[发明专利]一种基于超表面的多波束天线

说明书

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种基于超表面的多波束天线。本发明的目的为了解决现有多波束天线需要复杂的波束成形网络的技术问题。一种基于超表面的多波束天线，包括从上至下同轴心依序设置的上层介质基板、超表面层、中间介质基板、馈电网络层、下层介质基板和接地板，在所述中间层介质基板和馈电网络层之间设有空气层，通过设置上层介质基板改善了天线的波束宽度和增益，通过在中间介质基板上方加超表面层，并在中间介质基板下方设置馈电网络层改善馈电网络层上方的电磁场分布，从而使波束在俯仰角平面倾斜，该天线不需要设计复杂的波束成形网络，通过使用超表面和介质基板实现多波束，结构简单，并且波束可以在方位面变化。

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种基于超表面的多波束天线。

背景技术

多波束天线在卫星通信、雷达系统和无线局域网等各种不同的领域具有广阔的应用前景。目前，多波束天线通常使用波束成形网络对天线馈电实现，比如4×4Butler矩阵，它由四个90°耦合器，两个交叉耦合器和两个45°移项器组成，其有四个个输入和输出端口，通过一次激励一个端口，在输出端口可以形成等幅但相位不同的响应，从而形成四个指向不同的波束；(G.Tian,J.-P.Yang,and W.Wu,“Butler Matrix Based Multi-Beam BaseStation Antenna Array,”IEEE Trans.Antennas Propag.,67(2019),5372–5379)；Rotman透镜馈电的多波束天线运用准光学法来设计，替代大量移相器，将其与天线阵列相连实现宽带和多波束(K.Sakakibara,Y.Suzuki,Y.Imade,N.Kikuma.“Rotman-lens-feedingdouble-layer low-profile multibeam millimeter-wave microstrip antenna usingbow-tie waveguide microstrip connections”.IEEE Asia-Pacific Conference onApplied Electromagnetics(APACE),2016:11-13.)等。尽管如此，但是采用上面两种方式设计时，需要设计复杂的波束成形网络，使得天线结构复杂。

鉴于此，有必要设计一种不需要波束成形网络的多波束天线，以满足无线通信的需要。

发明内容

本发明的目的为了解决现有多波束天线需要复杂的波束成形网络的技术问题。提供一种基于超表面的多波束天线。为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种基于超表面的多波束天线，包括从上至下同轴心依序设置的上层介质基板、超表面层、中间介质基板、馈电网络层、下层介质基板和接地板，在所述中间层介质基板和馈电网络层之间设有空气层，通过设置上层介质基板改善了天线的波束宽度和增益，通过在中间介质基板上方加超表面层，并在中间介质基板下方设置馈电网络层改善馈电网络层上方的电磁场分布，从而使波束在俯仰角平面倾斜，实现了多波束辐射，该天线不需要设计复杂的波束成形网络，通过使用超表面和介质基板实现多波束，结构简单，并且波束可以在方位面变化；

所述超表面层包括4个超表面，每个所述超表面均由4×4的方形金属贴片阵列组成，设置成这样可以辐射4个波束；

所述馈电网络层包括4个馈电单元，每个所述馈电单元均包括依次级联的微带馈线、功分器、阻抗匹配微带线和两个一号矩形贴片，4个所述馈电单元依次绕轴心旋转90度设置，用来为4个超表面馈电，通过调整其中一个一号矩形贴片的长度可以引导波束在方位面变化，实现波束在方位面的扫描；

所述接地板包括4个二号矩形金属贴片和十字形微带线，4个所述二号矩形金属贴片通过十字形微带线连接，4个所述二号矩形金属贴片的设置方向与馈电单元一致，这种设置方式可以减小4个端口之间的耦合，改善端口之间的隔离度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：