宽带低剖面小型化AMC腔体单极子天线

摘要

本发明涉及一种宽带低剖面小型化AMC腔体单极子天线，包括单极子天线、寄生结构、宽带AMC结构、金属腔体，单极子天线安装在腔体侧壁上，寄生结构位于单极子天线两侧，与腔体开口面平齐放置，宽带AMC结构为加空气层的方形贴片型AMC结构，其位于单极子天线与腔体底面之间，在介质基板上面印制正方形阵列，介质基板与腔体底面之间为空气层。本发明通过将单极子与寄生结构放置在腔体侧壁上，实现天线宽带内的宽波束覆盖，有效利用了腔体空间，实现了天线的小型化与轻量化；而且，基于宽带AMC结构，在保持腔体单极子天线32％带宽的条件下，将天线的剖面降低了40％，整个天线在小尺寸腔体内具有良好的阻抗和辐射特性。

权利要求

1.一种宽带低剖面小型化AMC腔体单极子天线，其特征在于包括单极子天线、寄生结构、宽带AMC结构、金属腔体和馈电同轴线五部分；

所述单极子天线整体呈方环状，一角外侧切平，安装在腔体侧壁上，与腔体开口面平齐放置；

所述寄生结构整体呈三角条状，两个寄生结构对称放置在单极子天线两侧，与腔体开口面平齐放置；寄生结构不与金属腔体接触；

所述宽带AMC结构为加空气层的方形贴片型AMC，包括四个部分，自上而下依次为，方形贴片阵列，方形介质基板，空气层以及利用腔体底壁作为的反射面；每个方形贴片大小相同，间距相同，印制在介质基板上面；方形介质基板用四根塑料支撑柱支撑；

所述金属腔体整体呈长方体状，上壁开口，其余五壁封闭；

所述馈电同轴线与单极子天线进行电学连接；

单极子天线为蝶形振子变形，中心为空心；单极子天线与寄生结构厚度相同，单极子天线宽度大于寄生结构，单极子天线与寄生结构相邻的边平行；单极子天线、寄生结构、AMC的方形介质基板与腔体下壁平行放置；通过调整单极子天线的长度厚度、寄生结构的长度厚度以及两者之间的间距来优化阻抗匹配；通过调整单极子与介质基板的距离、介质基板与腔体下壁的距离、方形贴片的大小以及相邻贴片的间距来优化单极子天线与AMC结构的匹配；所述馈电同轴线的特性阻抗为50欧姆；所述的金属腔体在一侧壁上侧打五个圆柱通孔，中间通孔用于馈电同轴线与单极子天线电学连接，另外通孔用于固定寄生结构；所述的馈电同轴线的一端屏蔽层与金属腔体的侧面外壁相接，内芯穿过金属腔体侧壁上的通孔与单极子天线相连。

说明书

宽带低剖面小型化AMC腔体单极子天线

技术领域

[0001] 本发明涉及宽带低剖面小尺寸腔体内的腔体天线领域，特别是涉及一种基于AMC(人工磁导体)结构的宽带低剖面小型化腔体单极子天线。

背景技术

[0002] 在宽带探测和定位中，要求天线具有宽波束和中等增益以及适合的方向图覆盖，同时希望天线在电性能的要求下小型化和轻量化。腔体天线因其增益高、方向图稳定、后瓣辐射小等优势成为一种新的天线形式选择。根据激励源的形式，可将腔体天线分为：偶极子腔体天线、单极子腔体天线、螺旋腔体天线、缝隙腔体天线等。腔体天线的腔体尺寸通常较大，在一个波长左右。但安装在复杂载体平台中，受平台尺寸的限制，腔体往往开口尺寸和高度受限，本发明对小尺寸腔体进行研究，采用单极子腔体天线，腔体开口尺寸小于0.5个波长。

[0003] 常用的降低天线剖面的方法主要有采用加载技术和结合超材料结构两种。天线加载常采用短路加载或者阻抗加载等技术，使天线在低频谐振降低最低工作频率实现小型化和低剖面的目标，但是他们也有各自的问题，加工精度要求较高、带宽较窄或对天线的辐射效率和增益的影响较大。结合超材料一般是通过超表面，通过天线与超表面之间的耦合增强天线的带宽，改善场分布，扩大有效口径。相较而言，使用超表面降低天线的剖面更利于保证天线性能。

[0004] 将超材料单元周期性或非周期性地排列在二维平面内，即形成超表面。超表面具有相位可调制的特性，能够在很小的尺寸范围内实现对电磁波极化、传播的调控，具有物理尺寸小、高度低、低损耗等优点，适用于隐身材料、微波器件和天线的小型化，在低剖面天线设计上也具有广泛的应用前景。AMC作为超表面的一个分支，具有同相反射的特性，即能够使电磁波的反射波与入射波同相。为了天线具有良好的定向辐射，腔体天线的激励源需距离腔底四分之一波长的距离，因为这样天线向腔底辐射的电磁波经过腔底反射以及路过的距离，在腔体口面上的相位与天线向前辐射的电磁波相位相同。为了降低天线的剖面，将AMC应用到腔体天线上，能够在非常靠近天线的情况下使天线定向辐射，同时不影响其辐射特性。

[0005] 常见的AMC结构主要有蘑菇型AMC结构、共面紧凑型AMC结构、方形贴片型AMC结构和耶路撒冷型AMC结构。传统的AMC结构带宽较窄，一般在百分之十左右，不能满足天线的宽带的要求，很多新型AMC结构能够展宽AMC带宽，但是设计或加工复杂。

发明内容

[0006] 要解决的技术问题

[0007] 为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种宽带低剖面小型化AMC腔体单极子天线，在小尺寸的腔体开口尺寸内，在保证单极子天线宽带宽波束覆盖的基础上，使天线具有良好的辐射特性，同时对天线进行小型化，减小天线重量，更进一步，通过宽带AMC结构有效降低天线的剖面。

[0008] 技术方案

[0009] 一种宽带低剖面小型化AMC腔体单极子天线，其特征在于包括单极子天线、寄生结构、宽带AMC结构、金属腔体和馈电同轴线五部分；

[0010] 所述单极子天线整体呈方环状，一角外侧切平，安装在腔体侧壁上，与腔体开口面平齐放置；

[0011] 所述寄生结构整体呈三角条状，两个寄生结构对称放置在单极子天线两侧，与腔体开口面平齐放置；寄生结构不与金属腔体接触；

[0012] 所述宽带AMC结构为加空气层的方形贴片型AMC，包括四个部分，自上而下依次为，方形贴片阵列，方形介质基板，空气层以及利用腔体底壁作为的反射面；每个方形贴片大小相同，间距相同，印制在介质基板上面；方形介质基板用四根塑料支撑柱支撑；

[0013] 所述金属腔体整体呈长方体状，上壁开口，其余五壁封闭；

[0014] 所述馈电同轴线与单极子天线进行电学连接。

[0015] 本发明进一步的技术方案：单极子天线为蝶形振子变形，中心为空心。

[0016] 本发明进一步的技术方案：单极子天线与寄生结构厚度相同，单极子天线宽度大于寄生结构，单极子天线与寄生结构相邻的边平行。

[0017] 本发明进一步的技术方案：单极子天线、寄生结构、AMC的方形介质基板与腔体下壁平行放置。

[0018] 本发明进一步的技术方案：通过调整单极子天线的长度厚度、寄生结构的长度厚度以及两者之间的间距来优化阻抗匹配。

[0019] 本发明进一步的技术方案：通过调整单极子与介质基板的距离、介质基板与腔体下壁的距离、方形贴片的大小以及相邻贴片的间距来优化单极子天线与AMC结构的匹配。

[0020] 本发明进一步的技术方案：所述馈电同轴线的特性阻抗为50欧姆。

[0021] 本发明进一步的技术方案：所述的金属腔体在一侧壁上侧打五个圆柱通孔，中间通孔用于馈电同轴线与单极子天线电学连接，另外通孔用于固定寄生结构。

[0022] 本发明进一步的技术方案：所述的馈电同轴线的一端屏蔽层与金属腔体的侧面外壁相接，内芯穿过金属腔体侧壁上的通孔与单极子天线相连。

[0023] 有益效果

[0024] 本发明的单极子腔体天线利用腔体结构，将单极子天线安装在腔体侧壁上，相较与偶极子天线所需腔体尺寸更小，并且单极子本身的长度和重量就是偶极子天线的一半，更符合天线小型化和轻量化的要求。单极子天线为蝶形振子变形，实现宽带性能，通过将蝶形振子中心挖空，进一步减小天线重量，同时通过寄生结构进一步展宽带宽。

[0025] 本发明通过将单极子与寄生结构放置在腔体侧壁上，实现天线宽带内的宽波束覆盖，有效利用了腔体空间，实现了天线的小型化与轻量化；而且，基于宽带AMC结构，在保持腔体单极子天线32％带宽的条件下，将天线的剖面降低了47％，整个天线在小尺寸腔体内具有良好的阻抗和辐射特性。

[0026] 本发明采用加空气层的方形贴片型AMC结构，在普通方形贴片型AMC结构的介质基板与下层金属层中间增加一层空气层，等效给AMC结构串联一个电感，降低AMC结构的Q值，进而提高AMC结构的带宽，同时加空气层的方形贴片型AMC结构加工与设计简单，并且正负90度反射相位带宽能达到百分之五十，能够满足天线宽带的要求。

[0027] 具有以下几个特点：

[0028] 第一，以单极子天线为腔体天线的激励源，将单极子天线安装在侧壁上，在开口尺寸小于0.5倍的最低频率对应波长的腔体内，实现良好的定向辐射。

[0029] 第二，单极子天线采用变形的蝶形振子，并将蝶形振子中心截去，实现天线的小型化和轻量化以及天线宽带内的宽波束覆盖。

[0030] 第三，在传统的方形贴片型AMC结构的介质基板与下层金属板之间加空气层，在使用薄介质基板的基础上，大大展宽了AMC结构的带宽，且设计和加工简单。

[0031] 第四，在腔体单极子天线上结合加空气层的方形贴片型AMC结构，将天线的剖面降低47％。

[0032] 仿真实验表明，本发明提供的腔体单极子天线驻波比小于2的相对带宽为32％，E面增益在3.6‑6.5dBi之间，交叉极化小于‑40dB，H面半功率波瓣宽度在71‑88度之间，宽带AMC结构‑90°到+90°内的同相反射带隙大于腔体单极子的相对带宽，其相对带宽为52％。

附图说明

[0033] 附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

[0034] 图1是本发明提供的宽带低剖面小型化AMC腔体单极子天线的整体结果示意图。

[0035] 图2a是图1中的单极子天线的单独结构示意图。

[0036] 图2b是图1中的宽带AMC结构的单独结构示意图。

[0037] 图2c是图1中的腔体的单独结构示意图。

[0038] 图3是图1所示腔体天线的驻波比参数曲线仿真结果示意图。

[0039] 图4是图1所示腔体天线的增益随频率变化曲线仿真结果示意图。

[0040] 图5是图1所示腔体天线的驻波比小于2频段内最低频率的E面方向图。

[0041] 图6是图1所示腔体天线的驻波比小于2频段内最低频率的H面方向图。

[0042] 图7是图1所示腔体天线的驻波比小于2频段内f/f0＝0.93的E面方向图。

[0043] 图8是图1所示腔体天线的驻波比小于2频段内f/f0＝0.93的H面方向图。

[0044] 图9是图1所示腔体天线的驻波比小于2频段内中心频率的E面方向图。

[0045] 图10是图1所示腔体天线的驻波比小于2频段内中心频率的H面方向图。

[0046] 图11是图1所示腔体天线的驻波比小于2频段内f/f0＝1.13的E面方向图。

[0047] 图12是图1所示腔体天线的驻波比小于2频段内f/f0＝1.13的H面方向图。

[0048] 图13是图1所示腔体天线的驻波比小于2频段内最高频率的E面方向图。

[0049] 图14是图1所示腔体天线的驻波比小于2频段内最高频率的H面方向图。

[0050] 图15是图2b所示宽带AMC结构‑90°到+90°内的同相反射带隙结果示意图。

[0051] 图中附图标记说明：1‑单极子天线；11‑单极子天线的第一拐角；12‑单极子天线第二拐角；13‑单极子天线第三拐角；14‑单极子天线第四拐角；2‑寄生结构；3‑AMC结构；31‑方形贴片；32‑介质基板；33‑空气层；4‑金属腔体；41‑腔体第一侧壁；42‑腔体第二侧壁；43‑腔体第三侧壁；44‑腔体第四侧壁；45‑腔体一底壁；46‑腔体开口面；47‑第一圆形通孔；48‑第二圆形通孔；5‑馈电同轴线。

具体实施方式

[0052] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

[0053] 本发明提出的一种宽带低剖面小型化AMC腔体单极子天线，包括单极子天线、寄生结构、宽带AMC结构、金属腔体和馈电同轴线五部分；所述单极子天线整体呈方环状，一角外侧切平，安装在腔体侧壁上，与腔体开口面平齐放置；所述寄生结构整体呈三角条状，两个寄生结构对称放置在单极子天线两侧，与腔体开口面平齐放置；所述宽带AMC结构为加空气层的方形贴片型AMC，包括四个部分，自上而下依次为，方形贴片阵列，方形介质基板，空气层以及利用腔体底壁作为的反射面；每个方形贴片大小相同，间距相同，印制在介质基板上面；方形介质基板用四根塑料支撑柱支撑；所述腔体整体呈长方体状，上壁开口，其余五壁封闭；在一侧壁上侧打五个圆柱通孔；所述馈电同轴线通过腔体侧壁上的通孔与单极子天线进行电学连接。

[0054] 上述腔体天线在单极子腔体天线的基础上集成了寄生结构和宽带AMC结构，提升了单极子腔体天线的带宽，降低了单极子腔体天线的剖面，同时在保证单极子天线宽带宽波束覆盖的基础上，在小尺寸腔体内具有良好的辐射特性，并天线尺寸以及整体重量。通过单极子天线的变形和寄生结构使天线小型化，展宽了天线的带宽并减小了天线重量，通过腔体实现天线的定向辐射，通过空气层展宽AMC结构的带宽，通过AMC结构降低了天线的剖面。

[0055] 本发明将单极子天线作为腔体天线的激励源，并单极子安装在腔体侧壁上。这样能有效利用腔体结构，有利于实现良好的定向辐射特性，相较与偶极子天线所需腔体尺寸更小，并且单极子本身的长度和重量就是偶极子天线的一半，更符合天线小型化和轻量化的要求。

[0056] 本发明将传统的单极子天线变形成蝶形单极子。蝶形振子相当于增加振子的等效半径，使振子在宽频带内阻抗更好的匹配，提升天线的带宽，同时蝶形振子臂折叠能够减小振子的轴向长度，有利于使用在小尺寸腔体内。

[0057] 本发明将蝶形振子截去中间部分。中心部分对天线的辐射特性影响不大，将其截去能进一步降低了天线的重量。

[0058] 本发明在单极子天线两侧增加寄生结构。寄生结构在单极子天线的激励下产生感应电流，这部分感应电流反过来再影响单极子天线，能使天线带宽向高频展宽，进一步拓宽了天线的带宽，并有利于天线辐射特性的提高。

[0059] 本发明通过调整单极子天线的长度厚度、寄生结构的长度厚度以及两者之间的间距来优化阻抗匹配。单极子天线的长度由天线的工作频率决定，大致在四分之一波长。单极子天线与寄生结构的间距来调整寄生结构对单极子天线的影响，提高带宽。

[0060] 本发明将AMC结构应用在腔体天线中，降低腔体天线的剖面。AMC结构能够实现零相位反射，这是因为AMC结构可以看成是并联谐振回路，其中的等效电感会随着频率变化，当并联谐振在中心频点时，并联谐振相当于开路，此时AMC结构的表面阻抗趋近于无穷大，故反射系数为1，也就是说AMC结构能实现零相位反射。一般天线用金属地作为反射面时，天线距离地面至少需要四分之一的波长才能有良好的辐射特性，这是因为理想地面入射波与反射波有180度的相位差，向地面辐射的电磁波经过四分之一波长的自由空间到达地面反射，反射回的电磁波又经过四分之一波长的自由空间到达天线表面，这时反射回的电磁波与向前辐射的电磁波相位才相同，辐射特性最好。AMC结构能实现零相位反射，所以理论上可以直接将天线放在表面上，就能得到良好的辐射特性，并在不改变天线辐射特性的情况下降低天线的剖面。

[0061] 本发明所述宽带AMC结构为加空气层的方形贴片型AMC结构，就是在传统方形贴片型AMC结构的介质基板与下层金属之间增加一层空气层。一般将反射相位在‑90°到+90°之间的频段定义为AMC的同相反射带隙，也就是AMC的带宽。传统AMC结构的带宽较窄，往往不能满足天线宽带的要求。在介质基板与下层金属之间增加一层空气层，相当于给AMC结构等效的并联谐振回路的枝节上，在回路原有电感的基础上，串联一个新的等效电感，能够降低AMC结构的Q值，从而提升AMC结构的带宽。同时，传统的AMC结构为了增大AMC的带宽，往往通过介质基板的厚度来实现，厚介质基板损耗较大，且不常见，单独定制贵，用空气层来展宽AMC的带宽能够采用薄介质基板，减轻了天线的重量。

[0062] 本发明通过调整单极子与介质基板的距离、空气层的厚度、方形贴片的大小以及相邻贴片的间距来优化单极子天线与宽带AMC结构的匹配。调整空气层的厚度、方形贴片的大小以及相邻贴片的间距使宽带AMC结构的带宽覆盖单极子天线的带宽。

[0063] 本发明馈电同轴线的一端屏蔽层与腔体的侧面外壁相接，内芯穿过腔体侧壁上的通孔与单极子天线相连。同轴线的屏蔽层接腔体侧壁等于接地，内芯接入单极子天线进行馈电。

[0064] 本发明所述馈电同轴线的特性阻抗为50欧姆。本发明也可以选用不同特性阻抗的同轴线，可以调节天线结构使天线的特性阻抗和输入端口减小阻抗匹配。

[0065] 请参阅图1至图2，本发明提供的宽带低剖面小型化AMC腔体单极子天线包括单极子天线1、寄生结构2、AMC结构3、金属腔体4和馈电同轴线5。

[0066] 所述单极子天线1整体呈方环状，单极子天线的第一拐角11切平，与馈电同轴线相接，单极子天线的第二拐角12和第三拐角13内侧与外侧进行打磨处理，呈圆弧状。单极子天线1靠近腔体第一侧壁41放置，但不接触，以腔体第一侧壁41为镜像地，与腔体开口面46平齐放置，与腔体第二侧壁42和腔体第三侧壁43的距离相同。单极子天线1由馈电同轴线5的内芯以及两支撑柱固定。优选地，单极子天线1一臂外侧边长42mm，内壁边长32mm，高度6.6mm，单极子天线的第一拐角11侧边长12mm，单极子天线1与腔体第一侧壁41留有1mm空隙。

[0067] 所述寄生结构2整体呈三角条状，两个寄生结构对称放置在单极子天线两侧，靠近腔体第一侧壁41放置，但不接触，与腔体开口面46平齐放置，每个寄生结构由两个介质螺钉通过第二圆形通孔48固定。优选地，寄生结构2一臂外侧边长30.4mm，内壁边长26.4mm，厚度6.6mm，寄生结构2与单极子天线1的距离为4.4mm。

[0068] 所述AMC结构3包括四个部分，自上而下依次为，方形贴片31组成的阵列，方形介质基板32，空气层33以及利用腔体底壁45作为的反射面。每个方形贴片大小相同，间距相同，印制在介质基板32上面，方形介质基板32用四根塑料支撑柱支撑。优选地，方形贴片31的变长的为20mm，相邻贴片间隔2mm，49片方形贴片印制在介质基板上侧，介质基板32的边长为154mm，厚度1.2mm，介电常数为4.4，介质基板32与单极子天线1的距离为8.4mm，空气层33厚度为20mm。

[0069] 所述金属腔体4整体呈长方体状，一面开口，在腔体第一侧壁41上开一第一圆形通孔47用于馈电同轴线5与腔体第一侧壁41以及单极子天线1的电学连接，在腔体第一侧壁41上在4个第二圆形通孔48用于固定寄生结构。优选地，金属腔体4侧壁与底壁厚度为1mm，口面边长为154mm，剖面高度为36.2mm，第一圆形通孔1半径为1.5mm，位于第一侧壁41中间，距离腔体开口面3.3mm。

[0070] 所述馈电同轴线5所的特性阻抗为50欧姆，馈电馈电线5的一端屏蔽层与腔体的第一侧壁41相接，内芯穿过腔体第一侧壁41上的第一圆形通孔47与单极子天线1相连。

[0071] 通过三维电磁场仿真软件HFSS对本发明提供的宽带低剖面小型化AMC腔体单极子天线进行仿真实验，得到的仿真结果如图3至图11所示。

[0072] 请参阅图3，这是腔体天线的驻波比参数曲线。图中f0为中心频率，本发明在驻波比小于2的相对带宽为32％。

[0073] 请参阅图4，这是腔体天线的增益随频率变化的曲线。本发明在带宽内的增益最小值为3.6dBi，最大值为6.5dBi。

[0074] 请参阅图5至图14，这是腔体天线的E面和H面方向图。E面方向图交叉极化小于‑40dB，H面半功率波瓣宽度在71‑88度之间。

[0075] 请参阅图15，这是宽带AMC结构‑90°到+90°内的同相反射带隙结果示意图。其相对带宽为52％。

[0076] 以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。