[发明专利]一种基于超材料加载的宽波束天线及其阵列

说明书

本发明提供了一种基于超材料加载的宽波束天线及其阵列，属于天线技术领域。该宽波束天线包括1×4的Mushroom超材料结构、介质谐振器结构、Mushroom超材料金属表面结构板、Mushroom超材料金属短路钉、耦合馈电缝隙、耦合馈电微带线、介质谐振器上的空气孔以及金属地板，该阵列包括宽波束天线、金属支撑板以及阵列阵元。本发明通过将电磁超材料加载技术和惠更斯辐射机制引入到宽波束天线设计中，提出的小型化宽带宽波束天线，用于宽角多波束扫描阵列以及MIMO阵列，能够在实现天线小型化和低成本的前提下，实现宽频带工作和宽角多波束连续扫描以及波束赋形，满足了5G宽频带多波束基站，大规模天线技术以及低成本相控阵的应用需求。

技术领域

本发明属于天线技术领域，尤其涉及一种基于超材料加载的宽波束天线及其阵列。

背景技术

当下，以5G通信的新一代无线通信和物联网技术，正在不断的部署和发展，推动了智慧生活、数字制造和智能化的快速演进，深刻改变着人们的生活和生产。相比于传统的2G/3G/4G无线通信系统，5G通信系统为了实现高速度、低时延和高稳定性的无线通信，在射频底层采用了更高的频率、更多的频段、更大规模的MIMO架构以及更多的波束等。然而，传统2G/3G/4G无线通信系统中的单模式的全向天线和双极化固定波束天线等，将难以满足5G系统新频段和新技术对性能和功能要求。多波束天线拥有多个可切换的波束或辐射模式，能够动态切换对准终端用户，同时还能够实现空域的扫描覆盖，增强系统的信号传输的稳定性，提高抗干扰能力以及改善多径效应。因此，多波束天线，被引入到5G基站应用中。多波束天线，大致可分为三类：机电扫描多波束天线、方向图可重构天线和相控阵。传统的机电扫描多波束天线，通常利用机械转台，将天线辐射波束进行扫描对准，因此需要精密的电机伺服系统，因此存在结构笨重和响应速度慢等问题。方向图可重构天线，通常利用电子开关元件，改变天线的辐射口径分布，进而改变方向图辐射方向，因此存在可重构方向图状态受限、结构复杂(额外的开关控制电路)以及辐射增益低等缺点。传统的相控阵，通常利用排布大量的阵元，来实现大范围的连续波束扫描和波束赋形，因此存在成本高的问题，难以适用于低成本5G基站的大规模部署。为了进一步满足5G基站对多波束天线和低成本的需求，低成本宽角多波束扫描阵列被不断开发。

目前，宽角多波束扫描阵列，可大致分为三类：宽波束单元扫描阵列、相位梯度调控超表面加载阵列和方向图可重构阵列等。传统的宽波束单元扫描阵列，通常会采用具有宽波束的阵元，如电偶极子和磁偶极子等，虽然电偶极子或磁偶极子阵元能够增大阵列波束扫描角度，但是这类阵元自身带宽较窄，难以满足5G新频段对宽带通信的需求。超表面加载阵列，为了拓宽扫描角度，会在天线上空域引入一层相位梯度调控的电磁超表面结构，因此会出现天线剖面高、多层结构复杂和工作带宽受限等问题。传统的方向图可重构阵列，采用方向图可重构的天线作为阵元，由于方向图可重构阵元性能的限制，因此常存在工作带宽窄和损耗大等缺点和问题。通过上述现有技术的综述分析，目前的宽角多波束扫描阵列天线，均难以实现小型化、低成本、宽带宽且同时具备宽角波束扫描，因此现有的宽角多波束扫描阵列天线难以满足5G基站的通信需求。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于超材料加载的宽波束天线及其阵列，解决了传统宽波束阵元天线存在的带宽窄、尺寸大和多层结构复杂的问题；解决了传统宽角多波束扫描阵列天线存在的尺寸大和剖面高的问题；解决了传统小阵列难以实现宽角扫描和大角度扫描状况下波束因强互耦而畸变的问题，以及解决了传统宽角扫描相控阵由于需要大量阵元(高成本)而难以大规模应用的局限的问题。

为了达到以上目的，本发明采用的技术方案为：

本方案提供一种基于超材料加载的宽波束天线，包括1×4的Mushroom超材料结构、介质谐振器结构、Mushroom超材料金属表面结构板、Mushroom超材料金属短路钉、耦合馈电缝隙、耦合馈电微带线、介质谐振器上的空气孔以及金属地板；