專利名稱：C波段負(fù)磁導(dǎo)率材料微帶天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及C波段微帶天線，特別涉及將負(fù)磁導(dǎo)率材料用于C波段的新型微帶天線。
背景技術(shù)：
微帶天線的概念早在1953年提出但是并未引起重視，直到上個(gè)世紀(jì)七十年代才真正發(fā)展和實(shí)用起來。微帶天線是在帶有導(dǎo)體接地板的介質(zhì)基片上用光刻腐蝕等方法做出一定形狀的金屬貼片如圓形、矩形等，利用同軸線或微帶線等饋線饋電，在貼片與接地板之間激勵(lì)起射頻電磁場(chǎng)，并通過貼片四周與接地板間的縫隙向外輻射電磁波。由于微波集成技術(shù)的發(fā)展以及各種低損耗介質(zhì)材料的出現(xiàn)，使微帶天線的制作得到了工藝保證，再者由于微帶天線體積小，重量輕，低剖面，饋電網(wǎng)絡(luò)可與天線結(jié)構(gòu)一起制成，適合于用印刷電路技術(shù)大批量生產(chǎn)，因此應(yīng)用非常廣泛。微帶天線作為火箭、導(dǎo)彈、飛機(jī)上的共形全向天線獲得了廣泛應(yīng)用，如衛(wèi)星通訊、雷達(dá)、遙感、導(dǎo)彈、飛行器高度表、電子對(duì)抗等等。其中工作頻率段為C波段的微帶天線應(yīng)用非常之多。飛機(jī)天線高度表上用的是中心頻率為4.3GHz微帶天線，雷達(dá)上用的中心頻率為5.45GHz微帶天線，飛機(jī)蒙皮上用的中心頻率為5GHz共形微帶相控陣天線等等均屬于C波段微帶天線。但是微帶天線也有很多缺點(diǎn)如工作頻帶窄、增益低，導(dǎo)體和介質(zhì)損耗大，工作效率低等。在需要高性能和高靈敏度的儀器和設(shè)備中難以得到更好的應(yīng)用?，F(xiàn)有的提高微帶天線性能的技術(shù)如增加基板厚度、用光子晶體基板等，但是這些技術(shù)工藝復(fù)雜而且使微帶天線的體積增大，總之改善天線性能的同時(shí)伴隨而來許多缺點(diǎn)。
Pendry提出了一種能產(chǎn)生負(fù)磁導(dǎo)率的結(jié)構(gòu)單元--開口諧振環(huán)(Split Ring ResonatorsSRRs)。SRRs是由兩個(gè)同心且具有開口的金屬環(huán)構(gòu)成。當(dāng)磁場(chǎng)垂直于SRRs時(shí)，在SRRs內(nèi)產(chǎn)生了感應(yīng)電流，從而引入了電感。由于內(nèi)外環(huán)間存在一個(gè)間隙，從而產(chǎn)生了電容。于是產(chǎn)生了與SRRs的幾何尺寸和形狀相關(guān)的LC諧振。在某一頻率段內(nèi)電磁波不能傳播，即產(chǎn)生了禁帶，在此禁帶范圍內(nèi)磁導(dǎo)率為負(fù)，并表現(xiàn)出一些奇異的微波響應(yīng)行為，因此近幾年對(duì)其的研究成為科學(xué)界的焦點(diǎn)。這種能產(chǎn)生負(fù)磁導(dǎo)率的材料在微電子線路元件、濾波器、無線電通信、調(diào)制器等領(lǐng)域?qū)⒂泻芎玫膽?yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種C波段負(fù)磁導(dǎo)率材料微帶天線包括微帶單陣子貼片天線和微帶貼片陣天線。負(fù)磁導(dǎo)率材料是一種由金屬開口諧振環(huán)(SRRs)周期排列的人工結(jié)構(gòu)材料。通過調(diào)節(jié)SRRs的幾何尺寸，可使禁帶位置在不同頻率段調(diào)控，選擇適當(dāng)幾何尺寸的SRRs使其禁帶所在的頻段包括天線的工作中心頻率。本發(fā)明將SRRs刻蝕于天線基板上，其禁帶效應(yīng)能抑制微帶天線工作時(shí)激發(fā)的表面波和多次諧波，減小天線副瓣，使天線方向性更集中，提高天線增益，增加帶寬，改善了天線性能；本發(fā)明還將多層SRRs陣列作為天線覆層，可以抑制天線輻射的切向分量，提高天線的方向性，增強(qiáng)向前輻射的增益。這種SRRs的引入沒有增加天線設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，只需在微帶貼片天線介質(zhì)基板上刻蝕周期性排列的SRRs或者在天線前面加負(fù)磁導(dǎo)率材料覆層，相比用其他方法有不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，比如尺寸小、工藝簡(jiǎn)單、易與天線一體化成型、成本造價(jià)低等。本發(fā)明C波段負(fù)磁導(dǎo)率材料微帶天線包括介質(zhì)基板、金屬輻射貼片、金屬接地板、饋電網(wǎng)絡(luò)、負(fù)磁導(dǎo)率材料。其中組成負(fù)磁導(dǎo)率材料的SRRs的形狀可以為六邊形、圓形、正方形、矩形等，可以采用同心雙環(huán)、單環(huán)，單開口環(huán)、多開口環(huán)等。


圖1組成負(fù)磁導(dǎo)率材料的SRRs的一些不同結(jié)構(gòu)單元圖2SRRs排列示意3本發(fā)明實(shí)施例一的微帶天線示意4本發(fā)明實(shí)施例二的微帶天線俯視5本發(fā)明實(shí)施例三的負(fù)磁導(dǎo)率覆層微帶天線示意6本發(fā)明實(shí)施例四的負(fù)磁導(dǎo)率覆層微帶天線示意圖具體實(shí)施方式
本發(fā)明采用電路板刻蝕技術(shù)制作微帶天線。在一塊介質(zhì)基板的一面刻蝕金屬銅輻射貼片，在另一面刻蝕大小能覆蓋輻射貼片的金屬銅接地板，根據(jù)天線設(shè)計(jì)不同采用不同的饋電方式，可以同軸線直接饋電也可以用微帶線饋電。在天線正(背)面圍繞輻射貼片(金屬接地板)的空白介質(zhì)基板上刻蝕周期性排列的金屬開口諧振環(huán)陣列。本發(fā)明的微帶天線還可以采用加載周期性排列的開口諧振環(huán)覆層的結(jié)構(gòu)，取多塊與微帶天線介質(zhì)基板相同的空基板，分別在其上的某一面刻蝕周期性排列的金屬開口諧振環(huán)陣列并將這些基板依次層疊制成有空氣夾層的負(fù)磁導(dǎo)率材料，將其置于天線前面作為天線覆層?？涛g的所有開口諧振環(huán)的外環(huán)開口均朝同一方向且以行中心間距w＝5-9mm平行排列8-13行，以列中心間距w＝5-9mm平行排列8-13列。金屬SRRs可以為六邊形、圓形、正方形、矩形等同心雙環(huán)或單環(huán)；并且開口可以是單開口或者多開口。其中的一些結(jié)構(gòu)單元及排列方式、幾何參數(shù)標(biāo)注如附圖1、2所示。若為同心雙環(huán)，其幾何參數(shù)為外環(huán)的內(nèi)切圓直徑為d1＝2.50-6.50mm，內(nèi)環(huán)的內(nèi)切圓直徑為d2＝1.50-3.50mm，開口為g＝0.30-1.00mm，開口數(shù)目至少兩個(gè)，線寬為c＝0.40-0.90mm；若為單環(huán)，其幾何參數(shù)為環(huán)的內(nèi)切圓直徑為d＝2.30-6.70mm，開口為g＝0.30-1.00mm，開口數(shù)目至少一個(gè)，線寬為c＝0.40-0.90mm，以上所用金屬厚度t＝0.03-0.05mm，制作SRRs的金屬可以為金屬銅、為了防止銅被氧化也可以在銅表面鍍銀、錫等金屬。制作的負(fù)磁導(dǎo)率材料微帶天線如附圖所示。
本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)過程由實(shí)施例和

實(shí)施例一采用電路板刻蝕技術(shù)制作微帶天線，設(shè)計(jì)制作C波段負(fù)磁導(dǎo)率材料單陣子微帶貼片天線。在一塊環(huán)氧玻璃纖維介質(zhì)基板1(ε＝4.55)的一面中心位置刻蝕金屬銅輻射貼片2，在另一面刻蝕大小能覆蓋輻射貼片的金屬銅接地板，在輻射貼片單元上設(shè)置饋電點(diǎn)3，天線采用同軸線4直接饋電，同軸插座的探針經(jīng)介質(zhì)基板與貼片相連接，同軸插座的外導(dǎo)體連接接地板。在天線正(背)面圍繞輻射貼片(金屬接地板)的空白介質(zhì)基板上刻蝕周期性排列的金屬銅開口諧振環(huán)陣列5，根據(jù)設(shè)計(jì)制作的天線工作中心頻率不同選用不同幾何尺寸的SRRs，其幾何尺寸范圍和排列方式如具體實(shí)施方式
所述。附圖3是設(shè)計(jì)的其中一種工作中心頻率為4.2GHz的負(fù)磁導(dǎo)率材料單陣子微帶貼片天線，選用周期性排列的正方形二開口金屬銅單環(huán)，根據(jù)天線工作中心頻率設(shè)計(jì)金屬SRRs的幾何尺寸為環(huán)的內(nèi)切圓直徑為d＝5.00mm，兩個(gè)開口均為g＝0.60mm，在正方形的上下邊長(zhǎng)中心位置分別開口，線寬為c＝0.65mm，厚度t＝0.03mm，環(huán)開口朝同一個(gè)方向且以行中心間距w＝8.5mm平行排列10行，以列中心間距w＝8.5mm平行排列10列。
實(shí)施例二采用電路板刻蝕技術(shù)制作微帶天線，設(shè)計(jì)制作C波段負(fù)磁導(dǎo)率材料微帶貼片天線陣。在一塊聚四氟乙烯介質(zhì)基板(ε＝2.65)的一面刻蝕金屬銅貼片陣元，另一面刻蝕大小能覆蓋輻射貼片的金屬銅接地板。在天線正(背)面圍繞輻射貼片陣(金屬接地板)的空白介質(zhì)基板上刻蝕周期性排列的金屬SRRs陣列，根據(jù)設(shè)計(jì)制作的天線工作中心頻率不同選用不同幾何尺寸的SRRs，其幾何尺寸范圍和排列方式如具體實(shí)施方式
所述。附圖4是設(shè)計(jì)制作的中心頻率為5.5GHz的2*2元方形微帶貼片天線陣，在聚四氟乙烯介質(zhì)基板1的一面刻蝕貼片陣元2，另一面刻蝕大小能覆蓋輻射貼片的金屬銅接地板。饋線3連接方式如圖所示采用了諧振式饋電，有一條中心饋線，在它的支點(diǎn)再分成兩條饋線連接在貼片上。選用周期性排列的金屬銅鍍銀六邊形同心雙環(huán)陣列4，根據(jù)天線工作中心頻率設(shè)計(jì)金屬SRRs的幾何尺寸為外環(huán)的內(nèi)切圓直徑為d1＝4.30mm，內(nèi)環(huán)的內(nèi)切圓直徑為d2＝2.30mm，開口為g＝0.60mm，線寬為c＝0.60mm，厚度t＝0.04mm，外環(huán)開口朝同一個(gè)方向以行中心間距w＝6.5mm平行排列11行，以列中心間距w＝6.5mm平行排列11列。
實(shí)施例三采用電路板刻蝕技術(shù)制作微帶天線，設(shè)計(jì)制作C波段負(fù)磁導(dǎo)率材料單陣子貼片微帶天線。在一塊聚乙烯介質(zhì)基板(ε＝2.3)1一面的中心位置刻蝕金屬銅輻射貼片2，在另一面刻蝕大小能覆蓋輻射貼片的金屬銅接地板。天線采用同軸線3直接饋電，同軸插座的探針經(jīng)介質(zhì)基板與貼片相連接，同軸插座的外導(dǎo)體連接接地板。另取大小、材質(zhì)與天線所用介質(zhì)基板相同的基板，在其一面刻蝕周期性排列的金屬SRRs陣列4，根據(jù)設(shè)計(jì)制作的天線工作中心頻率不同選用不同幾何尺寸的SRRs，幾何尺寸范圍和排列方式如具體實(shí)施方式
所述。按同樣的方法做多塊相同的SRRs陣列，將其依次層疊制得有空氣夾層的負(fù)磁導(dǎo)率材料，用螺釘5將其固定于天線前面作為天線覆層6。圖5所設(shè)計(jì)的是工作中心頻率為7.5GHz的單陣子微帶貼片天線，選用周期性排列的金屬銅鍍錫四開口圓形SRRs，根據(jù)天線工作中心頻率設(shè)計(jì)金屬SRRs的幾何尺寸為環(huán)的內(nèi)切圓直徑為d＝2.95mm，開口均為g＝0.38mm，線寬為c＝0.40mm，厚度t＝0.05mm，環(huán)開口朝同一個(gè)方向且以行中心間距和列中心間距都為w＝5mm平行排列13行13列，分別在三塊聚乙烯介質(zhì)基板上刻蝕周期性的SRRs陣列，制作三層將其依次層疊制得有空氣夾層的負(fù)磁導(dǎo)率材料，用螺釘將其固定于天線前面。
實(shí)施例四采用電路板刻蝕技術(shù)制作微帶天線，設(shè)計(jì)制作了C波段負(fù)磁導(dǎo)率材料微帶貼片天線陣。在一塊聚乙烯介質(zhì)基板(ε＝2.3)1的一面刻蝕金屬銅輻射元陣2，在基板的另一面刻蝕大小能覆蓋輻射貼片元的金屬銅接地板。另取一塊大小、材質(zhì)與天線所用介質(zhì)基板相同的基板，在其一面刻蝕周期性排列的金屬SRRs陣列4，根據(jù)設(shè)計(jì)制作的天線工作中心頻率不同選用不同幾何尺寸的SRRs，幾何尺寸范圍和排列方式如具體實(shí)施方式
所述。按同樣的方法做多塊相同的SRRs陣列，將其依次層疊制得有空氣夾層的負(fù)磁導(dǎo)率材料，用螺釘5將其固定于天線前面作為天線覆層6。圖6所示是工作中心頻率為5GHz的梳形微帶天線陣，采用諧振式饋電。選用周期性排列的金屬銅鍍錫六邊形單SRRs，根據(jù)天線工作中心頻率設(shè)計(jì)金屬SRRs的幾何尺寸為環(huán)的內(nèi)切圓直徑為d＝4.50mm，開口為g＝0.40mm，線寬為c＝0.50mm，厚度t＝0.05mm，環(huán)開口朝同一個(gè)方向且以行中心間距和列中心間距都為w＝7.5mm平行排列8行8列，分別在三塊聚乙烯介質(zhì)基板上刻蝕周期性的SRRs陣列，制作三層將其依次層疊制得有空氣夾層的負(fù)磁導(dǎo)率材料，用螺釘將其固定于天線前面。
權(quán)利要求
1.一種C波段負(fù)磁導(dǎo)率材料單陣子微帶貼片天線及其陣列，組成包括介質(zhì)基板、金屬輻射貼片、金屬接地板、饋電網(wǎng)絡(luò)、負(fù)磁導(dǎo)率材料(開口諧振環(huán))，其主要特征是將開口諧振環(huán)(SRRs)引入天線設(shè)計(jì)中，通過調(diào)節(jié)SRRs的幾何尺寸使其諧振頻率即出現(xiàn)禁帶的頻段包括天線工作中心頻率。
2.如權(quán)利要求1所述C波段負(fù)磁導(dǎo)率材料微帶天線，其特征是(1)在微帶天線的正(背)面圍繞輻射貼片(金屬接地板)在空白介質(zhì)基板上刻蝕周期性排列的SRRs；(2)取與微帶天線介質(zhì)基板相同的基板，在其上某一面刻蝕周期性排列的SRRs，制作同樣大小的多層SRRs陣列將其依次層疊用螺釘固定于微帶天線前面。
3.如權(quán)利要求1所述C波段負(fù)磁導(dǎo)率材料微帶天線，其特征是(1)引入微帶天線的SRRs為同心六邊形、圓形、方形、矩形等雙環(huán)，環(huán)可以為單開口或多開口環(huán)，其開口數(shù)量至少為二，SRRs幾何參數(shù)為外環(huán)的內(nèi)切圓直徑為d1＝2.50-6.50mm，內(nèi)環(huán)的內(nèi)切圓直徑為d2＝1.50-3.50mm，開口為g＝0.30-1.00mm，線寬為c＝0.40-0.90mm，厚度t＝0.03-0.05mm，使SRRs的禁帶位置在C波段可調(diào)控；(2)引入微帶天線的SRRs為六邊形、圓形、方形、矩形等單環(huán)，環(huán)可以為單開口或多開口環(huán)，其開口數(shù)數(shù)量至少為一，SRRs幾何參數(shù)為環(huán)的內(nèi)切圓直徑為d＝2.30-6.70mm，開口為g＝0.30-1.00mm，線寬為c＝0.40-0.90mm，厚度t＝0.03-0.05mm，使SRRs的禁帶位置在C波段可調(diào)控。
4.如權(quán)利要求1所述C波段負(fù)磁導(dǎo)率材料微帶天線，其特征是開口諧振環(huán)的排列方式為外環(huán)開口均朝同一方向以中心行間距5-9mm平行排列8-13行和中心列間距5-9mm平行排列8-13列。
5.如權(quán)利要求1所述C波段負(fù)磁導(dǎo)率材料微帶天線，其特征是所用介質(zhì)基板為聚四氟乙烯、聚乙烯、環(huán)氧玻璃布；所用的開口諧振環(huán)的是金屬銅、金屬銅鍍銀、金屬銅鍍錫。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種C波段微帶天線，特別涉及一種將負(fù)磁導(dǎo)率材料用于C波段的新型微帶天線包括微帶單陣子貼片天線和微帶貼片陣天線。本發(fā)明負(fù)磁導(dǎo)率材料微帶天線包括介質(zhì)基板、金屬輻射貼片、金屬接地板、饋電網(wǎng)絡(luò)、負(fù)磁導(dǎo)率材料。負(fù)磁導(dǎo)率材料由周期性排列的金屬開口諧振環(huán)(SRRs)組成，本發(fā)明在天線的介質(zhì)基板上刻蝕SRRs陣列，利用其禁帶效應(yīng)抑制天線工作時(shí)激發(fā)的表面波和和多次諧波，減小天線副瓣，使天線方向性更集中，提高天線增益，增加帶寬，改善天線的性能；本發(fā)明還將多層SRRs陣列作為天線覆層，可以抑制天線輻射的切向分量，提高天線的方向性，增強(qiáng)向前輻射的增益。相比于其他以往改進(jìn)的微帶天線，本發(fā)明微帶天線還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、與天線一體化、易加工成型、成本造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01Q13/08GK1941504SQ20051009610
公開日2007年4月4日 申請(qǐng)日期2005年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月30日
發(fā)明者趙曉鵬, 劉亞紅, 羅春榮 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)