一种超表面加载的圆极化介质谐振器天线

1.本发明涉及圆极化介质谐振器天线技术领域，特别是一种超表面加载的圆极化介质谐振器天线。


背景技术：

2.圆极化天线因其通信容量大、能够辐射和接收任意极化波，对发射和接收方向不敏感等优点受到学者们的广泛研究，越来越多的学者转向研究圆极化介质谐振器天线。近年来，除传统方法通过设计天线实现圆极化外，通过极化转换超表面实现天线圆极化的方式也被研究者们广泛使用。
3.透射型极化转换超表面是一种各向异性的介质，当它被放置在天线上时，它可以将辐射出的线极化波转换为圆极化波。极化转换超表面不受天线性能的影响。目前所研究的线
‑
圆极化转换超表面大多将超表面阵列独立于天线之外放置，加工复杂且难以实现小型化。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种结构简单、易于实现的超表面加载的圆极化介质谐振器天线，该天线能够进行线
‑
圆极化转换从而实现圆极化工作。
5.实现本发明目的的技术解决方案为：一种超表面加载的圆极化介质谐振器天线，其特征在于，包括由上至下设置的顶层线
‑
圆极化转换超表面阵列、上层介质谐振器、上层金属地、中间层介质基板以及下层金属覆铜；
6.所述中间层介质基板为矩形结构；下层金属覆铜包括中间设置的微带馈线，以及微带馈线两侧的覆铜，两侧覆铜用于减少天线的后向辐射，定义该微带馈线延伸方向为纵向，微带馈线的末端为上端；
7.所述上层金属地以覆铜形式铺满介质基板的上表面，并在中间位置刻蚀一对矩形缝隙，该矩形缝隙将信号从下层金属覆铜的微带馈线耦合到上层介质谐振器中；
8.所述上层介质谐振器位于上层金属地的中心位置，且设置有两列沿纵向排列的过孔，过孔用于调整天线的阻抗匹配；所述顶层线
‑
圆极化转换超表面阵列设置于上层介质谐振器的上表面，由耶路撒冷形十字架变形的超表面单元周期排列组成，用于将天线辐射的线极化波转换为圆极化波。
9.进一步地，所述的顶层线
‑
圆极化转换超表面阵列位于介质谐振器上表面的中心位置，与介质谐振器紧贴设置。
10.进一步地，所述耶路撒冷形十字架变形的超表面单元均沿纵向逆时针旋转45
°
，其中耶路撒冷形十字架变形的超表面单元由中心连接型偶极子和矩形开口环组成。
11.进一步地，所述介质谐振器上设置的两列过孔关于纵向中轴线对称分布，第一列依次为第一矩形过孔～第三矩形过孔，第二列依次为第四矩形过孔～第六矩形过孔，第一列过孔以第二矩形过孔为中心向上、向下对称排布，第二列过孔以第五矩形过孔为中心向
上、向下对称排布。
12.进一步地，所述上层金属地上刻蚀的一对矩形缝隙为第一矩形缝隙和第二矩形缝隙，第一矩形缝隙、第二矩形缝隙关于横向中轴线对称分布，且第一矩形缝隙、第二矩形缝隙的长边平行于横向中轴线。
13.进一步地，所述下层金属覆铜中间设置微带馈线，微带馈线的两侧覆铜分别为第一金属反射片和第二金属反射片，二者形状大小相同、对称分布于微带馈线两侧。
14.进一步地，所述的微带馈线起始位置连接侧边馈电口，侧边馈电口用于天线能量的输入，外部连接馈源。
15.进一步地，线
‑
圆极化转换超表面阵列采用金属铜，厚度为0.5oz；矩形挖孔介质谐振器采用氧化铝陶瓷，其长为19.06mm，宽为19.6mm，高为8.66mm；介质基板采用rogers5880板材，厚度为1.57mm；金属地与下层覆铜厚度均为0.5oz。
16.本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)超表面阵列采用单层金属结构的线
‑
圆极化转换超表面，结构简单，对天线辐射性能影响小；(2)天线部分采用陶瓷介质，结构简单、辐射效率高；(3)通过设计超表面阵列实现圆极化，简化了传统方式实现圆极化中天线设计的步骤，将其与天线直接结合，降低了加工难度，易于实现天线整体的小型化。
附图说明
17.图1是本发明超表面加载的圆极化介质谐振器天线的结构图，其中(a)为天线的俯视图，(b)为天线前视图，(c)上层金属地结构图，(d)为下层金属覆铜结构图。
18.图2是本发明超表面加载的圆极化介质谐振器天线的s
11
曲线图。
19.图3是本发明超表面加载的圆极化介质谐振器天线的轴比曲线图。
20.图4是本发明超表面加载的圆极化介质谐振器天线在21.5ghz的方向图。
具体实施方式
21.本发明超表面加载的圆极化介质谐振器天线，具有线
‑
圆极化转换的特性，为将天线辐射的线极化波转换为圆极化波，在介质谐振器的上表面放置线
‑
圆极化转换超表面阵列；为提高天线的阻抗匹配，在介质谐振器内部挖出两列相互对称且周期排布的矩形过孔；为进一步提高阻抗匹配，在金属地面刻蚀一对对称的矩形缝隙；为减小天线的后向辐射，在介质基板的底部刻蚀出一对金属反射片。
22.结合图1，本发明一种超表面加载的圆极化介质谐振器天线，包括由上至下设置的顶层线
‑
圆极化转换超表面阵列1、上层介质谐振器2、上层金属地3、中间层介质基板4以及下层金属覆铜5；
23.所述中间层介质基板4为矩形结构；下层金属覆铜5包括中间设置的微带馈线，以及微带馈线两侧的覆铜，两侧覆铜用于减少天线的后向辐射，定义该微带馈线延伸方向为纵向，微带馈线的末端为上端；
24.所述上层金属地3以覆铜形式铺满介质基板4的上表面，并在中间位置刻蚀一对矩形缝隙，该矩形缝隙将信号从下层金属覆铜5的微带馈线耦合到上层介质谐振器2中；
25.所述上层介质谐振器2位于上层金属地3的中心位置，且设置有两列沿纵向排列的过孔，过孔用于调整天线的阻抗匹配；所述顶层线
‑
圆极化转换超表面阵列1设置于上层介
质谐振器2的上表面，由耶路撒冷形十字架变形的超表面单元周期排列组成，用于将天线辐射的线极化波转换为圆极化波。
26.作为一种具体示例，所述的顶层线
‑
圆极化转换超表面阵列1位于介质谐振器2上表面的中心位置，与介质谐振器2紧贴设置。
27.作为一种具体示例，所述耶路撒冷形十字架变形的超表面单元均沿纵向逆时针旋转45
°
，其中耶路撒冷形十字架变形的超表面单元由中心连接型偶极子和矩形开口环组成。
28.作为一种具体示例，所述介质谐振器2上设置的两列过孔关于纵向中轴线对称分布，第一列依次为第一矩形过孔～第三矩形过孔21、22、23，第二列依次为第四矩形过孔～第六矩形过孔24、25、26，第一列过孔以第二矩形过孔22为中心向上、向下对称排布，第二列过孔以第五矩形过孔25为中心向上、向下对称排布。
29.作为一种具体示例，所述上层金属地3上刻蚀的一对矩形缝隙为第一矩形缝隙31和第二矩形缝隙32，第一矩形缝隙31、第二矩形缝隙32关于横向中轴线对称分布，且第一矩形缝隙31、第二矩形缝隙32的长边平行于横向中轴线。
30.作为一种具体示例，所述下层金属覆铜5中间设置微带馈线52，微带馈线52的两侧覆铜分别为第一金属反射片51和第二金属反射片53，二者形状大小相同、对称分布于微带馈线52两侧。
31.作为一种具体示例，所述的微带馈线52起始位置连接侧边馈电口41，侧边馈电口41用于天线能量的输入，外部连接馈源。
32.作为一种具体示例，线
‑
圆极化转换超表面阵列1采用金属铜，厚度为0.5oz；矩形挖孔介质谐振器2采用氧化铝陶瓷，其长为19.06mm，宽为19.6mm，高为8.66mm；介质基板4采用rogers5880板材，厚度为1.57mm；金属地3与下层覆铜5厚度均为0.5oz。
33.下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明。
34.实施例
35.结合图1，本发明超表面加载的圆极化介质谐振器天线，包括由上至下设置的顶层线
‑
圆极化转换超表面阵列1、上层介质谐振器2、上层金属地3、中间层介质基板4以及下层金属覆铜5；所述顶层线
‑
圆极化转换超表面阵列1位于上层介质谐振器2上表面的中心位置；所述上层介质谐振器2位于上层金属地3的中心位置，沿纵向轴线对称挖出两列周期性排列的过孔21～26；所述金属地3以覆铜形式铺满整个介质基板4的上表面，并刻蚀一对缝隙，包括第一矩形缝隙31和第二矩形缝隙32，二者沿中线对称；所述的下层覆铜5呈轴对称分布。微带馈线52位于中间位置。第一金属反射片51位于介质基板4下表面左下角，第二金属反射片53与其大小相同、对称分布；所述微带馈线52底部连接侧边天线馈电端口41。
36.本发明的参数设计过程如下：
37.(一)线
‑
圆极化转换超表面阵列1采用金属铜贴片，厚度为0.5oz，单元排布周期为7mm；矩形挖孔介质谐振器2采用氧化铝陶瓷，其长为19.06mm，宽为19.6mm，高为8.66mm；介质基板4采用rogers5880板材，厚度为1.57mm；金属地3与下层覆铜5厚度均为0.5oz。
38.(二)线
‑
圆极化转换超表面阵列1由耶路撒冷形十字架变形的超表面单元组成，将天线辐射的线极化波转换为圆极化波，使天线实现圆极化性能。
39.(三)矩形挖孔介质谐振器天线2内部对称挖两列过孔21～26，提高天线的阻抗匹配。
40.(四)金属地3中心对称刻蚀一对矩形缝隙，进一步提高天线的阻抗匹配。
41.(五)下层金属反射片51、53通过阻挡由基板向下辐射的电磁波减小天线的后向辐射，提高天线的方向性及增益。
42.(六)能量由馈电端口41输入，经微带馈线52传输，经第一、第二矩形缝隙31、32到矩形挖孔介质谐振器3。
43.结合图1(a)～(d)，本发明超表面加载的圆极化介质谐振器天线，线
‑
圆极化转换超表面单元中心连接十字形部分纵向、横向臂长为7mm，中部矩形贴片长3.7mm、宽3.5mm，中部减去横向矩形长2.5mm、宽1.8mm，减去纵向矩形长3.5mm、宽0.8mm；矩形挖孔介质谐振器的材料为氧化铝陶瓷，介电常数为9.8，长19.06mm，宽19.6mm，高8.66mm，内部挖孔周期为9.53mm，第二、第五矩形孔长4.08mm、宽2.1mm，其余矩形孔的长均为2.04mm，宽2.1mm；介质基板的材料为roger 5880，介电常数为2.2，尺寸为28.2mm
×
28.2mm
×
1.57mm；金属地和介质基板等大，尺寸为28.2mm
×
28.2mm，厚度为0.5oz；第一、第二矩形缝隙长5.19mm，宽2.19mm；第一金属反射片和第二金属反射片长22mm，宽10mm；微带馈线长27mm，宽2.16mm。
44.图2是本发明超表面加载的圆极化介质谐振器天线的s
11
曲线图，超表面加载的圆极化介质谐振器天线的工作频带为20.61ghz
‑
22.44ghz，绝对带宽为1.83ghz，相对带宽为8.71％。
45.图3是本发明超表面加载的圆极化介质谐振器天线轴比曲线图，超表面加载的圆极化介质谐振器天线的轴比频带为20.49ghz
‑
21.14ghz，绝对轴比带宽为0.65ghz，相对轴比带宽为3.10％，能够实现圆极化工作。
46.图4是本发明超表面加载的圆极化介质谐振器天线在21.5ghz处的方向图，可以看出，超表面加载的圆极化介质谐振器天线在21.5ghz处增益为5.17db。
47.综上所述，本发明超表面加载的圆极化介质谐振器天线方向图稳定，能够实现线极化波向圆极化波的转换，结构简单，易于加工实现。