一种低不圆度的超表面宽带全向天线

本发明属于天线，涉及超表面天线，具体提供一种低不圆度的超表面宽带全向天线。

背景技术：

1、无线通信系统对于宽带全向覆盖具有很大的需求，为了实现宽带全向覆盖，则要求系统中天线为宽带全向天线。最典型的全向天线为单极子天线，然而单极子天线存在带宽窄、剖面高等问题。针对该问题，公开号为cn111740213a的专利文献中公开了一种基于超表面的宽带全向天线，具有宽带低剖面的特性；但是，由于其采用了正方形贴片作为超表面的单位，呈现旋转角为90°的旋转对称形状，使其在水平方向上的旋转角度过大，导致天线水平面方向图的不圆度较大。

技术实现思路

1、本发明目的在于针对现有超表面宽带全向天线存在的不圆度较大的问题，提出一种低不圆度的超表面宽带全向天线，具有带宽宽、剖面低、最大辐射方向为水平方向以及不圆度低的优点。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种低不圆度的超表面宽带全向天线，包括：从下往上依次层叠设置的接地金属板5、下层介质基板4、中间金属板3、上层介质基板2与超表面结构1，以及馈电金属柱6；其中，

4、所述下层介质基板4与上层介质基板2均采用相同尺寸的圆形结构；

5、所述超表面结构由一个中心正六边形贴片101、六个外围正六边形贴片102与六个切角正六边形贴片103构成；中心正六边形贴片101位于中心位置，六个外围正六边形贴片102围绕中心正六边形贴片101设置，且共同构成蜂巢结构；相邻外围正六边形贴片102之间分别设置切角正六边形贴片103，且切角正六边形贴片103的外边缘与蜂巢结构的外接圆重合；中心正六边形贴片101的中心位置开设上层正六边形窗口，且上层正六边形窗口与中心正六边形贴片的边相互平行；外围正六边形贴片102上开设矩形贴片缝隙，矩形贴片缝隙由外围正六边形贴片的外边缘中间位置指向中心正六边形贴片的中心；

6、所述中间金属板3开设有一个圆形馈电缝隙301、六个矩形耦合缝隙302、六个内圆弧缝隙303与六个外圆弧缝隙304；圆形馈电缝隙301位于中心位置，六个矩形耦合缝隙302围绕圆形馈电缝隙301设置，矩形耦合缝隙302位于外围正六边形贴片102的正下方且垂直于矩形贴片缝隙；内圆弧缝隙303与外圆弧缝隙304依次设置于矩形耦合缝隙302的外侧，且三者中心位于上层介质基板2的同一半径线上，内圆弧缝隙303与外圆弧缝隙304的圆心均与上层介质基板2的中心重合；

7、所述接地金属板5呈圆形结构，其中心位置开设下层圆形窗口501，其边缘位置通过若干个金属短路柱502与中间金属板3相连；金属短路柱502贯穿下层介质基板4，且等间隔排列；

8、所述馈电金属柱6位于天线中心位置，其下端与同轴馈电接头的内导体相连，并穿过下层圆形窗口501、下层介质基板4、圆形馈电缝隙301、上层介质基板2与上层正六边形窗口向上层介质基板2上表面垂直延伸。

9、进一步的，下层介质基板4、上层介质基板2与中间金属板3的半径均为 r1，圆形馈电缝隙301的半径为 r2，内圆弧缝隙303的半径为 r3，外圆弧缝隙304的半径为 r4，接地金属板5的半径为 r5，下层圆形窗口501的半径为 r6，馈电金属柱6的半径为 r7，且满足关系：

10、 r1> r4> r3> r5， r6> r2， λ/10>( r2- r7)> λ/15，

11、其中， λ为最低工作频率对应的自由空间波长。

12、进一步的，中心正六边形贴片101、外围正六边形贴片102与切角正六边形贴片103的边长均为 w1，相邻贴片的间隔均为 g；矩形贴片缝隙的长度为 l s1，1.25 w1≤ l s1≤1.35 w1。

13、进一步的，内圆弧缝隙303的度数为 θ1，外圆弧缝隙304的度数为 θ2， θ1与 θ2分别满足：

14、，，

15、其中， λ h为最高工作频率对应的介质中波长， λ l为最低工作频率对应的介质中波长， r3为内圆弧缝隙的半径， r4为外圆弧缝隙的半径。

16、进一步的，馈电金属柱6向上层介质基板2上表面垂直延伸的长度为 l， l< λ/4， λ为最低工作频率对应的自由空间波长；馈电金属柱向上层介质基板上表面垂直延伸部分形成单极子天线，该单极子天线的谐振频率低于超表面结构的谐振频率。

17、进一步的，中间金属板3、下层介质基板4以及接地金属板5通过金属短路柱502共同构成基片集成波导结构，基片集成波导结构的谐振频率低于超表面结构的谐振频率。

18、从工作原理上讲：

19、对于全向天线，其水平面方向图的不圆度主要来自于结构的不对称性；为了实现低不圆度，需要天线结构为旋转对称结构，且旋转角越小，不圆度越低。理论上，圆形结构具有完美的旋转对称性；然而，圆形微带天线由于其自身模式特征，往往带宽很窄，且设计自由度较低；为了解决微带天线带宽窄、设计自由度低的问题，超表面天线被广泛研究。基于此，本发明参考蜂巢结构设计出由正六边形单元构成的超表面天线，正六边形贴片构成的超表面旋转角度为60°，低于传统的由正方形贴片构成的超表面的90°旋转角度，具有更好的旋转对称性，能够优化水平面方向图的不圆度；同时，正六边形贴片能够实现平面满铺，从而保证了单元间的能量耦合，拓宽了天线带宽以及口径效率。

20、对于本发明中超表面结构，由于其全向模式的最强电流分布于六个外围正六边形贴片102上，因此，馈电位置也设置于外围正六边形贴片处，本发明设计6条围绕中心旋转的矩形耦合缝隙302激励超表面，从而保证激励也具有60°旋转角的旋转对称性。为了将能量由端口耦合至六条矩形耦合缝隙，需要一分六的功分器，常规的微带功分器结构复杂且损耗较高，因此，本发明采用基片集成波导开缝的方式，实现对于六条矩形耦合缝隙的等幅同相馈电；中间金属板3、下层介质基板4以及接地金属板5通过金属短路柱502共同构成了基片集成波导缝隙结构，等效为圆柱波导上开有六个缝隙。六条矩形耦合缝隙需处于外围六边形贴片的正下方，同时匹配上层介质基板2和下层介质基板4的介电常数，保证圆柱波导的谐振频率低于超表面全向模式的谐振频率。

21、超表面结构具有水平极化全向模式和垂直极化全向模式，然而，本发明中宽带全向天线需要具有垂直极化，因此，需要避免激励起水平极化模式，从而保证极化纯度以及方向图的完整性。为此，本发明在六个外围正六边形贴片102上开设矩形贴片缝隙，矩形贴片缝隙指向超表面结构的中心；水平极化模式的电流分布为围绕中心旋转的方向，而垂直极化模式的电流方向为指向中心的方向，即矩形贴片缝隙与垂直极化模式电流平行，对垂直极化模式几乎没有影响；而矩形贴片缝隙与水平极化模式电流方向垂直，且矩形贴片缝隙并未将正六边形贴片分割为两块，则可以看作电感加载，增大水平极化模式的电长度，从而降低水平极化模式的谐振频率，使其低于圆柱波导的谐振频率，从而无法被有效激励。另外，矩形贴片缝隙的起点位于外围正六边形贴片102外缘的中间位置，保持了靠近中心正六边形贴片101一侧边缘的完整性，从而保证与中心贴片的能量耦合。为了进一步增加超表面结构的对称性，本发明设计了六个切角正六边形贴片103，使得超表面结构的外围轮廓包络更加接近圆形。

22、为了拓展天线的带宽，本发明采用了组合天线的策略，在超表面天线的基础上增加了一个单极子天线，该单极子天线的谐振频率低于超表面结构的谐振频率，从而拓宽天线的低频工作范围；该单极子天线由馈电金属柱6向上层介质基板2上表面垂直延伸形成，馈电金属柱6同时作为圆柱波导的激励结构。中间金属板3上开有圆形馈电缝隙，该缝隙大小经过匹配设计，使得馈电金属柱6既能给圆柱波导馈电，又能成为单极子天线进行辐射。同时，由于超表面结构的垂直全向模式在中心是电场零点，因此，馈电金属柱6不会影响超表面天线的工作。对于馈电金属柱6构成的单极子天线，超表面结构可以看作周期排布的人工磁导体，从而降低馈电金属柱6的剖面高度，因此，馈电金属柱6的延伸部分的长度 l小于最低频率对应波长的四分之一。对于馈电金属柱6构成的单极子天线，其工作频率低于圆柱波导的截止频率，圆柱波导不会影响其辐射性能。

23、对于有限大地板上的全向天线，其波束会发生上翘，这是地板上的感应电流导致的；为了减小地板上的感应电流，本发明在中间金属板3上开有弧形缝隙。由于本发明天线具有很宽的带宽，一条弧形缝隙无法在整个工作频带上实现对于地板感应电流的消除，因此，本发明采用了两条弧度不同的内弧形缝隙303与外圆弧缝隙304，其弧度（圆心角）分别满足关系：

24、，，

25、其中， λ h为最高工作频率对应的介质中波长， λ l为最低工作频率对应的介质中波长， r3为内圆弧缝隙的半径， r4为外圆弧缝隙的半径。

26、综上，基于上述技术方案及其工作原理，本发明的有益效果在于：

27、本发明提供一种低不圆度的超表面宽带全向天线，采用旋转角度更小的正六边形贴片拼接方式，优化了传统正方形贴片拼接方式存在的旋转对称性差的问题，使得天线在水平方向上具有更低的不圆度；采用超表面与单极子组合的方式，解决了全向单极子天线存在的带宽窄剖面高的问题，拓宽了天线的带宽；通过在地板引入弧形缝隙，将上翘的最大辐射方向调整至水平方向；最终使得本发明中全向天线具有带宽宽、剖面低、不圆度低以及最大辐射方向为水平方向的优点。