高增益全息阻抗调制表面天线设计方法和天线与流程

本发明涉及高增益全息阻抗调制表面天线设计方法和天线。

背景技术：

现代无线通信技术的迅猛发展，对无线通信电子设备提出了更高的要求。一切无线通信都是通过电磁波来收发信号，天线在现代无线通信系统中具有发送和接收电磁波的重要作用，它是现代无线通信系统中的核心器件之一，它的电磁特性和物理性能对整个无线通信系统来说是至关重要的。高增益、偏离法向辐射已成为当年天线研究设计的发展趋势。然而，目前天线设计所采用的传统设计方法有着一些固有的弊端。

现有技术的缺陷和不足：1.传统反射面天线的剖面较高，不利于系统的集成，其馈源不易遮挡，容易暴露自身的位置；2.传统的透镜天线具有特定的轮廓，体积笨重；3.平面透镜天线制作过程复杂，材料加工的难度较大；4.微带天线阵列需要引入复杂的馈电网络，产生较大的损耗，使得天线的效率大大降低；5.波导缝隙天线频带较窄，难以实现偏离法向的辐射。

在相关传统技术不能有效实现高增益天线的情况下，本发明基于圆形金属贴片研究设计了一种高增益、偏离法向辐射的全息阻抗调制表面天线的设计方法和天线。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供高增益全息阻抗调制表面天线设计方法和天线。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：高增益全息阻抗调制表面天线设计方法，包括以下步骤：

s1：建立基于圆形金属贴片的晶格单元的模型；

s2：固定晶格单元物理尺寸，改变圆形金属贴片的物理尺寸，仿真在不同尺寸下所对应的表面阻抗值，拟合得到圆形金属贴片距离晶格单元边沿的距离g与表面阻抗z之间的几何参数与表面阻抗值数学关系式；

s3：根据全息阻抗调制表面天线方向图主瓣方向偏离法向，由全息阻抗调制公式得到阻抗表面上各点坐标所对应的表面阻抗z，从而得到由全息阻抗调制表面的表面阻抗分布情况，其中所述的全息阻抗调制公式分为x≥0和x＜0的情况，x表示表面点的坐标到焦点位置的水平方向距离；

s4：基于步骤s2中得到的几何参数与表面阻抗值之间的数学关系式、以及步骤s3中得到的全息阻抗调制表面的表面阻抗分布情况，计算得到天线平面面内各点的圆形金属贴片的参数值，并建立整个全息阻抗调制表面的模型；

s5：在所述的全息阻抗调制表面的模型的边沿部分设计成阶梯形结构，在该结构的焦点位置处放置天线；另外，在阶梯形结构的全息阻抗调制表面的模型基础上加上介质基板材料，建立全息阻抗调制表面天线的仿真模型。

进一步地，所述的基于圆形金属贴片的晶格单元的模型从上至下包括圆形金属贴片、介质基板和金属地板。

进一步地，所述的介质基板为rogersrt5880，该介质板的相对介电常数为2.2，厚度为1.6mm。

进一步地，所述的全息阻抗调制表面天线方向图主瓣方向偏离方向为偏离法向30°。

进一步地，步骤s2中所述的几何参数与表面阻抗值数学关系式为：

z＝j(-7.2643g³+24.628g²-34.319g+114.93)。

进一步地，步骤s3中所述的全息阻抗调制公式为：

z(x,y)＝j[xs+mcos(k0xsinθ-ktr)],x≥0

z(x,y)＝j[xs-mcos(k0xsinθ-ktr)],x＜0

式中，表示表面上各点坐标(x,y)到焦点距离；kt表示表面波在阻抗表面上传播的波数；k0表示自由空间中电磁波传播的波数；xs表面阻抗的平均阻抗大小；m表示阻抗表面的平均阻抗的调制深度；θ表示辐射角度。

进一步地，所述的固定晶格单元物理尺寸为3mm×3mm×1.6mm。

进一步地，当圆形金属贴片距离晶格单元边沿处的距离g由0.2mm变化到1mm时，表面阻抗值由109jω变化到了98.2jω。

进一步地，在该结构的焦点位置处放置的天线为单极子天线。

本发明还提供高增益全息阻抗调制表面天线，采用所述的方法获得。

本发明的有益效果是：

(1)本发明通过阶梯结构的全息阻抗调制表面天线形式，能够有效提高天线的增益，实现偏离法向的辐射，提高天线的整体性能。同时，本发明设计的全息阻抗调制表面天线具有平面结构，不需要额外引入馈源和馈电网络，结构简单，带宽较宽，还能实现偏离法线方向的辐射。

(2)在本发明中，采用圆形金属贴片替换现有技术中的正方形金属贴片的比较，两种贴片在相同的工作频率和相同介质材料的情况下的阻抗变化范围不一样。而圆形金属贴片的变化范围更窄，在加工时，圆形金属贴片受加工精度的影响更小，更利于实际的加工设计。

(3)基于正方形金属贴片的全息天线在30度有凹陷，而根据实际需求，需要设计的辐射角度在30度，而在本发明中修正了调制公式，分为了x≥0和x＜0的情况，可以有效解决凹陷问题。

(4)采用梯形结构也可以实现在主辐射方向的高增益，并且敏感度更低，受加工影响小。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为基于圆形金属贴片的晶格单元的模型示意图；

图3为几何参数与表面阻抗值数学关系式示意图；

图4为全息阻抗调制表面的模型示意图；

图5为阶梯结构的全息阻抗调制表面的模型示意图；

图6为阶梯结构的全息阻抗调制表面的仿真模型示意图；

图7为仿真计算得到的反射系数示意图；

图8为仿真计算得到的二维方向图；

图9为仿真计算得到的三维方向图；

图中，1-金属贴片，2-介质基板，3-金属地板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，属于“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系为基于附图所述的方向或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，属于“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，属于“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

本实施例提供高增益全息阻抗调制表面天线设计方法，该方法适用于无线通信电子设备领域，设计出来的天线是现代无线通信系统中的核心器件之一，并实现了高增益、偏离法向辐射。

如图1所示，所述的方法包括以下步骤：

s1：建立基于圆形金属贴片1的晶格单元的模型。

优选地，如图2所示，所述的基于圆形金属贴片1的晶格单元的模型从上至下包括圆形金属贴片1、介质基板2和金属地板3。并且所述的介质基板2为rogersrt5880，该介质板的相对介电常数为2.2，厚度为1.6mm。可以在hfss仿真软件里面对该结构进行仿真计算。

s2：固定晶格单元物理尺寸，改变圆形贴片的物理尺寸，仿真在不同尺寸下所对应的表面阻抗值，拟合得到圆形金属贴片1距离晶格单元边沿的距离g与表面阻抗z之间的几何参数与表面阻抗值数学关系式。

优选地，在本实施例中，所述的固定晶格单元物理尺寸为3mm×3mm×1.6mm。通过改变圆形金属贴片的物理尺寸，并仿真在不同尺寸下所对应的表面阻抗值，利用matlab软件对该曲线进行数值拟合得到的结果如图3所示(横坐标gap表示圆形金属贴片1距离晶格单元边沿处的距离g，纵坐标impedance表示表面阻抗值z)。从图上可以看出，当圆形金属贴片1距离晶格单元边沿处的距离g由0.2mm变化到1mm时，表面阻抗值由109jω变化到了98.2jω。

对于，圆形金属贴片1和正方形金属贴片的比较，两种贴片在相同的工作频率和相同介质材料的情况下的阻抗范围不一样。

而对于相同物理尺寸的固定晶格单元，采用正方形金属贴片时，当gap的大小由0.2mm变化到1mm时，表面阻抗值由128.8jω变化到了98.49jω。由此可见，圆形金属贴片1的变化范围更窄，在加工时，圆形金属贴片1受加工精度的影响更小，更利于实际的加工设计。

另外，由于它们的阻抗特性曲线不一样，拟合得到的阻抗z和间距g之间的数学表达式就不一样。

具体地，在本实施例中，所述的几何参数与表面阻抗值数学关系式为：

z＝j(-7.2643g³+24.628g²-34.319g+114.93)

s3：根据全息阻抗调制表面天线方向图主瓣方向偏离法向，由全息阻抗调制公式得到阻抗表面上各点坐标所对应的表面阻抗z，从而得到由全息阻抗调制表面的表面阻抗分布情况，其中所述的全息阻抗调制公式分为x≥0和x＜0的情况，x表示表面点的坐标到焦点位置的水平方向距离。

具体地，在本实施例中，所述的全息阻抗调制表面天线方向图主瓣方向偏离方向为偏离法向30°。

并且，优选地，步骤s3中所述的全息阻抗调制公式为：

z(x,y)＝j[xs+mcos(k0xsinθ-ktr)],x≥0

z(x,y)＝j[xs-mcos(k0xsinθ-ktr)],x＜0

式中，表示表面上各点坐标(x,y)到焦点距离；kt表示表面波在阻抗表面上传播的波数；k0表示自由空间中电磁波传播的波数；xs表面阻抗的平均阻抗大小；m表示阻抗表面的平均阻抗的调制深度；θ表示辐射角度。

由于基于正方形金属贴片的全息天线在30度有凹陷，而根据实际需求，需要设计的辐射角度在30度，也就是说之前的基于正方形金属贴片的全息天线计算得到的结果有角度偏离的情况。

由于单极子天线放置在全息阻抗调制表面的焦点位置激励起两个不同方向的波，一个为前向波，一个为后向波，当表面不是工作在相位匹配的频率，前向波和后向波会有相位差，因此带来凹陷。因此，在本实施例中，修正了调制公式，分为了x≥0和x＜0的情况，可以有效解决凹陷问题。

s4：基于步骤s2中得到的几何参数与表面阻抗值之间的数学关系式、以及步骤s3中得到的全息阻抗调制表面的表面阻抗分布情况，计算得到阻抗表面面内各点的圆形金属贴片1的参数值，并建立整个全息阻抗调制表面的模型，如图4所示。

因为在步骤s3中采用不同的调制公式，因此得到的全息结构也不一样(现在的图4和基于正方形金属贴片的全息结构的图样完全不一样，尤其在x≥0和x＜0的部分完全不一样)。

s5：在所述的全息阻抗调制表面的模型的边沿部分设计成阶梯形结构，如图5所示，在该结构的焦点位置处放置天线；另外，在阶梯形结构的全息阻抗调制表面的模型基础上加上介质基板材料2，建立全息阻抗调制表面天线的仿真模型，如图6所示。

优选地，在本实施例中，在该结构的焦点位置处放置的天线为单极子天线。

具体地，采用梯形结构也可以实现在主辐射方向的高增益，并且敏感度更低，受加工影响小。

对图6中的全息阻抗调制表面天线的仿真模型进行仿真计算，得到的反射曲线图如图7所示。从图上可以看出，该天线工作在12ghz附近，-10db带宽范围从8.8ghz-18.6ghz,带宽较宽。计算得到二维方向图如图8所示，从图上可以看出，该天线的主辐射方向偏离法线30°左右，该方向上的增益达到12.11db。此外，该天线的交叉极化较低，具有优良的性能。该天线的三维方向图如图9所示。

实施例2

基于实施例1的实现，本实施例还提供一种高增益全息阻抗调制表面天线，与实施例1具有相同的发明构思，该天线适用于无线通信电子设备领域，天线是现代无线通信系统中的核心器件之一，并实现了高增益、偏离法向辐射。

所述的采用实施例1中所述的方法获得。

本发明实施例提供的高增益全息阻抗调制表面天线中相关部分的说明请参见本发明实施例1提供的高增益全息阻抗调制表面天线设计方法中对应部分的详细说明，在此不再赘述。另外，本发明实施例提供的上述技术方案中与现有技术中对应的技术方案实现原理一致的部分并未详细说明，以免过多赘述。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。