本發(fā)明涉及電磁場技術(shù)的超材料領(lǐng)域，尤其涉及一種人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)單元、人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)的極化平面天線。

背景技術(shù)：

軟硬表面、電磁帶隙結(jié)構(gòu)、左手材料以及人工磁導(dǎo)體(Artificial Magnetic Conductor，AMC)等名詞越來越多的出現(xiàn)在電磁場技術(shù)領(lǐng)域中。這些結(jié)構(gòu)或者材料均具有在自然界中并不存在但極具價(jià)值的電磁特性，因此這些結(jié)構(gòu)或材料也被稱為超材料。而它們所具有的奇特的電磁特性已經(jīng)在實(shí)現(xiàn)新型高性能天線與微波器件領(lǐng)域顯示出強(qiáng)大的優(yōu)勢。

由于理想電導(dǎo)體表面需滿足切向電場為零的邊界條件，所以當(dāng)一平面波入射到理想電導(dǎo)體表面時(shí)，反射波的電場與入射波的電場之間有180度的相位差。這使得在將金屬用作天線的反射板以增強(qiáng)半空間輻射時(shí)，天線與反射板之間的距離需為大約四分之一波長。否則，反射波的反相電場會(huì)使天線的輻射性能大幅下降。這樣就增大了天線的尺寸，在實(shí)際應(yīng)用中造成不便。

由電磁場理論中的對(duì)偶性原理可知，當(dāng)平面波入射到理想磁導(dǎo)體表面時(shí)，入射波與反射波的電場是同相的。因此，如果用理想磁導(dǎo)體(Perfect Electronic Conductor，PEC)做天線的反射板，就可以實(shí)現(xiàn)新型的低剖面天線。但是，理想磁導(dǎo)體在自然界中是不存在的。

為了實(shí)現(xiàn)理想磁導(dǎo)體的電磁特性，人們提出了人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)同樣具有理想磁導(dǎo)體對(duì)平面波的同相位反射特性；目前，關(guān)于人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的研究很多，但其寬帶特性一直是研究人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)無法逾越的瓶頸。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題就是現(xiàn)有技術(shù)中的人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)無法提供寬帶特性。

因此，本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)單元，所述人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)單元包括金屬接地板、金屬過孔、介質(zhì)基板和周期貼片，所述周期貼片在所述介質(zhì)基板上刻蝕形成，并且所述周期貼片由矩形框和彎折線組成，所述彎折線的兩端在所述矩形框內(nèi)與所述矩形框電連接，并且所述彎折線通過所述金屬過孔與所述金屬接地板電連接，所述金屬過孔與所述彎折線的連接點(diǎn)在所述彎折線的所述兩端之間。

所述金屬接地板與所述介質(zhì)基板之間為空氣。

所述金屬過孔的長度為21mm，直徑為1.5mm。

進(jìn)一步地，本發(fā)明的另一目的在于提供一種人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括多個(gè)上述的人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)單元，所述多個(gè)人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)單元的周期貼片排布在所述介質(zhì)基板上，并且所述多個(gè)人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)單元中每個(gè)的所述彎折線通過所述金屬過孔與所述金屬接地板電連接。

其中，所述周期貼片在所述介質(zhì)基板上周期性排布。

其中，所述金屬接地板與所述介質(zhì)基板之間為空氣。

其中，所述金屬過孔的長度為21mm，直徑為1.5mm。

進(jìn)一步地，本發(fā)明的又一目的在于提供一種極化平面天線，該極化平面天線將上述的人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)用作反射板。

其中，所述極化平面天線的天線振子與所述人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)之間的距離為9mm。其中，所述極化平面天線的極化類型為以下之一：圓形極化、線性極化、雙極化。

通過本發(fā)明所提供的技術(shù)方案能夠?qū)崿F(xiàn)以下有益效果：在保持人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的簡單結(jié)構(gòu)的前提下，為極化平面天線提供了相對(duì)較寬的工作帶寬，同時(shí)能夠大幅減小極化平面天線的高度，即具有低剖面。

附圖說明

結(jié)合實(shí)施例并參考附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明，在附圖中：

圖1為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的一個(gè)結(jié)構(gòu)單元的示意圖；

圖2為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的示意圖；

圖3為使用根據(jù)本發(fā)明的人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的極化平面天線的平面示意圖；

圖4a現(xiàn)有技術(shù)中的極化平面天線的截面示意圖；

圖4b為使用根據(jù)本發(fā)明的人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的極化平面天線的截面示意圖；

圖5為使用根據(jù)本發(fā)明的人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的計(jì)劃平面天線的S參數(shù)的曲線圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明所公開的人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的一個(gè)結(jié)構(gòu)單元的示意圖如圖1中所示?？梢钥闯觯斯ご艑?dǎo)體結(jié)構(gòu)的一個(gè)結(jié)構(gòu)單元包括：周期貼片1、金屬過孔2、金屬接地板3、介質(zhì)基板4。進(jìn)一步地，周期貼片1包括矩形框5和彎折線6。

周期貼片1以刻蝕方式形成在介質(zhì)基板4上。周期貼片1的彎折線6的兩端在矩形框5內(nèi)與矩形框5電連接。彎折線6通過金屬過孔2電連接到金屬接地板3上，金屬過孔2在彎折線6的兩端之間與彎折線6電連接。較優(yōu)地，金屬過孔2與彎折線6的連接點(diǎn)位于彎折線6的中點(diǎn)。金屬過孔2使得周期貼片1與金屬接地板3之間形成LC并聯(lián)等效電路，其中，周期貼片1的矩形框5可以等效為電容器，彎折線6可以等效為電感器，并且金屬過孔2可以等效為電感器。因此，在保證彎折線6的長度的前提下，彎折線6可以采用任意形狀。矩形框5是圖1中所示灰色的方形環(huán)部分。

金屬接地板3與介質(zhì)基板4之間填充的介質(zhì)可以是空氣。另外，金屬接地板3與介質(zhì)基板4之間也可以為真空。

當(dāng)入射到人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上的電磁波的頻率與等效的LC并聯(lián)等效電路的諧振頻率相近甚至相等時(shí)，人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出高阻抗特性。此時(shí)，入射波 與其反射波的相位差(也就是反射相位)大約為0度。當(dāng)反射相位為0度時(shí)，人工磁導(dǎo)體呈現(xiàn)理想磁導(dǎo)體的特性。因此，使用該人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的極化平面天線的相對(duì)帶寬與其等效電容成反比，與等效電感成正比。因此，在中心頻率不變的情況下，使用該人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的極化平面天線的等效電容越大，相對(duì)帶寬越窄；等效電感越大，相對(duì)帶寬越寬。

圖2中示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。從圖2中能夠看出，在本發(fā)明的人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中，在抑制交叉極化的前提下，人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的周期貼片1可以采用任何排布方式，并且較優(yōu)地以周期性規(guī)則方式布置。在圖2中，該人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的表面上布置有9行9列的周期貼片1，周期貼片1的彎折線6的排布方向可通過仿真結(jié)果來得到。并且能夠看到，周期貼片1并不一定填滿介質(zhì)基板4，而是空出介質(zhì)基板4的中心。其中的空白部分可以便于由同軸線穿過向天線振子饋電，并且不會(huì)影響極化平面天線的整體性能。

圖3中示出了使用根據(jù)本發(fā)明的人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的極化平面天線。可以看到，極化平面天線包括天線振子以及位于天線振子下方的人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。天線振子包括天線介質(zhì)基板7、下表面金屬貼片8和上表面金屬貼片9。下表面金屬貼片8和上表面金屬貼片9所決定的極化平面天線的類型可以是圓形極化、線性極化或者雙極化等等。位于天線振子下方的人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)被用作反射板。

從圖1中可以知道，使用本發(fā)明人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的極化平面天線的相對(duì)帶寬與其等效電容成反比，與等效電感成正比。

因?yàn)榫匦慰?與金屬接地板3之間形成平板電容器，所以矩形框5的面積的改變可以引起人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的相對(duì)帶寬的變化。矩形框5的面積越大，則其等效電容越大，因而人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的相對(duì)帶寬越窄。

介質(zhì)基板4、金屬接地板3與介質(zhì)基板4之間的介質(zhì)(或真空)的相對(duì)介電常數(shù)的改變可以引起人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的相對(duì)帶寬的變化。介質(zhì)基板4和/或金屬接地板3與介質(zhì)基板4之間的介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)越大，則矩形框5的等效電容器的等效電容越大，從而使得人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的相對(duì)帶寬越窄。除此以外，介質(zhì)基板4和/或金屬接地板3與介質(zhì)基板4之間的介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)的增大， 還會(huì)導(dǎo)致天線的中心頻率越低，相對(duì)帶寬越窄，極化平面天線的增益降低。

因?yàn)閺澱劬€6可以等效為電感器，所以彎折線6的長度和/或?qū)挾鹊母淖兛梢砸鹑斯ご艑?dǎo)體結(jié)構(gòu)的相對(duì)帶寬的變化。彎折線6的長度越大、寬度越小，則其等效電感越大，因而人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的相對(duì)帶寬越寬。

因?yàn)榻饘龠^孔2可以等效為電感器，所以金屬過孔2的長度和/或?qū)挾鹊母淖兛梢砸鹑斯ご艑?dǎo)體結(jié)構(gòu)的相對(duì)帶寬的變化。金屬過孔2的長度越大、直徑越小，則其等效電感越大，因而人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的相對(duì)帶寬越寬。但是應(yīng)當(dāng)注意，金屬過孔2的長度在一定程度上決定了人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的高度，即金屬接地板3與介質(zhì)基板4之間的距離，從而影響到使用本發(fā)明的人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的極化平面天線的高度。除此以外，金屬過孔2的直徑過小也會(huì)導(dǎo)致制作難度增大，以及天線的交叉極化現(xiàn)象增強(qiáng)。因此，需要對(duì)金屬過孔2的長度和直徑進(jìn)行合理選擇，具體選擇可以通過仿真得到。

介質(zhì)基板4的尺寸與周期貼片1的尺寸和周期數(shù)有關(guān)。周期貼片1的尺寸越大，則極化平面天線的中心頻率越低，相對(duì)帶寬越窄；周期貼片1的周期數(shù)越大，則極化平面天線的方向性越好，但是會(huì)使極化平面天線的整體尺寸增大。在本申請(qǐng)的文件中，周期貼片1采用90度旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的方式布置，但是也可以在抑制交叉極化的前提下采用其他方式布置。但是需要注意，在使用某些其他的布置方式時(shí)，極化平面天線的交叉極化性能有可能變差。

圖4a和圖4b分別為現(xiàn)有技術(shù)中的極化平面天線以及使用根據(jù)本發(fā)明的人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的極化平面天線。通過圖4a和圖4b的對(duì)比可以看到，使用本發(fā)明的人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的極化平面天線與現(xiàn)有技術(shù)中使用金屬反射板的極化平面天線相比，天線高度大幅減小。天線振子與人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)之間的介質(zhì)可以是空氣。天線振子可以由位于天線振子的四個(gè)角位置的立柱10支撐。

通過仿真可以得到，在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，金屬過孔2的長度為21mm，直徑為1.5mm。進(jìn)一步地，介質(zhì)基板4為Rogers R04003基板，其尺寸為360mm×360mm×0.76mm，并且相對(duì)介電常數(shù)為3.48，介質(zhì)損耗正切值為0.0027。進(jìn)一步地，周期貼片1的尺寸為38mm×38mm，周期長度(即同一行 或同一列中相鄰的兩個(gè)周期貼片1的中心之間的距離)為40mm。進(jìn)一步地，矩形框5的內(nèi)邊長為20mm，彎折線6的長度為大約108mm，寬度為0.6mm，與金屬過孔2項(xiàng)鏈部分的寬度為1.5mm。

從圖5中可以看出，將通過仿真得到的使用上述優(yōu)選實(shí)施例中的參數(shù)的人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的極化平面天線的S參數(shù)與使用理想磁導(dǎo)體的極化平面天線的S參數(shù)進(jìn)行對(duì)比。一般情況下，可以將金屬平面看作理想磁導(dǎo)體。圖5中，│S11│的曲線是否在-15dB的直線下方是移動(dòng)通信基站天線的性能指標(biāo)之一。

從圖5中可以看到，│S11│曲線與-15dB直線的交匯點(diǎn)分別在頻率為0.69GHz和0.96GHz處，并且在0.69GHz和0.96GHz之間位于-15dB直線的下方。從而可以得知，對(duì)于中心頻率在825MHz左右的目標(biāo)應(yīng)用(例如，GSM 800或者CDMA850)中，使用本發(fā)明的人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的極化平面天線的-15dB帶寬為690MHz-960MHz。從而可以得到，以上極化平面天線的-15dB相對(duì)帶寬大約為33％。在現(xiàn)有技術(shù)中，使用金屬作為反射板的極化平面天線的-15dB相對(duì)帶寬很難超過30％。

經(jīng)過仿真可知，天線振子與人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的上表面之間的距離的理論值為零。但是當(dāng)兩者之間的距離過于小時(shí)，兩者之間的互耦現(xiàn)象非常嚴(yán)重。所以經(jīng)過優(yōu)化后，可以知道，兩者之間的距離較優(yōu)地為9mm，人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的高度較優(yōu)地為21mm，因此極化平面天線的高度為大約30mm。

而對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)中使用金屬反射板的極化平面天線，由于天線振子與反射板之間的距離應(yīng)當(dāng)為中心頻率對(duì)應(yīng)波長的四分之一，所以對(duì)于820MHz的中心頻率來說，天線振子與反射板之間的距離應(yīng)當(dāng)為大約95mm。

能夠看出，在使用相同的中心頻率時(shí)，使用本發(fā)明的人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的極化平面天線的整體高度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于現(xiàn)有技術(shù)中使用金屬反射板的極化平面天線的高度。

以上所述，僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。