專利名稱：基于開槽的交叉金屬條人工介質(zhì)結(jié)構(gòu)的高指向天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無線通信部件，具體的說是一種基于人工介質(zhì)結(jié)構(gòu)的高增益低副瓣 的高指向天線。
背景技術(shù)：
人工周期排列的金屬結(jié)構(gòu)可以用來等效各種均勻介質(zhì)，并具有自然界的天然材料所 不具備的特性。己被證明，由金屬細(xì)線交織而構(gòu)成的人工周期網(wǎng)格結(jié)構(gòu)當(dāng)其特征參數(shù)(單 元網(wǎng)格大小、線寬尺寸)與電磁波的波長相比較小時，可以被視為具有較低等離子頻率 的均勻介質(zhì)，即在其中傳播的電磁波的色散關(guān)系類似于等離子氣體。這一現(xiàn)象開辟了負(fù) 材料和人工介質(zhì)在微波及光波頻段的應(yīng)用，如完美透鏡成像，各種平面微波電路等。在 天線領(lǐng)域這種人工介質(zhì)也具有潛在的應(yīng)用價值。S. Enoch等人首次報道了利用人工介 質(zhì)實現(xiàn)定向輻射的研究結(jié)果，他們采用的是簡單的金屬細(xì)線網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，這種連續(xù)金屬細(xì) 線陣列可以用等離子頻率表征它的特性。在微波頻段上其等效介電常數(shù)為
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其中^p為等離子頻率，^為電磁波的頻率。當(dāng)電磁波的頻率髙于等離子頻率時，材 料的等效介電常數(shù)為小于l的正數(shù)；當(dāng)電磁波的頻率低于等離子頻率時，材料的等效介 電常數(shù)為小于l的負(fù)數(shù)；而當(dāng)頻率接近等離子頻率時，等效介電常數(shù)接近零，由 因而其等效折射率也接近零。根據(jù)幾何光學(xué)的原理，當(dāng)介質(zhì)的等效折射率
接近零時，根據(jù)Snell定律，電磁波從該介質(zhì)向外出射的波束主要集中在界面的法線方 向上。在介質(zhì)中嵌入一全向天線，其向外出射的波束基本上都垂直于出射面，因而可以 實現(xiàn)定向輻射。
Enoch等人實現(xiàn)定向輻射所采用的人工介質(zhì)結(jié)構(gòu)中沒有基板，因此天線裝置用介電 常數(shù)接近為l的泡沫進(jìn)行固定，安裝不方便且不容易精確定位；作為輻射源的天線采用 的是單極子天線，該類天線不能采用平面印刷電路技術(shù)制作，容易造成加工誤差使天線 性能受損；為了將天線嵌入介質(zhì)中，天線的兩側(cè)均需放置一定數(shù)量的介質(zhì)板，另外，為 了不使電磁波向另外一側(cè)輻射，還需要在天線裝置的底部放置平面金屬反射板，這樣就 使得裝置體積較大。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于利用人工介質(zhì)材料的零折射率特性，提供一種新型結(jié)構(gòu)的高增益 低副瓣的高指向天線。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種基于開槽的交叉金屬條人工介質(zhì)結(jié)構(gòu)的高指向天 線，包括微帶天線陣和天線罩，所述天線罩完全覆蓋所述微帶天線陣的信號出射口徑范 圍，其特征在于，所述天線罩由間隔平行排列的多層印制有金屬網(wǎng)格的印刷電路板組成。 所述金屬網(wǎng)格的單元結(jié)構(gòu)為開槽的交叉金屬條結(jié)構(gòu)。
所述微帶天線陣?yán)梦⒉ú牧习遄鳛榛?，所述基板正面設(shè)置一組微帶貼片，背面
為接地金屬板。在本發(fā)明中，所述微帶天線陣通過SMA接頭饋電。所述SMA接頭外部金 屬接微帶天線陣基板上的接地金屬板，內(nèi)芯穿過微波介質(zhì)板通過微帶線與各微帶貼片連 接，通過調(diào)整微帶線的寬度和長度可以使微帶天線陣與SMA接頭匹配。微帶貼片可以根 據(jù)需要按照一定的陣列形狀排列。
所述多層印刷電路板等間距平行排列，其層數(shù)至少有3層，所述開槽的交叉金屬條 結(jié)構(gòu)在印刷電路板上周期排列，印刷電路板的尺寸足夠大，能覆蓋天線的出射口徑范圍。
所述微帶天線陣設(shè)置在所述天線罩的一側(cè)，且與所述天線罩平行正對。這樣設(shè)置一 方面，可以使天線陣發(fā)射出的電磁波更多的重直或接近于重直入射到天線罩上，以提高 天線的整體方向性；另一方面有利于將天線罩做到最小。
實驗證明，所述微帶天線陣到所述天線罩的距離最好與所述多層印刷電路板間距相 同，或者在此基礎(chǔ)上根據(jù)天線的整體方向性高低進(jìn)行微量調(diào)整，以達(dá)到更好效果。
所述天線罩各基板和微帶天線陣可以采用有機(jī)玻璃框進(jìn)行固定，比如在有機(jī)玻璃框 上相應(yīng)處設(shè)置各印刷電路板及微帶天線陣基板插槽。
在本發(fā)明中，微帶天線陣輻射的電磁波通過天線罩，由于天線罩的等效折射率為0,
根據(jù)
sin《="f sin《
因為w,為零，所以從天線罩出射的能量的出射角《為零，即集中在天線罩的法線方向，
因此具有高的指向性。
本發(fā)明不僅具有增益高、方向性好、半功率波束寬度小、旁瓣電平低等特點，而且
與背景技術(shù)相比，具有的有益的效果是該新型人工介質(zhì)結(jié)構(gòu)釆用了基板材料，即將開 槽的交叉金屬條周期排列結(jié)構(gòu)設(shè)計在一個實際的平面印刷電路基板上，不僅可以使介質(zhì)結(jié)構(gòu)尺寸做的更小，而且具有良好的機(jī)械性能，安裝固定方便、準(zhǔn)確。輻射源采用了微 帶陣列天線，微帶陣列屬平面天線，可以采用平面印刷電路技術(shù)，加工制作容易，且可 以避免因加工誤差所造成的天線性能損害。微帶陣列天線背面的光滑金屬表面即為金屬 反射面，因此在天線裝置的底部不需要另外放置平板金屬反射面，而且根據(jù)鏡像原理， 天線的另外一側(cè)不需要放置同樣數(shù)量的介質(zhì)板，這樣可以使裝置中的介質(zhì)板數(shù)量減少一 半，因此該結(jié)構(gòu)裝置的體積可以做的更小。
本發(fā)明基于人工介質(zhì)材料新技術(shù)，提供了一種新型結(jié)構(gòu)的高增益、低副瓣的高指向 天線，該天線不僅具有增益高、波束窄、副瓣低等優(yōu)越性能，而且還具有機(jī)械性能好、 固定安裝方便、加工制作容易、體積尺寸小等特點。
圖1是本發(fā)明的帶有天線罩的天線的整體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是微帶天線陣結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是印制有金屬網(wǎng)格的天線罩的正視示意圖。
圖4是開槽的交叉金屬條結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5是圖4的仰視圖。
圖6是天線方向圖。
圖中1、SMA接頭；2、微帶天線陣；3、利用開槽的交叉金屬條結(jié)構(gòu)的天線罩；
4、金屬網(wǎng)格單元結(jié)構(gòu)；5、微帶線；6、微帶貼片天線。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一歩的說明。
參照圖l，該圖為本發(fā)明提供的高指向天線整體結(jié)構(gòu)示意圖，包括SMA接頭1、微 帶天線陣2和利用開槽的交叉金屬條結(jié)構(gòu)的天線罩3;通過SMA接頭1向微帶天線陣2 饋送能量，微帶天線陣2輻射出的電磁波透過基于開槽的交叉金屬條結(jié)構(gòu)的天線罩3 發(fā)射出去。
參照圖4，所述的微帶天線陣為1X8的8個微帶貼片組成。從SMA接頭經(jīng)過微帶 線到每片微帶貼片的距離相同。SMA接頭的阻抗為標(biāo)準(zhǔn)的50歐姆，為了使SMA接頭與 每片微帶貼片天線阻抗匹配，達(dá)到最大的輻射效率，每段微帶線的長度和寬度要經(jīng)過特 殊的設(shè)置。具體方法為分三級并聯(lián)，每段并聯(lián)的微帶線寬度為0.76毫米；第一級并聯(lián) 微帶線段的長度為1S.9毫米；在由上一級并聯(lián)向下一級并聯(lián)過渡的每一個過渡段垂直方向微帶線的寬度為1.52毫米；水平方向微帶線的寬度為1.58毫米，長度為5. 17毫米。
微帶貼片天線寬度為8.9毫米，長度為11.4毫米，如圖4所示。在微帶線向微帶 貼片天線饋電的地方有一個凹槽，凹槽的寬度為1.3毫米，深度3毫米。每片微帶貼片 天線之間的距離為18.9毫米。微帶天線陣為垂直極化。
參照圖2，本發(fā)明所述的開槽的交叉金屬條結(jié)構(gòu)中，金屬條的寬度為l毫米，槽寬 為4.2毫米，開槽的交叉金屬條結(jié)構(gòu)的水平和垂直間隔均為IO毫米，水平方向共排列 29個開槽的交叉金屬條結(jié)構(gòu)，共300毫米(板的左右邊緣各留出5毫米)，垂直方向共 排列14個開槽的交叉金屬條結(jié)構(gòu)，共150毫米(板的上下邊緣各留出5毫米)。印刷電 路板的厚度l毫米，每片印刷電路板之間的距離為16毫米， 一共有7層印刷電路板。
微帶天線陣2輻射的電磁波經(jīng)過等效折射率為零的基于開槽的交叉金屬條結(jié)構(gòu)的 天線罩3，能量集中在天線罩的法線方向。天線的方向性得到提高，實驗證明，在9. 77GHz 的工作頻率，天線的主瓣半功率波束寬度為8° ，增益為14dBi，旁瓣電平為-16dB。 如圖5所示。
本發(fā)明的工作頻率為9.77GHz，如果要工作在其他頻率，需要根據(jù)工作波長比例調(diào) 整微帶天線陣、微帶線以及開槽的交叉金屬條結(jié)構(gòu)的尺寸。
材料板的形狀不一定為方形板，可以為其他形狀；金屬結(jié)構(gòu)的尺寸可適當(dāng)變動，但 金屬結(jié)構(gòu)的周期需小于l/3波長，使結(jié)構(gòu)可以等效為均勻介質(zhì)，且必須保證使當(dāng)平面波 照射到整塊天線罩時，該材料的等效折射率接近于0。
以上所述，僅是本發(fā)明的在9.77GHz特定頻率的較佳實例而已，并非對本發(fā)明作任 何形式上的限定，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員可能利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容加以變更或 修飾為等同變化的等效實例，但是凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù) 實質(zhì)對以上實例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范 圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于開槽的交叉金屬條人工介質(zhì)結(jié)構(gòu)的高指向天線，包括微帶天線陣(2)和天線罩(3)，所述天線罩(3)完全覆蓋所述微帶天線陣(2)的電磁波出射口徑范圍，其特征在于，所述天線罩(3)由間隔平行排列的多層印制有金屬網(wǎng)格的印刷電路板組成，所述金屬網(wǎng)格的單元結(jié)構(gòu)為開槽的交叉金屬條結(jié)構(gòu)(4)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于開槽的交叉金屬條人工介質(zhì)結(jié)構(gòu)的高指向天線，其特征 在于，所述天線罩各基板和微帶天線陣(2)固定在有機(jī)玻璃插槽上。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于開槽的交叉金屬條人工介質(zhì)結(jié)構(gòu)的高指向天線，其特征 在于，所述微帶天線陣(2)設(shè)置在所述天線罩(3)的一側(cè)，且與所述天線罩(3)平行正 對。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于開槽的交叉金屬條人工介質(zhì)結(jié)構(gòu)的高指向天線，其特征 在于，所述微帶天線陣(2)包括一組設(shè)置在基板上的微帶貼片，所述基板采用微波介 質(zhì)材料，其背面為接地金屬板，所述各微帶貼片通過微帶線(5)與SMA接頭(1)的內(nèi) 芯連接，所述SMA接頭(l)的外部金屬連接在基板的接地金屬板上。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于開槽的交叉金屬條人工介質(zhì)結(jié)構(gòu)的高指向天線，其特征 在于，所述多層印刷電路板等間距平行排列，其層數(shù)至少有3層，所述微帶天線陣 到所述天線罩的距離與所述多層印刷電路板間距相同，或者在此基礎(chǔ)上根據(jù)天線的 整體方向性的高低進(jìn)行微量調(diào)整。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于開槽的交叉金屬條人工介質(zhì)結(jié)構(gòu)的高指向天線，其特征 在于，所述多層印刷電路板的間距為16mm，所述開槽的交叉金屬條結(jié)構(gòu)(4)中，金 屬條的寬度為l咖，槽寬為4.2 mm，該結(jié)構(gòu)在金屬網(wǎng)格中的水平和垂直間隔均為10 毫米。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于人工介質(zhì)結(jié)構(gòu)的高增益，低副瓣的高指向天線。包括微帶天線陣和由多層開槽的交叉金屬條人工介質(zhì)結(jié)構(gòu)組成的天線罩。開槽的交叉金屬條結(jié)構(gòu)印制作在印刷電路基板上，并作為微帶天線陣的天線罩，通過合理設(shè)計金屬結(jié)構(gòu)的周期及尺寸，該結(jié)構(gòu)可以等效為具有等離子頻率的均勻介質(zhì)，當(dāng)電磁波的頻率在某一頻段時其等效的折射率近似為零。微帶天線陣輻射的電磁波通過該天線罩時能量被集中在天線罩的法線方向，達(dá)到匯聚能量的效果，從而提高天線整體的方向性和增益，降低天線的旁瓣。本發(fā)明不僅具有增益高，方向性好，主瓣窄，副瓣低等優(yōu)點，而且還具有良好的機(jī)械性能，固定安裝方便，加工制作簡單，成本低，結(jié)構(gòu)尺寸小等特點。
文檔編號H01Q19/00GK101527394SQ200910097210
公開日2009年9月9日 申請日期2009年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月30日
發(fā)明者冉立新, 濤 姜, 朱方明, 沈林放, 王志宇 申請人:杭州師范大學(xué)