一種基于零折射率材料的緊湊型高定向性平板天線的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型屬于透鏡天線領(lǐng)域，涉及一種基于零折射率材料的緊湊型高定向性平板天線。
【背景技術(shù)】
[0002]微帶天線是印制天線的一種，在帶有導(dǎo)體接地板的介質(zhì)基片上貼加導(dǎo)體薄片而形成，由于它剖面薄，體積小，生產(chǎn)成本低，在工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但傳統(tǒng)的微帶天線電場分布較為平均，定向性差增益低。雖然一些傳統(tǒng)天線也能實現(xiàn)高定向性和高增益，比如反射陣天線等，但其復(fù)雜的饋電系統(tǒng)增加了天線設(shè)計的成本。新型人工電磁材料由尺寸遠(yuǎn)小于波長的諧振單元按一定規(guī)律排列而成，基于等效媒質(zhì)理論，其電磁參數(shù)可以通過改變單元結(jié)構(gòu)的形狀和尺寸來靈活地調(diào)控?；谛滦腿斯る姶挪牧系耐哥R天線多以喇叭天線為饋源，效果顯著但體積和重量較大。
【實用新型內(nèi)容】
[0003]技術(shù)問題:本實用新型提供一種緊湊型高定向、體積小、重量輕、易于加工的基于零折射率材料的緊湊型高定向性平板天線。
[0004]技術(shù)方案:本實用新型的基于零折射率材料的緊湊型高定向性平板天線，包括貼片天線和零折射率透鏡，所述貼片天線由輻射金屬貼片和接地貼片通過同軸探針饋電連接組成，兩者同軸設(shè)置，接地貼片、輻射金屬貼片、零折射率透鏡依次排列設(shè)置，所述輻射金屬貼片敷設(shè)在零折射率透鏡的表面，所述接地貼片寬度大于輻射金屬貼片的寬度。
[0005]進(jìn)一步的，本實用新型的平板天線中，所述輻射金屬貼片和接地貼片之間設(shè)置有由空氣層與聚四氟乙烯基板組成的介質(zhì)層，饋電點在輻射金屬貼片的邊緣，工作頻率在6GHzo
[0006]進(jìn)一步的，本實用新型的平板天線中，所述輻射金屬貼片與接地貼片均由介質(zhì)板和設(shè)置在所述介質(zhì)板上的金屬層構(gòu)成，所述金屬層面向零折射率透鏡設(shè)置。
[0007]進(jìn)一步的，本實用新型的平板天線中，所述接地貼片與輻射金屬貼片均為圓形，接地貼片與福射金屬貼片的直徑比為3: 2。
[0008]進(jìn)一步的，本實用新型的平板天線中，所述零折射率透鏡由兩塊介質(zhì)基板平行間隔設(shè)置而成，每個介質(zhì)基板的背向貼片天線的一側(cè)均設(shè)置有陣列排布的刻蝕金屬諧振單
J L ο
[0009]進(jìn)一步的，本實用新型的平板天線中，所述刻蝕金屬諧振單元為開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)。
[0010]本實用新型主要利用新型人工電磁材料實現(xiàn)零折射率透鏡，將其放置在圓形貼片天線表面，提高其定向性。各向異性零折射率材料即某一方向的介電常數(shù)或磁導(dǎo)率為零的材料。當(dāng)TE模式的電磁波經(jīng)過縱向磁導(dǎo)率為零的材料后，只有橫向的電場和磁場，TE波H面的定向性得以提尚，進(jìn)而提尚天線增益。
[0011]本實用新型為了提高微帶天線的定向性和增益，設(shè)計了一種基于新型人工電磁材料的平板透鏡覆蓋在圓形貼片天線表面，以圓形貼片天線為饋源，設(shè)計簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，成本低，靈活性高，在定向天線和無線通信領(lǐng)域有很高的實用價值。
[0012]有益效果:本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點:
[0013]本實用新型樣品的加工由印刷電路板加工技術(shù)實現(xiàn)，設(shè)計簡單，加工方便。
[0014]本實用新型的新型透鏡天線與傳統(tǒng)微帶天線相比，定向性好，傳統(tǒng)微帶天線輻射電磁波類似半球面波，遠(yuǎn)場方向圖的波束寬度較寬，增加透鏡后，電磁波穿過透鏡相位分布得到修正，到達(dá)表面時相位差減小，輻射電磁波接近平面波，定向性較球面波好。
[0015]與微帶天線陣相比，結(jié)構(gòu)簡單靈活，有良好的通用性，通過改變結(jié)構(gòu)的尺寸便可設(shè)計在不同工作頻點，微帶天線陣的饋電網(wǎng)絡(luò)給系統(tǒng)帶來較大的饋電損耗，增加結(jié)構(gòu)復(fù)雜度的同時還會降低增益。
[0016]本實用新型首次將新型人工電磁材料應(yīng)用于圓形貼片天線，與已有的以喇叭為饋源的零折射率透鏡天線相比，具有體積小、重量輕等顯著優(yōu)勢。
[0017]本實用新型的新型透鏡天線是一種緊湊型平板天線，整個透鏡天線為平面結(jié)構(gòu)，相比其他透鏡天線，易集成，容易做成共形天線。
【附圖說明】
[0018]圖1是本實用新型一實施例中基于零折射率材料的緊湊型高定向性平板天線的示意圖；
[0019]圖2是本實用新型圖1中圓形貼片天線的示意圖，圖2(a)為正視圖，圖2(b)為后視圖，圖2(c)為側(cè)視圖；
[0020]圖3是本實用新型圖1中構(gòu)成透鏡的開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)單元示意圖，圖3(a)為正視圖，圖3(b)為側(cè)視圖；
[0021]圖4是本實用新型圖3(a)中開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的等效磁導(dǎo)率相對頻率的變化曲線；
[0022]圖5是本實用新型圖3(a)中開口諧振環(huán)單元在透鏡表面的排列示意圖；
[0023]圖6(a)為圖2(a)中圓形貼片天線在6GHz下H面電場分布示意圖，圖6(b)為圖1中透鏡天線在6GHz下H面電場分布不意圖；
[0024]圖7(a)為本實用新型在在6GHz下H面遠(yuǎn)場方向圖，圖7(b)為本實用新型在在6GHz下E面遠(yuǎn)場方向圖；
[0025]圖8(a)為本實用新型在在6GHz下H面遠(yuǎn)場測試圖，圖8(b)為本實用新型在在6GHz下E面遠(yuǎn)場測試圖。
【具體實施方式】
[0026]下面結(jié)合實施例和說明書附圖對本實用新型作進(jìn)一步的說明。
[0027]圖1是本實用新型一實施例中基于零折射率材料的緊湊型高定向性平板天線的示意圖。如圖1所示，本實用新型提供緊湊型高定向性平板天線，其由同軸直接饋電的圓形貼片天線和圓形平板零折射率透鏡組成。圖2(a)為圓形貼片天線的正視圖，圖2(b)為圓形貼片天線的后視圖。透鏡表面的開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)單元采取的技術(shù)方案如下:在介質(zhì)基板上表面用銅印刷出如圖3(a)尺寸的開口諧振環(huán)，介質(zhì)基板下表面無金屬背板，圖3(b)為單元結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖。磁諧振結(jié)構(gòu)利用穿過其開口諧振環(huán)的入射磁場產(chǎn)生感應(yīng)電流，激發(fā)諧振。透鏡固定在天線的輻射貼片表面，使得透鏡表面的開口諧振環(huán)平行于電場方向，避免電諧振，而磁場穿過開口諧振環(huán)產(chǎn)生磁諧振。根據(jù)等效媒質(zhì)理論，當(dāng)外部電場垂直照射到單元結(jié)構(gòu)上時，由于電響應(yīng)的緣故，不同尺寸的金屬單元尺寸在同一頻率下可以獲得不同的等效介電常數(shù)，相近的磁導(dǎo)率以及不同的等效折射率。圖4所示為圖2(a)設(shè)計的開口諧振環(huán)的等效磁導(dǎo)率隨頻率的變化曲線，在6GHz磁導(dǎo)率為零。
[0028]圓形貼片天線包含半徑為12毫米的輻射貼片和半徑為18毫米的接地貼片，兩銅片間的介質(zhì)層由兩部分組成，4毫米厚的空氣介質(zhì)和0.2毫米厚的聚四氟乙烯介質(zhì)板，這樣的組合可以展寬微帶天線的帶寬。天線采用同軸探針在輻射貼片邊緣直接饋電。
[0029]零折射率透鏡的半徑為40毫米，厚度為16毫米，由四層有金屬結(jié)構(gòu)附著的介質(zhì)薄層構(gòu)成，每層介質(zhì)基板間距4毫米。每層介質(zhì)基板上周期排列著尺寸完全相同的金屬開口諧振環(huán)，排列周期為4毫米。根據(jù)等效媒質(zhì)理論，設(shè)計的開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)在頻率為6GHz處實現(xiàn)波傳播方向的等效磁導(dǎo)率為零。其中鍍銅和聚四氟乙烯介質(zhì)板的厚度分別為0.018毫米和
0.25毫米。由于零磁導(dǎo)率材料主要對TE模起作用，實現(xiàn)磁諧振，首先要滿足磁場垂直于開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的圓環(huán)，為了避開電諧振，電場方向應(yīng)當(dāng)平行于中間的類電容結(jié)構(gòu)，因此開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)處于和圓形貼片天線平行的平面。將透鏡放在貼片天線的輻射貼片表面，由天線產(chǎn)生的波通過透鏡的作用波前變平坦，達(dá)到提高定向性的效果。
[0030]本實用新型所提的平板零折射率透鏡，樣品單層介質(zhì)板上表面如圖5所示，半徑為40毫米，單元結(jié)構(gòu)以4毫米為周期對稱排布，相鄰介質(zhì)層的間隔也相應(yīng)為4毫米。為了驗證透鏡對天線輻射電磁波的調(diào)控作用，本實用新型利用電磁仿真軟件進(jìn)行了精確的模擬仿真，仿真結(jié)果如圖6(a)、圖6(b)、圖7(a)、圖7(b)所示。圖6(a)為圓形貼片天線在6GHz下的近場，圖6(b)是增加零折射率透鏡后的結(jié)果，圖7(a)是6GHz下H面遠(yuǎn)場方向圖，圖7(b)是6GHz下E面遠(yuǎn)場方向圖。可以看出，圓形貼片天線輻射的電磁波在增加透鏡后，H面的波前變平坦，H面主瓣的波束寬度減少了 46%，透鏡天線的增益提高了 1.ldB。圖8(a)、圖8(b)為實驗結(jié)果，分別是在6GHz下H面和E面測得結(jié)果，實驗在微波暗室中進(jìn)行，實驗結(jié)果和仿真結(jié)果基本一致，驗證了本實用新型設(shè)計的透鏡可以提高貼片天線的定向性和增益。
[0031]上述實施例僅是本實用新型的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出:對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實用新型原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和等同替換，這些對本實用新型權(quán)利要求進(jìn)行改進(jìn)和等同替換后的技術(shù)方案，均落入本實用新型的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項】
1.一種基于零折射率材料的緊湊型高定向性平板天線，其特征在于，該天線包括貼片天線(I)和零折射率透鏡(2)，所述貼片天線(I)由輻射金屬貼片(3)和接地貼片(4)通過同軸探針饋電連接組成，兩者同軸設(shè)置，接地貼片(4)、輻射金屬貼片(3)、零折射率透鏡(2)依次排列設(shè)置，所述輻射金屬貼片(3)敷設(shè)在零折射率透鏡(2)的表面，所述接地貼片(4)寬度大于輻射金屬貼片(3)的寬度。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于零折射率材料的緊湊型高定向性平板天線，其特征在于，所述輻射金屬貼片(3)和接地貼片(4)之間設(shè)置有由空氣層與聚四氟乙烯基板組成的介質(zhì)層，饋電點在輻射金屬貼片(3)的邊緣，工作頻率在6GHz。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于零折射率材料的緊湊型高定向性平板天線，其特征在于，所述輻射金屬貼片(3)與接地貼片(4)均由介質(zhì)板和設(shè)置在所述介質(zhì)板上的金屬層構(gòu)成，所述金屬層面向零折射率透鏡(2)設(shè)置。4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的基于零折射率材料的緊湊型高定向性平板天線，其特征在于，所述接地貼片(4)與輻射金屬貼片(3)均為圓形，接地貼片(4)與輻射金屬貼片(3)的直徑比為3:2。5.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的基于零折射率材料的緊湊型高定向性平板天線，其特征在于，所述零折射率透鏡(2)由兩塊介質(zhì)基板平行間隔設(shè)置而成，每個介質(zhì)基板的背向貼片天線(I)的一側(cè)均設(shè)置有陣列排布的刻蝕金屬諧振單元。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于零折射率材料的緊湊型高定向性平板天線，其特征在于，所述刻蝕金屬諧振單元為開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)。
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于零折射率材料的緊湊型高定向性平板天線，工作在6GHz，由圓形微帶貼片天線、零折射率平板透鏡組成。其中，圓形貼片天線采用同軸饋電，天線輻射方向的正前方放置平板透鏡，透鏡由四層圓形介質(zhì)薄層相距4毫米疊加而成，每層介質(zhì)板表面周期分布著相同尺寸的磁諧振單元結(jié)構(gòu)開口諧振環(huán)，天線輻射的電磁波通過透鏡的作用，以類平面波的形式出射，從而提高定向性。本實用新型設(shè)計加工簡單，將新型人工電磁材料應(yīng)用于提高微帶貼片天線的定向性，效果顯著，在定向天線與無線通信領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。
【IPC分類】H01Q9/04, H01Q1/36
【公開號】CN205319304
【申請?zhí)枴緾N201520792792
【發(fā)明人】蔣衛(wèi)祥, 韓文清, 崔鐵軍, 馬慧鋒, 程強
【申請人】東南大學(xué)
【公開日】2016年6月15日
【申請日】2015年10月14日