[实用新型]一种基于阶梯金属周期结构的超表面天线

说明书

技术领域

本实用新型天线技术领域，具体涉及一种基于褶皱金属周期结构的小型化宽带的超表面天线，其采用较小的体积，实现较宽的带宽和较高的增益。

背景技术

超表面通常是指那些通过人工制作的金属结构单元和相同或相近的单元结构周期或者非周期排布的电磁材料，其具有自然界中材料所不具备的性质。超表面可以等效为二维超材料，对电磁波具有很强的调控能力，可以实现改变天线的波束指向，产生相位偏移等功能。不仅如此，超表面和微带天线的结合可以提高传统天线在工作带宽、尺寸、增益、辐射效率等多个方面的性能。此外，Chung，K.等人于2011年提出将超表面结构应用到微带贴片天线上，阻抗带宽和天线效率等方面性能都得到很大改善。

传统微带天线具有质量轻、成本低、容易制造并且可以直接和射频微波电路集成等特点，因此在移动通信、航天航空、电子对抗及雷达等领域有着广泛的应用。但当传统微带天线工作在较低频段时，由于其面积大从而不能适应无线通信系统向小型化、集成化方向发展，从而限制了微带天线在无线通信系统中的应用，也限制了无限通信系统的发展。

因此急需研究通过超表面的引入来实现天线基板的电磁参数数值的提高，小型化因子得到增大，从而实现天线尺寸小型化。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种结构简单，增益高、频带宽、尺寸小的基于阶梯金属周期结构的超表面天线。

本实用新型的目的是这样实现的，包括依次顺序重叠设置的天线辐射体、第一介质基板、第一金属底片、阶梯金属周期结构、第二介质基板和第二金属底片，所述天线辐射体为采用微带金属贴片制作形成的中心馈电微带天线，其由一长条形金属贴片和一正六边形金属贴片构成，所述第一金属底片为矩形结构，所述第一金属底片的面积小于第一介质基板的面积，所述阶梯金属周期结构由多个阶梯金属贴片单元按照3×6阵列排列构成，所述阶梯金属贴片单元的阶梯贯穿阶梯金属贴片单元，所述阶梯的高度为0.8~1.2mm，阶梯缝宽度为0.1~0.3mm。

本实用新型利用阶梯金属周期结构在微波频段的等效介电常数为负的特征，以及在负介电常数材料与正介电常数材料分界面上将形成表面波的基本原理，将等效为负介电常数材料的周期性阶梯金属贴片单元按照3×6阵列排列构成阶梯金属周期结构附着于第二介质基板上，构成超表面结构，并通过微带侧馈的天线辐射体激发超表面结构，形成谐振；由矩形结构构成的第一金属底片和第二金属底片主要起接地作用；上述结构共同形成了一种尺寸小、频带宽和增益高的超表面天线。

本实用新型中的阶梯金属周期结构和第二介质基板形成了超表面结构，天线辐射体与矩形结构的第一金属底片共同构成带有接地板的共面波导，然后将该超表面结构直接设置在共面波导馈电的矩形微带天线下方，并通过微带传输线进行激发形成谐振，实现交指电容器效果的低剖面定向天线，使得形成的天线具有宽频带、体积小、增益高、结构简单和制作成本低廉等优点。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为图1的俯视结构示意图；

图3为本实用新型中天线辐射体的结构示意图；

图4为本实用新型中阶梯金属周期结构的结构示意图；

图5为本实用新型中阶梯金属贴片单元的结构示意图；

图6为使用本实用新型提供的天线进行回波损耗特性仿真的仿真曲线；

图7为未使用超表面的微带天线与使用本实用新型提供的天线进行增益特性仿真的仿真曲线对比图；

图8为未使用超表面的微带天线与使用本实用新型提供的天线进行仿真的归一化E面方向图；

图9为未使用超表面的微带天线与使用本实用新型提供的天线进行仿真的归一化H面方向图；

图中：1-天线辐射体、2-第一介质基板、3-第一金属底片、4-褶皱金属周期结构、5-第二介质基板、6-第二金属底片。

具体实施方式