全文摘要
本实用新型公开了一种基于mushroom结构的双频双模微带贴片天线。该天线包括从下到上层叠设置的馈电微带、下层介质基片、金属层和上层mushroom金属结构加载介质基片，其中上层mushroom金属结构加载介质基片中设置有周期排列的mushroom单元谐振结构阵列和两侧的金属墙，mushroom单元谐振结构阵列中每个mushroom单元谐振结构由1个金属圆柱和1个矩形金属贴片组成；金属层中心位置设有矩形缝隙。本实用新型具有双频双模辐射特性，在传统边射模式的基础上，增加了天线端射模式的辐射性能，实现了天线端射模式的双向辐射特性，从而实现了双频双模功能，并具有结构简单、低剖面、方向图可选择性的优点。
主设计要求
1.一种基于mushroom结构的双频双模微带贴片天线，其特征在于，包括从下到上层叠设置的馈电微带(1)、下层介质基片(2)、金属层(3)和上层mushroom金属结构加载介质基片(5)；所述金属层(3)中心位置设有矩形缝隙(4)；所述上层mushroom金属结构加载介质基片(5)中设置有4×4周期排列的mushroom单元谐振结构阵列，mushroom单元谐振结构阵列中每个mushroom单元谐振结构包括1个金属圆柱(7)和1个矩形金属贴片(8)，4×4周期排列的矩形金属贴片(8)位于上层mushroom金属结构加载介质基片(5)上表面，组成mushroom金属贴片周期阵列(6)；所述上层mushroom金属结构加载介质基片(5)中周期排列的mushroom单元谐振结构的两个非辐射边设置有金属墙(9)。
设计方案
1.一种基于mushroom结构的双频双模微带贴片天线，其特征在于，包括从下到上层叠设置的馈电微带(1)、下层介质基片(2)、金属层(3)和上层mushroom金属结构加载介质基片(5)；所述金属层(3)中心位置设有矩形缝隙(4)；
所述上层mushroom金属结构加载介质基片(5)中设置有4×4周期排列的mushroom单元谐振结构阵列，mushroom单元谐振结构阵列中每个mushroom单元谐振结构包括1个金属圆柱(7)和1个矩形金属贴片(8)，4×4周期排列的矩形金属贴片(8)位于上层mushroom金属结构加载介质基片(5)上表面，组成mushroom金属贴片周期阵列(6)；所述上层mushroom金属结构加载介质基片(5)中周期排列的mushroom单元谐振结构的两个非辐射边设置有金属墙(9)。
2.根据权利要求1所述的基于mushroom结构的双频双模微带贴片天线，其特征在于，所述下层介质基片(2)和上层mushroom金属结构加载介质基片(5)形状均为矩形，大小相同。
3.根据权利要求1所述的基于mushroom结构的双频双模微带贴片天线，其特征在于，所述的下层介质基片(2)和上层mushroom金属结构加载介质基片(5)采用相同的材料，介质基片厚度相同。
4.根据权利要求1所述的基于mushroom结构的双频双模微带贴片天线，其特征在于，所述金属圆柱(7)的半径为0.3mm，所述矩形金属贴片(8)的长为5mm、宽为5mm。
5.根据权利要求1所述的基于mushroom结构的双频双模微带贴片天线，其特征在于，所述的金属墙(9)，每排金属墙(9)由16个等间距排列的金属墙圆柱组成，金属墙圆柱的半径为0.5mm，相邻金属墙圆柱的间距为1.5mm。
6.根据权利要求1所述的基于mushroom结构的双频双模微带贴片天线，其特征在于，所述的矩形缝隙(4)，长为16mm、宽为1.5mm。
7.根据权利要求1所述的基于mushroom结构的双频双模微带贴片天线，其特征在于，所述上层mushroom金属结构加载介质基片(5)中mushroom单元结构的间距为5.5mm；通过调节mushroom单元结构的间距，能够改变mushroom结构单元的色散曲线，进而调整边射模式和端射模式的工作频点。
8.根据权利要求2所述的基于mushroom结构的双频双模微带贴片天线，其特征在于，所述下层介质基片(2)和上层mushroom金属结构加载介质基片(5)的长为40mm，宽为30mm。
9.根据权利要求3所述的基于mushroom结构的双频双模微带贴片天线，其特征在于，所述的下层介质基片(2)和上层mushroom金属结构加载介质基片(5)的厚度均为1mm。
设计说明书
技术领域
本实用新型涉及双频双模微带天线技术领域，特别是一种基于mushroom结构加载的双频双模微带贴片天线。
背景技术
随着5G时代的到来，智能生态系统的飞速发展，大量设备通过无线网络与终端进行信息交换，因此对无线通信系统提出了更高的要求。传统终端设备中的天线不再能满足新通信系统的实际需要，大容量、多功能以及集成化已成为其发展趋势。这就要求天线不能再局限于传统的单一工作频段和工作模式，各种场合的通信服务都需要同时在一个移动终端来进行信息交换，高度集成的一体化多功能天线成为未来的发展趋势。传统的微带天线工作频段与辐射模式较为单一，不能满足多功能的实际需求，因此，多频多模微带天线应运而生。多频多模天线，就是将多个工作频段、辐射模式乃至极化方式集中到一起的天线，其提高了天线的集成度，使终端更紧凑，便于集成化应用。
人工电磁结构为实现微带天线的多频多模特性提供了新的思路，人工电磁结构多频多模天线近些年来逐渐成为天线行业的研究热点之一。基于人工电磁结构的同轴单馈多频多模多极化天线相比于传统的具备单一的多频、多模或多极化功能的天线，理论体系更加完善，设计方法更加简单，且具有低剖面、方向图可选择性和极化多样性等特点。现有的贴片天线中，也会采用mushroom结构单元或者周期单元，天线的不同模式一般同时具有单向辐射或者全向模式，甚至能够实现不同模式分别具有线极化和圆极化的特性。然而，目前人工电磁结构多功能天线，同时具有边射和端射模式的双频双模方案尚未见报道。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种同时具有边射和端射辐射模式特性的基于mushroom结构的双频双模微带贴片天线。
实现本实用新型目的的技术解决方案为：一种基于mushroom结构的双频双模微带贴片天线，包括从下到上层叠设置的馈电微带、下层介质基片、金属层和上层mushroom金属结构加载介质基片；所述金属层中心位置设有矩形缝隙；
所述上层mushroom金属结构加载介质基片中设置有4×4周期排列的mushroom单元谐振结构阵列，mushroom单元谐振结构阵列中每个mushroom单元谐振结构包括1个金属圆柱和1个矩形金属贴片，4×4周期排列的矩形金属贴片位于上层mushroom金属结构加载介质基片上表面，组成mushroom金属贴片周期阵列；所述上层mushroom金属结构加载介质基片中周期排列的mushroom单元谐振结构的两个非辐射边设置有金属墙。
进一步地，所述下层介质基片和上层mushroom金属结构加载介质基片形状均为矩形，大小相同。
进一步地，所述的下层介质基片和上层mushroom金属结构加载介质基片采用相同的材料，介质基片厚度相同。
进一步地，所述金属圆柱的半径为0.3mm，所述矩形金属贴片的长为5mm、宽为5mm。
进一步地，所述的金属墙，每排金属墙由16个等间距排列的金属墙圆柱组成，金属墙圆柱的半径为0.5mm，相邻金属墙圆柱的间距为1.5mm。
进一步地，所述的矩形缝隙，长为16mm、宽为1.5mm。
进一步地，所述上层mushroom金属结构加载介质基片中mushroom单元结构的间距为5.5mm；通过调节mushroom单元结构的间距，能够改变mushroom结构单元的色散曲线，进而调整边射模式和端射模式的工作频点。
进一步地，所述下层介质基片和上层mushroom金属结构加载介质基片的长为40mm，宽为30mm。
进一步地，所述的下层介质基片和上层mushroom金属结构加载介质基片的厚度均为1mm。
与现有的天线相比，本实用新型具有如下的有益效果：(1)在传统微带贴片天线的基础上，引入mushroom金属贴片周期阵列作为辐射层代替传统的金属贴片，实现了多功能辐射特性；(2)通过调节上层mushroom金属结构加载介质基片的参数，改变mushroom结构单元的色散曲线，进而实现了边射模式和端射模式的共同激励；(3)具有结构简单，方向图多样性的优势。
附图说明
图1为本实用新型基于mushroom结构的双频双模微带贴片天线的结构示意图。
图2为本实用新型基于mushroom结构的双频双模微带贴片天线的俯视图。
图3为本实用新型基于mushroom结构的双频双模微带贴片天线的侧视图。
图4为本实用新型实施例中基于mushroom结构的双频双模微带贴片天线的反射系数曲线图。
图5为本实用新型实施例中基于mushroom结构的双频双模微带贴片天线端射模式的增益曲线图。
图6为本实用新型实施例中基于mushroom结构的双频双模微带贴片天线边射模式的增益曲线图。
图7为本实用新型实施例中基于mushroom结构的双频双模微带贴片天线端射模式的E面辐射方向图。
图8为本实用新型实施例中基于mushroom结构的双频双模微带贴片天线端射模式的H面辐射方向图。
图9为本实用新型实施例中基于mushroom结构的双频双模微带贴片天线边射模式的E面辐射方向图。
图10为本实用新型实施例中基于mushroom结构的双频双模微带贴片天线边射模式的H面辐射方向图。
图中标号：1、馈电微带；2、下层介质基片；3、中间金属层；4、矩形缝隙；5、上层mushroom金属结构加载介质基片；6、mushroom金属贴片周期阵列；7、金属圆柱；8、矩形金属贴片；9、金属墙。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
结合图1、图2、图3，本实用新型基于mushroom结构的双频双模微带贴片天线，包括从下到上层叠设置的馈电微带1、下层介质基片2、金属层3和上层mushroom金属结构加载介质基片5；所述金属层3中心位置设有矩形缝隙4；
所述上层mushroom金属结构加载介质基片5中设置有4×4周期排列的mushroom单元谐振结构阵列，mushroom单元谐振结构阵列中每个mushroom单元谐振结构由1个金属圆柱7和1个矩形金属贴片8组成，所述4×4周期排列的矩形金属贴片8位于上层mushroom金属结构加载介质基片5上表面，组成mushroom金属贴片周期阵列6；所述上层mushroom金属结构加载介质基片5中周期排列的mushroom单元谐振结构的两个非辐射边设置有金属墙9。
作为一种优选实施方式，所述的下层介质基片2和上层mushroom金属结构加载介质基片5形状均为矩形，大小相同，长为40mm，宽为30mm。
作为一种优选实施方式，所述的下层介质基片2和上层mushroom金属结构加载介质基片5的介质基片选用相同的材料，介质基片厚度相同，均为1mm。
作为一种优选实施方式，所述的金属圆柱7的半径为0.3mm；所述矩形金属贴片8的长为5mm，宽为5mm。
作为一种优选实施方式，所述的金属墙9，每排金属墙9由16个等间距排列的金属墙圆柱组成，金属墙圆柱的半径为0.5mm，金属墙圆柱的间距为1.5mm。
作为一种优选实施方式，所述的矩形缝隙4，长为16mm，宽为1.5mm。
作为一种优选实施方式，所述上层mushroom金属结构加载介质基片5中mushroom单元结构的间距为5.5mm；通过调节mushroom单元结构的间距，能够改变mushroom结构单元的色散曲线，进而调整边射模式和端射模式的工作频点。
天线的能量由馈电微带1馈入，在馈电微带1和矩形缝隙4的交叉位置发生能量耦合，能量由下层介质基片2耦合到上层mushroom金属结构加载介质基片5中，而后通过mushroom金属贴片周期阵列6辐射出去。
作为一种优选实施方式，由于mushroom金属结构加载介质基片5和mushroom金属贴片周期阵列6，天线具有双频双模辐射特性，天线在低频点，具有双向端射辐射模式，而在高频点，具有单向边射辐射模式。
作为一种优选实施方式，调节上层mushroom金属结构加载介质基片5中的矩形金属贴片8的尺寸，金属圆柱7尺寸以及上层mushroom金属结构加载介质基片5的厚度，能够改变mushroom结构单元的色散曲线，进而调控双模辐射特性的工作频点，根据需要在两个目标频段分别激励起边射和端射模式的辐射电磁波。
作为一种优选实施方式，通过在mushroom周期结构两侧加载金属墙，能够增强天线端射模式的辐射性能，使得天线的端射模式工作下的两个主波束指向为天线的辐射边方向，实现端射双向辐射特性。
进一步地，改变mushroom单元间距，能够改变mushroom单元之间的耦合效应，调整两个模式的谐振频率。
进一步地，调节矩形缝隙4中缝隙的长度以及缝隙的宽度，可以调节天线的馈电性能，实现宽带匹配效果，从而实现电磁波的辐射。
进一步地，将矩形缝隙4设置在金属层3的中心位置，以实现天线的对称激励，保证增益及带宽性能。
进一步地，调整馈电微带1的宽度，可以使其满足在工作频率下具有50欧姆的输入阻抗特性；根据天线的工作频段匹配馈电微带1的长度。
天线工作时，能量由馈电微带输入，由位于金属层的中心位置的矩形缝隙耦合，激励上层mushroom金属结构加载介质基片，产生有效辐射。位于下层介质基片和上层mushroom金属结构加载介质基片之间的金属层构成馈电微带以及上层mushroom金属结构加载介质基片的公共地。通过加载上层mushroom金属结构加载介质基片，有效地控制贴片天线的谐振模式。通过调整mushroom单元谐振结构参数，实现天线双频双模的特性。
实施例1
结合图1、图2、图3，本实施例提供了一种谐振频率分别在9.8GHz和11.95GHz的基于mushroom结构的双频双模微带贴片天线，包括从下到上层叠设置的馈电微带1、下层介质基片2、金属层3和上层mushroom金属结构加载介质基片5；
所述金属层3中心位置设有矩形缝隙4；
所述上层mushroom金属结构加载介质基片5中设置有4×4周期排列的mushroom单元谐振结构阵列，mushroom单元谐振结构阵列中每个mushroom单元谐振结构由1个金属圆柱7和1个矩形金属贴片8组成，所述4×4周期排列的矩形金属贴片8位于上层mushroom金属结构加载介质基片5上表面，组成mushroom金属贴片周期阵列6；所述上层mushroom金属结构加载介质基片5中周期排列的mushroom单元谐振结构的两个非辐射边设置有金属墙9。
进一步地，所述的下层介质基片2和上层mushroom金属结构加载介质基片5形状均为矩形，大小相同，长为40mm，宽为30mm。
进一步地，所述的下层介质基片2和上层mushroom金属结构加载介质基片5的介质基片选用相同的材料，介质基片厚度相同，均为1mm。
进一步地，所述的金属圆柱7的半径为0.3mm；所述矩形金属贴片8的长为5mm，宽为5mm。
进一步地，所述的金属墙9，每排金属墙9由16个等间距排列的金属墙圆柱组成，金属墙圆柱的半径为0.5mm，金属墙圆柱的间距为1.5mm。
进一步地，所述的矩形缝隙4，长为16mm，宽为1.5mm。
进一步地，所述上层mushroom金属结构加载介质基片5中mushroom单元结构的间距为5.5mm。
结合图4、图5、图6、图7、图8、图9以及图10，本实施例一种谐振频率分别在9.8GHz和11.95GHz的基于mushroom结构的双频双模微带贴片天线，低频段，具有双向端射的辐射模式，增益达到5dBi左右；在高频段，具有单向边射的辐射模式，增益达到10dBi左右；两个频段交叉极化性能良好，其中在最大指向处，端射模式超过30dB，边射模式超过40dB。
本实用新型提供了一种基于mushroom结构的多功能天线，同时具有边射辐射模式和端射辐射模式，天线的平面结构有利于阵列化设计，在未来无线通信中具有潜在的应用需求和前景。
设计图
相关信息详情
申请码:申请号:CN201920092767.X
申请日:2019-01-21
公开号:公开日:国家:CN
国家/省市:84(南京)
授权编号:CN209448008U
授权时间:20190927
主分类号:H01Q 1/36
专利分类号:H01Q1/36;H01Q1/48;H01Q1/50;H01Q21/06
范畴分类:38G;
申请人:中国人民解放军陆军工程大学
第一申请人:中国人民解放军陆军工程大学
申请人地址:210007 江苏省南京市秦淮区海福巷1号
发明人:曹文权;黄荣港;马文宇;晋军;刘涵
第一发明人:曹文权
当前权利人:中国人民解放军陆军工程大学
代理人:薛云燕
代理机构:32203
代理机构编号:南京理工大学专利中心
优先权:关键词:当前状态:审核中
类型名称:外观设计