CN101527394B - 基于开槽的交叉金属条人工介质结构的高指向天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于人工介质结构的高增益，低副瓣的高指向天线。包括微带天线阵和由多片开槽的交叉金属条人工介质结构组成的天线罩。开槽的交叉金属条结构印制作在印刷电路基板上，并作为微带天线阵的天线罩，通过合理设计金属结构的周期及尺寸，该结构可以等效为具有等离子频率的均匀介质，当电磁波的频率在某一频段时其等效的折射率近似为零。微带天线阵辐射的电磁波通过该天线罩时能量被集中在天线罩的法线方向，达到汇聚能量的效果，从而提高天线整体的方向性和增益，降低天线的旁瓣。本发明不仅具有增益高，方向性好，主瓣窄，副瓣低等优点，而且还具有良好的机械性能，固定安装方便，加工制作简单，成本低，结构尺寸小等特点。

Description

基于开槽的交叉金属条人工介质结构的高指向天线

技术领域

本发明涉及一种无线通信部件，具体的说是一种基于人工介质结构的高增益低副瓣的高指向天线。 

背景技术

人工周期排列的金属结构可以用来等效各种均匀介质，并具有自然界的天然材料所不具备的特性。已被证明，由金属细线交织而构成的人工周期网格结构当其特征参数(单元网格大小、线宽尺寸)与电磁波的波长相比较小时，可以被视为具有较低等离子频率的均匀介质，即在其中传播的电磁波的色散关系类似于等离子气体。这一现象开辟了负材料和人工介质在微波及光波频段的应用，如完美透镜成像，各种平面微波电路等。在天线领域这种人工介质也具有潜在的应用价值。S.Enoch等人首次报道了利用人工介质实现定向辐射的研究结果，他们采用的是简单的金属细线网格结构，这种连续金属细线阵列可以用等离子频率表征它的特性。在微波频段上其等效介电常数为： 

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eff}}=1-{\mathrm{\ω}}_p^2/{\mathrm{\ω}}^2$

其中ω_p为等离子频率，ω为电磁波的频率。当电磁波的频率高于等离子频率时，材料的等效介电常数为小于1的正数；当电磁波的频率低于等离子频率时，材料的等效介电常数为小于1的负数；而当频率接近等离子频率时，等效介电常数接近零，由 

因而其等效折射率也接近零。根据几何光学的原理，当介质的等效折射率接近零时，根据Snell定律，电磁波从该介质向外出射的波束主要集中在界面的法线方向上。在介质中嵌入一全向天线，其向外出射的波束基本上都垂直于出射面，因而可以实现定向辐射。 

Enoch等人实现定向辐射所采用的人工介质结构中没有基板，因此天线装置用介电常数接近为1的泡沫进行固定，安装不方便且不容易精确定位；作为辐射源的天线采用的是单极子天线，该类天线不能采用平面印刷电路技术制作，容易造成加工误差使天线性能受损；为了将天线嵌入介质中，天线的两侧均需放置一定数量的介质板，另外，为了不使电磁波向另外一侧辐射，还需要在天线装置的底部放置平面金属反射板，这样就使得装置体积较大。 

发明内容

本发明的目的在于利用人工介质材料的零折射率特性，提供一种新型结构的高增益低副瓣的高指向天线。 

本发明所采用的技术方案是：一种基于开槽的交叉金属条人工介质结构的高指向天线，包括微带天线阵和天线罩，所述天线罩完全覆盖所述微带天线阵的信号出射口径范围，其特征在于，所述天线罩由多片印刷有金属网格的印刷电路板组成，所述印刷电路板在垂直于所述金属网格的方向上上下间隔平行排列。所述金属网格的单元结构为开槽的交叉金属条结构，所述开槽位于交叉金属条的交点处，且开槽宽度大于金属条的宽度。换句话说，也就是所述开槽从交点处将金属条隔断。 

所述微带天线阵利用微波材料板作为基板，所述基板正面设置一组微带贴片，背面为接地金属板。在本发明中，所述微带天线阵通过SMA接头馈电。所述SMA接头外部金属接微带天线阵基板上的接地金属板，内芯穿过微波介质板通过微带线与各微带贴片连接，通过调整微带线的宽度和长度可以使微带天线阵与SMA接头匹配。微带贴片可以根据需要按照一定的阵列形状排列。 

所述多片印刷电路板等间距平行排列，其层数至少有3层，所述开槽的交叉金属条结构在印刷电路板上周期排列，印刷电路板的尺寸足够大，能覆盖天线的出射口径范围。 

所述微带天线阵设置在所述天线罩的一侧，且与所述天线罩平行正对。这样设置一方面，可以使天线阵发射出的电磁波更多的重直或接近于重直入射到天线罩上，以提高天线的整体方向性；另一方面有利于将天线罩做到最小。 

实验证明，所述微带天线阵到所述天线罩的距离最好与所述多片印刷电路板间距相同，或者在此基础上根据天线的整体方向性高低进行微量调整，以达到更好效果。 

所述天线罩各基板和微带天线阵可以采用有机玻璃框进行固定，比如在有机玻璃框上相应处设置各印刷电路板及微带天线阵基板插槽。 

在本发明中，微带天线阵辐射的电磁波通过天线罩，由于天线罩的等效折射率为0，根据 

n_isinθ_i＝n_tsinθ_t

因为n_i为零，所以从天线罩出射的能量的出射角θ_t为零，即集中在天线罩的法线方向，因此具有高的指向性。 

本发明不仅具有增益高、方向性好、半功率波束宽度小、旁瓣电平低等特点，而且 与背景技术相比，具有的有益的效果是：该新型人工介质结构采用了基板材料，即将开槽的交叉金属条周期排列结构设计在一个实际的平面印刷电路基板上，不仅可以使介质结构尺寸做的更小，而且具有良好的机械性能，安装固定方便、准确。辐射源采用了微带阵列天线，微带阵列属平面天线，可以采用平面印刷电路技术，加工制作容易，且可以避免因加工误差所造成的天线性能损害。微带阵列天线背面的光滑金属表面即为金属反射面，因此在天线装置的底部不需要另外放置平板金属反射面，而且根据镜像原理，天线的另外一侧不需要放置同样数量的介质板，这样可以使装置中的介质板数量减少一半，因此该结构装置的体积可以做的更小。 

本发明基于人工介质材料新技术，提供了一种新型结构的高增益、低副瓣的高指向天线，该天线不仅具有增益高、波束窄、副瓣低等优越性能，而且还具有机械性能好、固定安装方便、加工制作容易、体积尺寸小等特点。 

附图说明

图1是本发明的带有天线罩的天线的整体结构示意图。 

图2是微带天线阵结构示意图。 

图3是印制有金属网格的天线罩的正视示意图。 

图4是开槽的交叉金属条结构示意图。 

图5是图4的仰视图。 

图6是天线方向图。 

图中：1、SMA接头；2、微带天线阵；3、利用开槽的交叉金属条结构的天线罩；4、金属网格单元结构；5、微带线；6、微带贴片天线。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。 

参照图1，该图为本发明提供的高指向天线整体结构示意图，包括SMA接头1、微带天线阵2和利用开槽的交叉金属条结构的天线罩3；通过SMA接头1向微带天线阵2馈送能量，微带天线阵2辐射出的电磁波透过基于开槽的交叉金属条结构的天线罩3发射出去。 

参照图4，所述的微带天线阵为1×8的8个微带贴片组成。从SMA接头经过微带线到每片微带贴片的距离相同。SMA接头的阻抗为标准的50欧姆，为了使SMA接头与每片微带贴片天线阻抗匹配，达到最大的辐射效率，每段微带线的长度和宽度要经过特 殊的设置。具体方法为分三级并联，每段并联的微带线宽度为0.76毫米；第一级并联微带线段的长度为18.9毫米；在由上一级并联向下一级并联过渡的每一个过渡段垂直方向微带线的宽度为1.52毫米；水平方向微带线的宽度为1.58毫米，长度为5.17毫米。 

微带贴片天线宽度为8.9毫米，长度为11.4毫米，如图4所示。在微带线向微带贴片天线馈电的地方有一个凹槽，凹槽的宽度为1.3毫米，深度3毫米。每片微带贴片天线之间的距离为18.9毫米。微带天线阵为垂直极化。 

参照图2，本发明所述的开槽的交叉金属条结构中，金属条的宽度为1毫米，槽宽为4.2毫米，开槽的交叉金属条结构的水平和垂直间隔均为10毫米，水平方向共排列29个开槽的交叉金属条结构，共300毫米(板的左右边缘各留出5毫米)，垂直方向共排列14个开槽的交叉金属条结构，共150毫米(板的上下边缘各留出5毫米)。印刷电路板的厚度1毫米，每片印刷电路板之间的距离为16毫米，一共有7层印刷电路板。 

微带天线阵2辐射的电磁波经过等效折射率为零的基于开槽的交叉金属条结构的天线罩3，能量集中在天线罩的法线方向。天线的方向性得到提高，实验证明，在9.77GHz的工作频率，天线的主瓣半功率波束宽度为8°，增益为14dBi，旁瓣电平为-16dB。如图5所示。 

本发明的工作频率为9.77GHz，如果要工作在其他频率，需要根据工作波长比例调整微带天线阵、微带线以及开槽的交叉金属条结构的尺寸。 

材料板的形状不一定为方形板，可以为其他形状；金属结构的尺寸可适当变动，但金属结构的周期需小于1/3波长，使结构可以等效为均匀介质，且必须保证使当平面波照射到整块天线罩时，该材料的等效折射率接近于0。 

以上所述，仅是本发明的在9.77GHz特定频率的较佳实例而已，并非对本发明作任何形式上的限定，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或修饰为等同变化的等效实例，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。 

Claims (6)

1.一种基于开槽的交叉金属条人工介质结构的高指向天线，包括微带天线阵(2)和天线罩(3)，所述天线罩(3)完全覆盖所述微带天线阵(2)的电磁波出射口径范围，其特征在于，所述天线罩(3)由多片印刷有金属网格的印刷电路板组成，所述印刷电路板在垂直于所述金属网格的方向上上下间隔平行排列，所述金属网格的单元结构为开槽的交叉金属条结构(4)，所述开槽位于交叉金属条的交点处，且开槽宽度大于金属条的宽度。 

2.根据权利要求1所述的基于开槽的交叉金属条人工介质结构的高指向天线，其特征在于，所述天线罩各印刷电路板和微带天线阵(2)固定在有机玻璃插槽上。 

3.根据权利要求1所述的基于开槽的交叉金属条人工介质结构的高指向天线，其特征在于，所述微带天线阵(2)设置在所述天线罩(3)的一侧，且与所述天线罩(3)平行正对。 

4.根据权利要求3所述的基于开槽的交叉金属条人工介质结构的高指向天线，其特征在于，所述微带天线阵(2)包括一组设置在基板上的微带贴片，所述基板采用微波介质材料，其背面为接地金属板，所述各微带贴片通过微带线(5)与SMA接头(1)的内芯连接，所述SMA接头(1)的外部金属连接在基板的接地金属板上。 

5.根据权利要求4所述的基于开槽的交叉金属条人工介质结构的高指向天线，其特征在于，所述多片印刷电路板等间距平行排列，其层数至少有3层，所述微带天线阵到所述天线罩的距离与所述多片印刷电路板间距相同，或者在此基础上根据天线的整体方向性的高低进行微量调整。 

6.根据权利要求5所述的基于开槽的交叉金属条人工介质结构的高指向天线，其特征在于，所述多片印刷电路板的间距为16mm，所述开槽的交叉金属条结构(4)中，金属条的宽度为1mm，槽宽为4.2mm，该结构在金属网格中的水平和垂直间隔均为10毫米。 

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