一种基于超材料结构的超宽带低剖面对数周期天线的制作方法

1.本发明涉及射电等高增益天线应用领域，具体是一种基于超材料结构的超宽带低剖面对数周期天线。


背景技术：

2.对数周期天线是超宽带馈源天线领域研究的热点之一。利用其独特的折叠偶极子对、周期渐变阵列等特性，可以有效地提高天线的性能，降低加工成本。如文献1（"design of compact dual-polarized eleven feed for decade bandwidth radio telescopes," ieee transactions on antennas and propagation, vol. 60, no. 5, pp. 2210-2218）和文献2（"the circular eleven antenna: a new decade-bandwidth feed for reflector antennas with high aperture efficiency," ieee transactions on antennas and propagation, vol. 61, no. 8, pp. 3976-3984）以及文献3（"on conditions for constant radiation characteristics for log-periodic array antennas," ieee transactions on antennas and propagation, vol. 58, no. 5, pp. 1521-1526）中，都比较详细地介绍了用对数周期天线这类新技术, 以及由它们所设计的新型宽带馈源天线。以往的对数周期天线多采用的是倾斜的天线结构, 这类结构的缺点有:(1)体积大, 在文献1中的厚度直接和频率相关，厚度为最低频率的四分之一个波长级别;(2)加工复杂，该结构采用需要采用立体结构进行装配加工；(3)相位中心不稳定，由于传统对数周期天线多采用倾斜的天线结构，位于对数周期天线内的不同长度的偶极子工作于不同频段的同时，也处于不同的高度，因此，对数周期天线的相位中心会随着正在工作的偶极子的空间位置的变化而变化，处于相位中心不稳定的状态。


技术实现要素：

3.针对上述技术问题，本发明提出一种基于超材料结构的超宽带低剖面对数周期天线，它能在保证天线稳定的辐射特性的前提下，极大地降低天线的剖面和减小体积，同时保证相位中心的稳定。
4.为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术手段：一种基于超材料结构的超宽带低剖面对数周期天线，包括对数周期天线、馈电端口和位于最底部的支撑机加，还包括超材料阵列，所述超材料阵列位于所述对数周期天线与所述馈电端口之间，用于实现对所述对数周期天线中偶极子单元辐射的低剖面反射，所述基于超材料结构的超宽带低剖面对数周期天线的高度小于十分之一波长。
5.进一步的，所述超材料阵列为周期渐变的人工磁导体，所述周期渐变的人工磁导体设置为在同一平面上呈圆形排列的若干人工磁导体单元, 若干人工磁导体单元组成的第一圆形阵列的面积与所述对数周期天线上若干折叠偶极子对组成的第二圆形阵列的面
积相等，且第一圆形阵列和第二圆形阵列同心设置。
6.进一步的，每个所述人工磁导体单元均包括第一介质基板、金属地板、金属化通孔以及伞形金属贴片，其中，相邻人工磁导体单元通过第一介质基板相连，并成周期渐变排布，金属地板印制在第一介质基板的下表面实现对电磁波的反射，印制在第一介质基板的上表面且相邻人工磁导体单元的伞形金属贴片间存在缝隙，金属化通孔位于第一介质基板的内部，金属化通孔上端与所述伞形金属贴片连接，金属化通孔下端与所述金属地板连接。
7.进一步的，所述金属化通孔在所述伞形金属贴片上的投影位于伞形金属贴片的中心线上；相邻伞形金属贴片之间的非金属边缘的宽度g为0.2～6mm。
8.进一步的，所述馈电端口位于所述超材料阵列下方中心处，所述支撑机加通过与馈电端口连接实现对所述对数周期天线、超材料阵列、馈电端口的支撑固定。
9.进一步的，所述对数周期天线上每一个折叠偶极子对包括第一偶极子矩形金属贴片、第二偶极子矩形金属贴片以及第二介质基板，其中，所述第一偶极子矩形金属贴片紧邻并平行于所述第二偶极子矩形金属贴片，第一偶极子矩形金属贴片和第二偶极子矩形金属贴片印制在第二介质基板层的上表面，相邻折叠偶极子对在第二介质基板层间紧密接触连接。
10.进一步的，所述对数周期天线上折叠偶极子对尺寸从圆心至圆周方向逐渐增大, 所述人工磁导体单元尺寸对应所述折叠偶极子对尺寸从圆心至圆周方向逐渐增大。
11.所述伞形金属贴片的长为0.5mm～30mm，所述伞形金属贴片的宽为0.12mm～4mm，所述金属化通孔的直径为0.06mm～1mm。
12.第一介质基板采用微波介质板，介电常数为2.2～10.2，厚度为0.1mm～1mm。
13.第二介质基板采用微波介质板，介电常数为2.2～10.2，厚度为0.1mm～4mm。
14.有益效果：(1)本发明提出的基于超材料结构的超宽带低剖面对数周期天线，与普通对数周期天线相比，该结构基于超材料结构，通过超材料阵列，实现对偶极子单元辐射的低剖面反射，有效地改善来自偶极子的电磁波的传播路径，极大地降低了对数周期天线的高度，天线高度由原来的四分之一波长降低小于十分之一波长，且相位中心稳定。
15.降低高度的原因：传统的对数周期天线需要采用金属地与天线之间保留四分之一波长的距离，从而实现电磁波的同向反射，因此天线高度在四分之一波长左右，本发明提出的基于超材料结构的超宽带低剖面对数周期天线中采用了超材料结构，该结构在实现电磁波的同时，高度不大于十分之一波长，因此对数周期天线的高度明显降低相位中心稳定的原因：由于传统对数周期天线多采用倾斜的天线结构，位于对数周期天线内的不同长度的偶极子工作于不同频段的同时，也处于不同的高度，因此，对数周期天线的相位中心会随着正在工作的偶极子的空间位置的变化而变化，处于相位中心不稳定的状态，本结构中采用平面结构的超材料阵列实现电磁波的同向反射，因此对数周期天线由立体结构转换为平面结构，虽然工作在不同频段时，工作的偶极子会变化，但是由于所有偶极子处于同一平面，因此，相位中心稳定不变。
16.(2)本发明提出的基于超材料结构的超宽带低剖面对数周期天线，采用微波介质板，结构简单，加工容易，重量和尺寸相对较小，成本较低。
附图说明
17.图1为本发明基于超材料结构的超宽带低剖面对数周期天线三维图；其中，1为对数周期天线；2为周期渐变人工磁导体；3为馈电端口；4为支撑机加；图2为本发明基于超材料结构的超宽带低剖面对数周期天线的俯视图；其中，g为非金属边缘的宽度；图3为本发明基于超材料结构的超宽带低剖面对数周期天线的侧视图；其中，h1为第一介质基板厚度；h2为第二介质基板厚度；图4为本发明基于超材料结构的超宽带低剖面对数周期天线的对数周期天线俯视图；其中，5为折叠偶极子对；图5为本发明基于超材料结构的超宽带低剖面对数周期天线的周期渐变人工磁导体俯视图；其中，6为人工磁导体单元；图6为本发明基于超材料结构的超宽带低剖面对数周期天线的人工磁导体单元三维图；其中，7为第一介质基板；8为金属地板；9为金属化通孔；10为伞形金属贴片；d为金属化通孔的直径；w为伞形金属贴片的宽度；l为伞形金属贴片的长度；图7为本发明折叠偶极子单元的结构示意图；其中，11为第一偶极子矩形金属贴片；12为第二偶极子矩形形金属贴片；13为第二介质基板；wy1为第一偶极子矩形金属贴片的边长；wy2为第二偶极子矩形金属贴片的边长；wx1为第一偶极子矩形金属贴片的宽；wx2为第二偶极子矩形金属贴片的宽；dy为u型槽的长度；dx为u型槽的宽度；图8为本发明基于超材料结构的超宽带低剖面对数周期天线的反射系数曲线图；图9为本发明基于超材料结构的超宽带低剖面对数周期天线的e面主极化和交叉极化方向图；图10为本发明基于超材料结构的超宽带低剖面对数周期天线的h面主极化和交叉极化方向图。
具体实施方式
18.下面结合具体实施例及说明书附图对本发明的技术方案做进一步详细说明。
实施例
19.结合图1~图5所示，该超宽带低剖面对数周期天线，由4个部分组成，包括对数周期天线1、周期渐变人工磁导体2、馈电端口3和支撑机加4；其中对数周期天线1由四组成圆形排列的成折叠偶极子对5组成，折叠偶极子对5共8个，尺寸从圆心向圆周方向逐渐增大；周期渐变人工磁导体2由四组圆形排列的人工磁导体单元6，人工磁导体单元6共8个，尺寸从圆心向圆周方向逐渐增大，对数周期天线1组成的圆形阵列的面积等于周期渐变人工磁导体2组成的圆形阵列且两圆投影同心。
20.如图6所示，本发明所述人工磁导体单元6由四个部分组成，包括第一介质基板7、
金属地板8、金属化通孔9以及伞形金属贴片10；其中，第一介质基板7，介电常数εr均为2.2，厚度ha为0.2mm。
21.如图7所示，所述折叠偶极子对5由三个部分组成，包括第一偶极子矩形金属贴片11、第二偶极子矩形形金属贴片12、第二介质基板13，所述第二介质基板13的介电常数εr为3.55，厚度h为2mm。
22.8个人工磁导体单元6的结构和尺寸相同，其中任意一个人工磁导体单元6，如对于第六个伞形金属贴片，伞形金属贴片10的长l为10mm，伞形金属贴片10的宽w为0.4mm，金属化通孔9的直径d为0.2mm。
23.对于第6个偶极子中，上层加载第一偶极子矩形金属贴片11、第二偶极子矩形金属贴片12的边长wy1 和wy2分别为9.5mm和10mm,宽度wx1和wx2为0.36mm和0.38mm，u型槽的长度dy为9.1mm，宽度dx为0.7mm。
24.由以上分析可知，本发明基于超材料结构的超宽带低剖面对数周期天线整体厚度为2.2mm，其厚度为0.05波长。
25.由图8可以得到，本发明基于超材料结构的超宽带低剖面对数周期天线的反射系数小于-10db的带宽能够覆盖7-14ghz的频带范围。
26.如图9和图10，在7-14ghz 的频带范围内，天线辐射方向图的交叉计划在整个频带内小于-10db，同时，在整个频带内，波束宽度能够较好的保持一致，其-10db波束宽度在整个频带内基本控制在-30
°
到30
°
的角度范围内。
27.由上可知，本发明的基于超材料结构的超宽带低剖面对数周期天线可以有效地实现低剖面超宽带的天线特性。
28.除了如上所述的本公开的效果之外，本领域技术人员将从本公开的以上描述中清楚地理解本公开的另外的优点和特征。
29.对于本领域技术人员来说明显的是，上述本公开不受上述实施方案和附图的限制，并且在不脱离本公开的精神或范围的情况下，可以在本公开中进行各种替换、修改和变型。因此，本公开的范围由所附权利要求限定，并且旨在从权利要求的含义、范围和等同概念获得的所有变型或修改落入本公开的范围内。
30.可以对上面描述的各种实施方案进行组合以提供另外的实施方案。
31.可以根据以上详细描述对本实施方案进行这些或者其他改变。通常，在所附的权利要求中，所使用的术语不应该被理解为将权利要求限制于说明书和权利要求中公开的特定实施方案，而是应该被理解为包括所有可能的实施方式连同这样的权利要求所属于的等同内容的全部范围。因此，权利要求不受公开内容的限制。