一种实现斜射辐射特性的低剖面超表面天线

1.本发明属于微波天线技术领域，具体提供一种实现斜射辐射特性的新型超表面天线，具有低剖面、高增益的特性。


背景技术：

2.随着无线通信技术与需求的迅速发展，人们对通信系统的要求愈加地提高，特别是移动卫星通信。移动卫星通信系统的体系结构同时包含空间部分、用户部分以及地面部分，它通过集成卫星通信和移动通信来补充和扩展地面移动通信系统。对于车载移动卫星通信系统，卫星通常情况下无法始终位于汽车的正上方，使得常规的侧射辐射的天线无法直接应用于车载卫星通信系统，因而需要引入具有斜向辐射特性的天线；其次，车载天线应当尽可能地做到低剖面，以减小外置天线对汽车的影响的同时保证天线工作的稳定性；另外，相对于水平极化的电磁波，垂直极化的电磁波在大气中传播的过程中衰减更小；因此，车载卫星通信系统天线应当为具有垂直极化斜射辐射特性的低剖面天线，这对天线提出了更为苛刻的要求。
3.通常垂直极化的斜射辐射天线会借助单层或多层平面超材料结构，将其放置于主辐射天线的正上方，通过对天线辐射波的相位调控，进而实现具有一定倾斜角度的斜射辐射特性；但是，该种传统的斜射天线由于需要引入多层结构，导致天线的剖面较大。因此，如何通过其他方法在实现天线斜射辐射性能的同时，使得天线拥有较小的剖面具有十分重要的意义和价值。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种实现斜射辐射特性的低剖面超表面天线，用以作为汽车与移动卫星之间的通信天线，并同时满足斜射辐射性能与低剖面的需求；本发明通过同时激励超表面结构的两个辐射模式，使得二者叠加实现波束向一侧倾斜的斜向辐射，并且满足低剖面要求。
5.为实现上述目的，本发明采用技术方案为：一种实现斜射辐射特性的低剖面超表面天线，包括：从下往上依次层叠设置的下层金属层、下层介质基板、中间金属层、上层介质基板与上层金属层；其特征在于，所述下层金属层为金属馈电线1，位于下层介质基板2下表面的中线上；所述中间金属层为金属接地板3，金属接地板的中心开设耦合馈电缝隙6，耦合馈电缝隙的开设方向垂直于金属馈电线1；所述上层金属层由超表面结构5-1与金属耦合微带线5-2构成，且上层金属层呈轴对称结构；所述金属耦合微带线5-2位于上层介质基板4上表面的中心，金属耦合微带线平行于金属馈电线设置，金属耦合微带线的中心通过金属探针7与金属馈电线1相连；所述超表面结构5-1由4个矩形金属环、4个长边矩形辐射贴片与4个宽边矩形辐射贴片构成，4个矩形金属环围绕金属耦合微带线5-2呈阵列排布，且矩形金属环的长边平行于金属耦合微带
线；4个长边矩形辐射贴片与4个宽边矩形辐射贴片分别位于矩形金属环的外侧，长边矩形辐射贴片与矩形金属环长边平行设置，宽边矩形辐射贴片与矩形金属环宽边平行设置；所述矩形金属环的内部沿长边的中点加载有一对长边金属枝节，所述矩形金属环的内部沿宽边的中点加载有一对宽边金属枝节。
6.进一步的，所述超表面结构5-1在耦合馈电缝隙6激励下产生侧向辐射模式，所述超表面结构5-1在金属探针7与金属耦合微带线5-2激励下产生双向辐射模式，所述侧向辐射模式在天线两侧辐射相位相同，所述双向辐射模式在天线两侧辐射相位相反，侧向辐射模式与双向辐射模式叠加后得到一侧斜射辐射模式。
7.进一步的，所述金属接地板3采用大尺寸接地板，其边长不低于80mm。
8.基于上述技术方案，本发明的有益效果在于：本发明提供一种实现斜射辐射特性的低剖面超表面天线，具有十分显著的斜射辐射特性、以及低剖面与高增益特性；本发明通过耦合馈电缝隙激励超表面结构的一个侧向辐射模式（法向辐射），该模式在天线两侧辐射的相位相同；同时，通过金属探针以及寄生金属耦合微带线结构激励超表面结构的一个双向辐射模式，该模式在天线两侧辐射的相位相反；两个辐射模式经过叠加后，在其中一端的辐射由于相位相同而加强，在另一端的辐射由于相位相反从而相互抵消，最终实现了具有一定倾斜角度的斜向辐射。另外，该大尺寸地板能够很好地融合于各种车载、舰载以及机载等具有较大金属表面的通信平台，当天线的金属接地板尺寸增大的情况下，波束倾斜的角度会随之增大，有效地避免了金属接地板的尺寸对常规天线辐射性能的影响。
9.综上，本发明在不引入多层大规模超材料结构的情况下，仅通过更改天线的馈电结构实现两种辐射模式的方向图互相叠加，从而实现斜射辐射特性，有效避免了因多层大规模超材料结构而造成的高剖面、高复杂度等问题，即本发明还具有低剖面、高增益特性。
附图说明
10.图1为本发明提供的实现斜射辐射特性的低剖面超表面天线的三维结构示意图（立体爆炸视图）；图2为本发明提供的实现斜射辐射特性的低剖面超表面天线的俯视结构示意图；图3为本发明提供的实现斜射辐射特性的低剖面超表面天线的剖视结构示意图；图4为本发明实施例中提供的实现斜射辐射特性的低剖面超表面天线的端口回波损耗（s
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）曲线；图5为本发明实施例中提供的实现斜射辐射特性的低剖面超表面天线在频点处的e面方向图；图6为本发明实施例中提供的实现斜射辐射特性的低剖面超表面天线在频点处的h面方向图；图中：1为金属馈电线，2为下层介质基板，3为金属接地板，4为上层介质基板，5-1为超表面结构，5-2为金属耦合微带线，6为耦合馈电缝隙，7为金属探针。
具体实施方式
11.为使本发明的目的、技术方案与有益效果更加清楚明白，下面结合附图和实施例
对本发明做进一步详细说明。
12.本实施例提供一种实现斜射辐射特性的低剖面超表面天线，其结构如图1~图3所示，采用五层结构，具体包括：从下往上依次层叠设置的下层金属层、下层介质基板、中间金属层、上层介质基板与上层金属层；具体而言：所述下层金属层为金属馈电线1，位于下层介质基板2下表面的中线上；本实施例中，金属馈电线的尺寸为：宽1.7 mm、长66.5 mm；所述中间金属层为金属接地板3，金属接地板的中心开设耦合馈电缝隙6，耦合馈电缝隙6的开设方向垂直于金属馈电线；本实施例中，耦合馈电缝隙的尺寸为：宽1.9mm、长22mm；所述上层金属层由超表面结构5-1与金属耦合微带线5-2构成，且上层金属层呈关于上层介质基板中线的轴对称结构；所述金属耦合微带线5-2位于上层介质基板4的中心，金属耦合微带线5-2平行于金属馈电线设置，金属耦合微带线5-2的中心通过贯穿上层介质基板和下层介质基板的金属探针7与金属馈电线1相连，金属探针7穿过耦合馈电缝隙6且与金属接地板不相连；所述超表面结构5-1由4个矩形金属环、4个长边矩形辐射贴片与4个宽边矩形辐射贴片构成，4个矩形金属环围绕金属耦合微带线5-2呈阵列排布，矩形金属环的长边平行于金属耦合微带线；4个长边矩形辐射贴片与4个宽边矩形辐射贴片分别位于矩形金属环的外侧，长边矩形辐射贴片与矩形金属环长边平行设置（即二者的长边平行、且垂直于长边的中线重合），宽边矩形辐射贴片与矩形金属环宽边平行设置（即二者的宽边平行、且垂直于宽边的中线重合）；所述矩形金属环的内部沿长边的中点加载有一对长边金属枝节，所述矩形金属环的内部沿宽边的中点加载有一对宽边金属枝节；本实施例中，金属耦合微带线的尺寸为：宽1.8mm、长4.7mm，矩形金属环的尺寸为：外部宽8.2mm、外部长11.5mm、内部宽6.2mm、内部长10mm，宽边金属枝节的尺寸为：宽1mm、长2.2mm，长边金属枝节的尺寸为：宽1mm、长1.2mm，长边矩形辐射贴片的尺寸为：宽7.3mm、长11.5 mm，宽边矩形辐射贴片的尺寸为：宽8.2mm、长10.8mm，金属探针的尺寸为：直径1.2mm、高度2.8mm；所述上层介质基板采用相对介电常数为3.5的f4b板材，呈正方形，边长为115mm、高度为2mm；所述下层介质基板采用相对介电常数为2.6的f4b板材，呈正方形，边长为115mm、高度为0.8mm；相应的，所述金属接地板也呈正方形，边长为115mm。
13.对上述低剖面超表面天线进行仿真测试，结果如图4~图6所示；具体而言：如图4所示为天线的s
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曲线，曲线表现出了良好的反射系数，该天线-10 db匹配频段为4.63-4.97 ghz，相对带宽为7.1%；以中心工作频点4.8 ghz所对应的自由空间内的电磁波波长为基准，该天线的剖面高度为0.045倍波长，即天线具有低剖面的特性；如图5所示为天线在4.8 ghz频点处的e面辐射方向图，该天线在4.8 ghz频点处的增益为7.9dbi，最大辐射方向为偏离天线法线方向37
°
，为垂直极化的斜向辐射；如图6所示为天线在4.8 ghz频点处的h面辐射方向图，该天线的3 db波瓣宽度为72
°
，具有较宽的辐射波瓣；综合图5与图6，天线在具有37
°
斜向辐射辐射特性的同时具有较高的增益以及较宽的波瓣。
14.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。