專利名稱：一種復(fù)合左右手傳輸線的寬帶二元陣天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種天線，尤其是基于復(fù)合左右手傳輸線技術(shù)的一種寬帶的高增益 的毫米波二元陣天線。
背景技術(shù)：
左手材料(left-hiinded metamaterials)是近年來材料學(xué)和物理學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)
之一。在經(jīng)典的電動力學(xué)理論中，介電材料的電磁特性可由介電常數(shù)ε和磁導(dǎo)率μ兩 個宏觀參數(shù)來描述。在自然界中，介質(zhì)的介電常數(shù)ε和磁導(dǎo)率μ都是正數(shù)，當(dāng)電磁波 照射這些介質(zhì)材料時，描述電磁波傳播特性的電場強(qiáng)度Ε、磁場強(qiáng)度H和電磁波的傳播方 向K滿足右手螺旋關(guān)系，這是物理學(xué)中經(jīng)典的“右手定則”關(guān)系。滿足“右手定則” 關(guān)系的介質(zhì)材料即為右手材料。而通過一定的周期性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠獲得介電常數(shù)ε和 磁導(dǎo)率μ都是負(fù)數(shù)的人造左手材料。當(dāng)電磁波照射左手材料時，描述電磁波傳播特性的 電場強(qiáng)度Ε、磁場強(qiáng)度H和電磁波的傳播方向K滿足“左手螺旋”關(guān)系。此外，電磁波 在左手材料中傳播時還存在逆well折射等特殊的電磁特性。基于傳輸線理論分析可知， 采用串聯(lián)電容和并聯(lián)電感設(shè)計(jì)的傳輸線具有左手材料的特性，由于此時傳輸線上還寄生 有右手效應(yīng)，這時的傳輸線就構(gòu)成了復(fù)合左右手傳輸線。Itoh等人在文獻(xiàn)和相關(guān)文獻(xiàn)介紹了基于復(fù)合左右手傳輸線技術(shù)設(shè)計(jì)天線 的方法。 在 2002 年 Itoh 等人在文章"Application of the transmission line theory of left-handed (LH) materials to the realization of a microstrip LH line” 禾口 2007 年 Lee 等人在文 章"Epsilonnegative zeroth—order resonator antenna，，都敘述了禾1J用左右手傳輸線設(shè)計(jì)的天
線，美中不足的時，上述基于左手傳輸線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的天線雖然尺寸較小，卻存在著輻射 效率低，帶寬窄以及增益小的問題。這樣的天線很難滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。究其原因， 主要是因?yàn)椴捎脧?fù)合左右手傳輸線的零階諧振模式時，在此工作狀態(tài)下，傳輸線的傳輸 常數(shù)β為零，波長為無窮大，天線貼片下電場分布沒有倒相的過程，從而導(dǎo)致天線輻射 效率低、增益差的問題。
發(fā)明內(nèi)容為了克服現(xiàn)有技術(shù)帶寬窄(通常小于)、低增益的不足，本發(fā)明提供一種二 元陣天線，基于復(fù)合左右手傳輸線技術(shù)，改進(jìn)構(gòu)成天線的左手特性的串聯(lián)電容和并聯(lián)電 感的分布，合理設(shè)置由復(fù)合左右手傳輸線組成的天線陣單元結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)小尺寸、寬 帶和高增益的二元陣天線，能夠滿足多種天線場合的實(shí)際需求。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種基于左右手傳輸線技術(shù)的 寬帶二元陣天線，包括一涂覆銅箔的微波介質(zhì)基板和通過刻蝕銅箔在微波介質(zhì)基板上的 上、下表面分別形成的上表面元件和下表面元件，所述的上表面元件包括兩個結(jié)構(gòu)相同 的天線陣單元，天線陣單元之間通過弓形連接線相連接；弓形連接線中間的某處連接微 帶線的一端，連接點(diǎn)到弓形連接線的兩個端口的距離之間相差λ/2，λ為天線陣單元的工作波長，微帶線的另一端和饋源相連接，所述的下表面元件為接地板。每個天線陣單 元由N個依次排列的方形輻射片構(gòu)成，N可以取為2 10個。每個輻射片通過短路針 穿過微波介質(zhì)基板與接地板導(dǎo)通；天線陣單元最外邊(以遠(yuǎn)離弓形連接線一側(cè)為外邊)的 輻射片上刻蝕有方形槽，改善最外邊輻射片上的電磁流分布；每兩個輻射片之間刻蝕有 方齒形刻蝕線，構(gòu)成一個或多個方齒形交指，以構(gòu)成交指電容，增強(qiáng)輻射片之間的電磁 耦合，從而可以在輻射片之間形成構(gòu)成左右手傳輸線所需要的分布電容；所述的弓形連 接線和輻射片之間刻蝕有縫隙，加強(qiáng)弓形連接線與輻射片之間的電磁耦合，縫隙的間距 可以為0.1mm 0.3mm。所述微波介質(zhì)基板由特氟龍材料構(gòu)成，該種微波介質(zhì)材料具有價格低廉和優(yōu)越 的抗老化性能，微波介質(zhì)基板也可由FR4環(huán)氧玻璃布或者發(fā)泡聚苯乙烯等其他微波介質(zhì) 材料構(gòu)成。所述的弓形連接線為形狀彎曲類似于弓形的微帶線。所述的方齒形刻蝕線構(gòu)成的交指電容寬度小于輻射片寬度。本發(fā)明的有益效果是通過將復(fù)合左右手傳輸線技術(shù)中起到左手效應(yīng)的電容 部分改用了交指電容的方式，增強(qiáng)了輻射片之間的電磁耦合，改善了天線的阻抗分布情 況，提高了天線的帶寬；利用弓形連接線和一端連接饋源的微帶線之間的連接點(diǎn)位置的 優(yōu)化設(shè)置，來調(diào)整兩個的天線陣單元之間的相位差，從而改善整個二元陣天線的電磁流 分布，進(jìn)一步提高天線陣的輻射帶寬和增益，獲得高增益、寬帶的子波二元陣毫米波天 線。
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。
圖1為本發(fā)明實(shí)施實(shí)例1寬帶二元陣天線的整體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明實(shí)施實(shí)例1寬帶二元陣天線的上表面元件結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明所述天線陣單元的諧振特性等效圖。圖4為本發(fā)明實(shí)施實(shí)例1的寬帶二元陣天線的回波損耗/頻率曲線圖。圖5為本發(fā)明實(shí)施實(shí)例1的寬帶二元陣的電壓駐波比(VSWR)/頻率曲線圖。圖6為本發(fā)明實(shí)施實(shí)例2寬帶二元陣天線的上表面元件結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，10-微波介質(zhì)基板，20-上表面元件，21-輻射片，22-交指電容，23-縫 隙，24-方形槽，25-弓形連接線，26-微帶線，30-接地板，41-短路針。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1 如圖1和圖2所示，一種基于復(fù)合左右手傳輸線技術(shù)的寬帶、高增益的二元陣 天線，包括一覆銅箔的特氟龍材料的微波介質(zhì)基板10，通過刻蝕銅箔在微波介質(zhì)基板的 上、下表面形成的上表面元件20和接地板30，穿過微波介質(zhì)基板連接上表面元件和接地 板的短路針41，其中，所述的二元陣天線由兩個結(jié)構(gòu)相同的天線陣單元組成，每個天線陣單元的輻射 片21可以是N(本實(shí)施例中N = 3)個，每個輻射片21的尺寸設(shè)定為3.5mmX 3.5mm;所述的天線陣單元的輻射片21分別通過短路針41與接地板30導(dǎo)通；所述的天線陣單元 的相鄰的輻射片21之間的電磁耦合是通過交指電容22進(jìn)行的，本實(shí)施實(shí)例1中交指電容 只設(shè)計(jì)成一個交指，交指的物理尺寸為0.2mmX 0.4mm，交指與對應(yīng)的輻射片之間的間距 為0.2mm;所述的天線陣單元最外邊的輻射片21刻蝕有方形槽24，改變輻射片上的電磁 流分布，提供分布電容；在本實(shí)施實(shí)例1中，方形槽24的尺寸為0.6mmX0.4mm。所述的兩個天線陣單元之間是通過與弓形連接線25的兩個端口相連接，并且天 線陣單元的輻射片21和弓形連接線25之間的電磁耦合是通過一矩形縫隙23來進(jìn)行的， 且弓形連接線25的尺寸為15.5mmX 1.5mm ；所述的微帶線26 —端和弓形連接線25中間的一點(diǎn)相連接，本實(shí)施實(shí)例1中其連 接點(diǎn)與弓形連接線25的兩個端口之間的距離相差半個工作波長；微帶線26的另一端與饋 源相連接；微帶線26的尺寸為3.8mmX0.8mm ；所述的輻射片21，交指電容22，接地板30，短路針41在微波介質(zhì)基板10上組 成了左右手傳輸線結(jié)構(gòu)。用來確定上述設(shè)計(jì)的理論推導(dǎo)如下根據(jù)電磁場理論和傳輸線理論，本發(fā)明天線的天線陣單元的諧振特性可等效為 如圖3所示，圖3中，符號Lr、Cl> Cr和！^分別代表串聯(lián)電感、串聯(lián)電容、并聯(lián)電容 和并聯(lián)電感。根據(jù)無耗傳輸線理論，傳輸線的傳播常數(shù);I = _/廣=7^，其中Z和Y分別 為傳輸線的單位長度的阻抗和導(dǎo)納。根據(jù)Bloch理論和周期性邊界的Floquent邊界條件，可以得到圖3所示的周期性 單元的色散方程為如下
權(quán)利要求1.一種復(fù)合左右手傳輸線的寬帶二元陣天線，包括一涂覆銅箔的微波介質(zhì)基板和通 過刻蝕銅箔在微波介質(zhì)基板上的上、下表面分別形成的上表面元件和下表面元件，其特 征在于所述的上表面元件包括兩個結(jié)構(gòu)相同的天線陣單元，天線陣單元之間通過弓形 連接線相連接；弓形連接線中間的某處連接微帶線的一端，連接點(diǎn)到弓形連接線的兩個 端口的距離之間相差入/2，A為天線陣單元的工作波長，微帶線的另一端和饋源相連 接，所述的下表面元件為接地板，每個天線陣單元由N個依次排列的方形輻射片構(gòu)成，N 取2 10個，每個輻射片通過短路針穿過微波介質(zhì)基板與接地板導(dǎo)通；天線陣單元最外 邊的輻射片上刻蝕有方形槽，每兩個輻射片之間刻蝕有方齒形刻蝕線，構(gòu)成一個或多個 方齒形交指，以構(gòu)成交指電容，所述的弓形連接線和輻射片之間刻蝕有縫隙，縫隙的間 距可以為0.1mm 0.3mm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種復(fù)合左右手傳輸線的寬帶二元陣天線，其特征在于 所述的微波介質(zhì)基板由特氟龍材料構(gòu)成、FR4環(huán)氧玻璃布或發(fā)泡聚苯乙烯構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種復(fù)合左右手傳輸線的寬帶二元陣天線，其特征在于 所述的弓形連接線為形狀彎曲的微帶線。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種復(fù)合左右手傳輸線的寬帶二元陣天線，其特征在于 所述的方齒形刻蝕線構(gòu)成的交指電容寬度小于輻射片寬度。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種復(fù)合左右手傳輸線的寬帶二元陣天線，包括微波介質(zhì)基板和上、下表面元件，上表面元件包括兩個通過弓形連接線相連接的天線陣單元，弓形連接線中間和饋源之間連接微帶線，下表面元件為接地板，每個天線陣單元由N個依次排列的方形輻射片構(gòu)成，每個輻射片通過短路針與接地板導(dǎo)通；天線陣單元最外邊的輻射片上刻蝕有方形槽，每兩個輻射片之間刻蝕有方齒形刻蝕線，弓形連接線和輻射片之間刻蝕有0.1mm～0.3mm的縫隙。本實(shí)用新型增強(qiáng)了輻射片之間的電磁耦合，改善了天線的阻抗分布情況和電磁流分布，進(jìn)一步提高天線陣的輻射帶寬和增益。
文檔編號H01Q1/38GK201804998SQ20102055365
公開日2011年4月20日 申請日期2010年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月30日
發(fā)明者吳昌英, 許家棟, 鄭奎松, 韋高 申請人:西北工業(yè)大學(xué)