[发明专利]一种基于双层容性加载的宽带小型化超表面天线

说明书

本发明公开了一种基于双层容性加载的宽带小型化超表面天线，采用三层介质基板，由上而下叠放，包括第一层介质基板，第二层介质基板和第三层介质基板；第一层介质基板上表面印制有用于容性加载的金属寄生贴片结构，所述金属寄生贴片结构包括若干个周期排列的寄生贴片单元；第二层介质基板上表面印制有超表面辐射结构，下表面印制有开有耦合缝隙的金属地板；所述超表面结构包括若干个独立的超表面贴片单元和单元间的缝隙；第三层介质基板上表面与金属地板贴合，下表面印制有馈电网络。本发明的基于双层容性加载的超表面天线在保证宽带特性的同时，有效地实现了小型化，在尺寸缩小的同时，仍能保证高增益特性。

技术领域

本发明涉及一种超表面天线，具体涉及一种基于双层容性加载的宽带小型化超表面天线。

背景技术

随着现代无线通信系统的发展，对宽带天线的需求日益增加。微带贴片天线由于其剖面低、重量轻、成本低，易于与印刷电路兼容等优点而受到广泛关注。但是，传统的微带贴片天线阻抗带宽较窄、增益较低，虽然目前有许多技术可以克服这一缺点，比如利用电容探针馈电、L探针馈电、孔径耦合、U/E开槽贴片和堆叠贴片等，但通常需要介电常数较低的厚介质基板，难以实现低剖面(D.Chen,W.Yang,W.Che and Q.Xue,“Broadband stable-gain multiresonance antenna using nonperiodic square-ring metasurface,”IEEEAntennas and Wireless Propagation Letters,vol.18,no.8,pp.1537-1541,Aug.2019.)。

近年来倍受关注的超表面天线，采用周期性的贴片单元，可以在实现低剖面的同时获得较宽的带宽和较好的辐射性能。W.Liu等人提出了口径耦合的超表面天线，在剖面仅为0.06λ₀时，阻抗带宽达到28％(W.Liu,Z.N.Chen and X.Qing,“Metamaterial-basedlow-profile broadband aperture-coupled grid-slotted patch antenna,”IEEETransactions on Antennas and Propagation,vol.63,no.7,pp.3325-3329,July2015.)。与传统的微带贴片天线相比，超表面天线在增益和带宽等性能方面具有明显的优势，但其整体尺寸通常较大(～1.1λ₀)，这就导致超表面天线在阵列设计和集成上存在一定的困难。目前来说，实现超表面天线的小型化方法一般有以下几种：采用双层/多层结构、加载谐振结构(C.Zhao and C.Wang,“Characteristic mode design of wide bandcircularly polarized patch antenna consisting of H-shaped unit cells,”IEEEAccess,vol.6,pp.25292-25299,2018.)、增加电流路径^[7]、减小单元间的缝隙、使用高介电常数的介质板(W.E.I.Liu,Z.N.Chen,X.Qing,J.Shi and F.H.Lin,“Miniaturizedwideband metasurface antennas,”IEEE Transactions on Antennas and Propagation,vol.65,no.12,pp.7345-7349,Dec.2017.)等，但这些方法通常存在剖面高、带宽窄、尺寸减小有限等问题。因此，如何在设计出结构紧凑的超表面天线的同时保持高性能是亟待解决的问题。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种基于双层容性加载的宽带小型化超表面天线，通过在单层介质基板的超表面结构上加载印制有用于容性加载的金属寄生贴片结构的介质基板，选取合适位置，使得金属寄生贴片结构与单层介质的超表面结构的单元及单元间距在俯视角度上均产生重叠，从而引入容性加载，实现结构紧凑且宽带的双层容性加载的超表面辐射结构。选取合适的馈电结构，本发明能在较低的剖面下实现具有宽带、平稳高增益、小型化特性的超表面天线。