基于混合HIS的宽带极化可重构天线及高性能天线阵列的制作方法

本发明属于微波天线技术领域，具体涉及一种基于混合his的宽带极化可重构天线及高性能天线阵列。

背景技术：

高阻抗表面(highimpedancesurface,his)是由d.sievenpiper在1999年的论文“high-impedanceelectromagneticsurfaceswithaforbiddenfrequencyband”中首次提出，也称为电磁带隙(electromagneticbandgap,ebg)结构，由正方形贴片、金属柱、介质基板和地板几部分组成，类似于蘑菇形状，论文分析了his的电磁特性。2003年，f.yang在“microstripantennasintegratedwithelectromagneticband-gap(ebg)structures:alowmutualcouplingdesignforarrayapplications”中将his作为理想磁壁(perfectmagneticconductor,pmc)，并在his上方加载微带天线，且分析了其性能。然而，带金属柱的his对天线的辐射方向图会造成部分恶化，为了减小带金属柱的his对天线辐射的影响，同时抑制表面波的传播，降低天线的副瓣电平，混合his在2010年的论文“thicknessreductionandperformanceenhancementofsteerablesquareloopantennausinghybridhighimpedancesurface”中被h.nakano提出。总体而言，his或混合his的作用都相当于pmc，用于降低天线的剖面，改善天线的性能。

基于带金属柱的his作为辐射结构是由w.liu在2014年的论文“metamaterial-basedlow-profilebroadbandmushroomantenna”中首次提出，同时在2015年的论文“metamaterial-basedlow-profilebroadbandaperture-coupledgrid-slottedpatchantenna”中分析了无金属柱的his天线。总体而言，基于his的天线具有宽带、低剖面和良好的辐射等优点，但单一的his天线在整个工作频段约有3db的增益波动，同时极化性能单一，不利于在现代的无线通信系统中的应用。

文章“awidebandquad-polarizationreconfigurablemeta-surfaceantenna”提出了一种加载超表面的极化可调的宽带天线，通过设计馈电网络对贴片天线馈电，实现了四种极化的可调，同时加载了一层超表面结构，实现了20％的工作带宽。然而，天线的辐射结构是普通的贴片天线，在其工作带宽内，增益波动大，且由于馈电网络的结构较大，使得天线的整体结构尺寸变大，同时天线由三层介质板和空气层构成，也增加了天线的剖面和加工复杂度。

文章“polarizationreconfigurableaperture-fedpatchantennaandarray”提出了一种±45°极化可调的天线，通过控制位于地板结构上的耦合口径的位置，实现了两种极化性能的重构，其直流偏置网络简单，易于实现，但由于耦合口径的重叠，使得两种极化的交叉极化水平高。

文章“designofawidebandquad-polarizationreconfigurablepatchantennaarrayusingastackedstructure”提出了具有四种极化可调的天线，通过设计馈电网络控制四个线极化天线单元，实现了水平极化，垂直极化，左旋圆极化和右旋圆极化四种极化性能，为了增大天线的工作带宽，具有16个矩形贴片的寄生层被加载于天线上方。由于寄生层与天线单元层之间有一定的空气间隔，这使得天线的剖面高度增加，同时也增加了天线加工的复杂度。

技术实现要素：

本发明的目的是克服上述现有技术的缺陷，提供一种基于混合his的宽带极化可重构天线及高性能天线阵列。

本发明所提出的技术问题是这样解决的：

一种基于混合his的天线，包括16个正方形辐射贴片1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、h形槽结构17、地板18、12个金属柱19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、第一介质基板31、第二介质基板33和微带线32；16个正方形辐射贴片1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16位于第一介质基板31的上表面，呈4×4等间隔均匀排布；地板18位于第一介质基板31的下表面，外尺寸与第一介质基板31的相同；地板18的中心刻蚀有h形槽结构17，h形槽结构17与地板的外沿平行；12个金属柱19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30穿过第一介质基板31分别与第一正方形辐射贴片～第十二正方形辐射贴片1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12和地板18连接；第二介质基板33位于地板18的下表面，第二介质基板33的尺寸与第一介质基板31的相同；微带线32由第二介质基板33的下表面的底部中心向上延伸直至超出h形槽结构17。

更具体的，微带线32为50欧姆微带线。

一种基于混合his的天线阵列，以基于混合his的天线为天线单元，将天线单元排成一维或二维平面阵列，相邻的单元共用相邻一边的正方形辐射贴片，天线单元采用微带耦合馈电。

一种基于混合his天线的+45°或-45°极化天线，以基于混合his的天线为基础，以天线的中心为中心将16个正方形辐射贴片、12个金属柱和h形槽结构旋转+45°或-45°。

一种基于混合his的极化可重构天线阵列，以基于混合his天线的+45°和-45°极化天线为单元组成2*2的阵列，左上和右下为+45°极化天线，右上和左下为-45°极化天线；第二介质基板下表面的微带线由馈电网络代替；

馈电网络包括一分四的威尔金森功分器60、两个90°移相器34、35、五个直流偏置网络36、37、38、39、40、16个pin二极管41、42、43、44、45、46、47、48、49、50、51、52、53、54、55、56；威尔金森功分器60的输入枝节并联有第一直流偏置网络，四个输出枝节分别连接四个环形微带线；第一环形微带线为左下单元天线馈电，其上依次串联有第一pin二极管41、第二pin二极管42、第四pin二极管44和第三pin二极管43，第二pin二极管42和第四pin二极管44之间的微带线并联有第三直流偏置网络38；第二环形微带线为右下单元天线馈电，其上依次串联有第五pin二极管45、第一90°移相器34、第六pin二极管46、第八pin二极管48、第七pin二极管47，第六pin二极管46和第八pin二极管48之间的微带线并联有第二直流偏置网络37；第三环形微带线为右上单元天线馈电，其上依次串联有第九pin二极管49、第十pin二极管50、第十二pin二极管52和第十一pin二极管51，第十pin二极管50和第十二pin二极管52之间的微带线并联有第四直流偏置网络39；第四环形微带线为左上单元天线馈电，其上依次串联有第十三pin二极管53、第二90°移相器35、第十四pin二极管54、第十六pin二极管56和第十五pin二极管55，第十四pin二极管54和第十六pin二极管56之间的微带线并联有第五直流偏置网络40；第一直流偏置网络36为串联的电感和电容；第二直流偏置网络37至第五直流偏置网络40为并联的两个电感。

为了便于加工，在直流偏置网络中的电感和电容两侧串联有短微带线枝节。

本发明的有益效果是：

(1)本发明所述的基于混合his的天线，通过将辐射贴片分成很多小贴片，并在边缘的小贴片加载带有金属柱的蘑菇型结构，构成混合his结构，能够抑制表面波的传播，降低天线的交叉极化，提高天线的辐射增益，且天线结构简单，易于加工和集成；

(2)本发明所述的天线应用于多输入多输出系统，具有宽带、低剖面、低交叉极化、高方向性、高隔离度和稳定的辐射性能等优点；

(3)本发明所述的天线应用于平面二维阵列，能够实现宽带、高增益、高分辨率等性能；

(4)本发明所述的天线通过旋转天线结构和耦合槽，能够实现±45°的双极化性能，进而利用该天线组成阵列实现水平极化、垂直极化，左旋圆极化和右旋圆极化四种极化性能的可重构。相较于现有的极化可重构技术，该方法结构简单，易于实现，且天线具有良好的辐射性能。

附图说明

图1为实施例一所述基于混合his的天线的结构示意图，其中(a)俯视图；(b)背视图；(c)侧视图；

图2为实施例一中所述天线结构示意图，其中(a)his结构；(b)混合his结构；

图3为实施例一中所述天线的电流分布示意图，其中(a)his；(b)混合his；

图4为实施例一中所述天线的描述参数示意图，其中(a)e面主极化方向图；(b)e面交叉极化方向图；(c)增益随频率的变化；

图5为实施例二中所述天线阵列的结构示意图，其中(a)俯视图；(b)背视图；

图6为实施例二中所述天线阵列的描述参数示意图，其中(a)s参数随频率的变化；(b)5.5ghz辐射方向图；

图7为实施例二中所述天线阵列的阵列辐射方向图；

图8为实施例三中所述天线阵列的(a)阵列天线结构示意图，(b)5.5ghz辐射方向图；

图9为实施例四中所述天线的结构示意图，其中(a)+45°极化，(b)-45°极化；

图10为实施例四中所述天线的电流分布，其中(a)+45°极化，(b)-45°极化；

图11为实施例五所述极化可重构天线阵列的结构示意图，其中(a)俯视图；(b)背视图；

图12为实施例五所述极化可重构天线阵列的电流分布；

图13为实施例五所述极化可重构天线阵列在5.5ghz的辐射方向图，其中(a)左旋圆极化；(b)右旋圆极化；(c)水平极化；(d)垂直极化；

图14为实施例五所述极化可重构天线阵列的轴比和增益随频率的变化，其中(a)左旋圆极化；(b)右旋圆极化；

图15为实施例五所述极化可重构天线阵列的s11和增益随频率的变化，其中(a)水平极化；(b)垂直圆极化。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明。

实施例一

本实施例提供一种基于混合his的天线，其结构示意图如图1所示，

其中，第一层介质基板31和第二层介质基板33都为聚四氟乙烯f4bm，相对介电常数为3.38，损耗正切角为0.0027；第一层介质基板31的厚度为3.17mm，第二层介质基板厚度33为0.813mm。

为了验证混合his天线性能的优异性，本发明先对无金属柱的his和混合his进行性能对比，其结构别如图2(a)和图2(b)所示；地板表面电流分布如图3所示，混合his天线能够抑制表面波沿地板表面的传播；如图4可知，混合his能够提高增益，同时减小交叉极化分量，而在整个工作频段上，混合his的最大增益均高于无金属柱的his天线0.5db。

实施例二

本实施例提供一种基于混合his的一维天线阵列，以基于混合his的天线为天线单元，将天线单元排成1×2的一维平面阵列，其结构如图5所示，相邻正方形辐射贴片之间的间距为30mm，约为5ghz频点自由空间波长的0.5倍。用电磁仿真软件cst对阵列天线进行仿真分析，其仿真结果如图6所示，天线单元之间的隔离度在工作频段内(|s11|<-10db)大于20db，且天线单元能够保持良好的辐射性能，增益大于10db，交叉极化小于-40db，同时对两个单元都工作的辐射进行分析，结果如图7所示，辐射增益大于12db。因此，该天线阵列能够应用于多输入多输出系统。

实施例三

本实施例提供一种基于混合his的二维天线阵列，以基于混合his的天线为天线单元，将天线单元排成2×4的二维平面阵列，结构如图8(a)所示，相邻正方形辐射贴片之间的间距为30mm，约为5ghz频点自由空间波长的0.5倍。用电磁仿真软件cst对阵列天线进行仿真分析，阵列在5.5ghz频点的结果如图8(b)所示，2×4阵列的辐射增益大于16db，副瓣电平小于-9db。在e面3-db波束宽度为21°。因此，本发明提出的混合his天线，能够应用于高增益、高分辨率的天线阵列的设计。

实施例四

本实施例提供一种基于混合his天线的45°或-45°极化天线，其结构示意图如图9所示，以基于混合his的天线为基础，以天线的中心为中心将16个正方形辐射贴片、12个金属柱和h形槽结构旋转45°或-45°。辐射结构尺寸保持不变，优化h形的耦合馈电槽，能够实现良好的辐射性能，对应的表面电流如图10所示。

实施例五

一种基于混合his的极化可重构天线阵列，

本实施例所述天线阵列的四种工作模式的pin二极管工作状态如下表所示：

水平极化(hlp)模式：直流偏置电路36接电压的正极，371、382、392和401接电压的负极，从而使pin41、pin42、pin47、pin48、pin49、pin50、pin55、pin56导通，实现水平极化的工作模式。其|s11|和增益变化如图15(a)所示，天线的工作带宽为5.1-5.9ghz(|s11|＜-10db)，在工作频段内，增益大于10db，波动小于2db，且在5.5ghz频点的辐射方向图如图13(c)所示，副瓣电平小于-9db，增益大于11db。

垂直极化(vlp)模式：直流偏置电路36接电压的正极，371、381、391和401接电压的负极，从而使pin43、pin44、pin47、pin48、pin51、pin52、pin55、pin56导通，实现垂直极化的工作模式；该模式在5.5ghz频点的辐射方向图如图13(d)所示，副瓣电平小于-9db，增益大于11db；|s11|和增益变化如图15(a)所示，天线的工作带宽为5.1-5.9ghz(|s11|＜-10db)，在工作频段内，增益大于11db，波动小于1db。

左旋圆极化(lhcp)模式：直流偏置电路36接电压的正极，372、382、392和402接电压的负极，从而使pin41、pin42、pin45、pin46、pin49、pin50、pin53、pin54导通，实现左旋圆极化的工作模式；其|s11|和增益变化如图15(c)所示，天线的轴比带宽为4.8-6.0ghz(ar＜3db)，在轴比带宽内，增益大于9db，波动小于3db，且在5.5ghz频点的辐射方向图如图13(a)所示，副瓣电平小于-9db，增益大于11db。

右旋圆极化(rhcp)模式：直流偏置电路36接电压的正极，372、381、391和402接电压的负极，从而使pin41、pin42、pin43、pin44、pin51、pin52、pin53、pin54导通，实现右旋圆极化的工作模式。其|s11|和增益变化如图15(c)所示，天线的轴比带宽为4.8-6.0ghz(ar＜3db)，在轴比带宽内增益大于9.5db，波动小于3db，且在5.5ghz频点的辐射方向图如图13(b)所示，副瓣电平小于-9db，增益大于11db。