是高剖面，很難用于空間有限的平臺。微帶天線具有剖面低、重量輕、體積小、易集成的優點，因此具有全向方向圖的微帶貼片天線被廣泛研究。然而，微帶天線的主要缺點是帶寬較窄，需要采用展寬帶寬的技術。通常提高天線帶寬的方法包括：增加介質板厚度、利用多層介質結構、加載寄生單元、加載探針和地板上開槽等。采用厚的介質板和多層介質結構，將增加天線高度。采用加載寄生單元的方法將會增加橫向或者縱向天線尺寸。加載探針不便于天線加工，而地板上開槽會增加天線的后瓣輻射。因此，低剖面全向微帶貼片天線在無線通信系統應用中仍具有一定的弊端。近年，隨著人工材料的發展，周期性結構引起了人們越來越多的關注，在天線領域具有重要的應用潛力和價值。一組加載短路探針的金屬貼片按照周期性排列能夠形成蘑菇型EBG(電磁帶隙)結構，該結構表現出頻帶帶隙的特點，能抑制天線的表面波，降低陣列天線單元間互耦以及提高印刷天線和電路的性能。周期性金屬陣列放置在地板上方可以用作部分反射表面，提高簡單輻射源(如微帶貼片、波導縫隙)的增益。這種周期性金屬陣列也可以用作天線的輻射單元，如LiuWei等人在文獻《Metamaterial-based low-profile andbroadband mushroom antenna》提出利用復合左右手蘑菇型結構周期結構作為輻射單元，通過縫隙同時激勵兩個相鄰的諧振模式，能實現寬帶特性。Y.M.Pan等人在《A low-profile high gain andwideband filtering antennawith metasurface》中利用非均勻的周期性金屬貼片陣列作為輻射單元，設計了一款具有濾波特性的天線。另外，周期性貼片陣列印刷在接地介質板上可以表現為人工磁導體(AMC)，不同于理想導體(PEC)表面對入射電磁波進行180°的全反射，AMC表面對入射波的反射相移為0°，因此當利用AMC表面作為人工地板或者反射板時，天線與地板間距離可以放置的很近從而來減小天線高度。為加工方便，AMC結構也可以用不加載探針或過孔的周期性貼片來實現，而且目前這種AMC表面在實現天線低剖面中已經得到了廣泛應用。當沒有加載短路探針(過孔)時，周期性陣列表面允許表面波通過。雖然對于大部分天線來說，表面波影響天線的輻射效率，應盡可能的被抑制，但是對于需要利用表面波衍射的天線來說是有利的，因此，周期性結構的一種有趣的應用就是設計表面波天線。表面波天線通常剖面很低，而且TM模式的表面波還可以形成類似單極子的方向圖，因此表面波天線在無線通信領域具有巨大的應用潛力。然而，表面波天線的帶寬一般較窄，如2005年Fan Yang等人在期刊IEEEMicrowave and Optical Technology Letter上發表的《A novel surface wave antennadesign using a thin periodically loaded ground plane》中提出的表面波天線利用未加載探針的周期性方形貼片陣列設計AMC人工地板，使得對稱振子距離人工地板僅有0.02λ₀(為空氣中波長)，天線帶寬為6％。2007年F.Yang等人發表在期刊IEEE IET Antenna andPropagation上發表文獻《Low-profile surface wave antenna with a monopole-likeradiation pattern》，文中提出的表面波天線利用單元的方形貼片加載的人工地板，實現了高度<0.05λ₀的低剖面，而帶寬也僅有5.6％；同年，Asem Al-Zoubi等人在期刊IEEETransactions on Antenna and Propagation上發表文獻《A low-profile dual-bandsurface wave antenna with a monopole-like pattern》，提出了一款雙頻表面波天線，在諧振頻率處的阻抗帶寬分別為1.1％和3.94％。為克服表面波天線帶寬窄的缺點，現有提高表面波天線帶寬的方法，如2009年Cheolbok Kim等人在IEEE Proceedings of the 39thEuropean Microwave Conference上發表文獻《A wideband planar surface waveantenna for WLAN router》，該文獻提出通過在中心饋電的圓形貼片周圍加載寄生環形貼片來展寬帶寬，天線采用該方法獲得了23.6％的帶寬和5.91dBi的增益，但是在表面波天線中，圓形貼片相當于產生表面波的激勵單元而并非輻射單元，采用傳統提高微帶天線帶寬的方法來提高表面波天線的帶寬顯然受到限制甚至不可行，按照傳統微帶天線帶寬展寬的方法來提高表面波天線的帶寬，可能會增加天線尺寸、厚度、加工難度等。因此，對于提高表面波天線帶寬的研究具有十分重要的意義。