本發(fā)明屬于天線技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于非均勻周期結(jié)構(gòu)加載的寬帶表面波天線。

背景技術(shù)：

現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)，如wlan(無線局域網(wǎng))，通常要求天線輻射一水平全向方向圖。傳統(tǒng)單極子天線，結(jié)構(gòu)簡單，能夠提供垂直極化且水平方向圖具有良好的全向特性，但它最大的缺點是高剖面，很難用于空間有限的平臺。微帶天線具有剖面低、重量輕、體積小、易集成的優(yōu)點，因此具有全向方向圖的微帶貼片天線被廣泛研究。然而，微帶天線的主要缺點是帶寬較窄，需要采用展寬帶寬的技術(shù)。通常提高天線帶寬的方法包括：增加介質(zhì)板厚度、利用多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)、加載寄生單元、加載探針和地板上開槽等。采用厚的介質(zhì)板和多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)，將增加天線高度。采用加載寄生單元的方法將會增加橫向或者縱向天線尺寸。加載探針不便于天線加工，而地板上開槽會增加天線的后瓣輻射。因此，低剖面全向微帶貼片天線在無線通信系統(tǒng)應(yīng)用中仍具有一定的弊端。近年，隨著人工材料的發(fā)展，周期性結(jié)構(gòu)引起了人們越來越多的關(guān)注，在天線領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用潛力和價值。一組加載短路探針的金屬貼片按照周期性排列能夠形成蘑菇型ebg(電磁帶隙)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出頻帶帶隙的特點，能抑制天線的表面波，降低陣列天線單元間互耦以及提高印刷天線和電路的性能。周期性金屬陣列放置在地板上方可以用作部分反射表面，提高簡單輻射源(如微帶貼片、波導(dǎo)縫隙)的增益。這種周期性金屬陣列也可以用作天線的輻射單元，如liuwei等人在文獻《metamaterial-basedlow-profileandbroadbandmushroomantenna》提出利用復(fù)合左右手蘑菇型結(jié)構(gòu)周期結(jié)構(gòu)作為輻射單元，通過縫隙同時激勵兩個相鄰的諧振模式，能實現(xiàn)寬帶特性。y.m.pan等人在《alow-profilehighgainandwidebandfilteringantennawithmetasurface》中利用非均勻的周期性金屬貼片陣列作為輻射單元，設(shè)計了一款具有濾波特性的天線。另外，周期性貼片陣列印刷在接地介質(zhì)板上可以表現(xiàn)為人工磁導(dǎo)體(amc)，不同于理想導(dǎo)體(pec)表面對入射電磁波進行180°的全反射，amc表面對入射波的反射相移為0°，因此當利用amc表面作為人工地板或者反射板時，天線與地板間距離可以放置的很近從而來減小天線高度。為加工方便，amc結(jié)構(gòu)也可以用不加載探針或過孔的周期性貼片來實現(xiàn)，而且目前這種amc表面在實現(xiàn)天線低剖面中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。當沒有加載短路探針(過孔)時，周期性陣列表面允許表面波通過。雖然對于大部分天線來說，表面波影響天線的輻射效率，應(yīng)盡可能的被抑制，但是對于需要利用表面波衍射的天線來說是有利的，因此，周期性結(jié)構(gòu)的一種有趣的應(yīng)用就是設(shè)計表面波天線。表面波天線通常剖面很低，而且tm模式的表面波還可以形成類似單極子的方向圖，因此表面波天線在無線通信領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。然而，表面波天線的帶寬一般較窄，如2005年fanyang等人在期刊ieeemicrowaveandopticaltechnologyletter上發(fā)表的《anovelsurfacewaveantennadesignusingathinperiodicallyloadedgroundplane》中提出的表面波天線利用未加載探針的周期性方形貼片陣列設(shè)計amc人工地板，使得對稱振子距離人工地板僅有0.02λ0(為空氣中波長)，天線帶寬為6％。2007年f.yang等人發(fā)表在期刊ieeeietantennaandpropagation上發(fā)表文獻《low-profilesurfacewaveantennawithamonopole-likeradiationpattern》，文中提出的表面波天線利用單元的方形貼片加載的人工地板，實現(xiàn)了高度<0.05λ0的低剖面，而帶寬也僅有5.6％；同年，asemal-zoubi等人在期刊ieeetransactionsonantennaandpropagation上發(fā)表文獻《alow-profiledual-bandsurfacewaveantennawithamonopole-likepattern》，提出了一款雙頻表面波天線，在諧振頻率處的阻抗帶寬分別為1.1％和3.94％。為克服表面波天線帶寬窄的缺點，現(xiàn)有提高表面波天線帶寬的方法，如2009年cheolbokkim等人在ieeeproceedingsofthe39theuropeanmicrowaveconference上發(fā)表文獻《awidebandplanarsurfacewaveantennaforwlanrouter》，該文獻提出通過在中心饋電的圓形貼片周圍加載寄生環(huán)形貼片來展寬帶寬，天線采用該方法獲得了23.6％的帶寬和5.91dbi的增益，但是在表面波天線中，圓形貼片相當于產(chǎn)生表面波的激勵單元而并非輻射單元，采用傳統(tǒng)提高微帶天線帶寬的方法來提高表面波天線的帶寬顯然受到限制甚至不可行，按照傳統(tǒng)微帶天線帶寬展寬的方法來提高表面波天線的帶寬，可能會增加天線尺寸、厚度、加工難度等。因此，對于提高表面波天線帶寬的研究具有十分重要的意義。

綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)存在的問題是：現(xiàn)有基于周期性結(jié)構(gòu)的表面波天線采用均勻貼片陣列，其帶寬較窄，限制了其在無線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供了一種基于非均勻周期結(jié)構(gòu)加載的寬帶表面波天線。

本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的，一種基于非均勻周期結(jié)構(gòu)加載的寬帶表面波天線，所述基于非均勻周期結(jié)構(gòu)加載的寬帶表面波天線包括：

m×m個等間距排列的周期性金屬貼片陣列，m≥3；

周期性金屬貼片陣列印刷在第一介質(zhì)基板的上表面，用于引導(dǎo)表面波的傳播；

第一介質(zhì)基板位于第二介質(zhì)基板的上方，且存在空氣介質(zhì)，用于利用空氣耦合使能量從圓形貼片轉(zhuǎn)化為表面波；

圓形貼片印刷在第二介質(zhì)基板的上表面，用于激勵表面波；

金屬地板半徑小于第二介質(zhì)基板，位于第二介質(zhì)基板的下表面，用于連接同軸探針的外皮；

同軸探針的內(nèi)導(dǎo)體連接圓形貼片和金屬地板的中心，用于饋電。

進一步，所述周期性貼片陣列包括m×m個非均勻尺寸的貼片單元；所述周期性貼片陣列的m×m個貼片單元尺寸非均勻錐削變化，且位于陣列中心的貼片單元尺寸較小而位于陣列邊緣的單元尺寸較大，用于同時激勵兩個諧振模式來展寬帶寬。

進一步，所述貼片單元沿x軸和y軸方向奇對稱，貼片單元的寬度從靠近x軸的w-2t，w-t，w+t依次錐削變化為w+2t，貼片單元的長度從靠近y軸的w-2t，w-t，w+t依次錐削變化為w+2t，用于同時激勵tm01和tm02模的表面波；其中w和t為參數(shù)。

進一步，所述第一介質(zhì)基板和第二介質(zhì)基板為圓形結(jié)構(gòu)且半徑相同。

進一步，所述金屬地板采用圓形結(jié)構(gòu)，半徑小于第二介質(zhì)基板。

本發(fā)明的優(yōu)點及積極效果為：由于m×m個周期性貼片單元的尺寸非均勻且從中心較小的單元變化為邊緣較大的單元，與現(xiàn)有的表面波天線采用的均勻周期貼片單元相比，可以同時激勵出兩個相鄰的諧振模式，通過合并這兩個諧振模式，從而可以展寬天線的帶寬。本發(fā)明提出了一種利用非均勻周期貼片陣列的表面波天線，通過激勵兩個相鄰的諧振模式，天線的帶寬得到了顯著體統(tǒng)。同時，利用空氣耦合饋電以及減小金屬地板帶寬進一步得到展寬。

本發(fā)明由于第一介質(zhì)基板和第二介質(zhì)基板存在一定的空氣介質(zhì)，與現(xiàn)有的表面波天線未加載空氣介質(zhì)的結(jié)構(gòu)相比，饋電單元了利用空氣近耦合能夠提供較寬的阻抗帶寬。本發(fā)明由于金屬地板的半徑減小了，可以增加表面波衍射場的路徑，從而具有寬帶特性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例提供的基于非均勻周期結(jié)構(gòu)加載的寬帶表面波天線結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明實施例提供的周期性貼片陣列結(jié)構(gòu)圖。

圖3是本發(fā)明實施例提供的反射系數(shù)圖。

圖4是本發(fā)明實施例提供的增益曲線圖。

圖5是本發(fā)明實施例提供的不同頻點處的輻射方向圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的應(yīng)用原理作詳細的描述。

如圖1所示，本發(fā)明實施例提供的基于非均勻周期結(jié)構(gòu)加載的寬帶表面波天線包括m×m個等間距排列的周期性金屬貼片陣列1、第一介質(zhì)基板5，圓形貼片2，第二介質(zhì)基板6，金屬地板3和同軸探針4，其中m≥3，本發(fā)明實施例中，m選擇為8，周期性貼片陣列1的貼片單元為矩形；周期性金屬貼片陣列1包括m×m個等間距排列的非均勻的矩形金屬貼片單元，其中這m×m個非均勻矩形貼片尺寸呈錐削變化，其中位于陣列中心的貼片單元尺寸較小而位于陣列邊緣的單元尺寸較大，用于同時激勵兩個相鄰的諧振模式；周期性金屬貼片陣列1印刷在第一介質(zhì)基板5的上表面，用于引導(dǎo)表面波的傳播。第一介質(zhì)基板5和第二介質(zhì)基板6為圓形結(jié)構(gòu)且半徑相等，第一介質(zhì)基板5位于第二介質(zhì)基板6的上方，且存在一定的空氣介質(zhì)，用于利用空氣耦合使能量從圓形貼片2轉(zhuǎn)化為表面波。第一介質(zhì)基板5和第二介質(zhì)基板6對應(yīng)位置上開通孔，穿過螺栓，用于固定第一介質(zhì)基板5。圓形貼片2印刷在第二介質(zhì)基板6的上表面，用于激勵表面波。金屬地板3采用圓形結(jié)構(gòu)，其半徑小于第二介質(zhì)基板6，位于第二介質(zhì)基板6的下表面，用于連接同軸探針4的外皮。同軸探針4的內(nèi)導(dǎo)體連接圓形貼片2和金屬地板3的中心，用于饋電。

如圖2所示，周期性貼片陣列1包括8×8個非均勻尺寸的金屬矩形貼片，貼片間距離相等。貼片單元沿x軸和y軸方向奇對稱，貼片單元的寬度從靠近x軸的w-2t，w-t，w+t依次錐削變化為w+2t，貼片單元的長度從靠近y軸的w-2t，w-t，w+t依次錐削變化為w+2t，用于同時激勵tm01和tm02模的表面波。其中w和t為參數(shù)。

下面結(jié)合仿真對本發(fā)明的應(yīng)用效果作詳細的描述。

本發(fā)明的工作頻率選擇為5.37ghz。

1、仿真內(nèi)容

1.1利用商業(yè)仿真軟件highfrequencystructuresimulatorhfssver.13)對本發(fā)明實施例的寬帶表面波天線的反射系數(shù)進行仿真，結(jié)果如圖3所示。

1.2對本發(fā)明實施例的寬帶表面波天線的增益進行仿真，結(jié)果如圖4所示。

1.3對本發(fā)明實施例的寬帶表面波天線在4.8，5.37和5.95ghz處的e面和h面的方向圖進行仿真計算，結(jié)果如圖5所示。

2、仿真結(jié)果

如圖3所示，本發(fā)明的兩個工作模式tm01和tm02模在頻率4.8ghz和5.95ghz處發(fā)生諧振，對應(yīng)的反射系數(shù)分別為-15db和-25db。天線反射系數(shù)小于-10db的阻抗頻帶為4.53～6.21ghz，相對帶寬為31.3％?，F(xiàn)有技術(shù)采用均勻周期貼片陣列且與本發(fā)明的非均勻周期貼片陣列相同的尺寸下，只激勵了一個諧振模式，諧振頻率為5.2ghz，其阻抗頻帶為4.84～5.79ghz，相對帶寬僅有17.8％；可以看出，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有寬帶特性。

如圖4所示，本發(fā)明的天線增益在阻抗頻帶4.53～5.75ghz范圍內(nèi)，增益從5.3dbi變化至7.16dbi，最大增益為7.6dbi,平均增益為6.23dbi?，F(xiàn)有技術(shù)采用均勻周期性貼片陣列時，得到的阻抗頻帶內(nèi)的最大增益為6.94ghz，平均增益為5.7dbi?？梢钥闯?，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有較高的增益特性。

如圖5所示，本發(fā)明在4.8，5.37和5.95ghz的方向圖極化完全相同，e面方向圖軸向零陷，主波束指向θ＝30°方向，h面方向圖具有良好的全向特性，同時，e面和h面的交叉極化低于主極化-20db左右。本發(fā)明的方向圖類似于垂直單極子。因此，本發(fā)明具有良好的類似單極子的輻射特性。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。