[發(fā)明專利]一種開口矩形環(huán)加載的微帶縫隙耦合超表面天線

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• 申請日: 2021-06-23
• 公開（公告）號: CN113540810A
• 公開（公告）日: 2021-10-22
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 馬民政;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;H01Q13/10;H01Q9/04;H01Q5/50;H01Q5/10;H01Q1/50;H01Q1/48
• 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: 李彪;張紅生

本發(fā)明涉及超表面天線技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，涉及一種開口矩形環(huán)加載的微帶縫隙耦合超表面天線，包括超表面結(jié)構(gòu)層和饋電接地層，所述超表面結(jié)構(gòu)層包括超表面介質(zhì)基板以及設(shè)置在超表面介質(zhì)基板表面上的開口矩形環(huán)和貼片層單元，所述饋電接地層包括饋電介質(zhì)基板、接地金屬板和金屬饋電微帶線。該天線滿足低剖面，寬頻帶，寬波束寬度，低剖面的特性，可以應(yīng)用于移動通信系統(tǒng)，雷達(dá)導(dǎo)航，衛(wèi)星通信等諸多領(lǐng)域。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及超表面天線技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，涉及一種開口矩形環(huán)加載的微帶縫隙耦合超表面天線。

背景技術(shù)

在無線通信系統(tǒng)中，圓極化天線不受發(fā)射機(jī)和接收機(jī)方向的影響，并且對云雨干擾、劇烈震動、影響重疊等外來因素具有較強(qiáng)的抗干擾能力，因此常被應(yīng)用在雷達(dá)、手持便攜式設(shè)備、射頻識別(Radio frequency identification，RFID)、無線衛(wèi)星通信和傳感器系統(tǒng)中。雖然傳統(tǒng)的單饋圓極化微帶天線結(jié)構(gòu)簡單易于制造，但這種天線的缺點是帶寬窄，大大限制了它們的應(yīng)用。為此研究人員提出了許多方法，如采用厚介質(zhì)板、多層貼片結(jié)構(gòu)或采用雙饋電或多饋電網(wǎng)絡(luò)。這些方法能有效的拓寬圓極化天線的有效帶寬，但同時也增加了天線的幾何尺寸。

近年來發(fā)展迅猛的超表面為實現(xiàn)低剖面、寬帶寬的圓極化天線提供了一種新的途徑。超表面是一種由亞波長周期性單元排列成的平面結(jié)構(gòu)。由于其亞波長和相位調(diào)制的特性，超表面能夠在很小的尺度范圍內(nèi)實現(xiàn)電磁波極化調(diào)制和傳播控制，通過加載超表面作為覆層或襯底，人們提出了不同種類的性能優(yōu)越的超表面天線，如低輪廓、寬帶、高增益、圓極化(CP)輻射等。超表面在改進(jìn)天線性能方面具有廣泛的應(yīng)用。

文獻(xiàn)[1]中提出一種4×4陣列的雙頻圓極化天線，單元由一個正方形環(huán)路和兩個直角三角形貼片組成。天線的整體尺寸僅為0.58λ0×0.58λ0×0.025λ0，而每個波段的軸比帶寬分別為3.2％和4.2％，雖然天線尺寸很小，但軸比帶寬比較窄，限制了應(yīng)用。在文獻(xiàn)[2]中，通過在雙頻雙線極化貼片天線上方放置一個對角線開縫的方形貼片陣列，實現(xiàn)了電磁波線極化輻射到圓極化輻射的轉(zhuǎn)換。分別在6.24-6.58GHz(15.2％)和5.02-5.38GHz(12.9％)兩個頻段內(nèi)實現(xiàn)右旋圓極化和左旋圓極化，天線增益高于7.7dBi。但雙層饋電的結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜，且剖面過高，不利于與器件共形。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種開口矩形環(huán)加載的微帶縫隙耦合超表面天線。包括超表面結(jié)構(gòu)層和饋電接地層，所述超表面結(jié)構(gòu)層包括超表面介質(zhì)基板以及設(shè)置在超表面介質(zhì)基板表面上的開口矩形環(huán)和貼片層單元，所述貼片層單元的外圍設(shè)置有開口矩形環(huán)，開口矩形環(huán)的開口位于開口矩形環(huán)任意邊的中心位置；所述貼片層單元為陣列分布的若干方形貼片，所述方形貼片的一個角切去，與之相對應(yīng)的對角切成一個鋸齒形，且沿剩余另外兩個角的對角線開有窄縫；

所述饋電接地層包括饋電介質(zhì)基板、接地金屬板和金屬饋電微帶線，所述饋電介質(zhì)基板上方設(shè)置有中心開有矩形縫隙的接地金屬板，饋電介質(zhì)基板的下表面設(shè)置有金屬饋電微帶線，所述金屬饋電微帶線起始端和饋電介質(zhì)基板的邊緣對齊，金屬饋電微帶線的末端與矩形縫隙在饋電介質(zhì)基板的下表面上的投影呈垂直設(shè)置，且末端沿垂直于所述投影的方向向外設(shè)有延伸段，所述延伸段穿過該投影。

作為優(yōu)選，所述超表面結(jié)構(gòu)層和饋電接地層之間緊密貼合，超表面結(jié)構(gòu)層的厚度為1.52mm，饋電接地層的厚度為0.508mm。

作為優(yōu)選，所述超表面介質(zhì)基板和饋電介質(zhì)基板為正方形結(jié)構(gòu)，其型號為RogersRO4003，介電常數(shù)ε_r＝3.55，損耗角正切δ＝0.0027，L＝30mm±1mm。

作為優(yōu)選，所述開口矩形環(huán)的長度為l₃＝26±0.3mm，開口矩形環(huán)的環(huán)寬度為w₃＝1±0.1mm，開口的長度為g₂＝1.5±0.1mm。