專利名稱:一種高增益微帶天線罩的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種天線罩,尤其是一種高增益微帶天線的天線罩。
背景技術(shù):
左手材料是1968年由Veselag0提出來(lái)一種新型的周期性結(jié)構(gòu)人工電磁媒質(zhì)。左手材料在自然界中并不存在,它具有負(fù)的介電常數(shù)和負(fù)的磁導(dǎo)率。當(dāng)電磁波照射左手材料時(shí),描述電磁波傳播特性的電場(chǎng)強(qiáng)度E、磁場(chǎng)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(shí)還存在逆Snell折射、后向波傳播、逆多普勒效應(yīng)、 完美透鏡等特殊的電磁特性。2001年R. A. Shelby等人利用周期排列的分離環(huán)諧振器和細(xì)導(dǎo)線構(gòu)成了具有負(fù)折射率結(jié)構(gòu)的人工左手材料。這種人工合成的左手材料的電磁本構(gòu)參數(shù)是色散的,因此,在一定頻率的電磁波的照射下,左手材料的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率呈現(xiàn)出負(fù)值的特性,而在其它頻率電磁波的照射下則呈現(xiàn)出正值的介電常數(shù)的磁導(dǎo)率。然而,這個(gè)左手材料結(jié)構(gòu)需要在橫向縱向按照周期單元周期排列,左手結(jié)構(gòu)體積偏大,不適合用于天線罩的用途。2004年X. Chen等人提出一種穩(wěn)定的左手材料本構(gòu)參數(shù)提取的方法,為分析和應(yīng)用左手材料提供了很大的便利。2006年L. Giampiero研究小組利用左手材料具有的負(fù)值電磁本構(gòu)參數(shù)的特性分析計(jì)算了線源的定向輻射特性,指出在指定的工作頻率下對(duì)植入半空間左手材料的線天線的輻射性能進(jìn)行了研究,并指出此時(shí)線天線的方向性系數(shù)隨著左手材料厚度的改變而改變。不足的是,這篇文章研究的左手材料結(jié)構(gòu)是半空間式的,不易于實(shí)際制備和操作。2009年K. S. Chen研究小組采用印刷電路板上印刷Jerusalem結(jié)構(gòu)的方法制備平面結(jié)構(gòu)的左手材料,并堆放三層這種平面結(jié)構(gòu)的左手材料在微帶天線的上方,采用左手結(jié)構(gòu)的散射參數(shù)直接提取這種結(jié)構(gòu)的等效電磁參數(shù),從而利用左手材料的負(fù)電磁參數(shù)特性來(lái)改變微帶天線的波束寬度和提高天線輻射增益。然而,在K. S. Chen的文章中提到的平面結(jié)構(gòu)式左手材料天線罩是三層的結(jié)構(gòu),這樣就增加了整個(gè)天線系統(tǒng)的體積,限制了天線系統(tǒng)的小型化。
發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)針增加了天線系統(tǒng)體積的不足,本發(fā)明提供一種基于平面式左手材料結(jié)構(gòu)的高增益微帶天線罩,在微帶天線的上方覆蓋該天線罩可以很好的提高天線的增益和方向性。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是天線罩是由一塊印刷電路板構(gòu)成, 印刷電路板的基片采用FR4材料或特氟龍微波介質(zhì)基板,印刷電路板的上表面刻蝕出正六邊形微帶線復(fù)合結(jié)構(gòu);所述的正六邊形微帶線復(fù)合結(jié)構(gòu)包括正六邊形微帶線和微帶短截線兩部分;所述的正六邊形微帶線的六條邊的中點(diǎn)處分別刻蝕有伸向正六邊形中心點(diǎn)的六條微帶短截線,六條微帶短截線在中心點(diǎn)處不相交。構(gòu)成天線罩的印刷電路板的尺寸要與微帶天線的接地板的尺寸相一致,從而天線罩能夠覆蓋整個(gè)矩形微帶天線。所述的正六邊形微帶線的寬度為0. 5mm 1. Omm ;所述的微帶短截線的寬度為0. 5mm 1. 0mm,長(zhǎng)度為不大于0. 851,其中為1為所述的正六邊形微帶線每個(gè)邊中心線的長(zhǎng)度;所述的天線罩各個(gè)部分物理尺寸取值的理論依據(jù)是使天線系統(tǒng)工作在所述天線罩結(jié)構(gòu)的負(fù)材料特性的頻帶內(nèi),且在該工作頻率下本發(fā)明天線罩結(jié)構(gòu)的等效介電常數(shù)約為-1。多個(gè)所述的正六邊形微帶線復(fù)合結(jié)構(gòu)組成集合,每個(gè)正六邊形微帶線復(fù)合結(jié)構(gòu)與相鄰的正六邊形微帶線復(fù)合結(jié)構(gòu)有一條邊平行且緊密結(jié)合,形成類似于“蜂窩”式中心對(duì)稱的平面結(jié)構(gòu)。所述的正六邊形微帶復(fù)合結(jié)構(gòu)的個(gè)數(shù)為7 N個(gè),N的取值由構(gòu)成所述天線罩的印刷電路板的尺寸所決定。所述的構(gòu)成天線罩的印刷電路板下表面沒(méi)有刻蝕接地板。本發(fā)明的有益效果是刻蝕在印刷電路板上的平面式左手材料結(jié)構(gòu)克服了采用分離環(huán)諧振器和直導(dǎo)線制備左手材料結(jié)構(gòu)體積過(guò)大的缺點(diǎn)。當(dāng)電磁波照射刻蝕有中心對(duì)稱分布的正六邊形微帶線和微帶短截線的印刷電路板時(shí),通過(guò)提取該復(fù)合結(jié)構(gòu)的等效電磁參數(shù)發(fā)現(xiàn),在一定的工作頻率下該結(jié)構(gòu)的介電常數(shù)為負(fù)值,從而在該頻率范圍下這種人造復(fù)合結(jié)構(gòu)就構(gòu)成了一種左手材料結(jié)構(gòu)。合適放置的左手材料對(duì)照射的電磁波具有會(huì)聚作用。因此根據(jù)左手材料結(jié)構(gòu)這一特性,可以提高覆蓋有此種左手材料結(jié)構(gòu)的微帶天線的增益。本發(fā)明所述的平面式左手材料結(jié)構(gòu)采用單層印刷電路板方式易于制備,在現(xiàn)有的技術(shù)水平下可以實(shí)現(xiàn)低成本的制造。它可以應(yīng)用于射頻通信和微波領(lǐng)域的天線設(shè)計(jì)與制造,應(yīng)用非常廣泛。下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。
圖1為本發(fā)明實(shí)施實(shí)例一的覆蓋有平面結(jié)構(gòu)天線罩的微帶天線系統(tǒng)的立體結(jié)構(gòu)透視示意圖;圖2為圖1的俯視圖;圖3為圖1的側(cè)視圖;圖中,10-上微波介質(zhì)基板,11-正六邊形微帶線,12-微帶短截線,20-下微波介質(zhì)基板,21-接地板,22-矩形微帶天線,30-SMA接頭;圖4為周期結(jié)構(gòu)的一個(gè)周期元胞,包括刻蝕在微波介質(zhì)基板上的正六邊形微帶線和六條微帶短截線;圖5為提取圖4所示的周期元胞的等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率;圖6為天線在f = 4. 5GHz的輻射方向圖,其中(a)為E面方向圖,(b)為H面方向圖。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一如圖1所示的覆蓋有本發(fā)明所述的平面結(jié)構(gòu)天線罩的微帶天線系統(tǒng)立體結(jié)構(gòu)透視圖,其中包括平面結(jié)構(gòu)的天線罩和微帶天線兩個(gè)部分。本發(fā)明實(shí)施方案是在微帶天線上方5mm處覆蓋一層平面結(jié)構(gòu)印刷電路板式的天線罩。本實(shí)施實(shí)例所述的微帶天線系統(tǒng)的工作頻率設(shè)定為f = 4. 5GHz。所述的平面結(jié)構(gòu)天線罩是一塊無(wú)接地板的材質(zhì)為FR4的上微波介質(zhì)基板10構(gòu)成,其長(zhǎng)度和寬度分別為72mm和60mm。所述的上微波介質(zhì)基板10的基片厚度為1. 5mm。所述的上微波介質(zhì)基板10的上表面刻蝕有7個(gè)相同的正六邊形微帶線11,且微帶線的寬度為0. 5mm。所述的7個(gè)正六邊形微帶線11中的6個(gè)正六邊形微帶線11與分別與剩下的1個(gè)正六邊形微帶線11的6個(gè)邊共用,形成類似于“蜂窩”式中心對(duì)稱的平面結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)刻蝕在上微波介質(zhì)基板10的上表面。所述的正六邊形微帶線11的每個(gè)邊的中心線的長(zhǎng)度為10mm。在每個(gè)所述的正六邊形微帶線11的每個(gè)邊的中點(diǎn)處都刻蝕有伸向正六邊形微帶線11中心點(diǎn)處的微帶短截線12,共六條微帶短截線12。所述的六條微帶短截線12的寬度為1. Omm長(zhǎng)度為7. 5mm。所述的微帶天線部分的矩形微帶天線22是刻蝕在基片為FR4材質(zhì)的下微波介質(zhì)基板20的上表面,且在下微波介質(zhì)基板20的下表面刻蝕有接地板21。所述的下微波介質(zhì)基板20的物理尺寸分別為長(zhǎng)度72mm、寬度60mm和高度1. 5mm。所述的下微波介質(zhì)基板20 的上表面刻蝕有長(zhǎng)度為20mm寬度為16mm的矩形微帶天線22。所述的矩形微帶天線22和饋源通過(guò)SMA接頭30相連接,其饋電點(diǎn)位置在寬邊的對(duì)稱軸上距矩形微帶天線22中心點(diǎn)的距離為4. 7mm。用來(lái)確定上述設(shè)計(jì)的理論依據(jù)如下2003 年 R. W. Ziolkowski 研究小組采用 Nicolson-Ross-Weir(NRW)方法給出了提
取左手材料的等效電磁參數(shù)的推導(dǎo)公式。此種方法是通過(guò)計(jì)算左手材料的散射參數(shù)S11和
S21進(jìn)行參數(shù)反演,得到介質(zhì)板的等效電磁參數(shù)。因此,基于散射參量求解復(fù)合介質(zhì)等效本
構(gòu)參數(shù)的計(jì)算公式為 2 I-V^ ―7ΤΤΓ⑴
Adl +V2
2$Sr^Mr + J-TJ(2)
Kd其中,V1= S21+Sn 和 V2 = S21-S110由上式可以看出,當(dāng)Sn —O時(shí)、與μ ^是近似相同的,由此便可得到提取介質(zhì)材料電磁特性參數(shù)的計(jì)算公式。利用式(1)和式( 可以求出如圖4所示的晶胞的等效電磁參數(shù),即等效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率,計(jì)算結(jié)果如圖5所示。由圖5可以看出,晶胞在頻率范圍 4. IGHz <f <4. 5GHz范圍內(nèi)的等效介電常數(shù)為負(fù)值,且磁導(dǎo)率近似等于1。因此,在該頻率范圍內(nèi)平面的正六邊形微帶線復(fù)合結(jié)構(gòu)為等效介電常數(shù)為負(fù)值的人工左手材料。根據(jù)左手材料的性質(zhì),覆蓋這種人造的平面結(jié)構(gòu)天線罩可以會(huì)聚微帶天線的輻射場(chǎng),提高微帶天線的增益。作為實(shí)驗(yàn),我們?cè)O(shè)計(jì)了如圖1所示的覆蓋有平面結(jié)構(gòu)天線罩的微帶天線系統(tǒng)的立體結(jié)構(gòu)示意圖,其中上微波介質(zhì)基板10和下微波介質(zhì)基板20的基片選取FR4材料,通過(guò)計(jì)算得到的覆蓋有本發(fā)明所述平面結(jié)構(gòu)天線罩的微帶天線在工作頻率為f = 4. 5GHz的輻射方向圖,如圖6(a)的E面方向圖和圖6(b)的H面方向圖。在圖6中同樣給出了工作在f = 4. 5GHz的無(wú)天線罩的微帶天線的E面和H面的輻射方向圖。通過(guò)比較兩條曲線可以得出本發(fā)明的平面結(jié)構(gòu)天線罩可以提高微帶天線峰值增益3. 5dB左右,達(dá)到了預(yù)期效果,這說(shuō)明本發(fā)明可以實(shí)施,而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,價(jià)格低廉,易于實(shí)現(xiàn)。
具體實(shí)施方式
二
參考圖1、圖2、圖3和圖4,本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的不同點(diǎn)是,上微波介質(zhì)基板10的上表面元件中微帶短截線12的長(zhǎng)度為6. 5mm,其余組成及連接關(guān)系與具體實(shí)施方式
一相同。經(jīng)驗(yàn)證具備這種微帶短截線12的晶胞在頻率范圍3. 99GHz < f < 5. 36GHz范圍內(nèi)的等效介電常數(shù)為負(fù)值,且磁導(dǎo)率近似等于1。并且,覆蓋本實(shí)施實(shí)例的平面結(jié)構(gòu)天線罩的微帶天線的峰值增益得到增強(qiáng)。
具體實(shí)施方式
三參考圖1、圖2、圖3和圖4,本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的不同點(diǎn)是,上微波介質(zhì)基板10的上表面元件中微帶短截線12的寬度為0. 5mm,其余組成及連接關(guān)系與具體實(shí)施方式
一相同。經(jīng)驗(yàn)證具備這種微帶短截線12的晶胞在頻率范圍5. 91GHz <f <9. 52GHz范圍內(nèi)的等效介電常數(shù)為負(fù)值,且磁導(dǎo)率近似等于1。并且,覆蓋本實(shí)施實(shí)例的平面結(jié)構(gòu)天線罩的微帶天線的峰值增益得到增強(qiáng)。
具體實(shí)施方式
四參考圖1、圖2、圖3和圖4,本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的不同點(diǎn)是,上微波介質(zhì)基板10的基片選取特氟龍材料,其余組成及連接關(guān)系與具體實(shí)施方式
一相同。
權(quán)利要求
1.一種高增益微帶天線罩,由一塊印刷電路板構(gòu)成,其特征在于印刷電路板的基片為FR4材料或特氟龍微波介質(zhì)基板,印刷電路板的上表面刻蝕出正六邊形微帶線復(fù)合結(jié)構(gòu);所述的正六邊形微帶線復(fù)合結(jié)構(gòu)包括正六邊形微帶線和微帶短截線兩部分,正六邊形微帶線六條邊的中點(diǎn)處分別刻蝕有伸向正六邊形中心點(diǎn)的六條微帶短截線,六條微帶短截線在中心點(diǎn)處不相交;構(gòu)成天線罩的印刷電路板的尺寸與微帶天線的接地板的尺寸相一致,天線罩覆蓋整個(gè)微帶天線的輻射片。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高增益微帶天線罩,其特征在于所述的正六邊形微帶線的寬度為0. 5mm 1.0mm ;微帶短截線的寬度為0. 5mm 1. 0mm,長(zhǎng)度不大于0. 851,其中1為所述的正六邊形微帶線每個(gè)邊中心線的長(zhǎng)度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高增益微帶天線罩,其特征在于多個(gè)所述的正六邊形微帶線復(fù)合結(jié)構(gòu)組成集合,每個(gè)正六邊形微帶線復(fù)合結(jié)構(gòu)與相鄰的正六邊形微帶線復(fù)合結(jié)構(gòu)有一條邊平行且緊密結(jié)合。所述的正六邊形微帶復(fù)合結(jié)構(gòu)的個(gè)數(shù)為7 N個(gè),N的取值由構(gòu)成所述天線罩的印刷電路板的尺寸所決定。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高增益微帶天線罩,其特征在于所述的印刷電路板下表面沒(méi)有刻蝕接地板。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種高增益微帶天線罩,由一塊印刷電路板構(gòu)成,印刷電路板的基片為FR4材料或特氟龍微波介質(zhì)基板,印刷電路板的上表面刻蝕出正六邊形微帶線復(fù)合結(jié)構(gòu);所述的正六邊形微帶線復(fù)合結(jié)構(gòu)包括正六邊形微帶線和微帶短截線兩部分,正六邊形微帶線六條邊的中點(diǎn)處分別刻蝕有伸向正六邊形中心點(diǎn)的六條微帶短截線,六條微帶短截線在中心點(diǎn)處不相交;構(gòu)成天線罩的印刷電路板的尺寸與微帶天線的接地板的尺寸相一致,天線罩覆蓋整個(gè)微帶天線的輻射片。本發(fā)明可以很好的提高天線的增益和方向性。
文檔編號(hào)H01Q1/38GK102354812SQ20111024656
公開(kāi)日2012年2月15日 申請(qǐng)日期2011年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月25日
發(fā)明者許家棟, 鄭奎松, 韋高 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)