一种基于特征模分析的宽带全向超表面天线

本发明涉及一种天线，具体涉及一种基于特征模分析的宽带全向超表面天线。

背景技术：

1、随着移动通信技术的快速发展，宽带全向天线的应用越来越广泛。传统的单极子天线由于存在带宽窄、剖面高等缺点，已很难满足现代移动通信系统的应用需求。

2、目前，许多学者基于特征模分析来设计性能优良的宽带全向天线：2021年李治等人利用特征模分析设计了一款超表面宽带天线，李治,马润波与韩丽萍,基于特征模分析的宽带超表面天线设计.测试技术学报,2021.35(06):第539-543页；通过将位于超表面结构角落的单元分裂为3×3子阵和边缘贴片分裂为4×4子阵的方法设计了超表面结构，馈电方式为缝隙耦合馈电，通过合并超表面模式和缝隙模式，实现了53.4％的阻抗带宽。山西大学韩国瑞等人基于特征模分析设计了一款缝隙耦合馈电的超表面宽带全向天线，韩国瑞,田凯与裴立力,基于特征模分析的宽带全向天线设计.测试技术学报,2020.34(2):第159-162,168页；超表面结构由16个半径为r的1/4圆组成4×4贴片阵列，四个窄缝放置在超表面结构的四角位置，馈电网络采用一分四威尔金森功率分配器，实现了良好的全向辐射特性。2020年sihao liu设计了一款圆极化超表面全向天线，liu s,yang d,chen y,ct al,compatible integration of circularly polarized omnidirectional metasurfaceantenna with solar cells[j].ieee transactions on antennas and propagation,2019,68(5):4155-4160；四个耦合缝隙旋转对称地分布在超表面结构的四角处，一个1分四馈电网络提供顺序旋转的90°相位差，从而产生圆极化，最终获得了全向圆极化辐射特性。

3、然而，现有的宽带全向天线仍然存在带宽较窄的问题，如何展宽宽带全向天线的带宽并获得稳定的天线性能仍然充满挑战。

技术实现思路

1、本发明的目的是解决现有宽带全向天线存在带宽较窄的技术问题，而提供一种基于特征模分析的宽带全向超表面天线。

2、为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

3、一种基于特征模分析的宽带全向超表面天线，其特殊之处在于：

4、包括超表面层、微带馈电贴片层和连接柱；

5、所述超表面层包括第一介质基板和设置于第一介质基板上表面的超表面结构；所述微带馈电贴片层设置于第一介质基板的下方，且两者之间设有空气层，并通过连接柱连接；

6、所述超表面结构包括一个第一贴片、4个第二贴片、4个第三贴片和4组第四贴片；每组第四贴片的数量为3个；所述第一贴片、第二贴片、第三贴片和第四贴片均为正2x边形，或均为矩形，或均为圆形；且所述第一贴片和第二贴片尺寸相同，第二贴片、第三贴片和第四贴片的尺寸依次减小；其中x≥2；

7、所述第一贴片、4个第二贴片、4个第三贴片为3×3阵列设置，且所述第一贴片设置于第一介质基板的中心位置，4个第二贴片围绕第一贴片的中心呈旋转对称设置，且旋转角为90°，4个第三贴片位于相邻两个第二贴片之间并围绕第一贴片的中心呈旋转对称设置；若第一贴片、第二贴片、第三贴片为正2x边形或矩形，则第一贴片和第二贴片的相应边对应设置，第二贴片和第三贴片的相应边对应设置；

8、4组所述第四贴片设置在第一介质基板上位于第二贴片和第三贴片外侧的位置，且每组的3个第四贴片的中心连线与靠近其的两个第三贴片和一个第二贴片的中心连线平行；若第四贴片为正2x边形或矩形，则第四贴片的相应边与第二贴片、第三贴片的相应边对应设置；

9、所述第一贴片同相邻的第二贴片、所述第二贴片同相邻的第三贴片和第四贴片、所述第三贴片同相邻的第四贴片中心点的直线距离均相等。

10、进一步地，所述第一贴片、第二贴片、第三贴片和第四贴片均为正2x边形，且x＝2。

11、进一步地，所述第一贴片、第二贴片、第三贴片和第四贴片均为正2x边形，且x＝3。

12、进一步地，所述第一贴片和第二贴片的边长均为10.8mm，第三贴片的边长为8.9mm，第四贴片的边长为5.2mm；

13、所述第一介质基板为圆形板，其半径为32mm，厚度为1mm。

14、进一步地，所述微带馈电贴片层包括第二介质基板、地板、同轴探针及设置于第二介质基板上侧中心位置的馈电贴片；

15、所述第二介质基板的上侧通过连接柱与第一介质基板的下侧连接；所述空气层是指第一介质基板和第二介质基板相互靠近一侧之间的空间；

16、所述地板贴合设置于第二介质基板的下侧；所述馈电贴片和第二介质基板的中心位置均设置有金属过孔，所述同轴探针安装于馈电贴片和第二介质基板的金属过孔内，与地板连接。

17、进一步地，所述第一介质基板与第二介质基板均为圆形板，且两者的直径和介电常数相同，第一介质基板的厚度小于第二介质基板的厚度；

18、所述馈电贴片为圆形片。

19、进一步地，所述第二介质基板的厚度为3mm；

20、所述第一介质基板和第二介质基板的介电常数均为4.4，半径均为32mm，两者之间的间距为0.5mm；

21、所述馈电贴片的半径为14mm，地板的半径为32mm。

22、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

23、1、本发明的天线在各个频点的方向图一致性较高，呈现良好的宽带全向特性；并且结构简单、带宽较宽、稳定性较高、制造成本低，具有广阔的应用前景。

24、2、本发明采用电容性耦合激励，馈电结构采用微带圆形贴片进行同轴底馈，并使得馈电位置处于电流最小处，即第二介质基板中心位置，从而进一步实现了展宽天线带宽的目的。

技术特征：

1.一种基于特征模分析的宽带全向超表面天线，其特征在于：

2.根据权利要求1所述的一种基于特征模分析的宽带全向超表面天线，其特征在于：

3.根据权利要求1所述的一种基于特征模分析的宽带全向超表面天线，其特征在于：

4.根据权利要求2所述的一种基于特征模分析的宽带全向超表面天线，其特征在于：

5.根据权利要求1-4任一所述的一种基于特征模分析的宽带全向超表面天线，其特征在于：

6.根据权利要求5所述的一种基于特征模分析的宽带全向超表面天线，其特征在于：

7.根据权利要求6所述的一种基于特征模分析的宽带全向超表面天线，其特征在于：

技术总结
本发明涉及一种基于特征模分析的宽带全向超表面天线，主要解决现有宽带全向天线存在带宽较窄的技术问题。包括超表面层、微带馈电贴片层和连接柱；超表面层包括第一介质基板和设置于第一介质基板上表面的超表面结构；微带馈电贴片层设置于第一介质基板的下方，且两者之间设有空气层，并通过连接柱连接；超表面结构包括一个第一贴片、4个第二贴片、4个第三贴片和4组第四贴片；且第一贴片和第二贴片尺寸相同，第二贴片、第三贴片和第四贴片的尺寸依次减小；第一贴片同相邻的第二贴片、第二贴片同相邻的第三贴片和第四贴片、第三贴片同相邻的第四贴片中心点的直线距离均相等。

技术研发人员：冯桂荣,吴子洋,路亚波,张哲,李绪平,王山哲,张轩铭,李亚鹏,杨海龙,张运启
受保护的技术使用者：西安邮电大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16