[發(fā)明專利]一種六邊形超表面寬帶高增益天線

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110264927.6
• 申請日: 2021-03-11
• 公開（公告）號: CN113097733B
• 公開（公告）日: 2022-11-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 師偉春;王宏建
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心
• 主分類號: H01Q15/00
• 分類號: H01Q15/00;H01Q1/00;H01Q21/06;H01Q21/00
• 代理公司: 北京方安思達(dá)知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11472
• 代理人: 楊青;王蔚

本發(fā)明屬于超表面天線技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，涉及一種六邊形超表面寬帶高增益天線，包括：第一超表面單元結(jié)構(gòu)層(1)、第二超表面單元結(jié)構(gòu)層(2)、空氣介質(zhì)層(3)和饋電接地層(4)；所述第一超表面單元結(jié)構(gòu)層(1)和第二超表面單元結(jié)構(gòu)層(2)堆疊在一起，且第二超表面單元結(jié)構(gòu)層(2)與饋電接地層(4)之間為非接觸式地上下設(shè)置，且二者之間形成的空氣腔為空氣介質(zhì)層(3)；第一超表面單元結(jié)構(gòu)層(1)和第二超表面單元結(jié)構(gòu)層(2)均印制有多個(gè)呈六邊形環(huán)繞的正六邊形金屬輻射貼片陣列，每個(gè)呈六邊形環(huán)繞的正六邊形金屬輻射貼片陣列均包括多個(gè)呈六邊形環(huán)繞的正六邊形金屬輻射貼片，該天線為更寬的寬帶、高增益、低剖面的高增益天線。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于超表面天線技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，涉及一種六邊形超表面寬帶高增益天線。

背景技術(shù)

隨著現(xiàn)代無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，移動(dòng)通信系統(tǒng)、雷達(dá)、衛(wèi)星通信等對高速率數(shù)據(jù)傳輸和大信道容量的需求日益增長，使得寬帶高增益天線的需求越來越高。波導(dǎo)天線、透鏡天線、微帶天線等都是高增益天線；但是，高增益波導(dǎo)天線和透鏡天線體積龐大，不適用于小型化和集成，而微帶天線由于其外型小巧、易于集成、制造成本低，已被廣泛應(yīng)用于各種無線通信系統(tǒng)中。然而傳統(tǒng)的微帶天線增益和帶寬是有限的，并且微帶陣列天線介質(zhì)損耗隨著天線頻率的增加而增加，限制了其實(shí)際應(yīng)用。

近年來，超材料得到了廣泛的關(guān)注，超表面是一種二維超材料結(jié)構(gòu)，具有低剖面、設(shè)計(jì)簡單、低損耗等特性，在極化控制和提高增益方面有許多顯著的優(yōu)點(diǎn)。超表面已被應(yīng)用于天線領(lǐng)域，用以改善天線性能，如提高輻射增益，實(shí)現(xiàn)極化轉(zhuǎn)換，改善阻抗帶寬，以及減小天線的尺寸等。

現(xiàn)有的超表面天線主要有以下三種：

第一種，提出了一種基于縫隙耦合饋電的超表面天線，利用單層周期分布的超表面單元實(shí)現(xiàn)阻抗帶寬為28％，增益達(dá)到9.8dB。

第二種，提出了中超表面天線，利用非均勻超表面單元實(shí)現(xiàn)了天線的小型化，阻抗帶寬達(dá)到21％，最高增益為7.2dB。

第三種，提出了利用雙層超表面提高增益和展寬天線帶寬，阻抗帶寬可以達(dá)到44％，最高增益達(dá)到11.5dB。

但是，上述兩種超表面天線的單層超表面的帶寬不會超過30％。無法實(shí)現(xiàn)高速率數(shù)據(jù)傳輸，且大信道容量的通信系統(tǒng)帶寬范圍窄。雖然第三種超表面天線提高了阻抗帶寬，但是，該天線的增益平坦度并不好，都在整個(gè)頻段范圍內(nèi)出現(xiàn)了較大的增益變化，并且諧振效果較差，部分頻段駐波較大，天線的穩(wěn)定性得不到保證。為了展寬超表面天線的阻抗帶寬和提高天線的增益，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種新型六邊形超表面單元結(jié)構(gòu)，利用六邊形貼片單元尺寸漸變改善超表面的輻射特性，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的分支型耦合縫隙增強(qiáng)天線的穩(wěn)定性。該天線實(shí)物測試的阻抗帶寬范圍是3.99～6.91GHz,相對帶寬達(dá)到54％，相比文獻(xiàn)[3]阻抗帶寬擴(kuò)展了10％，并且天線的增益平坦度相較其山峰式變化改善為更加平穩(wěn)的增益變化，即天線在4～6GHz范圍內(nèi)增益范圍為9～12dB，從而改善了天線的穩(wěn)定性。此外該天線的剖面尺寸縮減了1mm，意味著該超表面天線是一款寬帶、高增益、低剖面天線，以上的優(yōu)點(diǎn)使得它可以應(yīng)用于更加廣泛的無線通信系統(tǒng)中。

發(fā)明內(nèi)容

為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，本發(fā)明提出了一種六邊形超表面寬帶高增益天線，該天線為正六邊形結(jié)構(gòu)，其從上至下依次順序包括：第一超表面單元結(jié)構(gòu)層、第二超表面單元結(jié)構(gòu)層、空氣介質(zhì)層和饋電接地層；

所述第一超表面單元結(jié)構(gòu)層和第二超表面單元結(jié)構(gòu)層堆疊在一起，且第二超表面單元結(jié)構(gòu)層與饋電接地層之間為非接觸式地上下設(shè)置，且二者之間形成的空氣腔為空氣介質(zhì)層；

第一超表面單元結(jié)構(gòu)層和第二超表面單元結(jié)構(gòu)層均印制有多個(gè)呈六邊形環(huán)繞的正六邊形金屬輻射貼片陣列，每個(gè)呈六邊形環(huán)繞的正六邊形金屬輻射貼片陣列均包括多個(gè)呈六邊形環(huán)繞的正六邊形金屬輻射貼片。