CN101505004B - 一种基于左手材料的高增益缝隙阵列天线 - Google Patents
一种基于左手材料的高增益缝隙阵列天线 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于左手材料的高增益缝隙阵列天线，其特点是该天线为多层结构，包括缝隙辐射层(1)，馈电层(2)和反射层(3)组成的三个金属层，三个金属层之间形成二个空气层，使用同轴接头(4)馈电；缝隙辐射层(1)是在金属层上蚀刻开口谐振环缝隙(6)和矩形窄条缝隙(5)，这些缝隙组成周期性阵列作为天线辐射单元；馈电层(2)包括一个T形功分系统(8)和若干条金属导带(9)，T形功分系统的输入端口在同轴馈电点(7)与同轴接头(4)的内导体连接，T形功分系统的每一个输出端口分别与每一条金属导带(9)连接，金属导带位于每列开口谐振环的正下方；缝隙辐射层(1)和反射层(3)充当金属地，金属地同金属导带(9)一起构成带状线传输线。它具有高增益、制作简便和成本低的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于左手材料的高增益缝隙阵列天线，属于无线电设备中天线领域。
背景技术
在无线通信、遥感遥测等诸多领域需要高增益定向天线，为此人们研制了大量的高增益定向天线，如抛物面天线、角反射天线、微带阵列天线等。人们还在不断地研制新类型的定向天线，希望在实现高增益同时，降低天线尺寸、加工难度和造价，提升天线工作频带宽度和辐射效率等性能指标，以便满足大量工程应用中对高性能高增益定向天线的需求。
左手材料是近年来国际物理学和电磁学的一个研究热点，是一个全新的研究领域。所谓左手材料是指等效介电常数和等效磁导率同时为负值的介质，又称双负介质。左手材料具有许多奇异的电磁特性，比如相速与能流的方向相反、逆Snell效应(负折射)、逆Doppler效应和逆Cerenkov辐射等等。
左手材料的出现为高增益天线的设计提供了新的设计思路，国内外进行了大量研究。迄今为止，采用的手段都是将天线置于左手材料中，或采用左手材料制作为平面透镜，将平面透镜置于天线前端，利用左手材料的负折射率对电磁波进行汇聚从而提高天线的增益。
《Progress In Electromagnetics Research，PIER》2005年51期上论文《Experimental Studyofλ/4 Monopole Antennas in A Left-Handed Meta-Material》中将四分之一波长单极子天线置于左手材料中从而将原本不具有定向性的辐射波束汇聚成定向辐射波束。《Antennas andpropagation Society International Symposium，2005IEEE》2005年7月刊上论文《Left-HandedMedium effect on the characteristics of a circular patch antenna》中把金属开口谐振环和金属矩形条构成的左手透镜覆盖在圆形微带贴片天线上，使得天线增益提高了2.8db。《Progress InElectromagnetics Research，PIER》2006年65期上论文《A STUDY OF USING THE DOUBLENEGATIVE STRUCTURE TO ENHANCE THE GAIN OF RECTANGULAR WAVEGUIDEANTENNA ARRAYS》中将左手材料制作的平面透镜置于矩形波导天线前端，将其增益提高了5dB。但在上述天线中，左手材料是被制作为独立结构附加于天线结构中，造成天线的厚度、重量和尺寸的增加。
发明内容
本发明目的是针对现有技术的不足而提供一种基于左手材料的高增益缝隙阵列天线，其特点是将左手材料制作为天线的辐射缝隙。
本发明目的由以下技术措施实现：
基于左手材料的高增益缝隙阵列天线：
基于左手材料的高增益缝隙阵列天线为多层结构，由缝隙辐射层、馈电层和反射层组成，三个金属层之间形成的二个空气层，使用同轴接头馈电；缝隙辐射层是在金属板上蚀刻开口谐振环缝隙和矩形窄条缝隙，这些缝隙组成周期性阵列作为该天线辐射单元，其中开口谐振环缝隙阵列实现负等效磁导率，矩形窄条缝隙阵列实现负介电常数，从而获得左手材料特性；馈电层包括一个T形功分系统和若干条金属导带，T形功分系统的输入端口在馈电点处与同轴接头的内导体连接，T形功分系统的每一个输出端口分别与每一条金属导带连接，T形功分系统将馈入的电磁能量等幅同相地传输到金属导带，金属导带位于每列开口谐振环的正下方；缝隙辐射层和反射层充当金属地，金属地同金属导带一起构成带状线传输线(Stripline transmission line)，该带状线传输线原理上允许电磁能量在金属导带和金属地之间无辐射地传输；开口谐振环缝隙和矩形窄条缝隙破坏了带状线传输线对电磁能量无辐射传输的条件，将电磁能量耦合到隙缝中并辐射，多个隙缝辐射的电磁能量在空间中叠加，形成高增益的定向辐射特性；金属反射层不但为带状线传输线提供金属地，并且作为金属反射面反射电磁波，加强其定向辐射增益；由开口谐振环缝隙和矩形窄条缝隙所形成左手材料所具备的对电磁波聚焦效应，进一步提高了该天线的定向辐射增益。
蚀刻在缝隙辐射层的开口谐振环缝隙和矩形窄条缝隙数量为1个或多个，数量越多，该天线的定向增益越大。
缝隙辐射层、馈电层和反射层为金属平板或印刷电路板(Printed Circuit Board，PCB)制作。
本发明具有如下优点：
1.基于左手材料的高增益缝隙阵列天线为多层平面结构，结构简单、加工容易，适宜于大批量生产。
2.基于左手材料的高增益缝隙阵列天线采用左手材料缝隙作为辐射单元，实现高增益定向辐射。
3.基于左手材料的高增益缝隙阵列天线直接由同轴线馈电，不需要额外的巴伦和阻抗变换网络，简化了天线设计、制作和调试。
附图说明
图1天线结构侧视图
图2天线缝隙辐射层正视图
图3天线馈电层正视图
图4天线三维辐射方向图
1.辐射层，2.馈电层，3.反射层，4.同轴接头，5.矩形窄条缝隙6.开口谐振环缝隙，7.同轴馈电点，8.T形功分系统，9.金属导带
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是本实施例只用于对发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制。该领域的技术熟练人员可以根据上述本发明的内容作出一些非本质的改进和调整。
实施例：
基于左手材料的高增益缝隙阵列天线的结构如图1～3所示，该天线由缝隙辐射层1，馈电层2和反射层3组成，使用同轴接头4馈电，如图1所示。
缝隙辐射层1是在金属板或印刷电路板上蚀刻开口谐振环缝隙阵列6和矩形窄条缝隙阵列5，如图2所示。
开口谐振环阵列和窄矩形条阵列都是由4×4共16个单元组成，这些缝隙组成周期性阵列作为天线辐射单元。馈电层2包括一个T形功分系统8和若干条金属导带9，T形功分系统的输入端口在馈电点7与同轴接头4的内导体连接，T形功分系统的每个输出端口分别与每一条金属导带9连接，金属导带位于每列开口谐振环的正下方，如图3所示。由于开口谐振环缝隙阵列和矩形窄条缝隙阵列的特征阻抗约90Ω，而天线馈电端口阻抗为50Ω，该T形功分系统同时完成了天线馈电的阻抗匹配。缝隙辐射层1和金属反射层3充当金属地，金属地同金属导带9一起构成带状线传输线。
经数值仿真计算，并加工制作了天线模型进行了实际测试，采用左手材料的新型带状线缝隙天线的工作频段从5.65GHz延伸到5.95GHz，其辐射增益为19.29dBi，结果表明该天线实现了高增益辐射，辐射方向图如图4所示。
Claims (3)
1.一种基于左手材料的高增益缝隙阵列天线，其特征在于该天线为多层结构，包括缝隙辐射层(1)，馈电层(2)和反射层(3)组成的三个金属层，三个金属层之间形成二个空气层，使用同轴接头(4)馈电；缝隙辐射层(1)是在金属层上蚀刻开口谐振环缝隙(6)和矩形窄条缝隙(5)，这些缝隙组成周期性阵列作为天线辐射单元；馈电层(2)包括一个T形功分系统(8)和若干条金属导带(9)，T形功分系统的输入端口在同轴馈电点(7)与同轴接头(4)的内导体连接，T形功分系统的每一个输出端口分别与每一条金属导带(9)连接，金属导带位于每列开口谐振环的正下方；缝隙辐射层(1)和反射层(3)充当金属地，金属地同金属导带(9)一起构成带状线传输线。
2.如权利要求1所述的基于左手材料的高增益缝隙阵列天线，其特征在于缝隙辐射层(1)的开口谐振环缝隙和矩形窄条缝隙的数量为多个。
3.如权利要求1所述的基于左手材料的高增益缝隙阵列天线，其特征在于缝隙辐射层(1)、馈电层(2)和反射层(3)为金属平板或印刷电路板。
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